专利名称：一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法
技术领域：
本发明属于光学测量和几何位置测量技术领域，涉及一种利用激光远程测 量路基沉降的装置与方法。
背景技术：
路基沉降在道路的施工过程中以及完工以后都是难以避免的。由于沉降、
不均匀沉降，会引起的轨道下沉和轨面弯折，影响线路的平顺性；在通过桥梁 的轨道中，会引起桥台与路基的沉降差，当列车驶过这些地段时，由于沉降引 起的轨道刚度和变形发生突变，使得轮轨间的动力作用增大，从而引起轨道破 坏，影响行车的平稳性与安全性。为了及时了解路基在荷载作用下的沉降以及 沉降变化趋势，以便提前采取有效措施，防止事故的发生，需要在道路的施工 过程中以及完工以后一段时期设置沉降观测。完工后沉降观测要根据实际情况 确定观测时间长短。
近年来随着轨道建设的快速发展，相关的安全问题越来越得到人们的重视。
特别是现在高速铁路的出现，对路基形变的控制有了更高的要求，从而也使得 路基沉降的测量、计算与控制显得更为重要。而在这三者中，沉降的测量是后 两者的依据与基础。然而，相对于人工的路基沉降测量，能够远程测量路基沉 降的设备将是路基沉降测量的发展趋势。
目前用于测量道路路基沉降观测装置主要有水杯沉降仪、沉哮板测量装置、 剖面沉降仪、PVC管沉降仪、磁环沉降仪。
水杯沉降仪用连通器原理，把路基内部某一点的高程映射到路基外部，故
测量路基外部该映射点的高程即可知道路基内部观测点的高程。其测量系统包 括沉降杯、观测杯、管路包括柔性管道、阀门和连接器，沉降杯与观测杯由管
路连通，里面装有液体。例如专利号为200520044774. 0、名称为《一种沉降仪》 的中国专利，将沉降盒置于路基或结构物底部，而将刻度管尺置于路基或结构 物之外，在路基或结构物之外获得路基或结构物的沉降。该系统将路基外部一 点，即观测杯所在位置作为基准点，其不足之处在于，测量点与基准点之间通 过管路连接，若由于外界因素导致柔性管道膨胀或者管路渗漏等，将影响测量 结果的准确性。此外，观测杯所在位置离路基越远，该位置由于施工所受的影 响越小，但同时会增加埋设管路的成本。
沉降板测量装置的沉降板底座随着路基沉降，通过与底座相连的测杆，可 以测得底座埋设处的路基沉降值。在测量之前，必须对每个沉降板埋设相应的 水准点，经过一段稳定时间对全路段水准点进行联测，使各个水准点在一个基 准高程上，参见汪祖民、吴宪章，《苏嘉杭高速公路软土地基沉降观测作业方法》， 《华东公路》2006年第2期。由于是人工测量，增加了工作量和成本，而且精 度容易受到影响。
PVC管沉降仪也称测斜仪是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪器。由 敏感器件测量出探头所在处的倾角，通过一定关系式将倾角转换成水平或垂直 位移，然后累加得到被测点与初始位置线的距离，再对不同时期测量结果的对 比分析，可以确定各土层的水平或垂直位移的结果(参见张红春、侯建军，《PVC 管剖面沉降仪在高速公路路基沉降观测中的应用》，《公路》2007年第8期、常 建梅、赵玉成、冯怀平，《水平测斜仪在路基沉降测量中的应用》，《山西建筑》 2004年第16期)。该测量方法的基准就是PVC管的初始位置线，其测量准确度 与管的埋设有关，且测得的也是一个相对沉降量，若要对几根PVC管测得数据 进行比较，还必须用另外的方法建立一个统一的基准。
磁环沉降仪是一种分层沉降仪，所用传感器是根据电磁感应原理设计，将 磁感应沉降环预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置，当传感器通过磁感 应环时，产生电磁感应信号送至地面仪表显示，同时发出声光报警。读取孔口 标记点上对应钢尺的刻度数值，即为沉降环的深度。 一般每次测量值与前次测 值相减即为该测点的相对沉降量。为得到绝对沉降量， 一般将最底层沉降标位 置作为监测基准点，通过对不同时期测量结果的对比分析，可以确定各土层的 沉降或隆起结果(参见赵洪勇、刘建坤、崔江余，《高速铁路路基沉降监测方法
的认识与评价》，《路基工程》2001年第6期)。该方法是将最底层的沉降标所在 位置视为不动点，要使其真正的不沉降， 一般要将孔打得很深，这样增加了操 作难度和成本。
总结起来，现有技术普遍存在以下三个主要缺点(l)依靠人工测量或纪录， 测量效率低，检测精度低；(2)选择基准点时，稳定性和低成本不能兼得；(3) 测量不能远程监控，也不能进行自动测量。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种利用激光远程测量路基沉降的装置。该装 置利用先进的激光测量技术实现，可以对路基的沉降进行远程自动测量，可达 亚毫米级甚至更高的测量精度。
本发明还有一个目的是提供通过上述利用激光远程测量路基沉降的装置测 量路基沉降的方法。该方法可以实现路基施工过程中沉降的远程测量，也可以 实现工后沉降的远程测量，通过一定处理还能实现测量的自动化；也可以在几 乎不影响施工的情况下，对路基任意位置以及适当深度的沉降进行远程测量。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案一种利用激光远程测量路基沉降的装置，该装置包括路基沉降测量单元、 测量信号传输单元、中央处理单元和电源模块，测量信号传输单元和中央处理 单元之间以有线或无线方式进行连接。
所述路基沉降测量单元包括点光源、激光测量单元、沉降检测桩和固定 观察桩。
所述点光源安装在所述沉降检测桩上，沉降检测桩埋设在待测点处；所述激光 测量单元安装在与沉降检测桩对应的固定观察桩上，固定观察桩安装在路基沉 降变形区以外，不发生沉降或者其沉降量与被测点相比忽略的地点；或所述点 光源安装在固定观察桩上，激光测量单元安装沉降检测桩上；调整点光源与激 光测量单元之间的相对位置，使点光源位于激光测量单元中成像透镜的光轴上， 并使点光源发出的光经激光测量单元中的成像透镜成像后，像点A'位于光电位 置探测器的中心位置。
所述激光测量单元由成像透镜、光电位置探测器、信号处理器、安装盒组 成。所述成像透镜和光电位置探测器分别由两个支架固定在所述安装盒内，并 且使成像透镜的光轴与光电位置探测器的光敏面基本垂直。
所述激光测量单元由成像透镜、光电位置探测器、信号处理器、安装盒组 成；所述成像透镜和光电位置探测器分别由两个支架固定在所述安装盒内，并 且使成像透镜的光轴与光电位置探测器的光敏面垂直。
所述点光源由高亮度的红色发光二极管、小孔光阑组成，或者直接使用半 导体激光组成或者使用带尾纤的半导体激光器。
所述光电位置探测器采用线阵电荷耦合器件或面阵电荷耦合器件或四象限 光电探测器或位置敏感探测器中的任意一种。
所述沉降检测桩由底板和测杆组成，测杆底端垂直固定于底板之上，测杆
顶端高于地面；或沉降检测桩直接由水泥或其他材料修筑在路基表面。
基于上述的利用激光远程测量路基沉降的装置实现的一种利用激光远程测 量路基沉降的方法，其步骤
步骤1，使用激光测距仪或直接用巻尺测量出所述点光源到所述激光测量装 置的成像透镜中心的距离S。
步骤2，当路基发生沉降时，沉降检测桩随之沉降，安置在其测杆上的点光 源发生相同距离的位移h，点光源产生的点光源透过成像透镜在光电位置探测器 上所成的像也随之发生相应的位移h'，该位移通过信号处理器得到。
步骤3，根据步骤1测得的物距S、以及已知的成像透镜焦距f，再通过透
丄丄=丄 ,=sf
镜成像公式^ + ^ = 7，算得像距8=口。
步骤4，根据步骤1测得的物距s、步骤2测得的像点位移量h'，步骤3
计算所得的像距s'，通过三者与点光源位移量之间的关系^ = 7,计算出点光源 h = _i h,
位移量_7 ，从而得到待测点该时刻的路基沉降量h。 本发明与现有技术相比，所具有的有益效果为
其一，采用激光测量路基沉降，不仅避免了人工误差，测量精度也有所提咼。
其二，在路基沉降测量中，优先采用现代无线通讯手段将所测得的信息传 递到中央处理单元，降低了测量工作量，提高了测量效率。
其三，采用远距离、非接触的测量，在选择路基沉降基准点时，能同时保 证基准点的稳定性和较低的成本。
其四，采用透镜成像原理，可以使光电位置探测器测量比自身量程范围更 大的路基沉降值
本发明检测路基沉降的灵敏度小于0. lmm,检测误差小于0.5ram，同时可长 时间实现对路基沉降的自动监测。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
图1为一种利用激光远程测量路基沉降的装置的测量光路图。
图2为实施例一的一种利用激光远程测量路基沉降的装置的组成示意图。
图3为三种点光源的示意图。
图4为中央处理单元的组成示意图。
图5为实施例二的一种利用激光远程测量路基沉降的装置的组成示意图。 图中-
点光源l，激光测量装置2，数据发送单元3，沉降检测桩5，固定观察桩6， 中央处理单元7，被测处路基8，红色高亮度发光二极管101，小孔光阑102， 半导体激光器103、 104,尾纤105，固定装置106，成像透镜201，光电位置探 测器202，安装盒203，信号处理器204，支架205、 206,电源模块401、 402， 沉降检测桩测杆底板501，沉降检测桩测杆502。
具体实施例方式
实施例一
下面介绍利用激光测量技术实现的远程测量路基内部沉降装置。 如图2所示，该激光远程测量路基内部沉降装置主要由路基沉降测量单元、 测量信号传输单元、中央处理单元和电源模块组成，测量信号传输单元与中央 处理单元之间以有线或者无线方式进行连接。其中，路基沉降测量单元是实现 激光远程测量路基内部沉降的基础，它包括点光源l、激光测量单元2、沉降检 测桩5和固定观察桩6四个部分。
点光源1由高亮度红色发光二极管101、小孔光阑102组成，如图3 (a) 所示，固定在沉降检测桩5的测杆502上，其中高亮度红色发光二极管101与 电源模块401相连；或者直接使用半导体激光器103，如图3 (b)所示，固定 在沉降检测桩5的测杆502上，半导体激光器106与电源模块401相连；或者 直接使用带尾纤的半导体激光器，由半导体激光器104、尾纤105、固定装置106 组成，如图3(c)所示，固定在沉降检测桩5的测杆502上，特别的尾光纤105 前端由固定装置106固定，其中半导激光器104与电源模块401相连。
激光测量单元2由成像透镜201、光电位置探测器202、信号处理器204、 安装盒203组成，它设置在能探测到点光源1发出的点光源的位置，直接安装 在与沉降检测桩5对应的固定观察桩6上。成像透镜201通过支架206固定在 安装盒203内，光电位置探测器202通过支架205固定在安装盒203内，光电 位置探测器202采用线阵电荷耦合器件或面阵电荷耦合器件或四象限光电探测 器或位置敏感探测器中的任意一种，信号处理器204直接固定在安装盒203内， 安装盒203密封。光电位置探测器202、信号处理器204、测量信号传输单元3 顺序连接。点光源1位于激光测量单元中成像透镜的光轴上，发出的光通过安 装盒203内的透明窗口、经由成像透镜201成像后，像点A'位于光电位置探测 器202的中心位置。信号处理器204由前置放大电路、位置信号处理电路、数 据转换接口电路三个功能模块组成，这三个功能模块顺序连接。光电位置探测 器202与信号处理器204相连，通过信号处理器204自动测量出点光源1的像 点A'沿竖直方向的位置改变量h'，初始位置h'为0。
沉降检测桩5由底板501和测杆502组成，如图2所示。测杆502底端垂 直固定于底板501之上，顶端高于地面。底板的版面面积一般稍大于测杆横截 面积的两倍，根据埋设处路基的情况而定，路基的致密度越小，底板版面面积
越大，反之越小，保证沉降检测桩5与埋设处路基沉降产生同步的位置变化。
固定观察桩6修筑在不发生沉降或者其沉降量与被测点相比可以忽略的地 点，作为测量的基准点。
测量信号传输单元即数据发送单元3，与激光测量单元2相连接。该信号传 输单元以有线或者无线方式向中央处理单元7传送所测量的数据。
中央处理单元7如图4所示，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。中 央处理单元7接收信号传输单元传送的数据，对其进行处理以获得路基沉降值。
电源模块401、 402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，电源模块401安装于沉降检测桩5上，提供上述的点光源l的工 作电源，电源模块402安装于固定观察桩6上，提供上述的激光测量单元2、数 据发送单元3的工作电源。
接下来介绍利用上述的激光远程测量路基内部沉降的装置，实现激光远程 测量路基内部沉降的方法，其步骤如下
步骤1，使用激光测距仪或直接用巻尺测量出点光源1的点光源到激光测量 单元2的成像透镜201中心的距离s。
步骤2，当路基发生沉降时，沉降检测桩5随之沉降，安置在其测杆502上 的点光源1发生相同距离的位移h，点光源1产生的点光源透过成像透镜201在 光电位置探测器202上所成的像也随之发生相应的位移h'，该位移通过信号处 理器204得到。
步骤3，根据步骤l测得的物距s、以及已知的成像透镜焦距f，再通过透
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镜成像公式7 + 7 = 7，得像距8=^。
步骤4，根据步骤1测得的物距s、步骤2测得的像点位移量h',步骤3
计算所得的像距s'，可通过三者与点光源位移量之间的关系^- ，计算出点光
h = i h,
源位移量一s''，从而得到待测点该时刻的路基沉降量h。 其中步骤3、步骤4在中央处理单元7中进行。
上述一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法，是通过中央处理单元7 长期对路基沉降测量装置的连续测量数据进行采样，得到路基内部沉降测量值， 实现对路基内部沉降的长期不间断监测。
实施例二
下面介绍利用激光测量技术实现的远程测量路基表面沉降装置。 如图5所示，该激光远程测量路基表面沉降装置与激光远程测量路基内部 沉降装置相似，主要由路基沉降测量单元、测量信号传输单元、中央处理单元 和电源模块组成，测量信号传输单元和中央处理单元之间以有线或者无线方式 进行连接。其中，路基沉降测量单元是实现激光远程测量路基表面沉降的基础。 它包括点光源1、激光测量单元2、沉降检测桩5和固定观察桩6四个部分。
激光远程测量路基表面沉降装置中的测量信号传输单元、电源模块与激光 远程测量路基内部沉降装置完全相同，在此不多赘述，下面就路基沉降测量单 元展开说明。
点光源1由高亮度红色发光二极管101、小孔光阑102组成，如图3 (a) 所示，固定在沉降检测桩5上，其中高亮度红色发光二极管101与电源模块401 相连；或者直接使用半导体激光器103,如图3 (b)所示，固定在沉降检测桩5 上，半导体激光器106与电源模块401相连；或者直接使用带尾纤的半导体激 光器，由半导体激光器104、尾纤105、固定装置106组成，如图3 (c)所示， 固定在沉降检测桩5上，特别的尾光纤105前端由固定装置106固定，其中半
导激光器104与电源模块401相连。
激光测量单元2 、固定观察桩6与激光远程测量路基内部沉降装置完全相同， 在此不多赘述。
沉降检测桩5直接修筑在待测点处路基表面，与修筑处的路基沉降产生同 步的位置变化。
利用上述的激光远程测量路基表面沉降装置实现激光远程测量路基表面沉 降的方法，与利用激光远程测量路基内部沉降装置实现激光远程测量路基内部 沉降的方法步骤相同，在此不多赘述。
上述一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法，是通过中央处理单元7 长期对路基沉降测量装置的连续测量数据进行采样，得到路基表面沉降测量值， 实现对路基表面沉降的长期不间断监测。
上述激光远程测量路基沉降的装置适合对野外线路进行远程检测。在进行 远程检测时，路基沉降测量装置进行连续测量，通过中央处理单元7长期对测 量所得的数据进行采样，得到路基沉降量，如果对中央处理单元7进行编程， 还可以实现检测的自动化。
在进行远程检测时，各激光远程测量路基沉降的装置中的测量信号传输单 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 降低本路基沉降激光测量系统的实现成本。
权利要求
1.一种利用激光远程测量路基沉降的装置，该装置包括，路基沉降测量单元、测量信号传输单元、中央处理单元和电源模块，测量信号传输单元和中央处理单元之间以有线或无线方式进行连接；其特征在于所述路基沉降测量单元包括点光源(1)、激光测量单元(2)、沉降检测桩(5)和固定观察桩(6)；所述点光源(1)安装在所述沉降检测桩(5)上，沉降检测桩(5)埋设在待测点处；所述激光测量单元(2)安装在与沉降检测桩(5)对应的固定观察桩(6)上，固定观察桩(6)安装在路基沉降变形区以外，不发生沉降或者其沉降量与被测点相比忽略的地点；或所述点光源(1)安装在固定观察桩(6)上，激光测量单元(2)安装沉降检测桩(5)上；调整点光源(1)与激光测量单元(2)之间的相对位置，使点光源(1)位于激光测量单元(2)中成像透镜(201)的光轴上；所述激光测量单元(2)由成像透镜(201)、光电位置探测器(202)、信号处理器(204)、安装盒(203)组成；所述成像透镜(201)和光电位置探测器(202)分别由两个支架固定在所述安装盒(203)内，并且使成像透镜(201)的光轴与光电位置探测器(202)的光敏面垂直。
2. 根据权利要求l所述的一种利用激光远程测量路基沉降的装置，其特征 在于所述点光源(1)由高亮度的红色发光二极管、小孔光阑组成，或者直接 使用半导体激光或者使用带尾纤的半导体激光器。
3. 根据权利要求l所述的一种利用激光远程测量路基沉降的装置，其特征 在于所述光电位置探测器(202)采用线阵电荷耦合器件或面阵电荷耦合器件 或四象限光电探测器或位置敏感探测器中的任意一种。
4. 根据权利要求1所述的一种利用激光远程测量路基沉降的装置，其特征 在于所述沉降检测桩(5)由底板(501)和测杆(502)组成，测杆(502) 底端垂直固定于底板(501)之上，测杆(502)顶端高于地面；或沉降检测桩 直接由水泥或其他材料修筑在路基表面。
5. —种利用权利要求1所述激光远程测量路基沉降装置实现激光远程测量 路基沉降的方法，其特征在于包括以下步骤步骤l，测量点光源(1)到成像透镜(201)中心的距离s;步骤2，测量点光源(1)在光电位置探测器(202)上像点的位移h'，该 位移通过信号处理器(204)得到；步骤3，计算像距s', S'="^ ， f为成像透镜(201)的焦距；s-f步骤4，计算路基沉降量h， h = + h' ， h'为激光测量单元(2)测得的像 点位移。
全文摘要
本发明涉及一种利用激光远程测量路基沉降的装置与方法，属于光学测量和几何位置测量技术领域。本发明的装置包括由底板(501)和测杆(502)组成的沉降监测桩、点光源(1)、固定观察桩(6)、激光测量单元(2)，以及测量信号传输单元(3)、中央处理单元(7)和电源模块(401、402)。本发明的方法包括在待测点埋设沉降检测桩，在其上安置点光源，使之与待测点处路基同步沉降；点光源通过激光测量单元的透镜(201)成像，像点A′于光电探测器(202)上，由像点位移量，算出点光源物点位移量，即待测点地基沉降量。本发明测量精度高，能实现施工过程中以及施工后的沉降测量、路基任意位置以及适当深度的沉降远程测量。
文档编号G01B11/02GK101373132SQ20081022275
公开日2009年2月25日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年9月24日
发明者冯其波, 婧 杨 申请人:北京交通大学