用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置的制作方法

本实用新型属于力学测量技术领域，涉及一种用于大型结构物位移和形变测量装置，特别是一种自校准的远程位移或形变测量的装置及方法。

背景技术：

大型结构物包括桥梁、大坝、隧道、斜坡和房屋建筑等，其变形主要包括静态变形和动态变形，静态变形是指地基下陷、倾斜和应力松弛等变化很慢的变形，动态变形是指由于风、温度、地震、交通负载或现场施工等引起的短期变形，其参数测量对于目标的安全评估分析具有重要的作用。

传统的大型结构物如桥梁，其变形检测的仪器有百分表、千分表、加速计、水准仪、经纬仪等。目前，这些仪器在桥梁验收、定期检测中仍然广泛使用，但是需要专业技术人员，费时、费力，人为误差大，远远不能实现在线、实时、自动、智能测量。近年来，信息技术的蓬勃发展大大带动了桥梁变形测量技术的发展，涌现了许多新技术和新方法，比如激光挠度法和GPS(Global Position System)定位测量法。激光挠度仪能实现亚毫米的位移测量，但是量程仅能达到数十厘米，不能满足跨距较大的用于桥梁大变形的测量，其垂直位移可达米级；GPS定位测量法可实现实时在线测量桥梁的大变形，但是其精度智能达到厘米级，且费用高昂，限制了其推广应用。

自从70年代末期固体图像传感器出现以来，国内外有不少学者以CCD等图像传感器为媒介，将图像处理技术用于桥梁、混凝土梁变形测量的研究。申请号为200820241096.0的中国专利“一种基于机器视觉的桥梁动位移测量装置”公开了一种通过激光源和CCD结合测量大桥动态变形的测量装置，通过在桥梁远端用CCD记录大桥变形过程中激光光束的位置变化，计算得到大桥的变形参数。目前这类位移传感器存在的主要问题是：CCD图像传感器需要与准直激光器联合使用，增加了系统的复杂性。

申请号为201410145554.0的中国专利“一种桥梁实时测量系统”公开了一种桥梁动态位移的远程测量装置，使用中将加电靶标固定在远离桥梁的固定目标上，而在桥梁需要测量位移的地方安装有CCD像机，使得靶标成像在CCD光敏元上，通过实时获得的靶标图像在CCD上的位置，计算得到桥梁待测点上的动态位移。这种方案存在的问题是：当测量系统用在隧道、岩洞内等场合时，由于CCD像机和测量靶标均会随着外界荷载的影响而产生位移和形变，而且由于二者安装的位置不同，外界荷载引起的测量靶标和CCD像机的位移不同，导致测量结果出现了较大的误差，影响了测量精度。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种用于大型结构物垂直位移或变形的自校准式测量装置及方法，用于大型结构物变形或位移参数的自校准式测量装置及方法，在传统测量靶标的基础上增加了一只基准靶标和一只静力水准仪，且该基准靶标固定静力水准仪的沉降探头上，由静力水准仪获得准确的基准靶标的位移绝对值，从而对测量靶标的位置值进行修正校准，最后获得测量点的精确位移值。

本实用新型的技术内容如下：

用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置，包括若干个测量单元和数据处理中心，每个测量单元包括成像系统、静力水准仪、基准靶标、不少于一只的测量靶标和不少于一只的激光测距仪，所述的静力水准仪包括通液管相联通的基准沉降探头和若干只测量沉降探头，所述的测量沉降探头和测量靶标固定在大型结构物的侧壁或顶部，所述的基准靶标(14)设置在其中某只测量沉降探头上，且基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，所述的激光测距仪设置在测量靶标所在的大型结构物的对应位置处，并垂直指向待测的地面目标处；数据处理中心获取静力水准仪、激光测距仪和成像系统的测量结果后，并对测量靶标的结果进行校准修正后，计算得到大型结构物侧壁、顶部的位移以及地表沉降参数。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，大型结构物为隧道、岩洞、房屋、地下室或桥梁。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，静力水准仪的基准沉降探头设置在大型结构物外部或内部位移或变形可忽略的稳定区域。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，基准靶标和测量靶标为特定图案或连续工作的加电靶标。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，加电靶标为排成一定形状的LED或LD灯带。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，激光测距仪所对应的测量靶标固定在激光测距仪的机壳上。

静力水准仪和成像系统通过无线GPRS系统、无线移动网络传输模块或光缆传输系统将测量结果传输至上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，远端的数据处理中心。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量装置中，成像系统包括光学镜头、图像传感器、核心控制功能单元、处理存储单元和远程通讯单元；所述的图像传感器为CCD或CMOS传感器，所述的核心控制功能单元包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；所述的处理存储单元与核心控制功能单元相联，用于图像数据的存储和处理；所述的远程通讯单元与处理存储单元联接，用于图像数据的远程发送。

用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量方法，包括以下步骤：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标、基准靶标、静力水准仪、激光测距仪，其中静力水准仪的测量沉降探头和测量靶标固定在大型结构物的侧壁或顶部，测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在对应的测量沉降探头上；激光测距仪设置在测量靶标所在的大型结构物的对应位置处，并垂直指向待测的地面目标处。

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，开启静力水准仪，测量基准靶标所在的测量沉降探头的高度值；开启激光测距仪，对激光测距仪和地面目标之间的距离；

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；对静力水准仪进行数据处理，计算得到测量沉降探头的位移值；并根据测量沉降探头的位移值对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除成像系统因自身安装基础位移带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值；并根据激光测距仪测量得到的距离变化值，计算得到地面的沉降参数。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量方法中，步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标的位移值x1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到基准靶标的位移值x0；

[3.3]根据静力水准仪中基准沉降探头和测量沉降探头的液面高度，计算得到测量沉降探头的位移值y0；

[3.4]激光测距仪测量得到激光测距仪和地面之间的位移变化值m；

[3.5]经校准后测量靶标所在的测量点的位移x11＝x1+y0-x0；

[3.6]地表沉降参数n＝x11-m。

本实用新型具有的有益技术效果如下：

1、本实用新型在现有CCD像机和测量靶标组成的位移测量装置的基础上，增加了基准靶标、激光测距仪和静力水准仪，将基准靶标设置在静力水准仪的一个测量沉降探头上，并在每只激光测距仪上设置有测量靶标，由静力水准仪给出该测量沉降探头的绝对位移值，作为基准靶标的绝对位移值。安装调试中，使得基准靶标和测量靶标同时成像在CCD像机上，并在数据处理中，根据基准靶标的位移值来修正其他测量点的位移值，同时利用激光测距仪测量得到的测量靶标和地表之间的距离变化，就可以获得地表沉降的相对位移，与激光测距仪相匹配的测量靶标数据相结合，得到了地表沉降的绝对位移值。该方法克服了测量系统因成像系统受到载荷或自身安装基础变形等原因而产生的位移，最终导致系统的测量误差，提高了测量精度。

2、本实用新型的静力水准仪包括通液管相联通的基准沉降探头和若干只测量沉降探头，测量沉降探头和测量靶标固定在大型结构物的侧壁或顶部，基准靶标设置在其中某只测量沉降探头上，基准沉降探头设置在大型结构物外部位移或变形可忽略的区域，通过基准沉降探头和测量沉降探头之间的关系，计算得到测量沉降探头的精确位移，同时若干个测量沉降探头分布在被测量隧道的多个测量点，与若干个成像系统、靶标相配合，实现了隧道等大型结构物参数的分布式自校准测量。

3、本实用新型的地表沉降参数是通过多个环节综合测量得到；首先基准靶标设置在静力水准仪的某只测量沉降探头上，通过静力水准仪的数据处理可以得到该基准靶标的绝对位移；其次测量靶标和基准靶标在成像系统的敏感元上同时成像，可计算得到测量靶标和基准靶标之间的相对位移，故可得到测量靶标的绝对位移；接着由于测量靶标设置在激光测距仪的外壳上，则该测量靶标的位移即为激光测距仪自身的绝对位移；最后激光测距仪测量得到的地表和激光测距仪之间的位移，结合激光测距仪自身的绝对位移，就得到了地表沉降参数的绝对值。这种方案实现了地表沉降参数的无扰动测量，对于隧道等大型结构物来说，不影响内部车辆的通行，具有较高的推广应用价值。

4、本实用新型的核心控制功能单元采用嵌入式系统，结构紧凑可靠，方便应用；同时设置有远程通讯传输单元，可将测量的结果通过GPRS系统、3G无线网络等无线传输系统或光缆等有线传输系统，传输至远端的值班室，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

5、本实用新型的靶标采用加电的LED或LD灯带作为靶标，可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

附图说明

图1为本实用新型自校准式测量装置测量单元在隧道测量应用原理示意图；

图2为测量装置在隧道某一处测量布局示意图；

图3为静力水准仪在初始静态状态下的原理示意图；

图4为静力水准仪在位移测量状态下的原理示意图；

图5为基准靶标和测量靶标在CCD像元上成像位置示意图；

图6为本实用新型成像系统组成原理示意图；

附图标记如下：1—光学镜头；2—图像传感器；3—触发控制单元；4—远程通讯单元；5—核心控制功能单元；6—处理存储单元；11—大型结构物；12—成像系统；13—测量靶标；14—基准靶标；15—支杆；16—测量靶标图像；17—基准靶标图像；18—显示屏幕；20——数据处理中心；21—基准沉降探头；22—测量沉降探头；23—通液管；24—变形测量区域；25—稳定区域；26—激光测距仪；27—地面；28—激光测距仪出射反射激光。

具体实施方式

本实用新型的测量系统主要用于大型结构物顶部、腰等关键部位的位移或形变测量，同时对其地表沉降进行测量，其中大型结构物包括隧道、岩洞、房屋、地下室和桥梁等，下面以隧道为例。

如图1和图2所示，用于大型结构物垂直位移及地表沉降的测量装置，包括设置在远端的数据处理中心20和若干个测量单元，其中每个测量单元包括成像系统12、基准靶标14、静力水准仪、不少于一只的测量靶标13，静力水准仪包括由通液管23相联通的基准沉降探头21和若干只测量沉降探头22。数据处理中心20设置在测量远端，成像系统12安装在大型结构物合适的位置，测量沉降探头22和测量靶标13固定在大型结构物11的侧壁或顶部，基准靶标14设置在其中某只测量沉降探头22上，且基准靶标14和测量靶标13在成像系统12的敏感元的不同位置上成像。

为了实现地表沉降测量，每个单元还包括不少于一只的激光测距仪26，激光测距仪26设置在测量靶标13所在的大型结构物的对应位置处，并垂直指向待测的地面目标处，可以测量得到激光器出口和反射地面27之间的距离，其中28为激光测距仪出射和反射的激光，激光测距仪就是通过测量反射到目标的光来计算得到激光器出口和目标之间的距离。在实施中可将测量靶标13固定在激光测距仪26的外壳上，这样可以由测量靶标13的位移来得到激光测距仪26自身的位移抖动。需要说明的是，一个测量单元中可能包含若干个测量靶标13，但是激光测距仪26则根据地面测量的需求，数量可以少于测量靶标的数量。

数据处理中心获取静力水准仪、激光测距仪和成像系统的测量结果后，根据沉降探头、基准靶标和测量靶标的测量结果，计算得到测量点的位移或变形参数，再根据测量靶标和激光测距仪的结果，计算得到地表沉降参数。

由于成像系统在测量应用中固定在大型结构物上，自身也随着基础产生位移和变形，导致测量结果的不准确，为了矫正成像系统自身带来的误差，本实用新型引入的基准靶标，并将基准靶标固定在静力水准仪的一个沉降探头上，并通过静力水准仪的结果测量得到基准靶标的位移参数，这样只需要测量得到基准靶标和测量靶标之间的相对位移，即可以得到测量点的准确位移，从而对成像系统的自身进行校准。此外将激光测距仪和测量靶标相结合，通过前面的基准靶标得到测量靶标的自身位移，再结合激光测距仪测量得到的测量靶标和地表之间的距离变化，就可以得到地表的沉降参数。

静力水准仪的工作原理如图3和图4所示，图中给出了1#、2#、3#和4#探头，其中1#探头作为基准沉降探头21，设置在大型结构物设置在大型结构物外部或内部位移或变形可忽略的稳定区域25，而2#、3#和4#探头作为测量沉降探头14则设置在隧道的顶部、腰部等需要测量的区域，其中的一只测量沉降探头上固定有基准靶标22。测量时成像系统12将该基准靶标和该区域的其他测量靶标一起成像，从而计算得到测量靶标和基准靶标之间的相对位移。

图3中静力水准仪在初始静态状态下，由通液管连通的每只测量探头的液平面平齐，即H10＝H20＝H30＝H40，当静力水准仪处于图4所示的位移测量状态时，1#探头处于稳定区域，作为基准液面；而2#、3#、4#处于测量区域，随着测量点的上下位置起伏而出现了液面的上升或下降。

根据静力水准仪的测量原理，有△h1＝H1-H10、△h2＝H2-H20、△h3＝H3-H30、△h4＝H4-H40……△hi＝Hi-Hi0。其中计算结果：△hi为正值表示该测点贮液容器内的液面升高，△hi为负值表示该测点贮液容器内的液面降低。当选定测点1为基准点，则其它各测点相对基准点的垂直位移(沉降量)为：△H2＝△h1-△h2、△H3＝△h1-△h3、△H4＝△h1-△h4、……△Hi＝△h1-△hi。其中计算结果：△Hi为正值表示该测点地基抬高，△Hi为负值表示该测点地基沉降。如果知道两测点间的水平距离L，则两测点间相对倾斜的变化也可算得。由此可知，通过测量沉降探头与基准沉降探头之间的液面差，即可得到该材料沉降探头的位移值，进而也得到安装在该材料沉降探头上的基准靶标的位移值。

测量靶标13和基准靶标14在CCD光敏元上的成像如图5所示，图中16、17分别为测量靶标图像和基准靶标图像，18为显示屏幕。由于基准靶标14处在位移为零或位移很小的桥墩附近，因此其位移可忽略，而测量靶标13和成像系统12均处在桥梁中部位移和形变最大的区域，当载重车辆驶入桥梁时，会使得测量靶标13的图像产生上下方向的位移x1,而成像系统CCD自身产生的本底位移就是基准靶标14的位移xO，对其进行扣除，可得到准确的测量点位移值。

如图6所示,成像系统包括光学镜头1、图像传感器2、核心控制功能单元5、处理存储单元6和远程通讯单元4；图像传感器2为CCD或CMOS传感器，核心控制功能单元5包括触发信号检测模块、图像数据采集模块、图像灰度化及缩放模块和靶标图像特征提起及识别模块，用于靶标图像的处理和识别；处理存储单元6与核心控制功能单元5相联，用于图像数据的存储和处理；远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

光学镜头1瞄准被测量目标上设置的靶标，在应用中可选变焦距的镜头，将不同距离、不同大小的目标成像至图像传感器上，这种工作方式对测量目标具有良好的适应性，并具有测量范围大的特点，其中图像传感器2为CCD或CMOS传感器，用于实时获取被测量目标的图像。

本实用新型的靶标可以为目标对象上的一个特定图案或连续工作的加电靶标。本装置对靶标要求不高，如果采用加电的LED或LD灯带作为靶标，则可以实现24小时全天候的工作，并具有特征目标提取方便和准确度高的特点，测量精度也相应提高。

触发控制单元3用于提供远程位移传感器所需的触发信号，传感器平时不工作，只有当外界触发信号到来时，位移传感器才开始工作，减小了数据存储和数据传输的压力。远程通讯单元4与处理存储单元6联接，用于图像数据的远程发送。

远程通讯单元4可以为无线GPRS系统、3G、4G等无线移动网络传输模块或光缆等有线传输系统，将测量结果传输至远端的数据处理中心20，满足了远程无人值守全天候的野外工作要求。

本实用新型用于大型结构物垂直位移或变形参数具体测量步骤如下：

[1]安装：在大型结构物上安装测量靶标、基准靶标、静力水准仪、激光测距仪，其中静力水准仪的测量沉降探头和测量靶标固定在大型结构物的侧壁或顶部，测量靶标安装在待测量点位置，基准靶标设置在对应的测量沉降探头上；激光测距仪设置在测量靶标所在的大型结构物的对应位置处，并垂直指向待测的地面目标处。

[2]测量：开启成像系统，使得基准靶标和测量靶标在成像系统的敏感元的不同位置上成像，开启静力水准仪，测量基准靶标所在的测量沉降探头的高度值；开启激光测距仪，对激光测距仪和地面目标之间的距离；

[3]校准：对成像系统进行数据处理，获取基准靶标和测量靶标的位移值；对静力水准仪进行数据处理，计算得到测量沉降探头的位移值；并根据测量沉降探头的位移值对测量靶标的位移值进行修正校准，扣除成像系统因自身安装基础位移带来的测量误差，获得测量靶标所在测量点的真实位移值；并根据激光测距仪测量得到的距离变化值，计算得到地面的沉降参数。

上述用于大型结构物本体垂直位移和地表沉降的测量方法中，步骤[3]中的校准步骤包括：

[3.1]根据测量靶标的位置变化值，并结合测量靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到测量靶标的位移值x1；

[3.2]根据基准靶标的位置变化值，并结合基准靶标与成像系统之间的距离、成像系统的光学参数，计算得到基准靶标的位移值x0；

[3.3]根据静力水准仪中基准沉降探头和测量沉降探头的液面高度，计算得到测量沉降探头的位移值y0；

[3.4]激光测距仪测量得到激光测距仪和地面之间的位移变化值m；

[3.5]经校准后测量靶标所在的测量点的位移x11＝x1+y0-x0；

[3.6]地表沉降参数n＝x11-m。

其计算原理如下：

假设测量过程中成像系统因基础不稳同步移动了位移z，由于基准靶标是设置在测量沉降探头上，则对于基准靶标有y0＝x0+z(1)

对于测量靶标而言，其真实的位移值x11＝x1+z(2)

公式(1)和(2)联立计算得到x11＝x1+y0-x0；计算中取位移向上为正值,向下为负值。

地表沉降的测量步骤如下：

[2.1]数据处理中心获取激光测距仪测量得到的地面和激光出口之间的位移变化值m，其中m是将实测的距离与原始距离进行相减后获得；

[2.2]根据前面步骤[3.5]得到激光测距仪所对应的测量靶标所在的测量点的位移x11；

[2.3]则地表沉降参数n＝x11-m。

本实用新型已在桥梁位移检测中得到应用，目前可测量位移的量程为10m级，测量精度达0.1mm级，时间分辨率为100ms。这种方案还实现了地表沉降参数的无扰动测量，对于隧道等大型结构物来说，不影响内部车辆的通行，具有较高的推广应用价值。