本實(shí)用新型涉及地形監(jiān)測領(lǐng)域，特別是涉及一種基于測線技術(shù)測量地表位移或表面位移的多維度位移測量裝置。

背景技術(shù)：

在安全監(jiān)測領(lǐng)域，對于地表位移或表面位移的監(jiān)測方法主要有GNSS、FDR、激光、PSD、拉線和干涉雷達(dá)等，分別對應(yīng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面的變形監(jiān)測，其中FDR法和干涉雷達(dá)法分別實(shí)現(xiàn)了線和面的測量，由于技術(shù)成熟度和多解問題尚未解決，目前還不能大量應(yīng)用于室外工程監(jiān)測環(huán)境；激光和PSD法均采用光線作為測量介質(zhì)，容易受到環(huán)境光線和空氣質(zhì)量干擾，在工程應(yīng)用中受到很多現(xiàn)場條件限制。目前，在工程領(lǐng)域，對于表面位移安全監(jiān)測應(yīng)用最為廣泛的是GNSS和拉線式位移監(jiān)測儀，這兩類儀器存在以下不足：

(1)GNSS是基于衛(wèi)星定位的坐標(biāo)測量系統(tǒng)，可通過多顆衛(wèi)星得到全球坐標(biāo)值，再通過特殊的靜態(tài)解算算法，其測量精度大約在5～10mm，該精度遠(yuǎn)不能滿足人工建造結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測要求；

(2)GNSS系統(tǒng)直接依賴于衛(wèi)星信號質(zhì)量，在大氣環(huán)境較差時(shí)無法達(dá)到理論精度；

(3)GNSS的高精度是經(jīng)過海量測量數(shù)據(jù)的差分結(jié)果，海量數(shù)據(jù)需要數(shù)十分鐘的時(shí)間才能獲取，因此在突發(fā)變形的時(shí)效性方面不能滿足突發(fā)事件的要求；

(4)受GNSS的工作原理所限，其需要長時(shí)間開機(jī)和大量的數(shù)據(jù)傳輸，造成整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)耗電量增加，對網(wǎng)絡(luò)的要求很高，很多工程現(xiàn)場不具備這樣的條件。

拉線式位移監(jiān)測儀具有原理簡單，精度高的優(yōu)點(diǎn)，越來越多的被應(yīng)用于工程監(jiān)測中，但在應(yīng)用過程中也發(fā)現(xiàn)很多問題，列舉如下：

(1)測量數(shù)據(jù)單一。

只能測量拉線方向上的一維長度變化，若被測點(diǎn)存在其它方向上的位移時(shí)無法感知。若被測點(diǎn)是以基準(zhǔn)點(diǎn)(參考點(diǎn))為圓心做弧形運(yùn)動變形時(shí)，由于測線長度未發(fā)生改變，單純的一維測線無法感知。

(2)大量應(yīng)用時(shí)容易混淆。

進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)服務(wù)器對不同的監(jiān)測設(shè)備一般以測點(diǎn)編號或手機(jī)號碼來進(jìn)行識別，識別碼在安裝時(shí)由施工人員填寫表格，再錄入服務(wù)器，這種方法依賴于施工人員的記錄，在監(jiān)測點(diǎn)較多時(shí)，極易發(fā)生測點(diǎn)記錄錯(cuò)亂的問題，給永久或長期監(jiān)測及后續(xù)預(yù)警帶來很大隱患。

(3)不能測量設(shè)備本身位置的變形。

拉線式地表位移監(jiān)測儀是一種點(diǎn)到點(diǎn)的相對變化量監(jiān)測，對于參考點(diǎn)和被測點(diǎn)同時(shí)發(fā)生變形的情況無法進(jìn)行判斷。

(4)沒有校正措施。

拉線(測線)長度會受到溫度變化的影響；另外，由于被測兩點(diǎn)間的距離還受到測點(diǎn)處多種變形因素的干擾，如傾斜、旋轉(zhuǎn)等，若不加以綜合考慮、一一消除，會帶來不同程度的長度失真。

(5)沒有拉線速率保護(hù)措施。

測線速率迅速變化時(shí)，容易造成測線所受拉力突變，可能導(dǎo)致測線拉斷，從而使設(shè)備出現(xiàn)損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是要提供一種基于測線技術(shù)測量地表位移或表面位移的多維度位移測量裝置，本裝置能夠減少故障率且提高測量精度。

特別地，本實(shí)用新型提供的基于測線的多維度位移測量裝置，包括：

主設(shè)備，包括安裝在基準(zhǔn)點(diǎn)的主殼體，和安裝在主殼體內(nèi)通過測線連接基準(zhǔn)點(diǎn)和測量點(diǎn)的拉線裝置，對引出測線長度進(jìn)行測量的長度測量裝置，修正環(huán)境溫度對測線影響的溫度修正裝置；控制測線拉出速度和回縮速度的阻尼裝置；和測量測線空中角度的姿態(tài)測量裝置；和識別當(dāng)前測量位置的坐標(biāo)識別裝置；以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的無線通訊裝置和主控模塊；

輔設(shè)備，包括安裝在監(jiān)測點(diǎn)的輔殼體，和安裝在所述輔殼體內(nèi)的輔控模塊；

所述主設(shè)備和所述輔設(shè)備通過線纜進(jìn)行信號通訊和電力連接。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述拉線裝置包括繞有測線的卷筒、穿過卷筒軸心的軸桿，和將測線的端頭以受力狀態(tài)限定在所述主殼體的出線孔處的限位塊，以及對所述卷筒施加與測線拉出方向相反作用力的恒力裝置，所述恒力裝置包括安裝在所述軸桿上的力輪，設(shè)置在力輪一側(cè)的變向滑輪，設(shè)置在力輪另一側(cè)的恒力卷簧，以及連接力輪和恒力卷簧且中部繞過變向滑輪的拉線。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述長度測量裝置包括一個(gè)安裝在所述卷筒軸桿上的計(jì)圈傳感器，和與計(jì)圈傳感器接觸的角位移傳感器；所述計(jì)圈傳感器將卷筒的轉(zhuǎn)動量傳遞給角位移傳感器變成角度變化量，進(jìn)而換算出對應(yīng)的測線長度。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述主設(shè)備和所述輔設(shè)備內(nèi)分別安裝有測量其當(dāng)前傾斜狀態(tài)的雙軸傾斜傳感器，和測量其水平扭轉(zhuǎn)角度的電子羅盤，所述主控模塊根據(jù)所述雙軸傾斜傳感器和所述電子羅盤的測量值修正測線的實(shí)際測量值。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述溫度修正裝置包括溫度傳感器，所述主控模塊根據(jù)所述溫度傳感器的值，利用所述測線的溫度系數(shù)對所述測線在不同溫度下的伸縮量進(jìn)行修正。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，還包括基座，所述主設(shè)備通過水平軸承可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述基座上，在所述基座上安裝有鎖止所述主設(shè)備旋轉(zhuǎn)的鎖止裝置。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述姿態(tài)測量裝置包括安裝在所述殼體的出線孔處的萬向軸，安裝在所述萬向軸上的激光器，與所述激光器相對以接收所述激光器發(fā)射激光的光斑位置傳感器；所述萬向軸隨所述測線的方位變化同步調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述姿態(tài)測量裝置還包括安裝在所述萬向軸上的線管，所述測線由所述線管內(nèi)穿出，在所述線管內(nèi)設(shè)置有與所述測線增加摩擦的彈性層。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述阻尼裝置為旋轉(zhuǎn)阻尼器，所述坐標(biāo)識別裝置為GPS定位模塊。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述主設(shè)備和輔設(shè)備采用同一套電源，所述電源為可充電電池或不可充電電池，所述電池安裝在所述主設(shè)備上，且通過線纜為所述輔設(shè)備提供電力，在所述主殼體的上表面安裝有吸收太陽能并向所述電源補(bǔ)充電力的單晶硅片。

本實(shí)用新型能夠同時(shí)考慮主設(shè)備和輔設(shè)備安裝位置的空間變化，同時(shí)考慮外界環(huán)境因素對測線的影響，并能夠根據(jù)測線的姿態(tài)變化修正誤差值，使得獲取的結(jié)果更精確。通過長度測量裝置能夠在減少占用空間的情況下，提供更大量程的長度測量。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式的多維度位移測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施方式的多維度位移測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3圖1中的雙軸傾斜傳感器工作原理示意圖；

圖4圖1中姿態(tài)測量裝置的萬向軸安裝位置示意圖；

圖5圖1中姿態(tài)測量裝置的測量結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6姿態(tài)測量裝置的工作過程示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式的基于測線的多維度位移測量裝置100，包括分別設(shè)置在基準(zhǔn)點(diǎn)的主設(shè)備10和設(shè)置在測量點(diǎn)的輔設(shè)備20，主設(shè)備10和輔設(shè)備20通過線纜進(jìn)行信號通訊和電力連接。

該主設(shè)備10包括一個(gè)用于安裝各種設(shè)備的主殼體101，在主殼體101內(nèi)安裝有：通過測線111連接基準(zhǔn)點(diǎn)和測量點(diǎn)的拉線裝置11，對引出測線111長度進(jìn)行測量的長度測量裝置13，修正環(huán)境溫度對測線111影響的溫度修正裝置17；和測量測線111空中角度的姿態(tài)測量裝置14；和識別當(dāng)前測量位置的坐標(biāo)識別裝置；以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的無線通訊裝置和主控模塊12。

該輔設(shè)備20可以包括安裝在監(jiān)測點(diǎn)的輔殼體201，和安裝在輔殼體201內(nèi)對當(dāng)前測量點(diǎn)姿態(tài)進(jìn)行測量的輔姿態(tài)測量裝置26，以及輔控模塊22。

拉線裝置11包括一個(gè)固定在主設(shè)備101內(nèi)的卷筒110，和纏繞在卷筒110上的多圈測線111，測線111可以采用不銹鋼絲繩，在使用時(shí)，拉動測線111的引出端并將其引至測量點(diǎn)。通過設(shè)置在卷筒110處的長度測量裝置13，即可獲取測線111由引出點(diǎn)至測量點(diǎn)的長度。該長度測量裝置13可以是通過電阻值變化來測量卷筒110旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的多圈電位器。

由材料熱脹冷縮性質(zhì)可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，測線111變長，導(dǎo)致測量到的距離值變小，反之亦然。而溫度修正裝置17可以依據(jù)測線111在規(guī)定溫度下的長度，在外界溫度發(fā)生變化時(shí)，用于修正因溫度過高或過低導(dǎo)致的測線111長度變化量，從而使測線111的測量值更加精確。溫度修正裝置17可以采用安裝在主設(shè)備101內(nèi)外的溫度計(jì)實(shí)時(shí)測量當(dāng)前溫度變化，并將溫度值傳送給主控模塊12，由主控模塊12根據(jù)預(yù)設(shè)算法求出測線111的正常測量值。

計(jì)算方法可以如下：通過溫度計(jì)測量得到所用測線111的溫度系數(shù)τ，以25℃環(huán)境時(shí)的測線111長度為基準(zhǔn)長度，則某環(huán)境溫度下的長度改變量為Δl＝(t_n-25)×τ。

姿態(tài)測量裝置14可以根據(jù)主設(shè)備10與輔設(shè)備20的位置發(fā)生變化時(shí)，測量測線111的方向、俯仰和橫滾角度。姿態(tài)測量裝置14具體可以采用激光定位的方法，來確定測量點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的位置變化，主控模塊12根據(jù)公式計(jì)算出變化的具體數(shù)值，再用該具體數(shù)值去修正測線111的測量結(jié)果。

該坐標(biāo)識別裝置可以通過GPS或GNSS模塊完成每一個(gè)主設(shè)備10和輔設(shè)備20的全球三維坐標(biāo)值確定，將該坐標(biāo)值發(fā)送至主控中心，即可對每一個(gè)測量點(diǎn)進(jìn)行自動識別，從而避免各測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)混淆。

該無線通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)主設(shè)備10與主控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心或接收來自主控中心的指令。此外，主設(shè)備10與輔設(shè)備20之間也可以采用無線通訊模式。無線通訊模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)可以包括前述的：設(shè)備識別碼、三維全球坐標(biāo)、主設(shè)備姿態(tài)(方位、俯仰、橫滾角度)、輔設(shè)備姿態(tài)(方位、俯仰、橫滾角度)、測線長度、測線姿態(tài)(方位、橫滾角度)、溫度、CRC校驗(yàn)碼等。

該主控模塊12可以由微控制芯片、開關(guān)陣列、數(shù)模轉(zhuǎn)換組等幾部分功能模塊組成，在微控制芯片固件程序驅(qū)動下完成各部分電源控制、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)無線發(fā)送等測控工作，是整個(gè)設(shè)備的邏輯執(zhí)行核心。

輔設(shè)備20的輔姿態(tài)測量裝置26和輔控模塊22與主設(shè)備10的相應(yīng)部件功能相同，只是用于測量輔設(shè)備20的當(dāng)前狀態(tài)，并由輔控模塊22完成相關(guān)的計(jì)算，再通過線纜傳遞給主控模塊12。

本實(shí)施方式中，主設(shè)備10和輔設(shè)備20采用同一套電源，具體電源安裝在主設(shè)備10上，并通過電纜或是無線方式為輔設(shè)備20提供電力。

本實(shí)施方式能夠同時(shí)考慮主設(shè)備10和輔設(shè)備20安裝位置的空間變化，同時(shí)考慮外界環(huán)境因素對測線111的影響，并能夠根據(jù)測線111的姿態(tài)變化修正誤差值，使得獲取的結(jié)果更精確。通過長度測量裝置能夠在減少占用空間的情況下，提供更大量程的長度測量。

如圖2所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，該拉線裝置11可以包括繞有測線111的卷筒110、穿過卷筒110軸心的軸桿113，和將測線111的端頭以受力狀態(tài)限定在主殼體101的出線孔處的限位塊112，以及對卷筒110施加與測線111拉出方向相反作用力的恒力裝置15。

卷筒110可以軸桿113為支點(diǎn)在測線111的拉動下轉(zhuǎn)動，而恒力裝置15將作用力施加到軸桿113上，使拉出的測線111能夠始終保持繃緊狀態(tài)。具體的恒力裝置15可以包括固定在軸桿113上的力輪152，設(shè)置在力輪152一側(cè)的變向滑輪153，設(shè)置在力輪152另一側(cè)的恒力卷簧151，以及連接力輪152和恒力卷簧151且中部繞過變向滑輪153的拉線154。變向滑輪153可以減少拉線154的量程，同時(shí)減少受力并延長恒力卷簧151的拉力距離。

當(dāng)測線111拉動卷筒110轉(zhuǎn)動時(shí)，力輪152會帶著拉線154同時(shí)轉(zhuǎn)動并將拉線154繞在力輪152上，而恒力卷簧151始終對拉線154施加一個(gè)相反的拉力，因此使拉出的測線111始終處于繃緊狀態(tài)，當(dāng)測線111回縮時(shí)，恒力卷簧151施加到力輪152上的拉力，會自動使卷筒110回轉(zhuǎn)，并將測線111繞在卷筒110上，直至限位塊112卡在出線孔處。本實(shí)用新型采用恒力卷簧151作為動力件，可以具有更小的空間利用率，更長的用于分解拉線154的材料長度，在占用相同體積條件下具有更大的量程，同時(shí)由于用于承擔(dān)拉力的彈簧材料長度增加，單位長度材料上分擔(dān)的力減小，可以更好的工作于彈性范圍內(nèi)，不易產(chǎn)生永久塑性變形。力輪152的直徑可以小于卷筒110的直徑，以在付出更小量程的情況下達(dá)到同樣的施力效果。

限位塊112可以在設(shè)備不使用時(shí)，將測線111的端頭卡在出線孔處，使測線111不能回縮到主殼體101內(nèi)，同時(shí)，限位塊112可以抵制卷筒110施加到測線111上的拉力，使測線111始終處于受力狀態(tài)。此外，限位塊112還用于設(shè)備出廠時(shí)測線111的預(yù)定位，出廠時(shí)，將測線111預(yù)拉，使內(nèi)部恒力卷簧151產(chǎn)生一定的拉伸，限位塊112與測線111固定，使整個(gè)設(shè)備內(nèi)部各處產(chǎn)生一定的拉力，從而避免了設(shè)備在運(yùn)輸及安裝過程中可能出現(xiàn)的內(nèi)部測線111脫位問題，而且無需打開保護(hù)主殼體101即可完成設(shè)備的現(xiàn)場安裝。

進(jìn)一步地，為防止測線111被損壞，可以在主設(shè)備10的出線孔處設(shè)置阻尼裝置，該阻尼裝置用于增加測線111的阻力，避免測線111在拉出或回縮時(shí)速度過快，導(dǎo)致測線111斷裂或拉線裝置11精度降低。該阻尼裝置可以是安裝在主殼體101出線孔處的旋轉(zhuǎn)阻尼器。

在本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施方式中，該長度測量裝置13可以包括一個(gè)安裝在卷筒110的軸桿113上的計(jì)圈傳感器131，和一個(gè)與計(jì)圈傳感器131接觸的角位移傳感器132，計(jì)圈傳感器131隨卷筒110同步轉(zhuǎn)動，并將轉(zhuǎn)動量傳遞給角位移傳感器132，而角位移傳感器132根據(jù)角度變化計(jì)算出測線111的拉出長度，該結(jié)構(gòu)可以解決超大量程與測量精度之間的矛盾關(guān)系。

如圖3所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，為修正因?yàn)橹髟O(shè)備10安裝位置發(fā)生變化而導(dǎo)致測線111結(jié)果出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象，可以在主設(shè)備內(nèi)安裝測量當(dāng)前主設(shè)備10傾斜狀態(tài)的雙軸傾斜傳感器17，根據(jù)雙軸傾斜傳感器17測量結(jié)果即可修正因測線111的角度變化對測量結(jié)果的影響。

在使用時(shí)，雙軸傾斜傳感器17通常安裝于具有一定高度的主設(shè)備10的上端，當(dāng)主設(shè)備10發(fā)生傾斜變形時(shí)，引起測線111長度發(fā)生改變，導(dǎo)致測量失真(實(shí)際上被測點(diǎn)并未發(fā)生位移)。主設(shè)備10傾斜變形往往是由于基礎(chǔ)以下的原有地表發(fā)生變形所致，故雙軸傾斜傳感器17測量到的角度變化實(shí)際上也反映了此點(diǎn)處地表淺層土體的變化，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)維度的地基傾斜變形監(jiān)測。

傾斜引起測線111長度變化的公式推導(dǎo)方法可以是：利用兩個(gè)維度傾斜角度變化(俯仰、橫滾)，可分別簡化投影到兩個(gè)對應(yīng)的空間平面內(nèi)，再轉(zhuǎn)化為平面幾何問題來處理。如主設(shè)備10的長度已知，當(dāng)主設(shè)備10發(fā)生傾斜后，傾斜角度由設(shè)備內(nèi)部雙軸傾斜傳感器17測量得到，故根據(jù)三角函數(shù)即可計(jì)算得出因傾斜因素引起的測線111長度變化量，傾斜角度與測線111變化量呈一一對應(yīng)關(guān)系。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，可以在主設(shè)備10內(nèi)安裝測量主設(shè)備10在水平方向扭轉(zhuǎn)角度的電子羅盤16，主控模塊12通過主設(shè)備10扭轉(zhuǎn)后測線111與標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)測線111間的夾角變化，修正測線111的長度變化值。

在主設(shè)備10位置固定時(shí)，若主設(shè)備10安裝處地基發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)變形(方位角變化)，則測線111長度發(fā)生改變。如圖3所示，主設(shè)備10發(fā)生方位旋轉(zhuǎn)變形，測線111出線口從位置A旋轉(zhuǎn)到位置B，導(dǎo)致測線111變長，但實(shí)際上主設(shè)備10到監(jiān)測點(diǎn)E的距離并未發(fā)生變化，若要消除水平旋轉(zhuǎn)帶來的位移誤差，則必須計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度α作用下引起的測線111長度變化值，加以修正。

三角形AOB中，邊OA和OB同為設(shè)備半徑，設(shè)備半徑為已知條件，旋轉(zhuǎn)角α可通過設(shè)備內(nèi)部安裝的電子羅盤測量獲取，故此，三角形AOB可通過下式解出，

在三角形OEB中，邊OB已知，OE＝OA+AE，角度α已知，則邊BE由下式解出，

則因方位角發(fā)生改變而引起的測線長度修正值BB’＝BE-AE，

上式中，OB為已知的設(shè)備半徑，OE為主設(shè)備10半徑+主設(shè)備10安裝初始測線長度，均為已知，角度α由設(shè)備內(nèi)部電子羅盤16測得。

電子羅盤16除可進(jìn)行測線111長度修正外，還可用于對主設(shè)備10安裝點(diǎn)地基方位角度變化進(jìn)行監(jiān)測。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，為使主設(shè)備10適應(yīng)測線111的位置變化，還可以設(shè)置一個(gè)固定基座18，該主設(shè)備10通過水平軸承19可旋轉(zhuǎn)地安裝在基座18上，在基座18上安裝有鎖止主設(shè)備10旋轉(zhuǎn)的鎖止裝置191。當(dāng)主設(shè)備10未鎖止時(shí)，主設(shè)備10可以隨測線111的角度變化而隨測線111的拉力旋轉(zhuǎn)。當(dāng)不需要主設(shè)備10旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以利用鎖止裝置191將主設(shè)備10鎖定在基座18上。

如圖4、5所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，公開一種獲取測線111當(dāng)前姿態(tài)的結(jié)構(gòu)。該姿態(tài)測量裝置14可以包括安裝在主殼體101的出線孔處的萬向軸141，和安裝在萬向軸141上的激光器142，與及與激光器142相對安裝以接收激光器142發(fā)射激光的光斑位置傳感器143。該萬向軸141可以隨測線111的方位變化同步調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向。

通過測線111長度及不同時(shí)間點(diǎn)的長度變化值只能測量測線111一個(gè)維度的長度變形，通過在出線孔處安裝可在兩個(gè)維度上自由旋轉(zhuǎn)的萬向軸141，使其在外部測線111所受拉力作用下沿拉力方向發(fā)生自由旋轉(zhuǎn)，通過測量當(dāng)前二個(gè)維度上的角度值，可獲取到測線111當(dāng)前二個(gè)維度的角度值。根據(jù)空間幾何原理可知，處于空間內(nèi)的任意已知長度的線段，若線段的空間角度(姿態(tài))已知，則此線段兩端點(diǎn)的三維距離值可通過幾何公式計(jì)算得到，不同時(shí)間點(diǎn)的兩端點(diǎn)三維距離值的變化量即是被測點(diǎn)(監(jiān)測點(diǎn))的三維位置變化。

本實(shí)用新型中基座18與主設(shè)備10通過水平軸承19連接，當(dāng)測線111方向改變時(shí)，水平軸承19會發(fā)生水平方向的轉(zhuǎn)動，而萬向軸141則不會發(fā)生相對于主殼體101的角度變化，就無法實(shí)現(xiàn)上述三維位置監(jiān)測的功能。為此，在上述水平軸承19處設(shè)計(jì)鎖止裝置191，當(dāng)鎖止裝置191將水平軸承與基座18鎖死后，萬向軸141的角度會強(qiáng)制跟隨測線111變化，實(shí)現(xiàn)測量監(jiān)測點(diǎn)三維方向變形量的目的。

萬向軸141水平方向的旋轉(zhuǎn)角度和垂直方向上的角度可通過多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如二維霍爾傳感技術(shù)或二維PSD技術(shù)等，以下僅以二維PSD技術(shù)來進(jìn)行實(shí)例說明。

正常情況下，激光器142向光斑位置傳感器143發(fā)射的光斑是一個(gè)垂直角度，當(dāng)萬向軸141隨測線111的拉力改變方向時(shí)，會帶動激光器142同時(shí)轉(zhuǎn)動，激光器142的轉(zhuǎn)動使其發(fā)射至光斑位置傳感器143上的光斑位置發(fā)生改變，根據(jù)角度變化和測線111長度測量，即可計(jì)算出被測點(diǎn)沉降變化和左右位移量。

如圖6所示，點(diǎn)B代表安裝于主外殼101上的萬向軸，點(diǎn)F為激光器142，線EB為測線長度，測線111固定于被測點(diǎn)(監(jiān)測點(diǎn))E上，線FA為激光器142發(fā)出的光線，光線在萬向軸141作用下時(shí)刻與測線方向保持一致，點(diǎn)A為激光在二維PSD上的成像點(diǎn)。

在空間坐標(biāo)系O1中：

原點(diǎn)O1位于二維PSD一頂點(diǎn)，即二維PSD平面與坐標(biāo)軸Y1-Z1平面重合。

激光射線FA照射到二維PSD位置傳感器上A點(diǎn)，則A點(diǎn)的空間坐標(biāo)A(x1,y1,z1)＝A(0,y1,z1)。

通過PSD電路，可獲取光點(diǎn)在PSD二維平面上的坐標(biāo)y1和z1。

即：激光落在PSD上的光斑坐標(biāo)可以實(shí)時(shí)獲取。

將光斑和激光線分別投影到平面Y₁O₁X₁和X₁O₁Z₁，可在兩個(gè)平面上分別獲得直角三角形FO₁Y₁‘和直角三角形FO₁Z₁’。

在三角形FO₁Y₁‘中，直角邊FO₁長度已知(固定值)，直角邊OY₁’長度等于y1(L_AY1)，則

在三角形FO₁Z₁‘中，直角邊FO₁長度已知，直角邊OZ₁’長度等于z1(L_AZ1)，則

在空間坐標(biāo)系O2中：

L_EB長度已知(由測線傳感器測得)，則在平面EO₂Z₂中，測線長度L_EB在其平面上的投影長度L_EZ2可由下式計(jì)算得出

L_EZ2＝L_BE×cosβ2 (3)

在平面EO₂Y₂中，測線長度L_EB在其平面上的投影長度L_EY2可由下式計(jì)算得出

L_EY2＝L_BE×cosα2 (4)

因空間坐標(biāo)系O1與O2相互平行，且測線LEB與激光射線LFA在空間內(nèi)方向相同(機(jī)械剛性結(jié)構(gòu)萬向軸傳導(dǎo)作用下，激光射線總是被動的與測線保持方向一致)，則根據(jù)相似三角形原理可得到

α2＝α1 (5)

β2＝β1 (6)

將式5、式6代入式3、式4，可得

L_EZ2＝L_BE×cosβ1 (7)

L_EY2＝L_BE×cosα1 (8)

因B點(diǎn)(萬向軸)與坐標(biāo)系O2的平面Y2-Z2重合，故B點(diǎn)在O2坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為B(0,y2,z2)，y2即是L_BY2，z2即是L_BZ2。

y2＝L_BY2＝L_EY2×sinβ2 (9)

z2＝L_BZ2＝L_EZ2×sinα2 (10)

將式5、6、7、8代入式9、10，得到

y2＝L_BE×cosα1×sinβ1 (11)

z2＝L_BE×cosβ1×sinα1 (12)

將式1、式2代入得

則，監(jiān)測點(diǎn)E在三維方向向相對于點(diǎn)B的三個(gè)距離值分別為

D_x＝L_EO2 (17)

D_y＝y(tǒng)2 (18)

D_z＝z2 (19)

即：

上式中，L_BE、L_AY1、L_FO1均為實(shí)時(shí)測量到的已知量：

L_BE：為長度測量裝置測量到的測線長度(萬向軸到監(jiān)測點(diǎn)的測線長度)。

L_AY1、L_FO1：為二維PSD測量得到的激光光斑的二維坐標(biāo)值。

通過對比不同時(shí)間點(diǎn)的Dx、Dy、Dz長度變化，即可計(jì)算出監(jiān)測點(diǎn)的位移量。

以上公式未考慮角度以及坐標(biāo)在空間坐標(biāo)系內(nèi)的正負(fù)號，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可添加到公式內(nèi)。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，可以在萬向軸141內(nèi)安裝線管144，測線111由線管144內(nèi)穿出，在線管144內(nèi)可以設(shè)置與測線111增加摩擦的彈性層。通過該結(jié)構(gòu)可以減慢測線111的拉動速度，同時(shí)更好的將拉力傳遞到萬向軸141上，使萬向軸141的變化與測線111的變化保持一致。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，該主設(shè)備10和輔設(shè)備20可以采用同一套電源，電源可以為可充電電池或不可充電電池，電源安裝在主設(shè)備10上，且通過線纜為輔設(shè)備20提供電力，在主殼體101的上表面可以安裝吸收太陽能并向電源補(bǔ)充電力的單晶硅片102。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本實(shí)用新型的多個(gè)示例性實(shí)施例，但是，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本實(shí)用新型公開的內(nèi)容直接確定或推導(dǎo)出符合本實(shí)用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實(shí)用新型的范圍應(yīng)被理解和認(rèn)定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。