專利名稱：拱壩三維變形全自動(dòng)追跡監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拱壩三維變形全自動(dòng)追跡監(jiān)測(cè)方法，屬于巨型建筑及大地形變的監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。具體地說是通過計(jì)算機(jī)控制的以激光為光源的光電全自動(dòng)測(cè)量技術(shù)來實(shí)現(xiàn)拱壩三維形變的監(jiān)測(cè)。
拱壩是曲線型壩，與重力壩等直線型壩相比，它的三維位移觀測(cè)要復(fù)雜得多，直到目前為止，國(guó)內(nèi)外仍沒有令人滿意的觀測(cè)手段。
國(guó)內(nèi)外拱壩的三維位移觀測(cè)主要采用以下幾種方法1、大地測(cè)量中的邊角導(dǎo)線法這種方法是最早應(yīng)用在拱壩變形觀測(cè)上的。它與大地測(cè)量中的導(dǎo)線測(cè)量原理是一樣的。理論上比較成熟，但在窄小、潮濕光線差的大壩廊道內(nèi)用經(jīng)緯儀和基線尺測(cè)量角度和邊長(zhǎng)是十分困難的，效率很低。這種方法正在逐漸被淘汰。
2、弦矢導(dǎo)線法弦矢導(dǎo)線原理與邊角導(dǎo)線相同，只是改測(cè)角為測(cè)高，效率及勞動(dòng)強(qiáng)度比邊角導(dǎo)線有所改善，這種方法在理論上是可行的。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)整體可靠性差，設(shè)計(jì)上還有缺陷，有的單位用這種方法觀測(cè)了5年，沒得出真實(shí)的位移資料?，F(xiàn)已停止使用。
3、廊道內(nèi)直伸三維網(wǎng)由于全站儀的開發(fā)和應(yīng)用導(dǎo)致了這種方法的產(chǎn)生。這種方法理論成熟，現(xiàn)場(chǎng)無設(shè)備，只是觀測(cè)墩和底盤，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單。但最致命的問題是潮濕的汛期(也是觀測(cè)的最關(guān)鍵時(shí)期)廊道內(nèi)的折光影響很大，又無法消除或改善，故此法應(yīng)用受到極大的限制。另外所需人員多，工時(shí)長(zhǎng)，操作繁瑣。很難達(dá)到實(shí)用化。
4、正倒垂線法該方法主要是測(cè)壩體的撓度，由于造價(jià)，工藝和結(jié)構(gòu)上的原因，正倒垂線法只能用于極個(gè)別的壩段上，故此法不能反映大壩整體的位移場(chǎng)。
5、直接GPS法
直接用衛(wèi)星定位系統(tǒng)的測(cè)壩變形方法已在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，但這種方法適用于變形較大，并且在地形平緩的地區(qū)的土石壩，該方法不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，還需人用GPS的接收儀一站一站地去測(cè)量，應(yīng)用上受到一定的限制。
混凝土壩變形小，拱壩又處于山區(qū)，GPS系統(tǒng)在同時(shí)同4-6顆衛(wèi)星通訊時(shí)，水平位移才能達(dá)到2毫米(只能滿足部頒拱壩壩頂?shù)木纫?，與垂直位移精度和混凝土壩的要求相差甚遠(yuǎn)。
6、間接GPS法該方法的研究剛剛開始。為了解決GPS系統(tǒng)的通訊和精度問題，將類似一個(gè)星站的一套儀器建在壩區(qū)山坡上或山頂上，達(dá)到幾個(gè)測(cè)站都能測(cè)到一個(gè)測(cè)點(diǎn)，這樣水平、垂直位移精度都能提高。這種方法的造價(jià)很高，技術(shù)難度大，施工維護(hù)困難，在大壩泄洪時(shí)(監(jiān)測(cè)的最關(guān)鍵時(shí)期)不能觀測(cè)。
7、轉(zhuǎn)角真空激光系統(tǒng)這種方法的研究已進(jìn)行5年了，但并未進(jìn)入實(shí)用階段，主要是轉(zhuǎn)角棱鏡的加工精度要求相當(dāng)高，壩體六個(gè)方向的自由度帶動(dòng)棱鏡位移所產(chǎn)生的位移很難改正。且該系統(tǒng)造價(jià)高，可靠性低。
8、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)該系統(tǒng)是以激光束軸為測(cè)量基準(zhǔn)，以垂直于激光束中的波帶板為變形傳感元件，以四象限硅光電池為變形信號(hào)接收元件的系統(tǒng)。
為維持光路介質(zhì)的穩(wěn)定，現(xiàn)有系統(tǒng)以置于光路中的真空鋼管作為輔助系統(tǒng)；真空是靠觀測(cè)前抽氣機(jī)維持的。該系統(tǒng)是以HiNi激光器為激光源，當(dāng)激光源發(fā)射激光時(shí)，真空管內(nèi)的波帶板根據(jù)測(cè)量的順序臨時(shí)置入激光束中，觀測(cè)結(jié)束后波帶板轉(zhuǎn)出。該系統(tǒng)存在以下不足1)只能測(cè)量二維變形參數(shù)，即只能測(cè)量壩體沿水流方向的位移和壩體的垂直位移。
2)由于該系統(tǒng)是以一條激光束軸為基準(zhǔn)、所以，只能測(cè)直壩，不能測(cè)拱壩。
3)由于受原理誤差的限制只能測(cè)量較小變形(如10mm左右)，不能測(cè)量較大變形(如100mm左右)。原理誤差有二個(gè)，一是波帶板中心偏離激光軸后引起激光束不對(duì)稱衍射，破壞了對(duì)稱性而引起誤差；二是未考慮激光器隨壩體微小轉(zhuǎn)動(dòng)造成的基準(zhǔn)失調(diào)誤差。
4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，觀測(cè)前還需抽氣機(jī)維持系統(tǒng)真空。
5)測(cè)量周期長(zhǎng)，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
6)運(yùn)行費(fèi)用高；包括激光管壽命低，更換費(fèi)用高，維持真空費(fèi)用和運(yùn)行的人工費(fèi)用等。
7)該系統(tǒng)可維護(hù)性差。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在的問題而提供一種拱壩三維變形全自動(dòng)追跡監(jiān)測(cè)方法，該方法能監(jiān)測(cè)壩體的三維空間曲線上所設(shè)定的全部被測(cè)點(diǎn)的三維位移，它包括絕對(duì)位移和相對(duì)位移。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的被監(jiān)測(cè)量壩體上被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移為ΔX、ΔY、ΔZ。
計(jì)量坐標(biāo)系被監(jiān)測(cè)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)重合，X軸與拱壩的徑向方向重合，Y軸與重力方向重合，Z軸與拱壩的切向重合。
監(jiān)測(cè)方法1.絕對(duì)參考坐標(biāo)系設(shè)基巖某點(diǎn)不動(dòng)，絕對(duì)參考坐標(biāo)系設(shè)于其上。從設(shè)于絕對(duì)參考系上的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)(即O點(diǎn))作為起點(diǎn)，用逐段傳遞的方式測(cè)量各壩段上所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)參考坐標(biāo)系的位移。
絕對(duì)參考坐標(biāo)系可以從倒錘用光電方法導(dǎo)出。
2.在每個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)上有一個(gè)同樣的激光測(cè)量平臺(tái)，在剛性的測(cè)量平臺(tái)上裝有測(cè)量激光的發(fā)射端和接收端，接收端裝有光電位移傳感器，接收上一個(gè)測(cè)量平臺(tái)激光發(fā)射器發(fā)出的測(cè)量激光，完成本平臺(tái)相對(duì)上一個(gè)平臺(tái)垂直激光束軸方向位移的測(cè)量。發(fā)射端裝有半導(dǎo)體激光發(fā)射器，向下一個(gè)平臺(tái)發(fā)射激光測(cè)量光束。相鄰兩平臺(tái)間沿激光束軸的距離變化是用機(jī)電位移傳感器測(cè)出的。
3.用自動(dòng)安平技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在沿測(cè)量激光軸的鉛垂面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，用自動(dòng)光電定向技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在水平面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)(或者說繞鉛垂軸無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng))，這就保證了測(cè)量激光軸的空間方向相對(duì)于絕對(duì)參考系不變，從而使測(cè)量激光軸相對(duì)位移傳感器無轉(zhuǎn)動(dòng)，以排除拱壩扭曲對(duì)平動(dòng)測(cè)量的影響。
4.設(shè)0號(hào)平臺(tái)相對(duì)絕對(duì)參考系不動(dòng)，各壩段被監(jiān)測(cè)點(diǎn)平臺(tái)依次為1，2，3…故從1號(hào)平臺(tái)可測(cè)出其相對(duì)0號(hào)平臺(tái)的位移，從2號(hào)平臺(tái)可測(cè)出其相對(duì)1號(hào)平臺(tái)的位移，則2號(hào)平臺(tái)相對(duì)0號(hào)的位移可用矢量迭加方法求出。其它各點(diǎn)依此類推，即可導(dǎo)出各壩段的位移。
5.為保證光路大氣的穩(wěn)定，避免水濕氣、溫度梯度對(duì)光路的影響，激光被設(shè)計(jì)在氦管中傳播。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下1、操作簡(jiǎn)單易行，即提高了工作效率，又改善了工作環(huán)境；2、無測(cè)量原理誤差，精度高；3、可同時(shí)測(cè)量三維參數(shù)；4、系統(tǒng)徑向結(jié)構(gòu)?。?、無需觀測(cè)前抽真空，氦氣無滲漏，可根據(jù)情況5年檢修一次；6、全自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；7、激光使用壽命長(zhǎng)＞5萬小時(shí)；8、維修方便。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)框圖。
圖2為本發(fā)明單元框圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明如圖1、2所示，它是由若干相互之間有一定間隔的、有光電聯(lián)系的測(cè)量平臺(tái)組成的。測(cè)量平臺(tái)為精密的三軸結(jié)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞鉛垂軸和垂直于激光束軸的水平轉(zhuǎn)動(dòng)。擺式光學(xué)機(jī)械補(bǔ)償器與測(cè)量平臺(tái)相連。測(cè)量平臺(tái)之間設(shè)有氦管，氦管的一端通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈與平臺(tái)固定連接，氦管的另一端通過可自由滑動(dòng)的鉸鏈與機(jī)電位移傳感器相連。每個(gè)測(cè)量平臺(tái)上分別設(shè)有發(fā)射端及接收端，發(fā)射端裝有半導(dǎo)體激光發(fā)射器，激光截面為圓形。接收端分別裝有用于測(cè)量徑向和垂向的光電位移傳感器、用于測(cè)量切向的機(jī)電位移傳感器及用于克服大壩變形(扭曲)時(shí)產(chǎn)生垂向轉(zhuǎn)角的光電位移差動(dòng)傳感器，上述傳感器通過接口電路與計(jì)算機(jī)相連，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
被監(jiān)測(cè)量壩體上被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維位移為ΔX、ΔY、ΔZ。
計(jì)量坐標(biāo)系被監(jiān)測(cè)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)重合，X軸與拱壩的徑向方向重合，Y軸與重力方向重合，Z軸與拱壩的切向重合。
監(jiān)測(cè)方法1.絕對(duì)參考坐標(biāo)系設(shè)基巖某點(diǎn)不動(dòng)，絕對(duì)參考坐標(biāo)系設(shè)于其上。本方法是從設(shè)于絕對(duì)參考系上的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)(即O點(diǎn))作為起點(diǎn)，用逐段傳遞的方式測(cè)量各壩段上所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)參考坐標(biāo)系的位移。
絕對(duì)參考坐標(biāo)系可以從倒錘用光電方法導(dǎo)出。
2.在每個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)上有一個(gè)同樣的微型激光測(cè)量平臺(tái)，在剛性的測(cè)量平臺(tái)上裝有測(cè)量激光的發(fā)射端和接收端，接收端裝有光電位移傳感器，接收上一個(gè)測(cè)量平臺(tái)激光發(fā)射器發(fā)出的測(cè)量激光，完成本平臺(tái)相對(duì)上一個(gè)平臺(tái)垂直激光束軸方向位移的測(cè)量。發(fā)射端裝有半導(dǎo)體激光發(fā)射器，向下一個(gè)平臺(tái)發(fā)射激光測(cè)量光束。相鄰兩平臺(tái)間沿激光束軸的距離變化是用機(jī)電位移傳感器測(cè)出的。
3.當(dāng)大壩變形(扭曲)時(shí)要產(chǎn)生沿徑向和垂向兩個(gè)轉(zhuǎn)角，它將對(duì)位移監(jiān)測(cè)是否準(zhǔn)確產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。用自動(dòng)安平技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在沿測(cè)量激光軸的鉛垂面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，用自動(dòng)光電定向技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在水平面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)(或者說繞鉛垂軸無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng))，這就保證了測(cè)量激光軸的空間方向相對(duì)于絕對(duì)參考系不變，從而使測(cè)量激光軸相對(duì)位移傳感器無轉(zhuǎn)動(dòng)，以排除拱壩扭曲對(duì)平動(dòng)測(cè)量的影響。
4.設(shè)0號(hào)平臺(tái)相對(duì)絕對(duì)參考系不動(dòng)，各壩段被監(jiān)測(cè)點(diǎn)平臺(tái)依次為1，2，3…故從1號(hào)平臺(tái)可測(cè)出其相對(duì)0號(hào)平臺(tái)的位移，從2號(hào)平臺(tái)可測(cè)出其相對(duì)1號(hào)平臺(tái)的位移，則2號(hào)平臺(tái)相對(duì)0號(hào)的位移可用矢量迭加方法求出。其它各點(diǎn)依此類推，即可導(dǎo)出各壩段的位移。
5.為保證光路大氣的穩(wěn)定，避免水濕氣、溫度梯度對(duì)光路的影響，激光被設(shè)計(jì)在氦管中傳播。
本發(fā)明所述的激光準(zhǔn)直技術(shù)在一個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)(I)向另一個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)(J)的方向投射定向激光束，J點(diǎn)處設(shè)置光電位移傳感器，用以測(cè)量該激光束軸的垂軸位移，以電量輸出，與計(jì)算機(jī)配合實(shí)現(xiàn)二維位移的自動(dòng)測(cè)量。激光是半導(dǎo)體激光，激光束截面為圓形。光電位移傳感器可以是四象限硅光電池。
本發(fā)明所述的機(jī)電位移傳感技術(shù)一剛體，其一端用可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的鉸鏈固定于I點(diǎn)，另一端過J點(diǎn)處的鉸鏈，且可自由伸縮。該剛體在J處與機(jī)電位移傳感器相聯(lián)，把I與J之間沿激光束方向的位移以電量形式傳輸至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)第三維方向的位移測(cè)量。中介鋼體可以用氦管，機(jī)電位移傳感器可以用線性電位電子尺。
本發(fā)明所述的自動(dòng)安平技術(shù)和定向技術(shù)自動(dòng)安平技術(shù)是指激光束軸的自動(dòng)水平技術(shù)，可以用與測(cè)量平臺(tái)相聯(lián)、電磁阻尼的重錘技術(shù)實(shí)現(xiàn)。光電定向技術(shù)是保證相鄰測(cè)量平臺(tái)間無水平相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的技術(shù)，是使從I平臺(tái)射出的激光束在J平臺(tái)的反光鏡上返回到I平臺(tái)的光電位移差動(dòng)傳感器上，當(dāng)J相對(duì)I發(fā)生水平轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，返回I處的光斑偏離傳感器上的平衡位置，傳感器產(chǎn)生差動(dòng)信號(hào)指令J處的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)J平臺(tái)水平轉(zhuǎn)動(dòng)，光斑回復(fù)到傳感器的平衡位置時(shí)，J相對(duì)I的轉(zhuǎn)動(dòng)被消除。
實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安平和光電定向的機(jī)械結(jié)構(gòu)是三軸測(cè)量平臺(tái)。
本發(fā)明所述的氦管技術(shù)是兩端光學(xué)密封的金屬長(zhǎng)管，抽真空處理后灌氦氣，置于光路中。以保證光路折射介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。
本發(fā)明采用計(jì)算機(jī)采集、處理存儲(chǔ)及傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大壩位移參數(shù)的全自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種拱壩三維變形全自動(dòng)追跡監(jiān)測(cè)方法，其特征在于監(jiān)測(cè)方法(1)設(shè)置絕對(duì)參考坐標(biāo)系設(shè)基巖某點(diǎn)不動(dòng)，絕對(duì)參考坐標(biāo)系設(shè)于其上，從設(shè)于絕對(duì)參考系上的被監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為起點(diǎn)，用逐段傳遞的方式測(cè)量各壩段上所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)參考坐標(biāo)系的位移；絕對(duì)參考坐標(biāo)系可以從倒錘用光電方法導(dǎo)出；(2)在每個(gè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)上有一個(gè)同樣的激光測(cè)量平臺(tái)，在剛性的測(cè)量平臺(tái)上裝有測(cè)量激光的發(fā)射端和接收端，接收端裝有光電位移傳感器，接收上一個(gè)測(cè)量平臺(tái)激光發(fā)射器發(fā)出的測(cè)量激光，完成本平臺(tái)相對(duì)上一個(gè)平臺(tái)垂直激光束軸方向位移的測(cè)量，發(fā)射端裝有半導(dǎo)體激光發(fā)射器，向下一個(gè)平臺(tái)發(fā)射激光測(cè)量光束，相鄰兩平臺(tái)間沿激光束軸的距離變化是用機(jī)電位移傳感器測(cè)出的；(3)在各被監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間設(shè)置氦管，以保證激光在均勻介質(zhì)中傳播；(4)用自動(dòng)安平技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在含測(cè)量激光軸的鉛垂面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，用自動(dòng)光電定向技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在水平面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；(5)設(shè)0號(hào)平臺(tái)相對(duì)絕對(duì)參考系不動(dòng)，各壩段被監(jiān)測(cè)點(diǎn)平臺(tái)依次為1，2，3…故從1號(hào)平臺(tái)可測(cè)出其相對(duì)0號(hào)平臺(tái)的位移，從2號(hào)平臺(tái)可測(cè)出其相對(duì)1號(hào)平臺(tái)的位移，則2號(hào)平臺(tái)相對(duì)0號(hào)的位移可用矢量迭加方法求出，其它各點(diǎn)依此類推，即可導(dǎo)出各壩段的位移；
全文摘要
拱壩三維變形全自動(dòng)追跡監(jiān)測(cè)方法:1.在各壩段上設(shè)被監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量各壩段上所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)該點(diǎn)位移;2.測(cè)量本平臺(tái)相對(duì)上一個(gè)平臺(tái)垂直激光束軸方向位移,同時(shí)向下一個(gè)平臺(tái)發(fā)射激光測(cè)量光束;3.用自動(dòng)安平技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在沿測(cè)量激光軸的鉛垂面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),用自動(dòng)光電定向技術(shù)保證相鄰平臺(tái)間在水平面內(nèi)無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng);4.設(shè)基準(zhǔn)平臺(tái)為0號(hào),由矢量迭加法求出n相對(duì)0的位移,導(dǎo)出各壩段的位移。
文檔編號(hào)G01B5/30GK1196475SQ97109808
公開日1998年10月21日 申請(qǐng)日期1997年4月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月15日
發(fā)明者董偉, 楊有莊, 路振剛, 張仲遠(yuǎn), 張立英, 劉凌生, 閻瑛琪, 李忠科, 田忠源, 許立國(guó) 申請(qǐng)人:董偉, 楊有莊, 路振剛, 張仲遠(yuǎn), 張立英, 劉凌生, 閻瑛琪, 李忠科, 田忠源, 許立國(guó)