一种基于激光测量的自动静力水准垂直位移测量装置的制作方法

本发明属于测量技术领域，可以应用于垂直位移的测量，尤其是应用于建筑物垂直位移的精确测量，例如水库大坝、高楼基础、桥梁、基坑、大型精密设备基础等场合，特别是在要求精度高、有自动化要求的情况下使用。

背景技术：

工程结构物、基础及地基在外力的作用下发生形变是不可避免的，外部形变是内部受力状态的直接反应，通过变形可以了解结构内部受力情况。变形量需要控制在一定的范围之内，否则，就会出现破坏，造成较严重的后果。在水利工程中，常常需要测量大坝坝体、坝基、水闸、船闸、泵站基础、渡槽、压力输水管、涵洞等建筑物的形变，以了解工程所处的状态，保证工程安全运行。大坝坝体的位移测量包括坝体水平位移测量和垂直位移（沉降）测量，有些坝体对于沉降的观测要求较高，例如土坝、混凝土面板堆石坝、基坑、隧道等场合。

在水利工程管理中，观测坝体的形变是一项极为重要的工作，尤其是坝体的表面位移。目前，坝体垂直位移观测手段有：几何精密水准测量法、三角高程测量法、静力水准法、卫星测量法等。前两种方法基于人工测量，虽然近年来有自动测量机面世，但技术上不太成熟。人工测量法的精度受到很多因素的限制，例如设备的制造工艺水平和测量精度、测量方法、测量人员的技术水平等，同时人工测量不能实现实时测量，只能在特定要求的时间点进行有限次数的测量，无法进行高密度测量，以判断变化趋势。在一些特殊天气条件下如大风、大雨、夜间等状况下无法进行测量，这样就无法及时了解大坝的状态。因此需要一种可以进行实时自动检测的设备。

静力水准法的使用已经有很长时间的历史，近年来由于技术的进步，采用磁致伸缩式、压差式等技术应用于静力水准测量系统中。但是这些方法不是直接测量长度，而是通过电信号转换实现位移的测量，容易受到外界的电磁干扰。

为了克服以上设备的缺点，满足建筑物沉降自动实时测量的要求，经过试验研究，采用激光位传感器及静力水准技术的沉降测量系统，可以满足沉降测量的要求，自动实时激光静力水准垂直位移测量装置就是为满足该要求而研制的。

该设备是以土坝坝体沉降观测为目的研制的，也可以应用于其他对沉降有实时观测要求的场合。

技术实现要素：

本发明之目的是使用激光位移传感器和静力水准，实现坝体垂直位移的精确、实时、自动测量，同时也可以应用于其他有类似垂直位移要求的场合。实现本发明目的所采取的技术方案是：一种基于激光测量的自动静力水准垂直位移测量装置，包括控制器、激光位移传感器及信号电缆，其位移采用激光位移传感器进行测量,控制器是基于微电脑的信号采集及控制器，控制器通过程序对所有基点及测点激光位移传感器进行控制，并通过信号电缆采集各激光传感器的数据，其特征在于：在被测建筑物附近的基岩或原状地层上设置基点基座，在多个待测建筑物上分别设置测点基座（附图为简单起见设2个测点），在基点基座及多个测点基座上分别设置测筒，测筒的结构完全相同，在基点基座及多个测点基座上分别设有预埋螺栓，预埋螺栓的个数为3个，用来固定测筒，测筒是一个筒状容器，其底部设有筒体固定底盘，筒体固定底盘上设有螺栓孔，测筒的上部设置固定支架，通过固定支架将激光位移传感器固定在测筒内，在测筒内设有液体，液体上设置浮子，测筒的顶部设有密封盖，密封盖上设有通气孔，该通气孔和大气连通，保证各个测筒内的大气压力相等；预埋螺栓穿过筒体固定底盘上的螺栓孔，在固定底盘上侧的螺栓上设有固定螺帽，固定底盘下侧的螺栓上设有调平螺帽，调整调平螺帽，使测筒的筒体轴线垂直于地面，然后上紧固定螺帽使测筒固定于基点基座和测点基座上，在基点基座上固定有控制器，测点基座的结构和基点基座相同，测点基座上的测筒及固定方式也完全与基点基座相同，用连通管通过各测筒的底部将各测筒连接起来，形成连通器，在连通管的一端，设有控制阀门和加放液口，并通过加放液口和阀门加入液体13到筒体内，浮子漂浮在液体上，作为反射激光之用。

基点在建筑物附近，以减少管路长度，同时要在建筑物变位影响范围外，标石应埋设在基岩或者原状土中，即保持基点相对建筑物是不动的。在需要测量的建筑物上设置测量点，测量点的基座和建筑物固定在一起，随着建筑物的垂向变位而变位。在基点和测量点上，设有可以装液体的测筒，测筒的上部安装激光位移传感器，传感器的测量方向垂直向下，和筒体固定在一起，筒体垂直安装在基点和测量点上，所有测筒的底部通过管道连接在一起，形成连通器。根据贝努里原理，在连通器内注入适量的粘性较小的液体，液面将在同一个水平面上，这样就有了一个可供参考的水平面。建筑物上所设测点的垂直位移发生变化时，基点没有垂直位移发生，测点上测筒内的液位和基点测筒内的液位相对于测筒体将发生变化，但变化后的液位也在同一水平面上。

以土坝沉降观测为例说明沉降计算过程：在坝体外稳定地层设基点，在坝体上设置多处观测点，其编号分别为0、1、2、……n，以下各参数h、d的下标0、1、2……n分别表示基点、测点1、测点2……测点n的变化量。

设初始安装时，测得水面距离激光器计量起点距离为h0、h1、h2……hn。

经过一段时间后，基点不发生沉降，设观测点1、2、……n的沉降量分别为d1、d2、……、dn，设这时测得水面距离激光器计量起点距离为分别为h0＇、h1＇、h2＇……hn＇。

根据几何关系，第一个观测点的沉降量d1:

沉降量d2:

第n个观测点沉降量通式为：

－－－－－－－－－（1）

同时测量各观测点数值，进行计算即可得到任一观测点任何时刻沉降量。也就是：每一次各测点及基点测量得出数据和第一次测量得出的数据相比较，即可得到各测点的沉降量。

激光传感器测量的数据通过信号线缆传递到设在基点上的控制器，控制器经过计算后将计算结果传到检测管理中心，管理人员就可实时观测到坝体的沉降值。浮子的尺寸及密度对测量结果没有影响，只要漂浮在液面上即可。该设备也可以应用到有类似要求的场合。

本发明采用激光位传感器及静力水准技术的沉降测量系统，可以满足沉降测量的要求。

附图说明：

图1是本发明结构示意图。

图中，1、基点基座；2、测点基座；3、预埋螺栓；4、调平螺帽；

5、固定螺帽；6、连通管；7、控制器；8、测筒；9、激光位移传感器；10、通气孔；11、固定支架；12、信号电缆。13、液面；14、浮子；15、筒体固定底盘；16、加放液口；17、控制阀门；18、密封盖；19、螺栓孔。

具体实施方式

参照附图，一种基于激光测量的自动静力水准垂直位移测量装置，包括控制器7、激光位移传感器9及信号电缆12，其位移采用激光位移传感器进行测量,控制器7是基于微电脑的信号采集及控制器，控制器7通过程序对所有基点及测点激光位移传感器进行控制，并通过信号电缆12采集各激光传感器的数据，其特征在于：在被测建筑物附近的基岩或原状地层上设置基点基座1，在多个待测建筑物上分别设置测点基座2（附图为简单起见设2个测点），在基点基座1及多个测点基座2上分别设置测筒8，测筒8的结构完全相同，在基点基座1及多个测点基座2上分别设有预埋螺栓3，预埋螺栓3的个数为3个，用来固定测筒8，测筒8是一个筒状容器，其底部设有筒体固定底盘15，筒体固定底盘15上设有螺栓孔19，测筒8的上部设置固定支架11，通过固定支架11将激光位移传感器9固定在测筒8内，在测筒8内设有液体13，液体13上设置浮子14，测筒8的顶部设有密封盖18，密封盖18上设有通气孔10，该通气孔10和大气连通，保证各个测筒8内的大气压力相等；预埋螺栓3穿过筒体固定底盘15上的螺栓孔19，在固定底盘15上侧的螺栓3上设有固定螺帽5，固定底盘15下侧的螺栓3上设有调平螺帽4，调整调平螺帽4，使测筒8的筒体轴线垂直于地面，然后上紧固定螺帽5使测筒8固定于基点基座1和测点基座2上，在基点基座1上固定有控制器7，控制器7采用sl-t300控制器.测点基座2的结构和基点基座1相同，测点基座2上的测筒及固定方式也完全与基点基座1相同，用连通管6通过各测筒8的底部将各测筒8连接起来，形成连通器，在连通管6的一端，设有控制阀门17和加放液口16，并通过加放液口16和阀门17加入液体13到筒体8内，浮子14漂浮在液体13上，作为反射激光之用。

工作时，首先，根据设计要求确定基点及各测点位置，然后埋设浇筑基点基座1及测点基座2。将测筒8进行组装，将激光位移传感器9用固定支架11固定在测筒8的上部，然后连接信号电缆12，所有激光位移传感器9上的信号线缆12连接到控制器7上，并将浮子14放置在测筒8内,，然后将密封盖18安装在顶部，密封盖上有通气孔10连通大气。在三根预埋螺栓3上分别装上调平螺帽4，然后使筒体固定底盘15上的螺栓孔19穿过预埋螺栓3，通过调整螺帽4，使测筒8的轴线铅直，然后用固定螺帽5固定筒体8，将测筒8和基点基座1固定连接成一体。测点基座2及测筒的结构及安装方法与基点1相同。用连通管6将基点测筒及测点测筒在底部连接起来，形成连通器。在连通管6的一端设有阀门17和加放液口16，打开阀门17，通过加放液口16加入液体，待测筒8内的液面13到达适当位置时即停止加液，浮子14即浮在液面13上；液体由于维修等原因需要放出来时，即可打开阀门17将液体放出来进行维修。

测量时，控制器7通过信号电缆12控制激光器位移传感器9同时动作，射出激光到浮子14上并反射回激光位移传感器9，测量出激光位移传感器9到浮子14的距离，将测量的数据通过信号线缆12传递到控制器7，按照上文式（1）计算公式编写程序，计算各测点的沉降量，并无线传送至水库管理中心。

由于各测点的变位使液体在连通管6中流动，使各测筒内的液面水平，这需要一定的时间，但需要时间较短，试验证明，在连通管内径大于8mm、变位不剧烈的情况下，很短时间就可以达到新的平衡而停止流动，这个时间间隔在一般情况下满足测量频次的要求。