一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统及监测方法制造方法及图纸

一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统及监测方法，包括后台主站、前端传感器，后台主站与前端传感器之间通过无线公共通信网络通信连接；后台主站中构建有3D空间模型；前端传感器包括基准装置、位移检测装置；前端传感器安装时，采用隧道相对空间坐标，基准装置设置有一个，固定安装在隧道一端顶部或侧壁，位移检测装置设置有若干个，以等间距方式固定安装在隧道中段顶部或侧壁，构成带有监测基准点的隧道变形监测测量系统；所有位移检测装置检测出的在隧道相对空间坐标系的位移数据传输到后台主站，后台主站对隧道相对空间坐标系的位移数据进行计算和空间坐标转换，最终转换为各个位移检测装置所对应的隧道安装点的空间变形量。的空间变形量。的空间变形量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统及监测方法


[0001]本专利技术涉及隧道变形监测
，具体涉及一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统及监测方法。

技术介绍

[0002]随着国内道路、轨道交通的快速发展，作为其中一个重要环节的隧道，其数量也在快速增加；隧道安全直接影响人民生命安全和道路畅通，一旦发生坍塌事故将造成难以估量的经济损失；对使用中隧道进行动态变形监测，是预防隧道发生坍塌事故的有效手段，现有隧道变形动态监测主要采用预埋传感器、加装激光测距仪及机械式变形测量装置等技术方案来实现，但其都存在一个问题：因其均无法设置监测基准点，仅能孤立监测隧道局部变形，而无法对隧道整体变形进行评估；如果发现隧道发生局部变形，在对隧道进行加固维修工程前，还需要对隧道整体变形进行评估，此时可以借助全站仪进行人工测量，这又增加了隧道整体变形评估的工作量和成本；如果采用全站仪进行隧道整体变形的监测，则因全站仪价格昂贵又会导致隧道监测成本急剧攀升，因此目前缺少低成本隧道动态整体变形监测的有效技术手段。

技术实现思路

[0003]为了克服
技术介绍
中的不足，本专利技术公开了一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统及监测方法；基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统包括后台主站、前端传感器，后台主站与前端传感器之间通过无线公共通信网络通信连接，后台主站中构建有被监测隧道的3D空间模型，同时3D空间模型上设置有与现场设备安装所使用的、相同的隧道相对空间坐标；前端传感器包括基准装置、位移检测装置；前端传感器安装时，采用隧道相对空间坐标，基准装置设置有一个，固定安装在隧道一端顶部或侧壁，位移检测装置设置有若干个，以等间距方式固定安装在隧道中段顶部或侧壁，构成带有监测基准点的隧道变形监测测量系统；所有位移检测装置检测出的在隧道相对空间坐标系的位移数据传输给基准装置，再经基准装置传输到后台主站，后台主站对接收到的各个检测装置检测出的在隧道相对空间坐标系的位移数据进行空间坐标转换，最终转换为各个位移检测装置所对应的隧道安装点的空间变形量，实现对隧道整体变形情况的监测。
[0004]为了实现所述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，包括后台主站、前端传感器，后台主站与前端传感器之间通过无线公共通信网络连接；后台主站中构建有被监测隧道的3D空间模型，经前端传感器采集到的隧道变形位移数据传输到后台主站，由后台主站进行空间坐标转换，最终转换为隧道的整体变形量，并以图、表和3D模型的形式予以显示；
[0005]前端传感器包括基准装置、位移检测装置；基准装置包括数据采集通信模块、检测基准组件，检测基准组件固定设置在数据采集通信模块一侧面，其中数据采集通信模块用于基准装置与主站之间的通信及对位移检测装置测量数据的采集，其中检测基准组件用于
对前端传感器设置测量基准；位移检测装置包括光机组件、光机控制器、检测基准组件，光机控制器与光机组件电性连接，检测基准组件固定设置在光机组件其中一侧面，相对检测基准组件安装侧面固定设置有镜头组件，镜头组件上设置有场镜；光机组件用于提供测量用激光信号及检测返回的激光信号，光机控制器对光机组件进行控制并分析计算返回激光信号，得到隧道变形数据；
[0006]前端传感器安装时，基准装置设置有一个，固定安装在隧道一端顶部或侧壁，检测基准组件朝向隧道内侧；位移检测装置设置有若干个，以后一个镜头组件对准前一个检测基准组件的方式，等间距(直线距离)固定安装在隧道中段顶部或侧壁，构成带有监测基准点的隧道变形监测测量系统；基准装置、位移检测装置之间通过电缆和M
‑
bus总线或光缆连接，实现远程供电和通信，补充说明的采用电缆和M
‑
bus实现供电和通信的方式，是为同时解决通信距离及较大功率供电问题；隧道变形监测测量系统安装、调试完成后，对位移检测装置进行初始化设置，即可对隧道整体变形实施监测。
[0007]进一步的，光机组件包括壳体、激光源、水平振镜、垂直振镜、分光镜、激光接收装置、镜头组件；镜头组件固定设置在壳体一外侧面，形成密封腔体，激光源、水平振镜、垂直振镜、分光镜、激光接收装置固定设置在密封腔体中，构成激光发射、接收光路；水平振镜、垂直振镜分别连接有振镜电机，光机组件工作时，水平振镜、垂直振镜由振镜电机驱动以设定频率进行匀速摆动，控制激光束的水平、垂直双向扫描；光机组件具体工作原理为：激光源发出激光束，经水平振镜、垂直振镜反射后形成水平或垂直双向扫描的激光束，激光束双向扫描一次为一个扫描周期；水平或垂直扫描的激光束穿过分光镜后，再经镜头组件的场镜射出；当水平或垂直扫描的激光束照在前一个检测基准组件的激光靶球上时，水平或垂直扫描的激光束原路返回，经分光镜反射进入激光接收装置形成明亮光斑；设置有水平振镜、垂直振镜的光机组件在位移检测装置完成初始化后，激光接收装置在一个扫描周期内有两个基准光斑，且两个基准光斑在时间轴上的位置分别为1/4T和3/4T；当隧道发生变形时，位移检测装置相对前一个基准装置或位移检测装置之间会发生水平、垂直方向的位移，受此位移影响，激光接收装置在一个扫描周期内形成的两个光斑在时间轴上的位置会发生改变，即两个光斑与原基准光斑发生分离，根据分离时间差可计算出位移检测装置相对前一个基准装置或位移检测装置之间水平、垂直方向位移的具体数值；根据两个光斑是处于基准光斑的内或外，可以判断水平或垂直方向位移的方向；位移检测装置在实际测量时，以实际检测水平方向的位移为例，具体说明水平振镜、垂直振镜的运动关系：水平振镜连续不断的以设定频率匀速摆动，垂直振镜从初始化后的原始位置从上至下以固定步长与水平振镜扫描周期同步向下摆动，直到水平振镜在扫描过程中激光接收装置检测到光斑，然后锁定垂直振镜摆动角度，水平振镜开始测量扫描。
[0008]进一步的，检测基准组件包括激光靶球罩、激光靶球，激光靶球罩为浅盆状，激光靶球固定设置在激光靶球罩底部；激光靶球罩内侧涂有漫反光材料，对其后一个位移检测装置射出的激光产生漫反射，用于后一个位移检测装置粗调定位时的激光反射指示；激光靶球用于反射激光，其可将入射的激光按原路反射回去；检测基准组件固定设置在相对壳体设置镜头组件的侧面。
[0009]进一步的，基准装置、位移检测装置通过安装支架组件固定设置在隧道顶部或侧壁；安装支架组件包括安装支架，安装支架上设置有球头连接座，球头连接座通过球头锁紧
螺母与安装支架固定连接，基准装置、位移检测装置固定设置在球头连接座上；安装支架上还螺纹连接有三个水平调整螺栓，水平调整螺栓上设置有锁紧螺母；当需调整基准装置、位移检测装置的水平度或角度时，放松水平调整螺栓上的锁紧螺母，并稍微松开球头锁紧螺母，通过摆动调整三个水平调整螺栓对调整基准装置、位移检测装置的水平度或角度进行调整，调整到位后，首先锁紧球头锁紧螺母，然后再锁紧锁紧螺母。
[0010]进一步的，激光源与水平振镜之间设置有扩束镜，扩束镜将激光源出射的激光束直径扩大，经场镜聚焦后可形成直径更小的光斑，以改本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，其特征是：包括后台主站(1)、前端传感器(2)，后台主站(1)与前端传感器(2)之间通过无线公共通信网络通信连接；后台主站(1)中构建有被监测隧道的3D空间模型；前端传感器(2)包括基准装置(2.1)、位移检测装置(2.2)；基准装置(2.1)包括数据采集通信模块(2.1.1)、检测基准组件(2.1.2)，检测基准组件(2.1.2)固定设置在数据采集通信模块(2.1.1)一侧面；位移检测装置(2.2)包括光机组件(2.2.1)、光机控制器(2.2.2)、检测基准组件(2.1.2)；光机控制器(2.2.2)与光机组件(2.2.1)电性连接；检测基准组件(2.1.2)固定设置在光机组件(2.2.1)其中一侧面，相对检测基准组件(2.1.2)安装侧面固定设置有镜头组件(2.2.1.7)；镜头组件(2.2.1.7)上设置有场镜；前端传感器(2)安装时，基准装置(2.1)设置有一个，固定安装在隧道一端顶部或侧壁，检测基准组件(2.1.2)朝向隧道内侧；位移检测装置(2.2)设置有若干个，以后一个镜头组件(2.2.1.7)对准前一个检测基准组件(2.1.2)的方式，固定安装在隧道中段顶部或侧壁；基准装置(2.1)、位移检测装置(2.2)之间电性连接。2.根据权利要求1所述基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，其特征是：光机组件(2.2.1)包括壳体(2.2.1.1)、激光源(2.2.1.2)、水平振镜(2.2.1.8)、垂直振镜(2.2.1.9)、分光镜(2.2.1.5)、激光接收装置(2.2.1.6)、镜头组件(2.2.1.7)；镜头组件(2.2.1.7)固定设置在壳体(2.2.1.1)一侧面，形成密封腔体，激光源(2.2.1.2)、水平振镜(2.2.1.8)、垂直振镜(2.2.1.9)、分光镜(2.2.1.5)、激光接收装置(2.2.1.6)固定设置在密封腔体中，构成激光发射、接收光路；水平振镜(2.2.1.8)、垂直振镜(2.2.1.9)分别连接有振镜电机，光机组件(2.2.1)工作时，水平振镜(2.2.1.8)、垂直振镜(2.2.1.9)由振镜电机驱动做匀速摆动。3.根据权利要求2所述基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，其特征是：检测基准组件(2.1.2)包括激光靶球罩(2.1.2.1)、激光靶球(2.1.2.2)，激光靶球罩(2.1.2.1)为浅盆状，激光靶球(2.1.2.2)固定设置在激光靶球罩(2.1.2.1)底部；检测基准组件(2.1.2)固定设置在相对壳体(2.2.1.1)设置镜头组件(2.2.1.7)的侧面。4.根据权利要求2所述基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，其特征是：基准装置(2.1)、位移检测装置(2.2)通过安装支架组件(2.3)固定设置在隧道顶部或侧壁；安装支架组件(2.3)包括安装支架(2.3.1)，安装支架(2.3.1)上设置有球头连接座(2.3.2)，球头连接座(2.3.2)通过球头锁紧螺母(2.3.3)与安装支架(2.3.1)固定连接；安装支架(2.3.1)上还螺纹连接有三个水平调整螺栓(2.3.4)，水平调整螺栓(2.3.4)上设置有锁紧螺母；基准装置(2.1)、位移检测装置(2.2)通过球头连接座(2.3.2)与安装支架(2.3.1)固定连接。5.根据权利要求2所述基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，其特征是：激光源(2.2.1.2)与水平振镜(2.2.1.3)之间设置有扩束镜。6.根据权利要求2所述基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统，其特征是：数据采集通信模块(2.1.1)上设置有北斗定位模块。7.一种基于权利要求2所述基于激光位移检测装置的隧道变形监测系统的监测方法，其特征是：基准装置(2.1)、位移检测装置(2.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国伟，白雅伟，李银霞，王艳，田国立，王晓睿，林青，李俊峰，韩艳红，王展，李志鹏，郑培信，王昊森，孙永新，刘旭，
申请(专利权)人：华北水利水电大学，
类型：发明
国别省市：