一種拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于位移測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及的是一種拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法，其是將拱壩分成n段，測得第1段端點處的三維位移值，且監(jiān)測每段端點相對于上一端點的三維變化量，根據(jù)傳遞原理即可求所有分段端點處的三維位移值。本發(fā)明簡單、可行、便于工程實施且符合實際工程監(jiān)測需要，為拱壩的三維位移自動化監(jiān)測提供了一種有效的手段，解決了原有測量方法只能監(jiān)測一維或二維的缺陷。另外，該方法結(jié)合實際壩體的變形情況，在保證測量有效性和測量精度的前提下，取消了測點平臺部位的轉(zhuǎn)角參數(shù)監(jiān)測，優(yōu)化了測量程序，簡化了測量裝置，提高了測量可靠性且降低了測量成本。
【專利說明】一種拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法，屬于位移測量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，拱壩位移監(jiān)測方法主要有垂線法、雙金屬管標(biāo)法、靜力水準(zhǔn)法等。其中垂線用于監(jiān)測壩體特定部位的撓度(水平位移)，雙金屬管標(biāo)和靜力水準(zhǔn)用于監(jiān)測特定部位的沉陷。因拱壩的結(jié)構(gòu)所限，每個拱壩所能設(shè)置的垂線和雙金屬管標(biāo)數(shù)量極其有限，以至于拱壩中能監(jiān)測的部位相對較少。靜力水準(zhǔn)作為監(jiān)測沉陷的儀器可以設(shè)置多處，但該儀器只能測量沉陷方向，水平方向的位移變化無法測量。
[0003]前期有一種對稱閉合激光拱壩變形監(jiān)測方法，其中國專利號為ZL200410073525.4，其公開采用了雙向檢測對稱閉環(huán)系統(tǒng)，即采用雙向監(jiān)測，兩測點間相對位移由對稱的激光發(fā)射器和激光接收器完成測量，可以同時測量多處的位移變化，但由于該方法采用激光來回照射的設(shè)計，同時在每個測量平臺處增加了平臺本身轉(zhuǎn)角參數(shù)的傳遞監(jiān)測，即測量的參數(shù)包括x，y，z (三坐標(biāo)位移)和Lax，Laz (平臺本身轉(zhuǎn)角參數(shù))，再進(jìn)行數(shù)學(xué)計算。導(dǎo)致監(jiān)測參數(shù)相對于實際需要冗余過度，結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，可靠性低，成本很高。
[0004]此外，中國專利號為ZL97214241.X，其公開了一種拱壩三維變形全自動追跡監(jiān)測方法，該方法在兩測點間設(shè)置了氦管，氦管的材料沒有特別交代，氦管內(nèi)充滿氦氣，系統(tǒng)將激光在氦管內(nèi)進(jìn)行傳輸，管道不抽真空，該方法不能從本質(zhì)上解決激光傳輸時產(chǎn)生的光路折射誤差。而且氦管還作為兩端點的相對位移變化監(jiān)測裝置，該方法受溫度影響較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為克服現(xiàn)有技術(shù)上的不足，本發(fā)明目的是提供一種相對簡單實用，對拱壩變形可以進(jìn)行三維監(jiān)測的方法，優(yōu)化了測量程序，簡化了測量裝置，提高了測量可靠性且降低了測量成本。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]—種拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法，其特征在于，其是將拱壩分成若干直線分段，通過對每個直線分段的監(jiān)測物理量來近似模擬拱壩的位移變形；其方法步驟包括如下:
[0008]I)將拱壩分成若干個直線分段；將拱壩從拱壩前端點向后端點依次分為若干個直線分段；
[0009]2)在直線分段上安裝激光發(fā)射裝置和激光接收裝置；將每一直線分段的端點上安裝激光發(fā)射器，且在每兩直線分段交接處的端點上均設(shè)置有一平臺，在所述平臺上安裝所述的激光發(fā)射器和用于接收前一直線分段的端點發(fā)射過來的激光光束的激光接收裝置，位于前一直線分段的端點的激光發(fā)射器照射方向指向后一直線分段的端點，并使發(fā)射出的激光通過真空管道傳輸至激光接收裝置，所述激光接收裝置的接收平面與激光發(fā)射器的激光光束垂直；[0010]3)監(jiān)測每一分段處的位移變化；在每一直線分段處安裝一傳遞位移變化的殷鋼尺，所述殷鋼尺的布設(shè)方向與激光照射方向一致，長度與每一分段的長度相等；
[0011]4)監(jiān)測每一直線分段的端點相對于殷鋼尺固定端的位移；將上述步驟3)中的每一殷鋼尺的一端頭固定在直線分段的端點處，所述殷鋼尺的另一端自由伸縮，在每一殷鋼尺的另一端上設(shè)置一監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置固定于平臺上，用來監(jiān)測該點相對于殷鋼固定端的位移；
[0012]5)計算每個直線分段端點的三維位移變化值；采用測點依次傳遞的原理，第I直線分段的端點采用垂線或雙金屬管標(biāo)的方法得到原始測值，從第2直線分段的端點開始，通過監(jiān)測裝置依次測量每一端點相對于上一端點的三維位移變化，依次傳遞下去，即可算得每個端點的三維位移變化值。
[0013]所述激光發(fā)射器的激光光束在近似真空中進(jìn)行傳輸至激光接收裝置。
[0014]本發(fā)明的有益效果如下:
[0015]本發(fā)明可根據(jù)實際需要在期望監(jiān)測的部位布設(shè)監(jiān)測平臺，消除了壩體結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致某些部位無法監(jiān)測的問題。同時該方法采用單向監(jiān)測系統(tǒng)，能夠同時監(jiān)測三維位移，解決了原有測量方法只能監(jiān)測一維或二維的缺陷。另外，該方法結(jié)合實際壩體的變形情況，在保證測量有效性和測量精度的前提下，取消了測點平臺部位的轉(zhuǎn)角參數(shù)監(jiān)測，只測量X，y, Z(三坐標(biāo)位移)，既滿足實際工程需求，優(yōu)化了測量程序，簡化了結(jié)構(gòu)和測量裝置，提高了測量可靠性且降低了測量成本，極大地減少了系統(tǒng)的復(fù)雜程度；并且采用激光在近似真空中進(jìn)行傳輸，從根本上解決了激光傳輸時產(chǎn)生的光路折射誤差。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為拱壩分段示意 圖；
[0017]圖2為相鄰兩分段X向計算視圖；
[0018]圖3為相鄰兩分段Y向計算視圖；
[0019]圖4為相鄰兩分段Z向計算視圖。
【具體實施方式】
[0020]下面參照附圖并結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0021]參見圖1-圖4，本發(fā)明是一種拱壩位移監(jiān)測方法，其是將拱壩分成η段，通過其他手段測得第I段端點處的三維位移值，且監(jiān)測每段端點相對于上一端點的三維變化量，根據(jù)傳遞原理即可求所有分段端點處的三維位移值，該方法具體步驟如下:
[0022]I)將拱壩分成η段，η=1，2，…i_l，i，i+1，…η，其中i為自然數(shù)，依次將每一段的端點從拱壩的一端點向另一端進(jìn)行編號，編號為1，2，…i,i+l,…η。
[0023]2)在編號為I的端點位置安裝一激光發(fā)射器，其照射方向指向第二端點。在第2端點處設(shè)置一平臺，平臺上安裝一激光接收裝置和激光發(fā)射器，激光接收裝置接收第I端點發(fā)射過來的激光光束，且激光接收裝置的接收平面與激光光束垂直，激光發(fā)射器則射向第3端點，同樣，在第3端點設(shè)置一平臺，平臺上安裝一激光接收裝置和激光發(fā)射器，激光接收裝置接收第2端點發(fā)射過來的激光光束，且激光接收裝置的接收平面與激光光束垂直，激光發(fā)射器則射向第4端點，以此類推，直至第η端點。第η端點處只設(shè)置激光接收器，用來接收第n-1端點激光發(fā)射器發(fā)射過來的激光，且激光接收裝置的接收平面與激光光束垂直。即位于第m+1段的端點上設(shè)置有一平臺，所述平臺上安裝所述的激光發(fā)射器和用于接收第m段端點發(fā)射過來的激光光束的接收激光接收裝置，所述激光接收裝置的接收平面與激光光束垂直，其中，m≥1，且m+1≤η。
[0024]3)在每一直線分段處安裝一傳遞位移變化的殷鋼尺，殷鋼尺的布設(shè)方向與激光照射方向一致，長度與每一分段的長度相當(dāng)。第I端點處的殷鋼尺端頭固定，另一端自由伸縮。第2段殷鋼尺位于第2端點處的端頭固定，另一端自由伸縮，以此類推，直至第η段。在所有殷鋼尺自由端設(shè)置一監(jiān)測裝置，該裝置固定于平臺上，用來監(jiān)測該點相對于殷鋼固定端的位移。本發(fā)明通過在測量兩端點的相對位移變化時采用的是特定的線脹系數(shù)很小的殷鋼材料，有效地減小了溫度的影響。
[0025]4)該方法采用測點依次傳遞的原理，第I端點采用垂線，雙金屬管標(biāo)等方法得到原始測值，從第2端點開始，依次測量每一端點相對于上一端點的三維位移變化，依次傳遞下去，即可算得每個端點的三維位移變化值。
[0026]數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo):
[0027]不失一般性，取第i_l和第i兩段進(jìn)行理論計算。首先確立坐標(biāo)系:坐標(biāo)系采用右手法則，水平平面為XOY平面，豎直方向為Z向。第i_l處的坐標(biāo)系為X (1-oOc1-oYc1-1),第i處的坐標(biāo)系為X⑴O⑴Y⑴，兩坐標(biāo)系間的夾角為Θ。設(shè)第1-Ι處從0(i_l5點移到O'
，該位移變化的三維坐標(biāo)已知，分別為=AXiiO ΛΥ (⑷和ΛΖ (i_n。第i處從O⑴點移到O'⑴，該處相對于的第i_l處變化后的三維坐標(biāo)已知，分別為:ΛΧ(Η,υ，Λ Y 和ΔΖα_1；0,上述三個三維相對位移值均為X (i_o0 (i_0Y (i_D坐標(biāo)系下的數(shù)值。在X⑴O⑴Y⑴坐標(biāo)系下求第i處的三維位移ΛΧ⑴，ΛΥ⑴和ΛΖ⑴。
[0028]由圖2可知:
[0029]ΔΧ ⑴=0 ⑴A/(cos Θ );
[0030]O ⑴ A=AB+BC+C O ⑴；
[0031]AB=O ⑴D=AY ⑴.(sin Θ )
[0032]其中:
[0033]BC=AX(Hi);
[0034]C O ⑴=AX (H);
[0035]聯(lián)立上式可得:
[0036]ΔΧ ⑴= (ΔΧ (η,^ + ΔΧ (η)+ΔΥ ⑴.(sin Θ ))/(cos Θ ) (I)
[0037]由圖3可知:
[0038]O ⑴ C=O ⑴ B+BC=0 ⑴ A+AC ；
[0039]AC=DE ；
[0040]其中:
[0041 ] O (J)B= Δ Y (η)；
[0042]BC=AY(Hi);
[0043]DE=AX ⑴.(sin Θ )；
[0044]O ⑴Α=ΔΥ ⑴.(sin Θ )；
[0045]聯(lián)立上式可得:[0046]ΛΥ ⑴.(sin θ ) + ΛΧ ⑴.(sin θ ) = ΔY (i_0 +ΔY (i_1；υ ； (2)
[0047]聯(lián)立(I) (2)兩式即可求得ΛΧ⑴和ΛΥ⑴。
[0048]由圖4可知:
[0049]O ⑴ B=O ⑴ Α+ΑΒ ；
[0050]其中:
[0051]O ⑴ A= Λ Z (H);
[0052]AB=AZ (η，0 ;
[0053]O ⑴Β=ΛΖ ⑴；
[0054]聯(lián)立上式可得:
[0055]ΛΖ ⑴=ΛΖ (η) + ΛΖ (Η，υ (3)
[0056]至此，第i處的三維位移ΛΧ⑴，ΛΥ⑴和ΛΖ⑴全部計算得到。綜上，只要通過其他手段測得第I處的三維位移值，且監(jiān)測到每處相對于上一處的三維變化量，根據(jù)傳遞原理即可求所有分段端點處的三維位移值。
[0057]通過實踐可知，本發(fā)明的方法簡單、可行、便于工程實施且符合實際工程監(jiān)測需要，為拱壩的三維位移自動化監(jiān)測提供了一種有效的手段。
[0058]而且本法可根據(jù)實際需要在期望監(jiān)測的部位布設(shè)監(jiān)測平臺，消除了壩體結(jié)構(gòu)因素導(dǎo)致某些部位無法監(jiān)測的問題。同時該方法能夠同時監(jiān)測三維位移，解決了原有測量方法只能監(jiān)測一維或二維的缺陷。另外，該方法結(jié)合實際壩體的變形情況，在保證測量有效性和測量精度的前提下，取消了測點平臺部位的轉(zhuǎn)角參數(shù)監(jiān)測，優(yōu)化了測量程序，簡化了測量裝置，提高了測量可靠性且降低了測量成本。
[0059]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法，其特征在于，其是將拱壩分成若干直線分段，通過對每個直線分段的監(jiān)測物理量來近似模擬拱壩的位移變形；其方法步驟包括如下: 1)將拱壩分成若干個直線分段；將拱壩從拱壩前端點向后端點依次分為若干個直線分段； 2)在直線分段上安裝激光發(fā)射裝置和激光接收裝置:在每一直線分段的端點上安裝激光發(fā)射器，且在每兩直線分段交接處的端點上均設(shè)置有一平臺，在所述平臺上安裝所述的激光發(fā)射器和用于接收前一直線分段的端點發(fā)射過來的激光光束的激光接收裝置，位于前一直線分段的端點的激光發(fā)射器照射方向指向后一直線分段的端點，并使發(fā)射出的激光通過真空管道傳輸至激光接收裝置，所述激光接收裝置的接收平面與激光發(fā)射器的激光光束垂直； 3)監(jiān)測每一分段處的位移變化；在每一直線分段處安裝一傳遞位移變化的殷鋼尺，所述殷鋼尺的布設(shè)方向與激光照射方向一致，長度與每一分段的長度相等； 4)監(jiān)測每一直線分段的端點相對于殷鋼尺固定端的位移；將上述步驟3)中的每一殷鋼尺的一端頭固定在直線分段的端點處，所述殷鋼尺的另一端自由伸縮，在每一殷鋼尺的另一端上設(shè)置一監(jiān)測裝置，該監(jiān)測裝置固定于平臺上，用來監(jiān)測該點相對于殷鋼固定端的位移； 5)計算每個直線分段端點的三維位移變化值；采用測點依次傳遞的原理，第I直線分段的端點采用垂線或雙金屬管標(biāo)的方法得到原始測值，從第2直線分段的端點開始，通過監(jiān)測裝置依次測量每一端點相對于上一端點的三維位移變化，依次傳遞下去，即可算得每個端點的三維位移變化值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的拱壩變形三維位移自動化監(jiān)測方法，其特征在于，所述激光發(fā)射器的激光光束在近似真空中進(jìn)行傳輸至激光接收裝置。
【文檔編號】G01B11/16GK103499336SQ201310443377
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】盧欣春, 胡波, 劉冠軍, 李學(xué)勝, 王軍濤 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 南京南瑞集團(tuán)公司