一種凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備及其測量方法和過程

1. 本發(fā)明涉及測繪測量領(lǐng)域，具體涉及一種凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備及測量方法。

背景技術(shù)：

2.青海至拉薩交通樞紐建設(shè)，是連接大陸與西藏的生命線工程。路基沉降變形是評價(jià)青藏公路和鐵路工程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。作為現(xiàn)場變形監(jiān)測最基本的監(jiān)測方法，人工水平監(jiān)測一直是現(xiàn)階段最可靠、成本最高的監(jiān)測方法。

3.液位計(jì)和塔尺組成的測量方法是一種常規(guī)的凍土沉降和變形觀測方法，廣泛用于工程實(shí)踐（施工、檢驗(yàn)、監(jiān)理）和一般科學(xué)研究。該方法通過比較監(jiān)測點(diǎn)與參考點(diǎn)的相對位置關(guān)系來評價(jià)待監(jiān)測點(diǎn)的變形變化規(guī)律。水平法具有直觀、簡單的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也很明顯。首先自動(dòng)測量設(shè)備，其測量精度與測量人員的熟練程度和責(zé)任感、設(shè)備的精度（包括水平尺和塔尺）、天氣條件等密切相關(guān)。其次，由于人工觀察，面對大范圍、遠(yuǎn)距離的觀測，都很難按時(shí)觀測，更別提一天一次的高密度觀測了。第三，現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。此外，普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測方面還存在誤差大、儀器成本高等問題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)自動(dòng)測量設(shè)備，過程監(jiān)控非常重要。如果不能對監(jiān)測對象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測，就無法了解突發(fā)變形過程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。更不用說每天一次的高密度觀測了。第三，現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。此外，普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測方面還存在誤差大、儀器成本高等問題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過程監(jiān)控非常重要。如果不能對監(jiān)測對象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測，就無法了解突發(fā)變形過程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。更不用說每天一次的高密度觀測了。第三，現(xiàn)階段尚未實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。此外，普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測方面還存在誤差大、儀器成本高等問題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過程監(jiān)控非常重要。如果不能對監(jiān)測對象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測，就無法了解突發(fā)變形過程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測中也存在誤差大、儀器成本高等問題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過程監(jiān)控非常重要。如果不能對監(jiān)測對象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測，就無法了解突發(fā)變形過程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。普通全站儀在沉降和變形監(jiān)測中也存在誤差大、儀器成本高等問題。在研究沉降和變形機(jī)制時(shí)，過程監(jiān)控非常重要。如果不能對監(jiān)測對象進(jìn)行在線連續(xù)高頻率監(jiān)測，就無法了解突發(fā)變形過程中各項(xiàng)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。無法理解突然變形過程中各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。無法理解突然變形過程中各個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系。更不可能捕捉失穩(wěn)時(shí)的沉降變形臨界值。

4.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，變形監(jiān)測也在朝著自動(dòng)化監(jiān)測的方向發(fā)展。無人值守自動(dòng)化解決方案相比人工觀測具有明顯優(yōu)勢：人工干擾誤差小、測量精度高、測量頻率高、可在線實(shí)時(shí)查看等。通過無人值守的自動(dòng)化解決方案測量凍土路基的沉降和變形。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備。

6. 本發(fā)明要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種測量凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備的方法。

7.為解決上述問題，本發(fā)明的凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備，其特征在于：該裝置包括設(shè)置在待測路基附近的安裝柱，以及安裝柱上的滾珠絲杠滑臺(tái)和透明保護(hù)罩以及靠近安裝柱放置的太陽能電池板；安裝柱上設(shè)有主控艙，主控艙內(nèi)設(shè)有電池和控制系統(tǒng)電路。球絲桿滑臺(tái)置于透明保護(hù)罩內(nèi)，垂直安裝在安裝柱頂部；滾珠絲杠滑臺(tái)設(shè)有若干個(gè)激光頭模塊；待測路基上的測點(diǎn)設(shè)置有多個(gè)帶反射鏡的測樁，與多個(gè)激光頭模塊一一對應(yīng)；太陽能電池板連接至電池；控制系統(tǒng)電路分別連接太陽能電池板和滾珠絲杠多個(gè)所述激光頭模塊。

8. 安裝柱為圓柱形中空結(jié)構(gòu)，中段設(shè)有主控隔室。

9. 滾珠絲杠滑臺(tái)包括一個(gè)固定在安裝柱上的底座，一個(gè)裝有步進(jìn)電機(jī)的頂座，以及

底座與頂座之間裝有滾珠絲杠和導(dǎo)軌；底座中央設(shè)有滾珠絲杠，滾珠絲杠兩側(cè)設(shè)有一組導(dǎo)軌。滾珠絲杠滑臺(tái)套在導(dǎo)軌上，滑臺(tái)上設(shè)有若干個(gè)激光頭模組，下部設(shè)有下定位片。滾珠絲杠穿過頂座并通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)相連；步進(jìn)電機(jī)和若干激光頭模塊分別通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)電路相連。

10. 控制系統(tǒng)電路包括主控模塊、電源管理模塊、通訊模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、單片機(jī)組成的人機(jī)交互模塊；電源管理模塊由太陽能電池板和與蓄電池相連的太陽能充放電控制模塊和系統(tǒng)供電模塊組成；通信模塊由與電腦通信的usb通信模塊和連接移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)通信模塊組成。測量模塊由多個(gè)激光頭組成，激光發(fā)射和接收數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊與模塊相連，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與步進(jìn)電機(jī)相連。數(shù)據(jù)管理模塊由與主控模塊相連的存儲(chǔ)模塊、與通信模塊相連的傳輸模塊和分別與存儲(chǔ)模塊和傳輸模塊相連的處理模塊構(gòu)成。人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊；主控模塊連接電源管理模塊，通信模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機(jī)交互模塊連接。人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊；主控模塊連接電源管理模塊，通信模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機(jī)交互模塊連接。人機(jī)交互模塊包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊；主控模塊連接電源管理模塊，通信模塊、測量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和人機(jī)交互模塊連接。

11.上述凍土微變形測量方法自動(dòng)測量設(shè)備包括以下步驟：

⑴

在待測路基上的測點(diǎn)處設(shè)置多個(gè)帶反光板的測樁；

⑵

滾珠絲杠滑臺(tái)內(nèi)的滑臺(tái)位于導(dǎo)軌中間為初始位置；調(diào)整滾珠絲杠滑臺(tái)中的激光頭模塊，使相應(yīng)的測量樁與反射鏡對齊，以確保帶反射片的測量樁的凍脹或解凍變形在滑動(dòng)平臺(tái)的掃描范圍內(nèi)；

⑶

在安裝柱上安裝透明保護(hù)罩；

⑷

在控制系統(tǒng)電路的控制下，滑動(dòng)平臺(tái)首先復(fù)位到由下定位片確定的滑動(dòng)平臺(tái)的最低點(diǎn)，然后通過控制它在導(dǎo)軌上往復(fù)和垂直移動(dòng)，通過每個(gè)激光頭模塊發(fā)射和接收反射光，不斷重復(fù)掃描得到每個(gè)帶反射器ⅰ的測柱對應(yīng)的位置，并通過準(zhǔn)確記錄滾珠絲杠滑軌中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度來轉(zhuǎn)換為距離數(shù)據(jù)滑動(dòng)平臺(tái)相對于滑動(dòng)平臺(tái)最低點(diǎn)的位置ⅰ，記為a；

⑸

假設(shè)一段時(shí)間后，帶反光片的測樁已經(jīng)沉降變形到ⅱ位置，重新開始測量，滑臺(tái)移動(dòng)到滑臺(tái)位置ⅱ，掃描位置ⅱ的帶反光片的測樁，并準(zhǔn)確記錄滾珠絲杠滑臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)位置ⅱ相對于滑臺(tái)最低點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)，記為b；

⑹

根據(jù)平行四邊形原理 z = z

′?

= 一個(gè)

?-?

b、可得到帶反光片的測樁在此期間對應(yīng)的沉降變形數(shù)據(jù)z；

⑺

以每天為測量頻率，重復(fù)測量每個(gè)帶反射器的測量樁對應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，然后在時(shí)域上整合路基不同點(diǎn)的變形過程監(jiān)測數(shù)據(jù)。

12.與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、在控制系統(tǒng)電路的控制下，滑動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)軌上垂直移動(dòng)，滑動(dòng)平臺(tái)通過操作過程中的激光。頭部模塊發(fā)射和接收反射光，并不斷重復(fù)掃描以獲取每個(gè)帶反射器的測量柱的位置。通過準(zhǔn)確記錄步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)平臺(tái)位置相對于初始點(diǎn)的線位移數(shù)據(jù)，從而獲得多個(gè)測點(diǎn)的高度。路基變形過程頻率、高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變形自動(dòng)測量，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，

13.2、 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于平行四邊形測量法的路基變形自動(dòng)測量，僅通過設(shè)備和測樁的可見性即可實(shí)現(xiàn)測量，具有比測量樁更廣泛的適應(yīng)性。水準(zhǔn)儀的水平視線測量。

14.3、 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，激光頭模塊在變形測量過程中保持固定。與需要測量角度和距離來計(jì)算高程數(shù)據(jù)的全站儀相比，本發(fā)明引入的誤差更小，成本更低。

圖紙說明

15. 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

16. 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

17. 圖2是本發(fā)明的工作原理圖。

18. 圖3為本發(fā)明主控電路的功能結(jié)構(gòu)圖。

19. 圖中：1

－

待測路基；2

－

帶反射器的測量樁；3

－

安裝色譜柱；31

?-

主控艙；4

－

控制系統(tǒng)電路；41

－

主控模塊；42

－

電源管理模塊；421

－

太陽能充放電控制模塊；422

－

系統(tǒng)電源模塊；43

－

通訊模塊；431

－

USB通訊模塊；432

－

移動(dòng)通訊模塊；44

－

測量模塊；441

－

激光發(fā)射和接收數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊；442

－

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；45

－

數(shù)據(jù)管理模塊；451

－

存儲(chǔ)模塊；452

－

傳輸模塊；453處理模塊；51

－

滾珠絲杠；52

－

軌; 53

－

滑動(dòng)平臺(tái)；54

－

耦合; 55

－

步進(jìn)電機(jī); 6

－

激光頭模組；7

－

透明保護(hù)罩；8

－

太陽能板; 2

-1-

位置ⅰ；2

-2-

位置ⅱ；53

－

1 滑臺(tái)位置??；53

-2-

滑動(dòng)平臺(tái)位置ⅱ。

詳細(xì)方法

20.如圖1~3所示，一種凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)安裝柱3、，放置在靠近路基1的安裝柱3上被測量的滾珠絲杠滑臺(tái)和透明保護(hù)罩7以及放置在安裝柱3附近的太陽能電池板8。

21.安裝柱3設(shè)有主控倉31，主控倉31內(nèi)裝有電池和控制系統(tǒng)電路4；滾珠絲杠滑塊置于透明保護(hù)罩7內(nèi)，垂直安裝在立柱3的頂部；滾珠絲杠滑臺(tái)上有若干個(gè)激光頭模塊6；待測路基1上的測點(diǎn)設(shè)有若干個(gè)帶有反射器的測量樁2，與若干個(gè)激光頭模塊6一一對應(yīng)。太陽能電池板8連接到電池；控制系統(tǒng)電路4分別連接太陽能電池板8、滾珠絲杠滑臺(tái)和若干激光頭模塊6。

22.其中：安裝柱3為圓柱形中空結(jié)構(gòu)，中段設(shè)有主控艙31。

23.滾珠絲杠滑臺(tái)包括固定在安裝柱3上的底座，帶有步進(jìn)電機(jī)55的頂座，以及置于底座和頂座之間的滾珠絲杠51和導(dǎo)軌52；中心設(shè)有滾珠絲杠51，滾珠絲杠51兩側(cè)設(shè)有一組導(dǎo)軌52；滾珠絲杠51和導(dǎo)軌52上套設(shè)有滑臺(tái)53，滑臺(tái)53上設(shè)有若干個(gè)激光頭模塊6。下部設(shè)有下定位件。滾珠絲杠51穿過頂座并通過聯(lián)軸器54與步進(jìn)電機(jī)55連接。步進(jìn)電機(jī)55和若干激光頭模塊6分別通過導(dǎo)線與控制系統(tǒng)電路4相連。

24.控制系統(tǒng)電路4包括由單片機(jī)組成的主控模塊41、電源管理模塊42、通訊模塊43、測量模塊44、數(shù)據(jù)管理模塊45和人機(jī)交互模塊46；電源管理模塊42由太陽能充放電控制模塊421和與太陽能電池板8和蓄電池相連的系統(tǒng)電源模塊422組成。通信模塊43由與計(jì)算機(jī)通信的USB通信模塊431和移動(dòng)連接網(wǎng)絡(luò)由移動(dòng)通信模塊432組成；測量模塊44由激光收發(fā)數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊44與若干激光頭模塊61、相連組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊442，連接步進(jìn)電機(jī)55；數(shù)據(jù)管理模塊45由存儲(chǔ)模塊451、傳輸，連接主控模塊41和通訊模塊43

模塊452、由連接存儲(chǔ)模塊451和傳輸模塊452的處理模塊453組成；人機(jī)交互模塊46包括按鍵輸入和狀態(tài)顯示模塊。主控模塊41連接電源管理模塊42、通訊模塊43、測量模塊44、數(shù)據(jù)管理模塊45連接人機(jī)交互模塊46。

25.控制系統(tǒng)電路4可以完成設(shè)備控制、數(shù)據(jù)處理和無線遠(yuǎn)傳，可以及時(shí)獲取路基變形過程的高頻、高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

26. 在實(shí)際應(yīng)用中，多個(gè)激光頭模塊6對應(yīng)的監(jiān)測點(diǎn)之一就是建立的參考監(jiān)測點(diǎn)，通過參考點(diǎn)校準(zhǔn)可以獲得更準(zhǔn)確的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。

27.凍土微變形自動(dòng)測量設(shè)備的測量方法包括以下步驟：

⑴

在待測路基1的測點(diǎn)處設(shè)置若干帶有反射器的測樁2；

⑵

將滑臺(tái)53設(shè)置在導(dǎo)軌52中間的滾珠絲杠滑臺(tái)中為初始位置；調(diào)整滾珠絲杠滑臺(tái)中的若干激光頭模塊6，使相應(yīng)的測量樁2與反射器對準(zhǔn)，以保證帶反射器2的測量樁在滑動(dòng)平臺(tái)53的掃描范圍內(nèi)發(fā)生凍脹或解凍變形。

⑶

在安裝柱3上安裝透明保護(hù)罩7，保護(hù)現(xiàn)場儀表，提高現(xiàn)場工作環(huán)境的適應(yīng)性；

⑷

在控制系統(tǒng)電路4的控制下，滑臺(tái)53先復(fù)位到下定位件確定的滑臺(tái)最低點(diǎn)，然后控制在導(dǎo)軌52上往復(fù)和垂直移動(dòng)，并通過操作期間的每個(gè)激光頭模塊6。發(fā)射和接收反射光，連續(xù)重復(fù)掃描，得到每個(gè)帶反射器ⅰ2的測桿2的位置

－

1.通過精確記錄滾珠絲杠滑臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)55的旋轉(zhuǎn)角度，轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)位置ⅰ53

－

1 相對于滑臺(tái)最低點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)記為a；

⑸

假設(shè)經(jīng)過一段時(shí)間后，帶有反射器的測量樁2會(huì)發(fā)生沉降變形到ⅱ2位置

－

2. 重新開始測量，滑臺(tái)53移動(dòng)到滑臺(tái)位置ⅱ53

－

2 掃描到位置ⅱ 2

－

2帶反射器測樁2，通過準(zhǔn)確記錄滾珠絲杠滑臺(tái)中步進(jìn)電機(jī)55的旋轉(zhuǎn)角度，換算成滑臺(tái)位置ⅱ53

－

2 相對于滑臺(tái)最低點(diǎn)的距離數(shù)據(jù)記為b；

⑹

根據(jù)平行四邊形原理 z = z

′?

= 一個(gè)

?-?

乙、丙

′

是滑動(dòng)平臺(tái)位置ⅰ53

－

1和滑動(dòng)平臺(tái)位置ⅱ53

－

可得到2與帶反射器測樁2在此期間對應(yīng)的沉降變形數(shù)據(jù)z的差值；

⑺

以每天為測量頻率，用反射器重復(fù)測量每個(gè)測樁2的相應(yīng)變形數(shù)據(jù)，然后將其整合到時(shí)域路基不同點(diǎn)的變形過程監(jiān)測數(shù)據(jù)中。

28. 本發(fā)明主控系統(tǒng)軟件已獲得中華人民共和國國家版權(quán)局計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記，軟件名稱：凍土微量自動(dòng)監(jiān)測主控系統(tǒng)軟件-形變; 注冊號(hào)：2020sr0816256。

29. 本發(fā)明制作了測試樣機(jī)并完成了測試。

30. 測試期：2020年4月至11月。

31. 試驗(yàn)地點(diǎn)：甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)東港西路318號(hào)中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究所7號(hào)樓底層。

32. 取7月份的測試數(shù)據(jù)如下：