一种具备识别测线姿态的位移测量装置的制作方法

本实用新型涉及地形监测领域，特别是涉及一种基于测线技术测量地表位移或表面位移的可识别测线姿态的位移测量装置。

背景技术：

在安全监测领域，地表位移是地质灾害发生及演变过程中的直接表现，地表位移的大小及位移速率能直接反映灾害体的安全与否，在地灾监测应用中具有十分重要的地位。

地质灾害的发生、发展、演化过程，伴随着大量宏观可测物理信息的改变，如地表位移、深部位移、地表倾角、岩土体压力、声发射等。这些物理信息中，又以地表位移最为直接、直观，通过实时捕捉，可以建立其与滑坡成灾演化阶段的映射关系，进而为滑坡预测预报提供必要的基础数据。其变形趋势又与滑坡体所处阶段存在良好的映射关系，且位移量施测相对简单方便，因而工程界普遍利用位移监测对滑坡体的安全状况进行合理评价。

目前拉线式位移测量装置由于结构简单，操作容易，成为位移测量的主要方法。但是现有拉线式位移测量装置仅是简单利用了测线长度的变化值，未考虑到测线本身的测量角度变化对测量结果的影响，使得测量结果精确度较低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是要提供一种具备识别测线姿态的位移测量装置，本装置能够减少故障率且提高测量精度。

特别地，本实用新型提供的一种具备识别测线姿态的位移测量装置，包括：

主设备，包括安装在基准点的主壳体，和安装在主壳体内通过测线连接基准点和测量点的拉线装置，对引出测线长度进行测量的长度测量装置，和测量测线空中角度的姿态测量装置，以及主控模块；

辅设备，包括安装在监测点的辅壳体，和安装在所述辅壳体内的辅控模块；

所述主设备和所述辅设备通过线缆进行信号通讯和电力连接。

在实用新型一个实施方式中，所述姿态测量装置包括安装在所述壳体的出线孔处的万向轴，安装在所述万向轴上的激光器，与所述激光器相对以接收所述激光器发射激光的光斑位置传感器；所述万向轴随所述位移测线的方位变化同步调整旋转方向。

在实用新型一个实施方式中，所述姿态测量装置还包括安装在所述万向轴上的线管，所述测线由所述线管内穿出，在所述线管内设置有与所述测线增加摩擦的弹性层。

在实用新型一个实施方式中，所述拉线装置包括绕有测线的卷筒、穿过卷筒轴心的轴杆，和将测线的端头以受力状态限定在所述主壳体的出线孔处的限位块。

在实用新型一个实施方式中，还包括对所述卷筒施加与测线拉出方向相反作用力的恒力装置，所述恒力装置包括安装在所述轴杆上的力轮，设置在力轮一侧的变向滑轮，设置在力轮另一侧的恒力卷簧，以及连接力轮和恒力卷簧且中部绕过变向滑轮的拉线。

在实用新型一个实施方式中，所述长度测量装置包括一个安装在所述卷筒轴杆上的计圈传感器，和与计圈传感器接触的角位移传感器；所述计圈传感器将卷筒的转动量传递给角位移传感器变成角度变化量，进而换算出对应的测线长度。

本实用新型能够同时考虑主设备和辅设备安装位置的空间变化，同时考虑外界环境因素对测线的影响，并能够根据测线的姿态变化修正误差值，使得获取的结果更精确。通过长度测量装置能够在减少占用空间的情况下，提供更大量程的长度测量。

附图说明

图1是本实用新型一个实施方式的位移测量装置结构示意图；

图2是本实用新型另一个实施方式的位移测量装置结构示意图；

图3图1中的双轴倾斜传感器工作原理示意图；

图4图1中姿态测量装置的万向轴安装位置示意图；

图5图1中姿态测量装置的测量结构示意图；

图6姿态测量装置的工作过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一个实施方式的具备识别测线姿态的位移测量装置100，包括分别设置在基准点的主设备10和设置在测量点的辅设备20，主设备10和辅设备20通过线缆进行信号通讯和电力连接。

该主设备10包括一个用于安装各种设备的主壳体101，在主壳体101内安装有：通过测线111连接基准点和测量点的拉线装置11，对引出测线111长度进行测量的长度测量装置13，修正环境温度对测线111影响的温度修正装置17；和测量测线111空中角度的姿态测量装置14；和识别当前测量位置的坐标识别装置；以及实现远程通讯的无线通讯装置和主控模块12。

该辅设备20可以包括安装在监测点的辅壳体201，和安装在辅壳体201内对当前测量点姿态进行测量的辅姿态测量装置26，以及辅控模块22。

拉线装置11包括一个固定在主设备101内的卷筒110，和缠绕在卷筒110上的多圈测线111，测线111可以采用不锈钢丝绳，在使用时，拉动测线111的引出端并将其引至测量点。通过设置在卷筒110处的长度测量装置13，即可获取测线111由引出点至测量点的长度。该长度测量装置13可以是通过电阻值变化来测量卷筒110旋转圈数的多圈电位器。

由材料热胀冷缩性质可知，当温度升高时，测线111变长，导致测量到的距离值变小，反之亦然。而温度修正装置17可以依据测线111在规定温度下的长度，在外界温度发生变化时，用于修正因温度过高或过低导致的测线111长度变化量，从而使测线111的测量值更加精确。温度修正装置17可以采用安装在主设备101内外的温度计实时测量当前温度变化，并将温度值传送给主控模块12，由主控模块12根据预设算法求出测线111的正常测量值。

计算方法可以如下：通过温度计测量得到所用测线111的温度系数τ，以25℃环境时的测线111长度为基准长度，则某环境温度下的长度改变量为Δl＝(t_n-25)×τ。

姿态测量装置14可以根据主设备10与辅设备20的位置发生变化时，测量测线111的方向、俯仰和横滚角度。姿态测量装置14具体可以采用激光定位的方法，来确定测量点和基准点之间的位置变化，主控模块12根据公式计算出变化的具体数值，再用该具体数值去修正测线111的测量结果。

该坐标识别装置可以通过GPS或GNSS模块完成每一个主设备10和辅设备20的全球三维坐标值确定，将该坐标值发送至主控中心，即可对每一个测量点进行自动识别，从而避免各测量点的数据混淆。

该无线通讯模块可以实现主设备10与主控中心进行数据交互，实现监测数据发送到主控中心或接收来自主控中心的指令。此外，主设备10与辅设备20之间也可以采用无线通讯模式。无线通讯模块发送的数据可以包括前述的：设备识别码、三维全球坐标、主设备姿态(方位、俯仰、横滚角度)、辅设备姿态(方位、俯仰、横滚角度)、测线长度、测线姿态(方位、横滚角度)、温度、CRC校验码等。

该主控模块12可以由微控制芯片、开关阵列、数模转换组等几部分功能模块组成，在微控制芯片固件程序驱动下完成各部分电源控制、数据交互、数据采集、数据计算、数据无线发送等测控工作，是整个设备的逻辑执行核心。

辅设备20的辅姿态测量装置26和辅控模块22与主设备10的相应部件功能相同，只是用于测量辅设备20的当前状态，并由辅控模块22完成相关的计算，再通过线缆传递给主控模块12。

本实施方式中，主设备10和辅设备20采用同一套电源，具体电源安装在主设备10上，并通过电缆或是无线方式为辅设备20提供电力。

本实施方式能够同时考虑主设备10和辅设备20安装位置的空间变化，同时考虑外界环境因素对测线111的影响，并能够根据测线111的姿态变化修正误差值，使得获取的结果更精确。通过长度测量装置能够在减少占用空间的情况下，提供更大量程的长度测量。

如图2所示，在本实用新型的一个实施方式中，该拉线装置11可以包括绕有测线111的卷筒110、穿过卷筒110轴心的轴杆113，和将测线111的端头以受力状态限定在主壳体101的出线孔处的限位块112，以及对卷筒110施加与测线111拉出方向相反作用力的恒力装置15。

卷筒110可以轴杆113为支点在测线111的拉动下转动，而恒力装置15将作用力施加到轴杆113上，使拉出的测线111能够始终保持绷紧状态。具体的恒力装置15可以包括固定在轴杆113上的力轮152，设置在力轮152一侧的变向滑轮153，设置在力轮152另一侧的恒力卷簧151，以及连接力轮152和恒力卷簧151且中部绕过变向滑轮153的拉线154。变向滑轮153可以减少拉线154的量程，同时减少受力并延长恒力卷簧151的拉力距离。

当测线111拉动卷筒110转动时，力轮152会带着拉线154同时转动并将拉线154绕在力轮152上，而恒力卷簧151始终对拉线154施加一个相反的拉力，因此使拉出的测线111始终处于绷紧状态，当测线111回缩时，恒力卷簧151施加到力轮152上的拉力，会自动使卷筒110回转，并将测线111绕在卷筒110上，直至限位块112卡在出线孔处。本实用新型采用恒力卷簧151作为动力件，可以具有更小的空间利用率，更长的用于分解拉线154的材料长度，在占用相同体积条件下具有更大的量程，同时由于用于承担拉力的弹簧材料长度增加，单位长度材料上分担的力减小，可以更好的工作于弹性范围内，不易产生永久塑性变形。力轮152的直径可以小于卷筒110的直径，以在付出更小量程的情况下达到同样的施力效果。

限位块112可以在设备不使用时，将测线111的端头卡在出线孔处，使测线111不能回缩到主壳体101内，同时，限位块112可以抵制卷筒110施加到测线111上的拉力，使测线111始终处于受力状态。此外，限位块112还用于设备出厂时测线111的预定位，出厂时，将测线111预拉，使内部恒力卷簧151产生一定的拉伸，限位块112与测线111固定，使整个设备内部各处产生一定的拉力，从而避免了设备在运输及安装过程中可能出现的内部测线111脱位问题，而且无需打开保护主壳体101即可完成设备的现场安装。

进一步地，为防止测线111被损坏，可以在主设备10的出线孔处设置阻尼装置，该阻尼装置用于增加测线111的阻力，避免测线111在拉出或回缩时速度过快，导致测线111断裂或拉线装置11精度降低。该阻尼装置可以是安装在主壳体101出线孔处的旋转阻尼器。

在本实用新型的另一个实施方式中，该长度测量装置13可以包括一个安装在卷筒110的轴杆113上的计圈传感器131，和一个与计圈传感器131接触的角位移传感器132，计圈传感器131随卷筒110同步转动，并将转动量传递给角位移传感器132，而角位移传感器132根据角度变化计算出测线111的拉出长度，该结构可以解决超大量程与测量精度之间的矛盾关系。

如图3所示，在本实用新型的一个实施方式中，为修正因为主设备10安装位置发生变化而导致测线111结果出现误差的现象，可以在主设备内安装测量当前主设备10倾斜状态的双轴倾斜传感器17，根据双轴倾斜传感器17测量结果即可修正因测线111的角度变化对测量结果的影响。

在使用时，双轴倾斜传感器17通常安装于具有一定高度的主设备10的上端，当主设备10发生倾斜变形时，引起测线111长度发生改变，导致测量失真(实际上被测点并未发生位移)。主设备10倾斜变形往往是由于基础以下的原有地表发生变形所致，故双轴倾斜传感器17测量到的角度变化实际上也反映了此点处地表浅层土体的变化，即同时实现了两个维度的地基倾斜变形监测。

倾斜引起测线111长度变化的公式推导方法可以是：利用两个维度倾斜角度变化(俯仰、横滚)，可分别简化投影到两个对应的空间平面内，再转化为平面几何问题来处理。如主设备10的长度已知，当主设备10发生倾斜后，倾斜角度由设备内部双轴倾斜传感器17测量得到，故根据三角函数即可计算得出因倾斜因素引起的测线111长度变化量，倾斜角度与测线111变化量呈一一对应关系。

在本实用新型的一个实施方式中，可以在主设备10内安装测量主设备10在水平方向扭转角度的电子罗盘16，主控模块12通过主设备10扭转后测线111与标准位置时测线111间的夹角变化，修正测线111的长度变化值。

在主设备10位置固定时，若主设备10安装处地基发生水平扭转变形(方位角变化)，则测线111长度发生改变。如图3所示，主设备10发生方位旋转变形，测线111出线口从位置A旋转到位置B，导致测线111变长，但实际上主设备10到监测点E的距离并未发生变化，若要消除水平旋转带来的位移误差，则必须计算出旋转角度α作用下引起的测线111长度变化值，加以修正。

三角形AOB中，边OA和OB同为设备半径，设备半径为已知条件，旋转角α可通过设备内部安装的电子罗盘测量获取，故此，三角形AOB可通过下式解出，

在三角形OEB中，边OB已知，OE＝OA+AE，角度α已知，则边BE由下式解出，

则因方位角发生改变而引起的测线长度修正值BB’＝BE-AE，

上式中，OB为已知的设备半径，OE为主设备10半径+主设备10安装初始测线长度，均为已知，角度α由设备内部电子罗盘16测得。

电子罗盘16除可进行测线111长度修正外，还可用于对主设备10安装点地基方位角度变化进行监测。

在本实用新型的一个实施方式中，为使主设备10适应测线111的位置变化，还可以设置一个固定基座18，该主设备10通过水平轴承19可旋转地安装在基座18上，在基座18上安装有锁止主设备10旋转的锁止装置191。当主设备10未锁止时，主设备10可以随测线111的角度变化而随测线111的拉力旋转。当不需要主设备10旋转时，可以利用锁止装置191将主设备10锁定在基座18上。

如图4、5所示，在本实用新型的一个实施方式中，公开一种获取测线111当前姿态的结构。该姿态测量装置14可以包括安装在主壳体101的出线孔处的万向轴141，和安装在万向轴141上的激光器142，与及与激光器142相对安装以接收激光器142发射激光的光斑位置传感器143。该万向轴141可以随测线111的方位变化同步调整旋转方向。

通过测线111长度及不同时间点的长度变化值只能测量测线111一个维度的长度变形，通过在出线孔处安装可在两个维度上自由旋转的万向轴141，使其在外部测线111所受拉力作用下沿拉力方向发生自由旋转，通过测量当前二个维度上的角度值，可获取到测线111当前二个维度的角度值。根据空间几何原理可知，处于空间内的任意已知长度的线段，若线段的空间角度(姿态)已知，则此线段两端点的三维距离值可通过几何公式计算得到，不同时间点的两端点三维距离值的变化量即是被测点(监测点)的三维位置变化。

本实用新型中基座18与主设备10通过水平轴承19连接，当测线111方向改变时，水平轴承19会发生水平方向的转动，而万向轴141则不会发生相对于主壳体101的角度变化，就无法实现上述三维位置监测的功能。为此，在上述水平轴承19处设计锁止装置191，当锁止装置191将水平轴承与基座18锁死后，万向轴141的角度会强制跟随测线111变化，实现测量监测点三维方向变形量的目的。

万向轴141水平方向的旋转角度和垂直方向上的角度可通过多种技术实现，如二维霍尔传感技术或二维PSD技术等，以下仅以二维PSD技术来进行实例说明。

正常情况下，激光器142向光斑位置传感器143发射的光斑是一个垂直角度，当万向轴141随测线111的拉力改变方向时，会带动激光器142同时转动，激光器142的转动使其发射至光斑位置传感器143上的光斑位置发生改变，根据角度变化和测线111长度测量，即可计算出被测点沉降变化和左右位移量。

如图6所示，点B代表安装于主外壳101上的万向轴，点F为激光器142，线EB为测线长度，测线111固定于被测点(监测点)E上，线FA为激光器142发出的光线，光线在万向轴141作用下时刻与测线方向保持一致，点A为激光在二维PSD上的成像点。

在空间坐标系O1中：

原点O1位于二维PSD一顶点，即二维PSD平面与坐标轴Y1-Z1平面重合。

激光射线FA照射到二维PSD位置传感器上A点，则A点的空间坐标A(x1,y1,z1)＝A(0,y1,z1)。

通过PSD电路，可获取光点在PSD二维平面上的坐标y1和z1。

即：激光落在PSD上的光斑坐标可以实时获取。

将光斑和激光线分别投影到平面Y₁O₁X₁和X₁O₁Z₁，可在两个平面上分别获得直角三角形FO₁Y₁‘和直角三角形FO₁Z₁’。

在三角形FO₁Y₁‘中，直角边FO₁长度已知(固定值)，直角边OY₁’长度等于y1(L_AY1)，则

在三角形FO₁Z₁‘中，直角边FO₁长度已知，直角边OZ₁’长度等于z1(L_AZ1)，则

在空间坐标系O2中：

L_EB长度已知(由测线传感器测得)，则在平面EO₂Z₂中，测线长度L_EB在其平面上的投影长度L_EZ2可由下式计算得出

L_EZ2＝L_BE×cosβ2 (3)

在平面EO₂Y₂中，测线长度L_EB在其平面上的投影长度L_EY2可由下式计算得出

L_EY2＝L_BE×cosα2 (4)

因空间坐标系O1与O2相互平行，且测线LEB与激光射线LFA在空间内方向相同(机械刚性结构万向轴传导作用下，激光射线总是被动的与测线保持方向一致)，则根据相似三角形原理可得到

α2＝α1 (5)

β2＝β1 (6)

将式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点(万向轴)与坐标系O2的平面Y2-Z2重合，故B点在O2坐标系内的坐标为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×sinα2 (10)

将式5、6、7、8代入式9、10，得到

y2＝L_BE×cosα1×sinβ1 (11)

z2＝L_BE×cosβ1×sinα1 (12)

将式1、式2代入得

则，监测点E在三维方向向相对于点B的三个距离值分别为

D_x＝L_EO2 (17)

D_y＝y2 (18)

D_z＝z2 (19)

即：

上式中，L_BE、L_AY1、L_FO1均为实时测量到的已知量：

L_BE：为长度测量装置测量到的测线长度(万向轴到监测点的测线长度)。

L_AY1、L_FO1：为二维PSD测量得到的激光光斑的二维坐标值。

通过对比不同时间点的Dx、Dy、Dz长度变化，即可计算出监测点的位移量。

以上公式未考虑角度以及坐标在空间坐标系内的正负号，实际应用时可添加到公式内。

在本实用新型的一个实施方式中，可以在万向轴141内安装线管144，测线111由线管144内穿出，在线管144内可以设置与测线111增加摩擦的弹性层。通过该结构可以减慢测线111的拉动速度，同时更好的将拉力传递到万向轴141上，使万向轴141的变化与测线111的变化保持一致。

在本实用新型的一个实施方式中，该主设备10和辅设备20可以采用同一套电源，电源可以为可充电电池或不可充电电池，电源安装在主设备10上，且通过线缆为辅设备20提供电力，在主壳体101的上表面可以安装吸收太阳能并向电源补充电力的单晶硅片102。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本实用新型的多个示例性实施例，但是，在不脱离本实用新型精神和范围的情况下，仍可根据本实用新型公开的内容直接确定或推导出符合本实用新型原理的许多其他变型或修改。因此，本实用新型的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。