一种实时自动测量隧道断面变形的方法和装置与流程

本发明涉及变形监测技术领域，具体是一种实时自动测量隧道断面变形的方法和装置。

背景技术：

目前国内在隧道工程变形监测方面，主要通过在隧道的变形区布设监测点，使用收敛计、全站仪、水准仪和三维激光扫描仪等仪器进行逐点、逐断面的测量，人工测量过程繁琐，在进行监测需要长时间理论分析以及现场工程勘探，效率低、花费大量人力物力，并且无法实现自动化测量。

市面上也出现了一些自动测量隧道断面变形的装置，例如通过若干节测量杆件和固定座组成的装置，每节测量杆件均设置有倾角传感器，测量杆件的长度随隧道断面的变形发生改变，测量杆件上设置有位移传感器，通过所述位移传感器测量测量杆件的长度变化，根据倾角传感单元和测量杆件的长度得到所述隧道断面的拟合曲线，监测隧道断面的变形。此装置的每节测量杆件需要两个传感器协同测量，容易存在变差，而且每个测量杆件是独立的装置，安装时需要把每个杆件连接起来，安装繁琐。此装置计算的是二维平面内的倾角值，可以体现隧道断面的变形，但此计算方法要求安装时必须把整个装置安装在与隧道垂直的平面内，实际安装过程容易产生偏差。

技术实现要素：

本发明实施的目的在于提供一种自动测量隧道断面变形的方法和装置，所述装置具有多个单位长度的传感器测量单元，运用柔性关节连接相邻的两个传感器测量单元，整个传感器装置以链式姿态串接，每个传感器测量单元将测量并计算后的三维空间角度值，传输到上位机，上位机计算出整个测量系统的三维倾斜姿态，实现隧道断面变形的自动测量。

一种实时自动测量隧道断面变形的装置，包括上位机、多个通过柔性关节串联的传感器测量单元，所述传感器测量单元固定于隧道内壁，每个传感器测量单元内均设有第一微处理器、及与第一微处理器连接的加速度传感器采集模块、第一通信模块，各个传感器测量单元的第一通信模块依次串联通信连接，首个传感器测量单元还包括与第一微处理器连接的第二微处理器、与第二微处理器连接的第二通信模块；

所述加速度传感器采集模块，用于采集加速度传感器采集模块在xyz三个轴上的输出加速度；

所述第一微处理器，用于根据加速度传感器采集模块采集所得其在xyz三个轴上的输出加速度，计算出加速度传感器采集模块的xyz三个轴与重力矢量之间的夹角；

所述第二微处理器通过第二通信模块与上位机通信连接，分时将各个传感器测量单元计算出的加速度传感器采集模块的xyz三个轴与重力矢量之间的夹角传送给上位机；

所述上位机用于根据各个传感器测量单元报送的角度值，计算出各个传感器测量单元末端点坐标，进而得到整个装置的三维图形及在隧道断面平面内的投影。

进一步的，所述加速度传感器采集模块为加速度计。

进一步的，第二通信模块采用光纤网络或者gprs的方式与上位机进行通信。

进一步的，加速度传感器采集模块在xyz三个轴上的输出加速度分别为axout、ayout、azout，第一微处理器根据所述三个加速度计算出加速度传感器采集模块三个轴与重力矢量间的夹角θ、ψ、其中，θ表示加速度传感器采集模块的x轴与重力矢量之间的夹角，ψ表示加速度传感器采集模块的y轴与重力矢量之间的夹角，表示加速度传感器采集模块的z轴与重力矢量之间的夹角，计算公式如下：

进一步的，所述上位机根据各个传感器测量单元报送的角度值，计算出各个传感器测量单元末端点坐标具体为：

以第一个传感器测量单元的始端作为计算原点，计算出第一个传感器测量单元的末端点坐标：

(x1,y1,z1)＝l1×(cosθ1，cosψ1，cosφ1),

其中，

lc为每个传感器测量单元的固定长度，lr为柔性关节的固定长度；

第二个传感器测量单元的末端点坐标为：

(x2,y2,z2)＝((x1+l2×cosθ2)，(y1+l2×cosψ2)，(z1+l2×cosφ2))

其中，l2＝lc+lr，

第i个传感器测量单元的末端点坐标为：

(xi,yi,zi)＝((xi-1+li×cosθi)，(yi-1+li×cosψi)，(zi-1+li×cosφi))

其中，li＝lc+lr

最后一个传感器测量单元的末端点坐标为：

(xm,ym,zm)＝((xm-1+lm×cosθm)，(ym-1+lm×cosψm)，(zm-1+lm×cosφm))

其中，

这样就可以计算出整个装置的三维坐标。

一种实时自动测量隧道断面变形的方法，采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将多个传感器测量单元使用柔性关节串联后悬吊于隧道内壁，各个传感器测量单元的第一通信模块通过rs485通信线缆依次串联，首个传感器测量单元的第二通信模块与上位机通信连接；

步骤二、首个传感器测量单元的第二微处理器发送控制指令给各个第一微处理器，第一微处理器控制与其连接的加速度传感器采集模块测得加速度传感器采集模块在xyz三个轴上的加速度axout、ayout、azout，第一微处理器根据所述三个加速度计算出加速度传感器采集模块三个轴与重力矢量之间的夹角θ、ψ、

步骤三、每个传感器测量单元预先按照顺序编址，根据自身设备号，通过rs485的方式分时输出传感器测量单元的加速度传感器采集模块三个轴与重力矢量之间的夹角给上位机；

步骤四、上位机根据各个传感器测量单元报送的角度值，计算出各个传感器测量单元末端点坐标，进而得到整个装置的三维图形及在隧道断面平面内的投影。

进一步的，还包括步骤五、上位机将装置安装完毕后，首次报送的坐标值作为整个装置的初始值，后续报送的数据作为实时监测数据，可实时监测装置的三维图形及在隧道断面平面内的投影的变化，监测隧道断面的变形情况。

进一步的，第一微处理器根据所述三个加速度计算出加速度传感器采集模块三个轴与重力矢量间的夹角θ、ψ、其中θ表示加速度传感器采集模块的x轴与重力矢量之间的夹角，ψ表示加速度传感器采集模块的y轴与重力矢量之间的夹角，表示加速度传感器采集模块的z轴与重力矢量之间的夹角，计算公式如下：

进一步的，所述上位机根据各个传感器测量单元报送的角度值，计算出各个传感器测量单元末端点坐标具体为：

以第一个传感器测量单元的始端作为计算原点，计算出第一个传感器测量单元的末端点坐标：

(x1,y1,z1)＝l1×(cosθ1，cosψ1，cosφ1),

其中，

lc为每个传感器测量单元的固定长度，lr为柔性关节的固定长度；

第二个传感器测量单元的末端点坐标为：

(x2,y2,z2)＝((x1+l2×cosθ2)，(y1+l2×cosψ2)，(z1+l2×cosφ2))

其中，l2＝lc+lr，

第i个传感器测量单元的末端点坐标为：

(xi,yi,zi)＝((xi-1+li×cosθi)，(yi-1+li×cosψi)，(zi-1+li×cosφi))

其中，li＝lc+lr

最后一个传感器测量单元的末端点坐标为：

(xm,ym,zm)＝((xm-1+lm×cosθm)，(ym-1+lm×cosψm)，(zm-1+lm×cosφm))

其中，

这样就计算出整个装置的三维坐标。

进一步的，第二通信模块采用光纤网络或者gprs的方式与上位机进行通信。

本发明引入柔性关节的安装方式，整套装置安装在隧道坝顶时，更能有效地贴合隧道弧度，变形监测的效果更加直观；每个传感器测量单元都有使用微处理器，独立计算每个单元自身的倾斜角度值(θi，ψi，φi)，独立通信，提高可靠性；使用rs485通信方式，将每个传感器测量单元通过rs485总线的方式连接，每个传感器测量单元初始化时，按照顺序编址，采用每个节点(单个传感器测量单元)收到报送指令后，根据自身设备号，分时主动报送自身倾斜角度值方法，提高通信利用率；通过上位机计算三维坐标，达到三维视图的效果。

附图说明

图1是本发明实时自动测量隧道断面变形装置中传感器测量单元与柔性关节的连接示意图；

图2是相邻两个传感器测量单元通过柔性关节连接的示意图；

图3是本发明实时自动测量隧道断面变形装置的工作原理图；

图4是本发明实时自动测量隧道断面变形装置的电路原理框图；

图5是本发明传感器测量单元数据传送示意图；

图6是每个传感器测量单元的三轴角度计算示意图；

图7是本发明装置的长度拟合示意图。

图中：1—传感器测量单元，2—柔性关节，3—上位机，4—隧道内壁，11—第一微处理器，12—加速度传感器采集模块，13—第一通信模块，14—温度模块，15—第二微处理器，16—第二通信模块。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-3，本发明实施例提供一种实时自动测量隧道断面变形的装置，包括多个通过柔性关节2串联的传感器测量单元1，所述传感器测量单元1固定于隧道内壁4。具体实现时，本发明整套装置采用悬吊法进行安装固定，每个传感器测量单元1放置在刚度较大的保护管内，通过吊箍固定于隧道内壁4，稳固可靠。当隧道出现收敛或下沉变形时，每个传感器测量单元1都会发生倾斜，此时可采集和计算每个传感器测量单元1的角度变化。

如图4所示，每个传感器测量单元1内均设有第一微处理器11、及与第一微处理器11连接的加速度传感器采集模块12(例如加速度计)、第一通信模块13、温度模块14，。

所述加速度传感器采集模块12，用于采集加速度传感器采集模块12在xyz三个轴上的输出加速度；

所述温度模块14，用于采集每个传感器单元内部的实时温度；

所述第一微处理器11，用于根据加速度传感器采集模块12采集所得其在xyz三个轴上的输出加速度，计算出加速度传感器采集模块12的xyz三个轴与重力矢量(1g场)之间的夹角；

所述第一通信模块13，将与第一微处理器11进行通信的数据及控制信号转换成rs485的差分电平信号，同时各个传感器测量单元1的第一通信模块13依次通过rs485通信线缆串联连接。

其中，首个传感器测量单元为整个装置的总控制器，除了具有上述模块外，还包括与第一微处理器11连接的第二微处理器15、与第二微处理器15连接的第二通信模块16。

所述第二微处理器15通过第二通信模块16与上位机3通信连接，其作用一方面是发送通信指令给第二通信模块16，使装置通过光纤网络或者gprs的方式与上位机3进行通信，另一方面发送通信指令给第一通信模块13，运用rs485的通信方式控制其他的传感器测量单元，同时也通过控制第一微处理器11，控制自身的传感器测量。

整个装置内部使用rs485通信方式，将每个传感器测量单元1通过rs485总线的方式连接，装置与软件平台通过光纤或者gprs的通信方式。

除首个传感器测量单元外，其他传感器测量单元的功能相同，根据通信指令采集、计算并按时上报加速度传感器采集模块12的xyz三个轴与重力矢量(1g场)之间的夹角。

如图5所示，每个传感器测量单元1初始化时，按照顺序编址，每个传感器测量单元1视为节点，采用每个节点(单个传感器测量单元)收到报送指令后，根据自身设备号，分时主动报送方法，提高通信利用率。而传统的rs485通信方式，是主从的形式，首个传感器测量单元需要依次对每个传感器测量单元发送一次通信指令，等收到响应的接收指令后，再对后一个传感器测量单元发送指令，如果此装置应用传统的rs485通信方式，单次测量的通信时间会增加将近一倍，降低通信利用率。

每个传感器测量单元1的三轴角度计算方法如下：

本发明采用的方法与传统的有所不同，微处理器不计算传感器在三维图形中的坐标，而是单独确定加速度传感器采集模块12每条轴与参考位置之间的夹角。参考位置选择器件的重力场(1g场)。如图6所示，axout，ayout，azout三个值是加速度传感器采集模块12的输出值，表示加速度传感器采集模块12在xyz三个轴上的输出加速度。

加速度传感器采集模块12将三个加速度输出给第一微处理器11，第一微处理器11根据所述三个加速度计算出加速度传感器采集模块12三个轴与重力矢量(1g场)间的夹角θ、ψ、其中，θ表示加速度传感器采集模块的x轴与重力矢量(1g场)之间的夹角，ψ表示加速度传感器采集模块的y轴与重力矢量(1g场)之间的夹角，表示加速度传感器采集模块的z轴与重力矢量(1g场)之间的夹角。计算公式如下：

当加速度传感器采集模块的x、y、z轴与空间的xyz三个轴重合时，空间的xyz三个轴指的是图6中虚线位置，θ、ψ、的角度依次为90°、90°、180°。

每个传感器测量单元将通过rs485的方式输出三个角度值到上位机3，整个装置的三轴坐标计算方法如下：

每个传感器测量单元的角度依次是(θ1，ψ1，φ1)，(θ2，ψ2，φ2)，......(θi，ψi，φi)，由于柔性关节的长度固定，相对于传感器测量单元的长度，其长度较短且在安装过程中弯曲角度较小，在实际计算时，把柔性关节长度拟合成传感器测量单元的一部分，拟合的示意图如图7所示。

以第一个传感器测量单元的始端作为计算原点，

计算出第一个传感器测量单元的末端点坐标：

(x1,y1,z1)＝l1×(cosθ1，cosψ1，cosφ1),

其中，

lc为每个传感器测量单元的固定长度，lr为柔性关节的固定长度；

第二个传感器测量单元的末端点坐标为：

(x2,y2,z2)＝((x1+l2×cosθ2)，(y1+l2×cosψ2)，(z1+l2×cosφ2))

其中，

l2＝lc+lr，

第i个传感器测量单元的末端点坐标为：

(xi,yi,zi)＝((xi-1+li×cosθi)，(yi-1+li×cosψi)，(zi-1+li×cosφi))

其中，

li＝lc+lr

最后一个传感器测量单元的末端点坐标为：

(xm,ym,zm)＝((xm-1+lm×cosθm)，(ym-1+lm×cosψm)，(zm-1+lm×cosφm))

其中，

这样就可以计算出整个装置的三维坐标。

本发明实施例还提供一种实时自动测量隧道断面变形的方法，采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：

步骤一、将多个传感器测量单元1使用柔性关节2串联后悬吊于隧道内壁4，各个传感器测量单元1的第一通信模块13通过rs485通信线缆依次串联，首个传感器测量单元1的第二通信模块16与上位机3通信连接；

步骤二、首个传感器测量单元1的第二微处理器15发送控制指令给各个第一微处理器11，第一微处理器11控制与其连接的加速度传感器采集模块12测得加速度传感器采集模块12在xyz三个轴上的加速度axout、ayout、azout，第一微处理器11根据所述三个加速度计算出加速度传感器采集模块12三个轴与重力矢量之间的夹角θ、ψ、

步骤三、每个传感器测量单元1预先按照顺序编址，根据自身设备号，通过rs485的方式分时输出传感器测量单元1的加速度传感器采集模块12三个轴与重力矢量之间的夹角给上位机3；

步骤四、上位机3根据各个传感器测量单元1报送的角度值，计算出各个传感器测量单元1末端点坐标，进而得到整个装置的三维图形及在隧道断面平面内的投影。

步骤五、上位机将装置安装完毕后，首次报送的坐标值作为整个装置的初始值，后续报送的数据作为实时监测数据，可实时监测装置的三维图形及在隧道断面平面内的投影的变化，监测隧道断面的变形情况。

本发明设计的整个装置是一体的，现场安装时只需要把装有传感器测量单元的钢管固定到隧道拱顶处，通信线缆也只有一条，可直接引出。每个传感器测量单元的长度是固定不变的，内部具有加速度传感器，不需要两种传感器协同测量，装置通过计算转换成每个传感器测量单元的三维角度，进而定位整个装置的三维空间姿态。整个装置只需沿着隧道拱顶安装，不需要严格控制在与隧道垂直的平面内，同样能测量隧道断面变形。

本发明技术特点：

1、全自动：可实现全天候、实时、连续在线监测、无线远程监测。

2、性能佳：360°全方位监测，有效防灾预警手段。

3、功能强：可测试2d及3d加速度场及位移场，用户可全面、直观的观测被测体在受荷过程中的变形及内力反应规律。

4、使用易：安装简单，在无外力破坏下，可长期免维护。

5、功能全：结合现代微机电技术、通讯及无线通信技术，综合软件功能，可全面记录采集数据，并通过设定初值及报警指标，随时对比变形趋势，及时触发报警机制。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于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。