专利名称：路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置及其监测方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置及其监测方法。
背景技术：
高速行车是铁路现代化的重要标志，而高速铁路的列车动力作用远大于普通铁路，这对我国传统铁路设计、施工、检测等提出了新的挑战，特别对路基沉降变形的控制有了更高的要求，因此就需要对路基的沉降变形进行长期自动监测，对不符合要求的路基要及时进行维护，并釆取不同施工方式来控制其沉降与变形量。所以，研究能够快速准确监测路基沉降与变形的方法，并研制相应装置，对于高速铁路路基铺设和沉降监测以及保证客运专线列车安全运行具有重要意义。
目前对于路基沉降变形的检测主要采用监测桩法、沉降水杯法、沉降板法、磁环沉降仪法、水力法、测倾法等。这些测量方法中，有些方法只能实现表面沉降检测，无法测试路基内部某一位置的沉降，如监测桩法；有些方法只能在一定环境下使用，如水力法和沉降水杯法只能在不结冰的条件下使用；有些方法测量精度不高，如磁环沉降仪测量精度在10mm量级；有些方
法采用人工读数，不能实现自动检测，测量效率低、误差大。此外，这些方法均只能实现单参数测量，且各点测量数据需要人工采集，不能实现远程监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用激光测量技术实现路基分层垂直沉降与横向位移同时自动监测的装置以及基于该装置的自动监测方法，解决目前使用的路基沉降变形的检测方法测量精度低、测量深度浅、对测量环境要求高以及无法远程监测和无法自动监测等问题。
本发明的技术方案是， 一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置，包括测量定位单元、激光位移传感单元、激光角度传感单元、测量信号控制单
元801、测量数据传送单元802、中央处理单元和电源模块9，其特征是，所述测量定位单元由测斜管l、磁环2、测杆3、提拉装置4、限位开关IO
组成；所述测斜管1和磁环2预先通过钻孔方式埋入待测路基；测斜管l的管
壁两侧有导槽101;磁环2埋入路基下不同深度的观测点位，用膨胀土封孔，
磁环2可与地层同步沉降；
所述提拉装置4由电机401、绕盘402、滑轮403、电缆或者安全绳索404
组成；
所述测杆3由支撑杆301、上组导轮302、下组导轮303、铁环304、定位传感器305组成；所述定位传感器305固定在支撑杆301上，可随测杆3在测斜管1中移动；所述铁环304与上组导轮302固定；上组导轮302和下组导轮303分别固定在支撑杆301上下两端，保证测杆3在测斜管1内位置居屮，并可沿导槽101滑动，且保证测杆3不会整体旋转；
所述电缆或者安全绳索404连接测杆3上的铁环304，并经过滑轮403，
缠绕在绕盘402上，绕盘402由电机401带动；当电机401启动时，提拉装置4可带动测杆3沿测斜管1内的导槽101滑动；当定位传感器305到达磁环2的位置时与磁环2发生感应，感应信号通过电缆传输，并通过测量信号控制单元控制电机401停止，同时控制激光位移传感单元和激光角度传感单元进行位移测量和角度测量；限位开关10安装在测斜管1孔口以下位置，铁环304触 碰到限位开关10，电机401将停止转动；
所述激光位移传感单元由激光测距传感器5、反射板501组成；反射板501 固定在支撑杆301上，可随测杆3在测斜管1中移动；激光测距传感器5利用 机械卡具601安装在固定支架6上；所述激光测距传感器5发射的激光束通过 固定支架6上的通光孔发射到反射板501，由反射板501将激光束反射回去， 并通过通光孔由激光测距传感器5接收。
所述激光角度传感单元由激光测头7和反射镜703组成；所述反射镜703 固定在支撑杆301上，可随测杆3在测斜管中移动；所述激光测头7由激光发 射器701和光电接收器702组成；激光测头7安装在固定支架6上；所述激光 器701和光电接收器702均固定在安装盒602内；所述激光器701发射的激光 通过安装盒602内的透明窗口发射到反射镜703，由反射镜703反射回去的激 光仍然通过透明窗口由光电接收器702接收；
所述测量信号控制单元801分别与测量定位单元、激光位移传感单元和激 光角度传感单元通过有线或者无线方式连接；用于检测磁环位置感应信号、控 制电机启停、控制激光位移传感单元和激光角度传感单元进行测量；
所述测量数据传输单元802分别与激光位移传感单元和激光角度传感单元 通过有线或者无线方式连接，用于将激光位移传感单元和激光角度传感单元测 量所获得的数据通过有线或者无线方式送入中央处理单元；
所述中央处理单元由测量数据接收模块、计算处理单元、软件处理系统、 显示与存储模块四个顺序连接的功能模块组成；
所述电源模块9用于为测量定位单元、激光位移传感单元、激光角度传感 单元、测量信号控制单元801与测量数据传送单元802提供工作电流；
所述提拉装置4中的电机401、固定支架6、测量信号控制单元801和测 量数据传送单元802以及电源模块9均固定安装在支架11上，支架11安装在测斜管1孔口以上的位置；地面上所有装置用密封盒12密封保护。
'所述支撑杆301由不锈钢加工而成。 所述激光器701采用半导体激光器。
所述光电接收器702采用PSD位置敏感探测器或者线阵CCD。 所述测斜管1孔口露出地面0.5米或者0.5米以上。
一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测方法，其特征是所述方法包括 下列步骤
步骤1:通过钻孔方式在路基下埋设测斜管1，并在不同深度的观测点位
埋设磁环2，用膨胀土封孔，使磁环2和地层同步沉降，将最靠近孔底的磁环 记为第一观测点；
步骤2:将激光测距传感器5与激光测头7安装在固定支架6上，将测杆 3送入测斜管1中，调整激光测距传感器5与激光测头7的各自位置，保证测 杆3在测斜管1中移动的全过程中，激光测距传感器5与激光测头7发射的激 光光线都能分别照射在反射板501与反射镜703上，且返回的光线分别被激光 测距传感器5和光电接收器702接收；
步骤3:启动自动监测装置，提拉装置4将带动测杆3由测斜管1的底部 向顶部缓慢运动；
步骤4:当定位传感器305检测到磁环2位置感应信号时，由测量信号控 制单元801控制电机401停转；
步骤5:测量信号控制单元801控制激光位移传感单元进行测量，测得位 移数据；
步骤6:通过测量数据传送单元S02将测得的位移数据传送给中央处理单
元；
步骤7:测量信号控制单元801控制激光角度传感单元进行测量，测得角 度数据；传送单元802将测得的角度数据传送给中央处理单
元；
步骤9:电机401在等待设定时间之后，测量信号控制单元801将控制电 机401重新启动，测杆3继续在测斜管1中向顶部移动，到达下一个磁环位置 时，重复步骤4至步骤9;
步骤10:当测杆3碰到测斜管口 l处的限位开关10，电机401停止转动， 所有测点的测量全部结束，记为一次测量；中央处理单元对所接收的各观测点 的位移和角度测量数据进行处理，以获得路基分层垂直沉降与横向位移参数； 其中，各观测点每次测量的位移值与前次测量位移值相减即为各观测点的垂直
沉降量；各观测点的横向位移量可由L,.tg《计算得出，其中L,为激光位移传感
单元测得的第i'个观测点的位移值与第一观测点的位移值之差，《.为激光角度
传感单元测得的第/个观测点的角度测量值与第一观测点的角度测量值之差。
本发明的效果在于，将激光测量技术应用于路基分层垂直沉降与横向位移 的监测中，提高了测量的精度；装置可根据测量深度的需要进行设定，提高了 测量的深度；能够适应不同工作环境的需要；同时对路基分层垂直沉降与横向 位移能够实现远程自动化监测，无须人工参与，提高了测量的效率。
图l是测量定位单元示意图。 图2是测杆示意图。
图3是路基分层垂直沉降与横向位移同时自动监测装置的组成示意图。 图4是中央处理单元的组成示意图。
图5是路基分层垂直沉降与橫向位移自动监测方法的流程图。
10
具体实施例方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅 仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是测量定位单元示意图。图1中，测量定位单元由测斜管1、磁环2、 测杆3、提拉装置4、限位开关10组成。测斜管1和磁环2预先通过钻孔方式 埋入待测路基，磁环2将埋入路基下不同深度的各观测点位，用膨胀土封孔，
磁环将与地层同步沉降。
提拉装置4由电机401、绕盘402、滑轮403、电缆或者安全绳索404组成。 电缆连接测杆3上的铁环304，并经过滑轮403，缠绕在绕盘402上，绕盘402 由电机401带动。当电机401启动时，提拉装置4可带动测杆3沿测斜管1内 的导槽101滑动。限位开关IO安装在测斜管1孔口以下位置，当铁环304触 碰到限位开关10，电机401将停止转动。
图2是测杆示意图。图2中，测杆3由支撑杆301、上组导轮302、下组 导轮303、铁环304和定位传感器305组成。两组导轮302、 303分别在上、下 两端与支撑杆301固定，铁环304与上组导轮302固定，可连接电缆或者安全 绳索404以便拉动测杆3。定位传感器305固定在支撑杆301上，可随测杆3 移动。
当电机401启动时，提拉装置4可带动测杆3沿测斜管1内的导槽101滑 动；当定位传感器305到达磁环2的位置时与磁环2发生感应，感应信号通过 电缆传输，并通过测量信号控制单元控制电机401停止，同时控制激光位移传 感单元和激光角度传感单元进行位移测量和角度测量。如果提拉装置4采用安 全绳索404，则需要另外提供电缆用以将传送定位传感器305的信号传送到测 量信号控制单元。
图3是路基分层垂直沉降与橫向位移同时自动监测装置的组成示意图。图 3中，激光位移传感单元由激光测距传感器5、反射板501组成。反射板501
11固定在支撑杆301上，可随测杆3在测斜管中移动。激光测距传感器5利用机 械卡具601并通过螺纹连接等方式安装在固定支架6上，激光束通过固定支架 6上的通光孔发射并接收。
所述激光角度传感单元由激光测头7和反射镜307组成，反射镜固定在支 撑杆301上，随测杆3在测斜管中移动。激光测头7由激光发射器701、光电 接收器702组成，该激光测头7通过螺纹连接等方式安装在固定支架6上。激 光器701、光电接收器702均固定在安装盒602内，激光器701可以选用半导 休激光器等多种类型的激光器，它发射的激光通过安装盒602内的透明窗口发 射出来，由反射镜307反射回去的激光仍然通过透明窗口由光电接收器702接 收，光电接收器702可选择PSD位置敏感探测器或者线阵CCD。
测量信号控制单元801检测磁环位置感应信号，控制电机启停、控制激 光位移传感单元进行测量、控制激光角度传感单元进行测量。测量数据传送 单元802可以以有线或者无线方式传送所测量的数据。由激光位移传感单元 和激光角度传感单元所接收到测量信号的数据由数据传送单元802送入中央 处理单元，获得路基分层垂直沉降位移参数和横向位移参数。
图4是中央处理单元的组成示意图。图4中，中央处理单元主要由测量数 据接收模块、计算处理单元、软件处理系统、显示与存储四个功能模块组成。 这四个功能模块顺序连接。
电源模块9用于将线路边提供的交流或直流电压通过变换等处理得到稳压 电压，提供给上述的测量定位单元、激光位移传感单元、激光角度传感单元、 测量信号控制与测量数据传送单元。
提拉装置4中的电机401、固定支架6、测量信号控制单元801和测量数 据传送单元802以及电源模块9均固定安装在支架11上，支架11安装在测 斜管1孔口以上位置。测斜管1孔口露出地面0.5米以上，地面上所有装置 用密封盒12密封保护。图5是路基分层垂直沉降与横向位移同时自动监测方法的流程图。图5中， 路基分层垂直沉降与横向位移可以同时进行自动监测。该方法的具体实施步骤 是
步骤l:每段测斜管1的外部按照预定测点深度的位置安装磁环2，最底 端的管口做封堵处理，以防泥沙堵塞。通过钻孔方式，将每段测斜管逐根放入 孔内后，在地表管口处施加压力，使孔底部的管头插入土层中。用膨胀土封孔， 以便磁环2和地层同歩沉降，将最靠近孔底的磁环记为第一观测点。
歩骤2:将所述激光位移传感单元的激光测距传感器5和激光角度传感单
元的激光测头7利用机械卡具601并通过螺纹连接等方式安装在固定支架6上。 将提拉装置4中的电机401、固定支架6、测量信号控制单元801与测量数据 传送单元802以及电源模块9固定安装在支架11上，支架11安装在测斜管1 孔口以上位置。
将电缆或者安全绳索404 —端与绕盘402连接好，并使其绕过滑轮403， 将电缆或者安全绳索404另一端与铁环304卡紧，保证在提拉过程中不损坏电 缆与定位传感器305的接头部分。将测杆3平稳垂直送入测斜管，由提拉装置 4带动测杆3沿测斜管导槽101滑动。
调整激光测距传感器5和激光测头7的位置，保证各自发射的激光光线在 测杆3从测斜管底部移动到测斜管顶部的全过程中，都能照射在反射板501和 反射镜703上，且返回的光线能够被上述激光测距传感器和激光测头接收到。
步骤3:测量时，提拉装置4带动测杆3由测斜管底部向顶部缓慢运动。
步骤4:测杆3上的定位传感器305到达磁环2位置时，测量信号控制单 元801控制电机401停转。
步骤5:测量信号控制单元801控制激光位移传感单元的激光测距传感器 5发射激光，照射到反射板501后反射回激光测距传感器5，完成该点位激光 测距工作。
13步骤6:测量数据传送单元802将位移测量值传送到中央处理单元保存并 等待处理。
步骤7:测量信号控制单元801控制激光角度传感单元的激光发射器701 发射激光，照射到反射镜703后返回并由光电接收器702接收，完成该点位激 光测角工作。
步骤8:测量数据传送单元802将角度测量值传送到中央处理单元保存并 等待处理。
步骤9:电机在等待设定时长，例如30秒过后，测量信号控制单元801 将控制电机401重新启动，测杆3将继续在测斜管中向顶部移动，测杆在到达 下一个磁环位置时，重复步骤4至步骤9。
步骤10:当测杆3碰到限位开关10时，电机401停止转动，测量全部结
束，记为一次测量。
中央处理单元对所接收的各个观测点的位移和角度测量数据进行处理，以
获得路基分层垂直沉降与横向位移参数。各观测点每次测量的位移值与前次测 值相减即为各观测点的垂直沉降量，根据沉降值和时间值，还可得出沉降量随
时间的变化曲线。各观测点的横向位移量可由L「tg《计算得出，其中L,为激光
位移传感单元测得的第Z个观测点的位移值与第一观测点的位移值之差，《为
激光角度传感单元测得的第/个观测点的角度测量值与第一观测点的角度测量 值之差，进而还可得到横向位移随时间、孔深的各种变化曲线。
上述路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置适应各种特殊工作环境， 更适合对野外线路迸行远程监测。在进行远程监测时，可以通过中央处理单元 长期对路基沉降变形测量装置的连续测量数据进行采样，同时得到路基分层垂 直沉降量和横向位移量，如果对中央处理单元进行编程，还可以实现监测的自 动化。在进行远程监测时，测量数据传送单元优选使用无线通信方式与中央处理 单元相连接。使用无线通信方式能够显著降低本路基沉降变形激光测量系统的 实现成本。
本发明由于使用了激光测量技术，因此测量精度大幅度提高，检测路基垂 直沉降的灵敏度小于0.5ram，检测误差小于lmm;路基横向位移的测量精度小 于0. 005誦/500腿，分辨率小于l"，同时可长时间实现对路基变形的监测。
上述路基分层垂直沉降与横向位移同时自动监测装置还可拆分为路基分 层垂直沉降自动监测和路基横向位移自动监测两种独立的装置，其中，路基分 层垂直沉降自动监测装置包括测量定位单元、激光位移传感单元、测量信号控 制单元、测量数据传送单元、中央处理单元和电源模块；路基横向位移自动 监测装置包括测量定位单元、激光角度传感单元、测量信号控制单元、测量 数据传送单元、中央处理单元和电源模块。这两种监测装置可分别独立地应
用于路基垂直沉降和路基横向位移测量中。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，伹本发明的保护范围并不 局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可 轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1、一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置，包括测量定位单元、激光位移传感单元、激光角度传感单元、测量信号控制单元(801)、测量数据传送单元(802)、中央处理单元和电源模块(9)，其特征是，所述测量定位单元由测斜管(1)、磁环(2)、测杆(3)、提拉装置(4)、限位开关(10)组成；所述测斜管(1)和磁环(2)预先通过钻孔方式埋入待测路基；测斜管(1)的管壁两侧有导槽(101)；磁环(2)埋入路基下不同深度的观测点位，用膨胀土封孔，磁环(2)可与地层同步沉降；所述提拉装置(4)由电机(401)、绕盘(402)、滑轮(403)、电缆或者安全绳索(404)组成；所述测杆(3)由支撑杆(301)、上组导轮(302)、下组导轮(303)、铁环(304)、定位传感器(305)组成；所述定位传感器(305)固定在支撑杆(301)上，可随测杆(3)在测斜管(1)中移动；所述铁环(304)与上组导轮(302)固定；上组导轮(302)和下组导轮(303)分别固定在支撑杆(301)上下两端，保证测杆(3)在测斜管(1)内位置居中，并可沿导槽(101)滑动，且保证测杆(3)不会整体旋转；所述电缆或者安全绳索(404)连接测杆(3)上的铁环(304)，并经过滑轮(403)，缠绕在绕盘(402)上，绕盘(402)由电机(401)带动；当电机(401)启动时，提拉装置(4)可带动测杆(3)沿测斜管(1)内的导槽(101)滑动；当定位传感器(305)到达磁环(2)的位置时与磁环(2)发生感应，感应信号通过电缆传输，并通过测量信号控制单元控制电机(401)停止，同时控制激光位移传感单元和激光角度传感单元进行位移测量和角度测量；限位开关(10)安装在测斜管(1)孔口以下位置，铁环(304)触碰到限位开关(10)，电机(401)将停止转动；所述激光位移传感单元由激光测距传感器(5)、反射板(501)组成；反射板(501)固定在支撑杆(301)上，可随测杆(3)在测斜管(1)中移动；激光测距传感器(5)利用机械卡具(601)安装在固定支架(6)上；所述激光测距传感器(5)发射的激光束通过固定支架6上的通光孔发射到反射板(501)，由反射板(501)将激光束反射回去，并通过通光孔由激光测距传感器(5)接收；所述激光角度传感单元由激光测头(7)和反射镜(703)组成；所述反射镜(703)固定在支撑杆(301)上，可随测杆(3)在测斜管中移动；所述激光测头(7)由激光发射器(701)和光电接收器(702)组成；激光测头(7)安装在固定支架(6)上；所述激光器(701)和光电接收器(702)均固定在安装盒(602)内；所述激光器(701)发射的激光通过安装盒(602)内的透明窗口发射到反射镜(703)，由反射镜(703)反射回去的激光仍然通过透明窗口由光电接收器(702)接收；所述测量信号控制单元(801)分别与测量定位单元、激光位移传感单元和激光角度传感单元通过有线或者无线方式连接；用于检测磁环位置感应信号、控制电机启停、控制激光位移传感单元和激光角度传感单元进行测量；所述测量数据传送单元(802)分别与激光位移传感单元和激光角度传感单元通过有线或者无线方式连接，用于将激光位移传感单元和激光角度传感单元测量所获得的数据通过有线或者无线方式送入中央处理单元；所述中央处理单元由测量数据接收模块、计算处理单元、软件处理系统、显示与存储模块四个顺序连接的功能模块组成；所述电源模块(9)用于为测量定位单元、激光位移传感单元、激光角度传感单元、测量信号控制单元(801)与测量数据传送单元(802)提供工作电流；所述提拉装置(4)中的电机(401)、固定支架(6)、测量信号控制单元(801)和测量数据传送单元(802)以及电源模块(9)均固定安装在支架(11)上，支架(11)安装在测斜管(1)孔口以上的位置；地面上所有装置用密封盒(12)密封保护。
2、根据权利要求1所述的一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置， 其特征是所述支撑杆(301)由不锈钢加工而成。
3、 根据权利要求1所述的一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置， 其特征是所述激光器(701)采用半导体激光器
4、 根据权利要求1所述的一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置，其特征是所述光电接收器(702)采用PSD位置敏感探测器或者线阵CCD。
5、 根据权利要求1所述的一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置， 其特征是所述测斜管(l)孔口露出地面0.5米或者0.5米以上。
6、 一种如权利要求1所述的路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置的 自动监测方法，其特征是所述方法包括下列步骤歩骤l:通过钻孔方式在路基下埋设测斜管(l)，并在不同深度的观测点位埋 设磁环(2)，用膨胀土封孔，使磁环(2)和地层同步沉降，将最靠近孔底的磁环记 为第一观测点；步骤2:将激光测距传感器(5)与激光测头(7)安装在固定支架(6)上，将测杆(3) 送入测斜管(l)中，调整激光测距传感器(5)与激光测头(7)的各自位置，保证测杆 (3)在测斜管(1)中移动的全过程中，激光测距传感器(5)与激光测头(7)发射的激光 光线都能分别照射在反射板(501)与反射镜(703)上，且返回的光线分别被激光测 距传感器(5)和光电接收器(702)接收；步骤'3:启动自动监测装置，提拉装置(4)将带动测杆(3)由测斜管(1)的底部向 顶部缓慢运动；步骤4:当定位传感器(305)检测到磁环(2)位置感应信号时，由测量信号控制 单元(801)控制电机(401)停转；步骤5:测量信号控制单元(801)控制激光位移传感单元进行测量，测得位移 数据；步骤6:通过测量数据传送单元(802)将测得的位移数据传送给中央处理单元；步骤7:测量信号控制单元(801)控制激光角度传感单元进行测量，测得角度数据；步骤8:通过测量数据传送单元(802)将测得的角度数据传送给中央处理单元；步骤9:电机(401)在等待设定时间之后，测量信号控制单元(801)将控制电机 (401)重新启动，测杆(3)继续在测斜管(1)中向顶部移动，当到达下一个磁环位置 时，重复步骤4至步骤9;步骤10:当测杆(3)碰到测斜管口(1)处的限位开关(10)，电机(401)停止转动， 所有测点的测量全部结束，记为一次测量；中央处理单元对所接收的各观测点的 位移和角度测量数据进行处理，以获得路基分层垂直沉降与横向位移参数；其中， 各观测点每次测量的位移值与前次测量位移值相减即为各观测点的垂直沉降量；各观测点的横向位移量可由L,.tg《计算得出，其中L,为激光位移传感单元测得的第/个观测点的位移值与第一观测点的位移值之差，《为激光角度传感单元测得 的第i个观测点的角度测量值与第一观测点的角度测量值之差。
全文摘要
本发明公开了光学测量技术领域中一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置及其监测方法。技术方案是，所述自动检测装置包括测量定位单元、激光位移传感单元、激光角度传感单元、测量信号控制单元、测量数据传送单元、中央处理单元和电源模块；自动监测方法是，首先安装各装置；而后，启动提拉装置，当定位传感器到达磁环位置时，停止该装置，测量位移和角度数据，并传送到中央处理单元保存；重启提拉装置，重复测量和保存数据步骤，直至测管触碰到限位开关；处理中央处理单元的所有数据，得出路基垂直沉降与横向位移参数。本发明应用了激光测量技术，提高了测量的精度和深度，同时实现了远程自动化的监测。
文档编号E02D33/00GK101476337SQ20091007671
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月15日 优先权日2009年1月15日
发明者冯其波, 崔建英, 斌 张, 邵双远, 陈士谦, 颊东耀, 瞻 高 申请人:北京交通大学