專利名稱：一種亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測大壩、橋梁、邊坡和地殼變形的自動監(jiān)測儀器，特別是用大地測量方法測量變形或位移的自動監(jiān)測系統(tǒng)。
在大壩、橋梁、邊坡與地殼等的變形監(jiān)測中，有“內(nèi)觀”與“外觀”兩類儀器。(下面以大壩為例加以說明)內(nèi)觀是用巖土工程儀器和方法，測量大壩內(nèi)部的溫度、應力、應變、滲透、揚壓力與收斂等等，它能較好地反映局部的狀況及其變化，便于自動監(jiān)測，但是不能直觀反映出大壩整體的變形與移動；外觀能夠直觀反映出大壩整體的變形，對于大壩的安全非常重要。外觀是用測量幾何尺寸變化的儀器測量監(jiān)測點相對于參考點的位移。參考點若是大壩基巖，用正錘線和倒錘線測量裝置測量大壩壩頂相對于基巖的水平位移，但是基巖可能移動；參考點是位于大壩的移動區(qū)外，這就只能用大地測量的方法進行；參考點或是繞地球轉(zhuǎn)動的衛(wèi)星，則采用GPS系統(tǒng)進行監(jiān)測；后兩種方法能夠真正測量出大壩在空間的位移，這是最理想的。
對于一個理想的變形監(jiān)測系統(tǒng)要同時滿足高的測量精度、自動化程度、可視化程度、可靠性和實時性，并能測定三維坐標等，還要滿足安全監(jiān)測的各項要求，特別是測量精度，越高越好，能夠?qū)崟r報警，早期發(fā)現(xiàn)異常變形及變形的規(guī)律，及時解決問題。
目前，在自動監(jiān)測儀器中，能從移動區(qū)外測定(大壩)絕對變形的自動監(jiān)測儀器系統(tǒng)有兩種，一是瑞士LEICA公司的APS(自動極坐標測量系統(tǒng))，二是GPS系統(tǒng)。但是，應用并不廣，主要問題是測量精度不夠，測量精度都在毫米量級，如APS WIN系統(tǒng)為±8～10mm／Km；GPS的實時性不夠，高程精度更差。
本發(fā)明的目的是提供一種亞毫米級精度的位移自動監(jiān)測系統(tǒng)，用大地測量方法，從移動區(qū)外解決電站大壩、橋梁、邊坡及地震預報等位移或變形監(jiān)測中的問題，即不但具有高的測量精度，而且能同時解決多點、連續(xù)、自動監(jiān)測、三維坐標測定、實時測量與實時數(shù)據(jù)處理、可視化顯示、超限報警等問題。用該系統(tǒng)裝備大壩，就能夠長期、連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測被監(jiān)測對象的變形及安全狀況，早期發(fā)現(xiàn)異常變形，及早采取措施，保證大壩、橋梁、邊坡的安全或給地震預報特別是臨震預報提供準確的信息。
本發(fā)明為完成上述任務，采用的技術(shù)方案是用計算機控制分別置于三個觀測站上的多套(一般為三套)高精度自動測距系統(tǒng)，同時對置于監(jiān)測點上的反射棱鏡組進行高精度測距，用三邊交會法實時計算出監(jiān)測點的三維坐標及其變化并用圖形、曲線、表格等在計算機屏幕上顯示出來。
它是(見

圖1)由安置在中央控制室的主計算機8控制多個(一般為三個)觀測站上的多套(一般為三套)高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3及相應的計算機通訊裝置4，安置在監(jiān)測點上的反射棱鏡組5，氣溫氣壓遙測遙控裝置7加上系統(tǒng)軟件6而構(gòu)成的亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的。
下面結(jié)合附圖作進一步說明圖1亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成總框圖；圖2亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)的高精度自動測距系統(tǒng)構(gòu)成框圖。
1．圖1中的高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3，每套由圖2展示。它由系統(tǒng)主機11，自動電子全站儀12，高精度光電測距儀頻率校準儀13，高精度通風溫度計14，高精度數(shù)字氣壓計15，數(shù)字濕度計16，強制對中儀器座17，校準棱鏡18，數(shù)據(jù)通信部分19，UPS電源及直流穩(wěn)壓電源20，激光打印機21等組成。
圖2展示了各部分間的具體接法系統(tǒng)主機11本身是一臺工業(yè)控制計算機，486及486以上機型皆可。機箱中裝有擴展的4個RS232接口卡，一塊圖象采集卡，還裝有頻率測量與數(shù)據(jù)采集板，板上帶三個輸入頻率的高頻插口以及輸入濕度數(shù)據(jù)的RS232接口，采集板經(jīng)過一個RS232接口與主機11相連；自動電子全站儀12經(jīng)自帶Y型電纜與系統(tǒng)主機11的RS232串口相接；高精度光電測距儀頻率校準儀13與高精度通風溫度計14輸出的頻率信號經(jīng)過高頻電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的高頻插口相接；高精度數(shù)字氣壓計15輸出的視頻信號與系統(tǒng)主機11的圖象采集板的視頻輸入端相接；數(shù)字濕度計16經(jīng)電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的RS232口相接；數(shù)據(jù)通信部分19由系統(tǒng)主機11的RS232口經(jīng)過MODEM與通信電纜相接，而電纜與其他觀測站及中央控制室相接；激光打印機21經(jīng)過并口與系統(tǒng)主機11相接；市電經(jīng)過UPS給系統(tǒng)主機11供電；穩(wěn)壓電源給自動電子全站儀12供電。
圖2中的自動電子全站儀12，在計算機控制下，自動精確瞄準目標，測距的標稱精度優(yōu)于±(2mm+2PPm·D)；儀器經(jīng)過嚴格檢測，充分掌握其各項誤差，選擇使用。本發(fā)明選用的自動電子全站儀2是瑞士LEICA公司的TCA系列的適當型號產(chǎn)品，如TCA1800，TCA2003等，也可以采用其他廠家生產(chǎn)的同性能儀器，但是控制系統(tǒng)軟件的測距與測角程序需要作相應改變。
圖2中的高精度光電測距儀頻率校準儀13，以非接觸方式測定測距儀的頻率；測量頻率的范圍應大于50MHz，頻率計的時基必須用彩電副載波校準，其頻率準確度與測頻準確度都優(yōu)于10-8，并可用計算機控制，自動測量頻率；選用長沙市萊塞光電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的EFC-6型光電測距儀頻率校準儀，保證用非接觸方式測定測距儀的調(diào)制頻率，準確到10-8以上。
圖2中的高精度通風溫度計14，用馬達通風，測空氣溫度的精確度優(yōu)于±0．1℃，一般應該采用±0．05℃產(chǎn)品，由計算機控制測定溫度。如采用計算機控制的高精度石英通風溫度計等產(chǎn)品。
圖2中的高精度數(shù)字氣壓計15，測定空氣氣壓的精確度優(yōu)于±0．3hPa，性能長期穩(wěn)定，由計算機控制；采用長沙市萊塞光電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的PD-1高精度數(shù)字氣壓計。
圖2中的數(shù)字濕度計16，精確度優(yōu)于±5％，可以由計算機進行測量。可供選擇的產(chǎn)品較多；圖2中的強制對中儀器座17，由不銹鋼制造的圓形底盤與圓錐形軸套、軸杠等組成。軸杠作為對中螺栓與自動電子全站儀相連接，底盤固定于水泥墩上，保證儀器的對中誤差小于±0．05mm；圖2中的校準棱鏡18，用于觀測站間對向測距，作基線校準用；通過簡單的支架安裝在自動電子全站儀上方；支架取代自動電子全站儀的提手，以便安裝棱鏡；采用LEICA公司的360度全方向棱鏡或普通錐體棱鏡。
圖2中的數(shù)據(jù)通信部分19，建立各觀測站的計算機之間的數(shù)據(jù)通信以及觀測站與中央控制室間的數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信通過RS232口與MODEM進行；數(shù)據(jù)通信也可以通過四至五臺計算機組成的有線或無線局域網(wǎng)進行；圖2中的UPS電源及直流穩(wěn)壓電源20，由UPS給計算機提供長期，無干擾，穩(wěn)定的供電；由直流穩(wěn)壓電源12給自動電子全站儀供電；圖2中的激光打印機21，其作用是將需要的數(shù)據(jù)、曲線、表格等打印出來。
2．圖1中的計算機通訊裝置9，是在多個(一般為三個)觀測站的系統(tǒng)主機11，氣溫氣壓遙測遙控裝置7以及它們與中央控制室的主計算機8之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的有線、無線和紅外通訊裝置。有線通訊作為主要數(shù)據(jù)通信手段，經(jīng)過各觀測站間架設的電纜傳送信號。無線與紅外光通信作為輔助手段。無線通信采用無線MO-DEM雙工通信；紅外光通信采用數(shù)字信號直接調(diào)制紅外光通信，以收發(fā)光學系統(tǒng)對向瞄準傳送信號。中央控制室的主計算機經(jīng)過調(diào)制解調(diào)器經(jīng)電話線路聯(lián)網(wǎng)，可使網(wǎng)上的計算機能隨時查詢監(jiān)測數(shù)據(jù)。
3．圖1中的反射棱鏡組5，由2或3塊錐體反射棱鏡組合而成，單塊棱鏡的位置可調(diào)，以便分別對準三個觀測站，調(diào)好后可固定并用膨脹螺釘固定于監(jiān)測對象上。
4．系統(tǒng)軟件6，用中央控制室的主計算機8控制一套至多套(一般是三套)高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3按設定的時間間隔對多個監(jiān)測點上的反射棱鏡組5進行自動照準、自動測距、測垂直角、水平角，同時測溫度、測氣壓、測濕度、測測距儀頻率等；按自動周日觀測方法、加氣象代表性改正數(shù)法計算距離；按三邊交會法與極坐標法測量與計算被監(jiān)測點的極坐標、三維坐標及其變化；計算測量誤差；并實時在計算機屏幕上顯示監(jiān)測點位移的大小、方向與速度及它們的變化；自動用聲光進行超限報警與安全狀態(tài)指示；自動生成報表；查詢與顯示各種測量參數(shù)與計算數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線；用不同顏色表示不同曲線，疊加顯示在同一屏幕上；作數(shù)據(jù)庫備份；進行數(shù)據(jù)通訊等等。
5．圖1中的氣溫氣壓遙測遙控裝置7，包括系統(tǒng)主機11，高精度通風溫度計14，高精度氣壓計15及用于數(shù)據(jù)通訊的MODEM 。它的作用是測定反射棱鏡組5所在地(如大壩上、大橋上、高層建設上以及邊坡上)的空氣溫度與氣壓，經(jīng)通訊線路傳送至系統(tǒng)主計算機11，供精確計算距離用。
優(yōu)點和積極效果本發(fā)明亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)由于同時具有亞毫米級高精度、連續(xù)多點自動監(jiān)測、可同時測定點的三維坐標與大壩的變形、智能化程度高等優(yōu)異性能，故有為現(xiàn)有其他外觀監(jiān)測系統(tǒng)所不及的突出優(yōu)點1．精度高-本發(fā)明的變形監(jiān)測精度為亞毫米級，比GPS系統(tǒng)與APS系統(tǒng)的精度高一個數(shù)量級!能夠早期發(fā)現(xiàn)異常移動，便于盡早采取措施，防止事故產(chǎn)生；可準確、長期記錄大壩安全有關的資料，如庫區(qū)水位與大壩位移的關系，實時提供大壩安全的準確信息；2．實時性好-能夠?qū)崟r處理數(shù)據(jù)，實時顯示坐標及其變化，移動量，移動速率，多種變化曲線，具有安全狀態(tài)指示，實時報警等功能；洪水期間，能夠?qū)崟r顯示出大壩移動的歷史與現(xiàn)狀，給防洪搶險提供依據(jù)；真正起到安全監(jiān)測的作用；3．連續(xù)性好-白天、黑夜、危險期和危險地區(qū)的目標都能連續(xù)監(jiān)測，不需要人的干預，可以安全地取得監(jiān)測對象失穩(wěn)前后的寶貴數(shù)據(jù)-用人工監(jiān)測無法做到；4．大面積監(jiān)測-可同時作大壩、邊坡、控制點的監(jiān)測，船閘變形的動態(tài)測量及其他精密測量，可大大節(jié)省設備投資；5．大大降低人力消耗與勞動強度，高效率，安全，可靠。例如，對于一個電站大壩，一般可節(jié)省測量人員30人。
實施例亞毫米級精度變形自動監(jiān)測系統(tǒng)在湖南省五強溪電站大壩進行了實地應用，取得了20萬個數(shù)據(jù)，完全證實了其精度達到亞毫米級和各項性能達到設計要求。其具體實施說明如下高精度自動測距系統(tǒng)的主機11本身是一臺486-100工業(yè)控制計算機，機箱中裝有擴展的4個RS232接口卡，地塊SE-100圖象采集卡，還裝有EFC-6頻率測量與數(shù)據(jù)采集板，板上帶三個輸入頻率的高頻插口以及輸入濕度數(shù)據(jù)的RS232接口，采集板經(jīng)過一個RS232接口與主機11相連；自動電子全站儀12采用LEICATCA1800型，經(jīng)自帶Y型電纜與系統(tǒng)主機11的RS232串口相接；高精度光電測距儀頻率校準儀13，選用長沙市萊塞光電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的EFC-6型，其光電轉(zhuǎn)換頭輸出的高頻信號經(jīng)過高頻電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的高頻插口相接；高精度通風溫度計14選用長沙市萊塞光電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的WG1型，精度±0．05℃，它輸出的高頻信號經(jīng)過高頻電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的高頻插口相接；高精度數(shù)字氣壓計15選用長沙市萊塞光電子技術(shù)研究所生產(chǎn)的PD-1型，精度±0．3hPa，輸出的視頻信號與系統(tǒng)主機11的圖象采集板的視頻輸入端相接；HD-1數(shù)字濕度計16，精度±5％，經(jīng)電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的RS232口相接；數(shù)據(jù)通信部分19由系統(tǒng)主機11的RS232口經(jīng)過MODEM與通信電纜相接，而電纜與其他觀測站及中央控制室的MODEM相接；PH-5P激光打印機21經(jīng)過并口與系統(tǒng)主機11相接；市電經(jīng)過10000W的UPS給系統(tǒng)主機11供電；穩(wěn)壓電源12(12V)給自動電子全站儀12供電。
自動電子全站儀12通過FC-1強制對中儀器座17安置在一個觀測站內(nèi)的儀器墩上；校準棱鏡選擇LEICA的GZR4360度棱鏡，其連接裝置CP-I安裝在自動電子全站儀12的支架上。
用中央控制室的主計算機8控制一套至多套(一般是三套)高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3按設定的時間間隔對多個監(jiān)測點上的反射棱鏡組進行自動照準、自動測距、測垂直角、水平角，同時測溫度、測氣壓、測濕度、測測距儀頻率；自動記錄(存儲)測得的距離、水平角、垂直角與觀測站的氣溫、氣壓、濕度、測距儀頻率等；按自動周日觀測方法、加氣象代表性改正數(shù)法計算距離；按三邊交會法與極坐標法測量與計算被監(jiān)測點的極坐標、三維坐標及其變化；計算測量誤差；并實時在計算機屏幕上顯示監(jiān)測點位移的大小、方向與速度及它們的變化；自動用聲光進行超限報警與安全狀態(tài)指示；自動生成報表；查詢與顯示各種測量參數(shù)與計算數(shù)據(jù)隨時間變化的曲線；用不同顏色表示不同曲線，疊加顯示在同一屏幕上；作數(shù)據(jù)庫備份；進行數(shù)據(jù)通訊等等。在實際應用中充分顯示了現(xiàn)有其他外觀監(jiān)測系統(tǒng)所不及的突出優(yōu)點。
亞毫米級精度變形自動監(jiān)測系統(tǒng)用于橋梁、邊坡、高層建筑、地震預報，其只是反射棱鏡組5與監(jiān)測站設置的地點不同，例如1．將亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)用于電站大壩的安全監(jiān)測，即將反射棱鏡組牢固安裝在大壩的適當位置上，多個(一般為三個)觀測站設置于移動區(qū)外的適當?shù)攸c，實現(xiàn)對大壩、邊坡、滑坡、船閘及測量控制點的多目標，連續(xù)、自動、亞毫米級精度變形監(jiān)測；2．將亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)用于短期與臨震預報，即跨斷層分別設置觀測站與監(jiān)測點，實現(xiàn)對多監(jiān)測目標的連續(xù)，亞毫米級精度自動監(jiān)測；3．將亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)用于橋梁的安全監(jiān)測中，即將反射棱鏡組固定于大橋的適當位置上，觀測站分別置于河流兩岸上穩(wěn)定的地點，實現(xiàn)對橋梁的亞毫米級精度全自動變形監(jiān)測與動態(tài)監(jiān)測；4．將亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)用于露天礦山邊坡或地下礦山巖層移動的自動監(jiān)測中，即將反射棱鏡組牢固安裝在監(jiān)測對象的適當位置上，多個(一般為三個)觀測站設置于移動區(qū)外的適當?shù)攸c，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)的多目標，連續(xù)、自動亞毫米級精度變形監(jiān)測。
權(quán)利要求
1．一種亞毫米級精度位移自動監(jiān)測系統(tǒng)涉及一種監(jiān)測大壩、橋梁、邊坡和地殼變形的自動監(jiān)測儀器，其特征在于中央控制室的主計算機8控制多個(一般為三個)觀測站上的多套(一般為三套)高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3及相應的計算機通訊裝置4，安置在監(jiān)測點上的反射棱鏡組5，氣溫氣壓遙測遙控裝置7加上系統(tǒng)軟件6而構(gòu)成。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞毫米級精度的位移自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3三套，由每套系統(tǒng)主機11，自動電子全站儀12，高精度光電測距儀頻率校準儀13，高精度通風溫度計14，高精度數(shù)字氣壓計15，數(shù)字濕度計16，強制對中儀器座17，校準棱鏡18，數(shù)據(jù)通信部分19，UPS電源及直流穩(wěn)壓電源20，激光打印機21等組成；其系統(tǒng)主機11裝有擴展的4個RS232接口卡，一塊圖象采集卡，還裝有頻率測量與數(shù)據(jù)采集板，板上帶三個輸入頻率的高頻插口以及輸入濕度數(shù)據(jù)的RS232接口，采集板經(jīng)過一個RS232接口與主機11相連；自動電子全站儀12經(jīng)自帶Y型電纜與系統(tǒng)主機11的RS232串口相接；高精度光電測距儀頻率校準儀13與高精度通風溫度計14輸出的頻率信號經(jīng)過高頻電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的高頻插口相接；高精度數(shù)字氣壓計15輸出的視頻信號與系統(tǒng)主機11的圖象采集板的視頻輸入端相接；數(shù)字濕度計16經(jīng)電纜與系統(tǒng)主機11中的數(shù)據(jù)采集板的RS232口相接；數(shù)據(jù)通信部分19由系統(tǒng)主機11的RS232口經(jīng)過MODEM與通信電纜相接，而電纜與其他觀測站及中央控制室相接；激光打印機21經(jīng)過并口與系統(tǒng)主機11相接；市電經(jīng)過UPS給系統(tǒng)主機11供電；穩(wěn)壓電源給自動電子全站儀12供電。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3，其特征在于自動電子全站儀12，在計算機控制下，自動精確瞄準目標，測距的標稱精度優(yōu)于±(2mm+2PPm·D)。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3，其特征在于高精度光電測距儀頻率校準儀13，以非接觸方式測定測距儀的頻率；測量頻率的范圍應大于50MHz，頻率計的時基必須用彩電副載波校準，其頻率準確度與測頻準確度都優(yōu)于10-8，并可用計算機控制，自動測量頻率。
5．根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度自動測距系統(tǒng)1、2、3，其特征在于校準棱鏡18，用于觀測站間對向測距，作基線校準用；通過簡單的支架安裝在自動電子全站儀上方；支架取代自動電子全站儀的提手，以便安裝棱鏡。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的亞毫米級精度的位移自動監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于反射棱鏡組5，由2或3塊錐體反射棱鏡組合而成，單塊棱鏡的位置可調(diào)，以便分別對準三個觀測站，調(diào)好后可固定并用膨脹螺釘固定于監(jiān)測對象上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測大壩、橋梁、邊坡和地殼變形的自動監(jiān)測儀器,其特征在于主計算機8控制多個觀測站上的多套高精度自動測距系統(tǒng)1及相應的計算機通訊裝置4,安置在監(jiān)測點上的反射棱鏡組5,加上系統(tǒng)軟件6而構(gòu)成。它精度高,能夠早期發(fā)現(xiàn)異常移動,便于盡早采取措施,防止事故產(chǎn)生;可準確、長期記錄大壩安全有關的資料,實時提供大壩安全的準確信息。
文檔編號G01C3/00GK1293347SQ98100678
公開日2001年5月2日 申請日期1998年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月9日
發(fā)明者張學莊, 王愛公, 張馳, 簡務人, 張艷祥 申請人:中南工業(yè)大學