专利名称：基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法
技术领域：
本发明涉及一种结构形变监测技术，尤其涉及一种基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法。
背景技术：
随着人类社会可开发土地资源的日益稀缺，以及近年来全球范围极端气候的频繁出现，潜力巨大的城市地下空间开发凸显出前所未有的必要性和紧迫性。构建多层次、多功能的地下交通、防务、商贸、办公、休闲以及避难场所，已引起世界各国的共同关注并付诸规划实施。相对地面空间开发而言，城市地下空间开发面临诸多问题，其中，地下工程运营期间的安全监测问题格外引人关注。我国防护工程及地下工程专家钱七虎、王梦恕等院士近年提出，地下工程的安全监测理论及技术迫切需要进行深入系统的研究，城市地下空间的安全建设已成为中国经济、社会和国家安全的重大需求。由于地下工程身处复杂的岩土介质全方位包围中，而形变是结构对复杂内外受力环境的外观反应，因此对结构形变进行在线监测可以直观地反映结构安全状态。但地下空间在复杂环境下的围压态引出监测区域覆盖性难题，对目前的结构形变监测技术提出严峻挑战，国内外相关的理论及技术异常匮乏。 探索以地下工程为代表的围压空间覆盖性形变监测技术因而具有重要的科学意义和迫切的现实需求。
相对于地表结构而言，地下结构监测所受的限制条件更为严苛，可用于地下结构监测的手段十分匮乏，而且这些仅有的手段中，大都只能实现点状测量，即形变监测区域为某一测量点，如果要扩展测量区域，需要大量布置测量装置，成本巨大，即使大量布置测量装置后，由于单个测量装置只能实现点式测量，点与点之间就成为了监测盲区；现有技术中有用激光进行移动、旋转扫描实现小区域覆盖性监测，但每次扫描也仅能得到单个监测点的监测信息，而且，若被监测区域面积达到平方米级，则监测效率显著下降，若监测区面积进一步增大，则不可能对监测区内的所有点都进行扫描，所以激光扫描并不能实现真正意义上的区域覆盖性监测，而且设备复杂，价格昂贵。现有技术中，有将超声波作测距应用的方案，但并没有将其用于形变监测的方案， 究其原因，主要是工程技术人员对超声波有“成见”超声波传播具有发散性，测量区域无法精确到点，因此，几乎没有技术人员考虑将超声波作形变监测的应用。
发明内容
针对背景技术的问题，本发明提出了一种可对结构表面实现大区域覆盖性形变监测的方案，该方案为设置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置的发射区域为一圆锥曲面所围的区域，超声波接收装置的接收区域也为一圆锥曲面所围的区域，发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即形成监测区，监测区覆盖了监测区范围内的结构表面上的所有点；单次操作中，发射超声波信号并接收对应的反射信号，得到发射时刻和接收时刻的时间差；比较不同次操作所得到的时间差是否有变化有变化，则监测区范围内的结构表面发生了形变；无变化，则监测区范围内的结构表面未发生形变；从而实现对监测区范围内的结构表面上的所有点的覆盖性监测。该方案还可细化为如下的具体操作步骤1)间歇性地向结构表面发射超声波并接收对应的反馈信号，2)记录超声波的发射时刻和对应的反馈信号的接收时刻，得到两个时刻的时间差；3)以第一次发射、接收操作完成后获得的数据为原始数据，后续单次发射、接收操作完成后获得的数据为监测数据，4)将单次监测数据与原始数据进行比对，若两个数据相同，则监测区范围内的结构表面没有发生形变；若两个数据不同，则监测区范围内的结构表面发生了形变；
超声波发射装置和超声波接收装置的设置方式有如下两种可选方案或者二者间隔一定距离设置，或者二者位置重合设置。这两种设置方式各有利弊，后文将详细阐述。更进一步地，可调整装置参数，使发射装置和接收装置的波束角相同，且发射方向和接收方向在同一平面内互相平行，有利于降低数据处理的复杂度。本发明的超声波发射装置和超声波接收装置可一一对应地设置为一个测量单元， 对单个监测区域实现区域覆盖性监测，也可将多个测量单元成阵列设置，实现更大范围内的区域覆盖性监测。更进一步地，步骤2)中，得到发射时刻和接收时刻的时间差后，采用超声波测距原理，将时间差乘以超声波速换算成距离数据，在换算出距离数据的基础上，本发明可作更为深入的应用。当本发明作前述的“多个测量单元成阵列设置”的应用时，为实现对空间有效监测区域范围的划定，需要确定出单个测量单元的监测区范围，单个测量单元的监测区范围由如下方法确定
发射装置和接收装置间隔一定距离设置时，设T点为发射装置所在位置，R点为接收装置所在位置；0点为T点和R点之间连线的中点；以0点为坐标原点建立坐标系，过0点且平行于发射/接收方向的直线为Z轴，过T点和R点的直线为Y轴，过0点且垂直于Z轴和 Y轴的直线为X轴，则根据如下方法确定监测区的范围
若结构表面的平面方程为nx+my+p (z-L)=0，则监测区为如下函数所对应的曲线所围封闭区域
权利要求
1.一种基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于设置超声波发射装置和超声波接收装置，超声波发射装置的发射区域为一圆锥曲面所围的区域，超声波接收装置的接收区域也为一圆锥曲面所围的区域，发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即形成监测区，监测区覆盖了监测区范围内的结构表面上的所有点；单次操作中，发射超声波信号并接收对应的反射信号，得到发射时刻和接收时刻的时间差；比较不同次操作所得到的时间差是否有变化有变化，则监测区范围内的结构表面发生了形变；无变化，则监测区范围内的结构表面未发生形变；从而实现对监测区范围内的结构表面上的所有点的覆盖性监测。
2.根据权利要求1所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 具体步骤为1)间歇性地向结构表面发射超声波并接收对应的反馈信号，2)记录超声波的发射时刻和对应的反馈信号的接收时刻，得到两个时刻的时间差；3)以第一次发射、接收操作完成后获得的数据为原始数据，后续单次发射、接收操作完成后获得的数据为监测数据， 4)将单次监测数据与原始数据进行比对，若两个数据相同，则监测区范围内的结构表面没有发生形变；若两个数据不同，则监测区范围内的结构表面发生了形变。
3.根据权利要求2所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 超声波发射装置和超声波接收装置间隔一定距离设置或者二者位置重合设置。
4.根据权利要求3所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 发射装置和接收装置的波束角相同，且发射方向和接收方向在同一平面内互相平行。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于一个超声波发射装置和一个超声波接收装置即形成一个测量单元，多个测量单元成阵列设置。
6.根据权利要求4所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 步骤2)中，得到发射时刻和接收时刻的时间差后，采用超声波测距原理，将时间差乘以超声波速换算成距离数据。
7.根据权利要求6所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 发射装置和接收装置间隔一定距离设置时，设T点为发射装置所在位置，R点为接收装置所在位置；0点为T点和R点之间连线的中点；以0点为坐标原点建立坐标系，过0点且平行于发射/接收方向的直线为Z轴，过T点和R点的直线为Y轴，过0点且垂直于Z轴和Y轴的直线为X轴，则根据如下方法确定监测区的范围若结构表面的平面方程为nx+my+p (z-L) =0，则监测区为如下函数所对应的曲线所围封闭区域
8.根据权利要求6所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 若结构表面发生形变后，监测数据为D，D与原始数据的差值力M则D和Mi备线性关其中，《为斜率，IT为常量；若《 = -1,则监测区范围内的形变最大点在监测区中心位置； 若12=—,则监测区范围内的形变最大点在监测区边沿位置；则监测区范围内的形变最大点在监测区的边沿和中心之间的位置；Jt力与被监测结构材质有关的可调参数。
9.根据权利要求6所述的基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，其特征在于 完成步骤4)的操作后，若结构表面发生形变，对应的监测数据为D，D与原始数据的差值为 M.若Δ￡大于设定阈值，则发出报警信息；根据下式确定设定阈值
全文摘要
本发明公开了一种基于超声波的围压空间形变覆盖性监测方法，超声波发射装置和超声波接收装置的发射区域和接收区域有重叠部分，发射区域和接收区域的重叠部分在结构表面的投影区域即为监测区；比较不同次操作所得到的超声波发射、接收的时间差是否有变化有变化，则发生了形变；无变化，则未发生形变。本发明的有益技术效果是利用超声波在波束角范围内其发射、接收区域呈现发散形态的特点，实现对大区域的覆盖性监测，避免现有技术中的单个监测区为点状区域的弊端，装置结构简单，成本低，避免了点状式监测需要大量布置测点的缺点，降低了监测设备的成本，受环境因素限制小，可对围压空间结构进行高效全面监测。
文档编号G01B17/04GK102322829SQ201110147270
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月2日 优先权日2011年6月2日
发明者崔荣荣, 郑伟, 鲁奇 申请人:重庆大学