本實用新型涉及地形監(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具備修正測線伸縮率的位移測量裝置。

背景技術(shù)：

在安全監(jiān)測領(lǐng)域，地表位移是地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害體的安全與否，在地災(zāi)監(jiān)測應(yīng)用中具有十分重要的地位。

地質(zhì)災(zāi)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(zāi)演化階段的映射關(guān)系，進而為滑坡預(yù)測預(yù)報提供必要的基礎(chǔ)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)果的影響，使得測量結(jié)果精確度較低。

技術(shù)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(shè)備，包括安裝在基準點的主殼體，和安裝在主殼體內(nèi)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(shè)備，包括安裝在監(jiān)測點的輔殼體，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(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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)備和輔設(shè)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(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是本實用新型一個實施方式的位移測量裝置結(jié)構(gòu)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(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(shè)置在基準點的主設(shè)備10和設(shè)置在測量點的輔設(shè)備20，主設(shè)備10和輔設(shè)備20通過線纜進行信號通訊和電力連接。

該主設(shè)備10包括一個用于安裝各種設(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(shè)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(nèi)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(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，拉動測線111的引出端并將其引至測量點。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(zhuǎn)圈數(shù)的多圈電位器。

由材料熱脹冷縮性質(zhì)可知，當溫度升高時，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，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(yù)設(shè)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(shè)備10與輔設(shè)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(jié)果。

該坐標識別裝置可以通過GPS或GNSS模塊完成每一個主設(shè)備10和輔設(shè)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(shè)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(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、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)計算、數(shù)據(jù)無線發(fā)送等測控工作，是整個設(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的當前狀態(tài)，并由輔控模塊22完成相關(guān)的計算，再通過線纜傳遞給主控模塊12。

本實施方式中，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。

本實施方式能夠同時考慮主設(shè)備10和輔設(shè)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(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(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(zhuǎn)動時，力輪152會帶著拉線154同時轉(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(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(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到同樣的施力效果。

限位塊112可以在設(shè)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(nèi)，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(shè)備出廠時測線111的預(yù)定位，出廠時，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，而且無需打開保護主殼體101即可完成設(shè)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(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(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，在本實用新型的一個實施方式中，為修正因為主設(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，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，當主設(shè)備10發(fā)生傾斜變形時，引起測線111長度發(fā)生改變，導(dǎo)致測量失真(實際上被測點并未發(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(dǎo)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(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。

在本實用新型的一個實施方式中，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(shè)備10位置固定時，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，但實際上主設(shè)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(zhuǎn)帶來的位移誤差，則必須計算出旋轉(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除可進行測線111長度修正外，還可用于對主設(shè)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(shè)備10適應(yīng)測線111的位置變化，還可以設(shè)置一個固定基座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。當主設(shè)備10未鎖止時，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)。當不需要主設(shè)備10旋轉(zhuǎn)時，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(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(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(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(shè)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(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(zhuǎn)角度和垂直方向上的角度可通過多種技術(shù)實現(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(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(nèi)方向相同(機械剛性結(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(萬向軸)與坐標系O2的平面Y2-Z2重合，故B點在O2坐標系內(nèi)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(nèi)的正負號，實際應(yīng)用時可添加到公式內(nèi)。

在本實用新型的一個實施方式中，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(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充電力的單晶硅片102。

至此，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)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(nèi)容直接確定或推導(dǎo)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(yīng)被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。