本實用新型涉及地形監(jiān)測領域，特別是涉及一種基于測線技術測量地表位移或表面位移的具備修正測線伸縮率的位移測量裝置。

背景技術：

在安全監(jiān)測領域，地表位移是地質災害發(fā)生及演變過程中的直接表現(xiàn)，地表位移的大小及位移速率能直接反映災害體的安全與否，在地災監(jiān)測應用中具有十分重要的地位。

地質災害的發(fā)生、發(fā)展、演化過程，伴隨著大量宏觀可測物理信息的改變，如地表位移、深部位移、地表傾角、巖土體壓力、聲發(fā)射等。這些物理信息中，又以地表位移最為直接、直觀，通過實時捕捉，可以建立其與滑坡成災演化階段的映射關系，進而為滑坡預測預報提供必要的基礎數(shù)據(jù)。其變形趨勢又與滑坡體所處階段存在良好的映射關系，且位移量施測相對簡單方便，因而工程界普遍利用位移監(jiān)測對滑坡體的安全狀況進行合理評價。

目前拉線式位移測量裝置由于結構簡單，操作容易，成為位移測量的主要方法。但是現(xiàn)有拉線式位移測量裝置僅是簡單利用了測線長度的測量值，未考慮到天氣、環(huán)境等因素對測線測量結果的影響，使得測量結果精確度較低。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是要提供能夠修正測線在環(huán)境影響下伸縮率變化的位移測量裝置，以提高測量精度。

特別地，本實用新型提供的一種修正測線伸縮率的位移測量裝置，包括：

主設備，包括安裝在基準點的主殼體，和安裝在主殼體內通過測線連接基準點和測量點的拉線裝置，對引出測線長度進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和主控模塊；

輔設備，包括安裝在監(jiān)測點的輔殼體，和安裝在所述輔殼體內的輔控模塊；

所述主設備和所述輔設備通過線纜進行信號通訊和電力連接。

在本實用新型的一個實施方式中，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。

在本實用新型的一個實施方式中，還包括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，設置在力輪一側的變向滑輪，設置在力輪另一側的恒力卷簧，以及連接力輪和恒力卷簧且中部繞過變向滑輪的拉線。

在本實用新型的一個實施方式中，所述長度測量裝置包括一個安裝在所述卷筒軸桿上的計圈傳感器，和與計圈傳感器接觸的角位移傳感器；所述計圈傳感器將卷筒的轉動量傳遞給角位移傳感器變成角度變化量，進而換算出對應的測線長度。

在本實用新型的一個實施方式中，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行修正。

本實用新型能夠同時考慮主設備和輔設備安裝位置的空間變化，同時考慮外界環(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是本實用新型一個實施方式的位移測量裝置結構示意圖；

圖2是本實用新型另一個實施方式的位移測量裝置結構示意圖；

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)測量裝置的測量結構示意圖；

圖6姿態(tài)測量裝置的工作過程示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型一個實施方式的可修正測線伸縮率的位移測量裝置100，包括分別設置在基準點的主設備10和設置在測量點的輔設備20，主設備10和輔設備20通過線纜進行信號通訊和電力連接。

該主設備10包括一個用于安裝各種設備的主殼體101，在主殼體101內安裝有：通過測線111連接基準點和測量點的拉線裝置11，對引出測線111長度進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；和識別當前測量位置的坐標識別裝置；以及實現(xiàn)遠程通訊的無線通訊裝置和主控模塊12。

該輔設備20可以包括安裝在監(jiān)測點的輔殼體201，和安裝在輔殼體201內對當前測量點姿態(tài)進行測量的輔姿態(tài)測量裝置26，以及輔控模塊22。

拉線裝置11包括一個固定在主設備101內的卷筒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，拉動測線111的引出端并將其引至測量點。通過設置在卷筒110處的長度測量裝置13，即可獲取測線111由引出點至測量點的長度。該長度測量裝置13可以是通過電阻值變化來測量卷筒110旋轉圈數(shù)的多圈電位器。

由材料熱脹冷縮性質可知，當溫度升高時，測線111變長，導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，用于修正因溫度過高或過低導致的測線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備101內外的溫度計實時測量當前溫度變化，并將溫度值傳送給主控模塊12，由主控模塊12根據(jù)預設算法求出測線111的正常測量值。

計算方法可以如下：通過溫度計測量得到所用測線111的溫度系數(shù)τ，以25℃環(huán)境時的測線111長度為基準長度，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)主設備10與輔設備20的位置發(fā)生變化時，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，來確定測量點和基準點之間的位置變化，主控模塊12根據(jù)公式計算出變化的具體數(shù)值，再用該具體數(shù)值去修正測線111的測量結果。

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

該無線通訊模塊可以實現(xiàn)主設備10與主控中心進行數(shù)據(jù)交互，實現(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，主設備10與輔設備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：設備識別碼、三維全球坐標、主設備姿態(tài)(方位、俯仰、橫滾角度)、輔設備姿態(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校驗碼等。

該主控模塊12可以由微控制芯片、開關陣列、數(shù)模轉換組等幾部分功能模塊組成，在微控制芯片固件程序驅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)計算、數(shù)據(jù)無線發(fā)送等測控工作，是整個設備的邏輯執(zhí)行核心。

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

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

本實施方式能夠同時考慮主設備10和輔設備20安裝位置的空間變化，同時考慮外界環(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，在本實用新型的一個實施方式中，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為支點在測線111的拉動下轉動，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，設置在力輪152一側的變向滑輪153，設置在力輪152另一側的恒力卷簧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，同時減少受力并延長恒力卷簧151的拉力距離。

當測線111拉動卷筒110轉動時，力輪152會帶著拉線154同時轉動并將拉線154繞在力輪152上，而恒力卷簧151始終對拉線154施加一個相反的拉力，因此使拉出的測線111始終處于繃緊狀態(tài)，當測線111回縮時，恒力卷簧151施加到力輪152上的拉力，會自動使卷筒110回轉，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，同時由于用于承擔拉力的彈簧材料長度增加，單位長度材料上分擔的力減小，可以更好的工作于彈性范圍內，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到同樣的施力效果。

限位塊112可以在設備不使用時，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，同時，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還用于設備出廠時測線111的預定位，出廠時，將測線111預拉，使內部恒力卷簧151產(chǎn)生一定的拉伸，限位塊112與測線111固定，使整個設備內部各處產(chǎn)生一定的拉力，從而避免了設備在運輸及安裝過程中可能出現(xiàn)的內部測線111脫位問題，而且無需打開保護主殼體101即可完成設備的現(xiàn)場安裝。

進一步地，為防止測線111被損壞，可以在主設備10的出線孔處設置阻尼裝置，該阻尼裝置用于增加測線111的阻力，避免測線111在拉出或回縮時速度過快，導致測線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出線孔處的旋轉阻尼器。

在本實用新型的另一個實施方式中，該長度測量裝置13可以包括一個安裝在卷筒110的軸桿113上的計圈傳感器131，和一個與計圈傳感器131接觸的角位移傳感器132，計圈傳感器131隨卷筒110同步轉動，并將轉動量傳遞給角位移傳感器132，而角位移傳感器132根據(jù)角度變化計算出測線111的拉出長度，該結構可以解決超大量程與測量精度之間的矛盾關系。

如圖3所示，在本實用新型的一個實施方式中，為修正因為主設備10安裝位置發(fā)生變化而導致測線111結果出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象，可以在主設備內安裝測量當前主設備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測量結果即可修正因測線111的角度變化對測量結果的影響。

在使用時，雙軸傾斜傳感器17通常安裝于具有一定高度的主設備10的上端，當主設備10發(fā)生傾斜變形時，引起測線111長度發(fā)生改變，導致測量失真(實際上被測點并未發(fā)生位移)。主設備10傾斜變形往往是由于基礎以下的原有地表發(fā)生變形所致，故雙軸傾斜傳感器17測量到的角度變化實際上也反映了此點處地表淺層土體的變化，即同時實現(xiàn)了兩個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方法可以是：利用兩個維度傾斜角度變化(俯仰、橫滾)，可分別簡化投影到兩個對應的空間平面內，再轉化為平面幾何問題來處理。如主設備10的長度已知，當主設備10發(fā)生傾斜后，傾斜角度由設備內部雙軸傾斜傳感器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變化量呈一一對應關系。

在本實用新型的一個實施方式中，可以在主設備10內安裝測量主設備10在水平方向扭轉角度的電子羅盤16，主控模塊12通過主設備10扭轉后測線111與標準位置時測線111間的夾角變化，修正測線111的長度變化值。

在主設備10位置固定時，若主設備10安裝處地基發(fā)生水平扭轉變形(方位角變化)，則測線111長度發(fā)生改變。如圖3所示，主設備10發(fā)生方位旋轉變形，測線111出線口從位置A旋轉到位置B，導致測線111變長，但實際上主設備10到監(jiān)測點E的距離并未發(fā)生變化，若要消除水平旋轉帶來的位移誤差，則必須計算出旋轉角度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同為設備半徑，設備半徑為已知條件，旋轉角α可通過設備內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為已知的設備半徑，OE為主設備10半徑+主設備10安裝初始測線長度，均為已知，角度α由設備內部電子羅盤16測得。

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

在本實用新型的一個實施方式中，為使主設備10適應測線111的位置變化，還可以設置一個固定基座18，該主設備10通過水平軸承19可旋轉地安裝在基座18上，在基座18上安裝有鎖止主設備10旋轉的鎖止裝置191。當主設備10未鎖止時，主設備10可以隨測線111的角度變化而隨測線111的拉力旋轉。當不需要主設備10旋轉時，可以利用鎖止裝置191將主設備10鎖定在基座18上。

如圖4、5所示，在本實用新型的一個實施方式中，公開一種獲取測線111當前姿態(tài)的結構。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的方位變化同步調整旋轉方向。

通過測線111長度及不同時間點的長度變化值只能測量測線111一個維度的長度變形，通過在出線孔處安裝可在兩個維度上自由旋轉的萬向軸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，通過測量當前二個維度上的角度值，可獲取到測線111當前二個維度的角度值。根據(jù)空間幾何原理可知，處于空間內的任意已知長度的線段，若線段的空間角度(姿態(tài))已知，則此線段兩端點的三維距離值可通過幾何公式計算得到，不同時間點的兩端點三維距離值的變化量即是被測點(監(jiān)測點)的三維位置變化。

本實用新型中基座18與主設備10通過水平軸承19連接，當測線111方向改變時，水平軸承19會發(fā)生水平方向的轉動，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處設計鎖止裝置191，當鎖止裝置191將水平軸承與基座18鎖死后，萬向軸141的角度會強制跟隨測線111變化，實現(xiàn)測量監(jiān)測點三維方向變形量的目的。

萬向軸141水平方向的旋轉角度和垂直方向上的角度可通過多種技術實現(xiàn)，如二維霍爾傳感技術或二維PSD技術等，以下僅以二維PSD技術來進行實例說明。

正常情況下，激光器142向光斑位置傳感器143發(fā)射的光斑是一個垂直角度，當萬向軸141隨測線111的拉力改變方向時，會帶動激光器142同時轉動，激光器142的轉動使其發(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，即可計算出被測點沉降變化和左右位移量。

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

在空間坐標系O1中：

原點O1位于二維PSD一頂點，即二維PSD平面與坐標軸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，則A點的空間坐標A(x1,y1,z1)＝A(0,y1,z1)。

通過PSD電路，可獲取光點在PSD二維平面上的坐標y1和z1。

即：激光落在PSD上的光斑坐標可以實時獲取。

將光斑和激光線分別投影到平面Y₁O₁X₁和X₁O₁Z₁，可在兩個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可由下式計算得出

L_EY2＝L_BE×cosα2 (4)

因空間坐標系O1與O2相互平行，且測線LEB與激光射線LFA在空間內方向相同(機械剛性結構萬向軸傳導作用下，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(萬向軸)與坐標系O2的平面Y2-Z2重合，故B點在O2坐標系內的坐標為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×simα2 (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E在三維方向向相對于點B的三個距離值分別為

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均為實時測量到的已知量：

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值。

通過對比不同時間點的Dx、Dy、Dz長度變化，即可計算出監(jiān)測點的位移量。

以上公式未考慮角度以及坐標在空間坐標系內的正負號，實際應用時可添加到公式內。

在本實用新型的一個實施方式中，可以在萬向軸141內安裝線管144，測線111由線管144內穿出，在線管144內可以設置與測線111增加摩擦的彈性層。通過該結構可以減慢測線111的拉動速度，同時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。

在本實用新型的一個實施方式中，該主設備10和輔設備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，電源安裝在主設備10上，且通過線纜為輔設備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充電力的單晶硅片102。

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