一种地裂缝水平竖直位移监测器及监测方法与流程

本发明涉及监测技术领域，具体涉及地裂缝水平位移、竖直位移监测。

背景技术：

地面沉降是一种缓变、积累和难以快速有效治理的地质灾害。目前全国累计地面沉降量超过200毫米的地区达到7.9万km²，并且有进一步扩大的趋势，给城市的可持续发展带来了巨大的危害。

地面沉降及地裂缝变形监测是治理地面沉降及灾害预警的基础。进行有针对性的长期连续监测在地面沉降及地裂缝变形防治中发挥了重要的作用，为地面沉降的机理研究以及防治工作提供了大量的基础数据。

现有地裂缝监测方法和装置易受地形、天气等因素影响，不利于进行全天候、实时监测，且结构复杂、成本高昂，不利于推广应用。中国专利cn108253890a公开了一种基于激光测距和图形处理技术的地裂缝空间状态监测方法及装置，利用激光斑点位置图像分析结果得到地裂缝错动、张裂位移，采用多个激光测距传感器获得竖直位移，进而得到空间状态监测结果。其不足之处在于：操作复杂，计算量大，且无法对地裂缝在超出允许活动量时发出报警。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种地裂缝水平竖直位移监测器及监测方法，可以简便、直观的对地裂缝水平和竖直位移变化进行实时监测。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种地裂缝水平竖直位移监测器，包括激光反射靶标、用于向该激光反射靶标投射激光并接收激光反射信号的激光传感器以及用于将该激光传感器的检测信号传输至计算机的数据收集模块，所述激光反射靶标及激光传感器分别设置于地裂缝两侧，激光反射靶标的靶面(用于反射激光)具有多个相互间隔的水平条形凸起(例如，自上而下间隔排列)。

优选的，所述激光反射靶标包括反光板以及设置在反光板上的多个间隔排列的具有一定厚度的反光插片(用于构成所述水平条形凸起)。

优选的，相邻反光插片的间隔距离相等，该间隔距离决定了地裂缝竖直位移的测量精度，间隔距离的选定受到激光传感器参数的影响，间隔距离越小，则相应竖直位移的测量精度越高，间隔距离可选取为≤1cm。

优选的，所述激光反射靶标的水平条形凸起(即上述插片)分为两类，一类水平条形凸起(也称为长插片)向外(朝向激光传感器)凸出的长度大于另一类水平条形凸起(也称为短插片)，其中长度较大的一类水平条形凸起(长插片)的数量为1个以上，可以选择位于顶部、底部、中间位置的若干短插片并通过适当增加其向外凸出的长度，形成该类水平条形凸起(长插片)，即该类水平条形凸起(长插片)一般位于多个间隔排列的另一类长度较小的水平条形凸起(短插片)的一侧(即针对地裂缝竖直位移设置了1个报警限值)，或将多个间隔排列的另一类长度较小的水平条形凸起(短插片)按一定数量分隔开(即针对地裂缝竖直位移可设置1个或多个报警限值)。

优选的，所述计算机包括人机交互界面，该人机交互界面包括用于显示所述激光传感器的检测信号或对应的距离(激光传感器与靶标之间)随时间变化的图像的界面区域，以及用于在地裂缝水平和/或竖直位移达超限(位移量大于设定限值)状态时显示报警信息的界面区域。

一种地裂缝水平竖直位移监测方法，包括以下步骤：

1)将上述激光反射靶标及激光传感器分别布置于地裂缝两侧，使得所述激光反射靶标能够与地裂缝一起活动(激光传感器位置固定)，将上述数据收集模块分别与激光传感器及计算机连接；

2)监测开始后，激光传感器向所述激光反射靶标投射激光，激光经激光反射靶标的水平条形凸起(例如，插片与激光传感器相对侧)或水平条形凸起之间的靶面区域反射，并由激光传感器接收激光反射信号，从而生成检测信号，并由数据收集模块发送至计算机，由计算机记录所述激光传感器在不同时刻的检测信号，并输出该检测信号的波形，计算机根据该波形生成对应的激光传感器与激光反射靶标(激光投射至靶面位置)的距离随时间变化的图像。

优选的，所述计算机根据记录的检测信号中由所述激光投射至所述水平条形凸起导致的信号突变区段之外的各个时刻所对应的检测信号，计算得到所述各个时刻中任意一个时刻相对于监测初始时刻的地裂缝水平位移测量值(根据信号突变区段内检测信号计算对应时刻水平位移测量值时，需要考虑到激光投射至插片引起的激光传感器与激光反射靶标间距离的减少)。

优选的，若监测中地裂缝在竖直方向的位移持续增加，则可以由所述计算机根据当前时刻之前记录的所述信号突变区段的数量以及水平条形凸起的间隔距离(可以计算出对应水平条形凸起的间隔距离累加值)，再参考监测初始时刻激光投射在靶面的位置，计算得到当前时刻相对于监测初始时刻的地裂缝竖直位移测量值。

优选的，当地裂缝活动范围超过水平位移或竖直位移的预设限值时，所述计算机生成并输出报警信息。

优选的，所述竖直位移的预设限值由所述靶面向外(朝向激光传感器)凸出的长度较大的一类水平条形凸起(长插片)决定。即该类水平条形凸起(长插片)除了具有与另一类水平条形凸起(短插片)相同的作用(测量竖直位移)，还可利用其在激光传感器检测中生成的特定检测信号(电压幅值变化较短插片更大)，作为判定地裂缝竖直位移达到限值并进行报警的条件。水平位移的预设限值由设定的检测信号下限值确定。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过激光传感器在地裂缝活动中同步扫描激光反射靶标(例如，可以通过反光板及插片组合形成)，将地裂缝活动中的位移变化借助激光传感器的检测信号(例如电压)直观、实时的反映出来，可以同时监测地裂缝水平和竖直位移变化。本发明基于光电检测原理，不仅降低了地形和气候对监测过程和结果的影响，而且简化了监测设备和数据处理流程，结构简单、操作简便，经济实用，从而显著的减少了地裂缝监测中人力、物力以及财力的投入，在地裂缝活动的监测和预报中具有较高的推广和应用价值。

进一步的，本发明不仅可以监测并记录地裂缝活动数据，还可以在地裂缝活动超出预设限值时发出警报。

进一步的，本发明可以对位移变化定量分析提供有效工具和途径，使得地裂缝的发展情况一目了然，可显著提高监测工作效率。

附图说明

图1为地裂缝水平竖直位移监测器示意图；

图2为地裂缝水平竖直位移监测器中激光反射靶标的正视图(a)、侧视图(b)；

图3为地裂缝水平竖直位移监测器通过计算机所显示的电压变化图像(波形图)及报警界面；

图4为根据图3所示电压变化图像中部分采样时刻的激光传感器检测数据计算得到的水平竖直位移变化图；

图中：1.长插片；2.短插片；3.反光板；4.激光；5.激光传感器；6.数据线；7.数据收集模块；8.计算机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，所述实施例用于解释本发明，而非对本发明保护范围的限制。

(一)地裂缝水平竖直位移监测器结构及工作原理

如图1所示，本发明所述地裂缝水平竖直位移监测器包括长插片1、短插片2、反光板3、激光传感器5、数据收集模块7和计算机8，其中激光传感器5通过一数据线6与数据收集模块7连接，数据收集模块7通过另一数据线6与计算机8连接，激光传感器5将激光4投射至由反光板3、长插片1及多个短插片2组成的激光反射靶标上。

参见图2，所述激光反射靶标中，相邻插片(长插片与短插片、短插片之间)间隔可根据实际位移测量精度需要以及激光传感器的敏感度调整，长插片1位于所有短插片2上方。激光传感器5射出水平向激光4，投射在激光反射靶标上，随着激光传感器5与激光在靶面的投射位置间的距离的变化，激光传感器5根据接收到的反射光信号生成对应的检测电压(所述距离越大，则检测电压越小；所述距离越小，则检测电压越大，即存在一定的比例关系，具体的比例系数可以根据具体设备在现场进行标定)，从而可以实现地裂缝水平位移的测量。随着激光传感器5与激光反射靶标相对运动，使激光4的投射位置从位于相邻两个插片之间或某个插片一侧，转而投射至长插片1或短插片2上时，导致激光传感器5与激光在靶面的投射位置间的距离发生明显降低(引起检测电压突变，即明显增大)，多个插片相当于一把刻度尺上的刻度，从而可以实现地裂缝竖直位移的测量(刻度数即突变次数)。

将激光反射靶标和激光传感器5布置在地裂缝两侧，使二者的相对运动与地裂缝的活动相应，从而可以利用激光传感器投射激光5到激光反射靶标上，以获取地裂缝活动信息，数据收集模块7收集激光传感器5检测信号并传输至计算机8，然后借助计算机8即可生成反映地裂缝活动的图像并计算得到地裂缝水平和垂直位移变化量。

(二)地裂缝监测应用举例

激光传感器5采用松下hg-c1020，激光传感器5检测信号经yavusb模拟量数据采集模块(作为数据收集模块7)采集并传输至计算机8，检测信号通过计算机8上安装的yav高精度ums软件处理。激光反射靶标中，相邻插片间隔为0.5cm，其中，长插片1自反光板3沿水平方向向外延伸长度为3cm，各短插片2自反光板3沿水平方向向外延伸长度为1cm。

地裂缝的上盘持续开裂(水平位移增加)并伴有下沉，监测前利用底部竖直插至地裂缝一侧(上盘)的反光板3固定激光反射靶标(具体固定位置在考虑土体稳定情况下尽量靠近地裂缝)，将激光传感器5放置于地裂缝另一侧(下盘)并固定。监测初始时刻，通过激光传感器5发出的激光4投射在反光板3上最下一层短插片2下侧，与该短插片2距离为0.5cm(以便更准确的测量竖直位移)，随着地裂缝的水平移动，计算机上实时记录的电压变化图像(图3中波形图)中电压信号随时间逐渐向下变化；若地裂缝在水平向移动的同时伴随着竖向移动，则反光板3随地裂缝的活动而向下移动，此时由于反光板3上具有由各插片形成的栅格状的凸凹构造，激光4每扫描过一个插片(例如短插片2)，计算机8上实时记录的电压变化图像就会向上发生一次突变(检测信号与该插片距离激光传感器的距离相应，与直接投射到反光板上该插片对应位置相比，距离突然减小了，导致检测信号突然增加了)，参见图3波形图中左侧两个向上突变的区段；当激光扫过长插片1时，检测电压也发生类似突变，但由于长插片明显在向外伸出长度上大于短插片，因此，由长插片导致的检测信号的突变更大，且达到电压变化图像的上限，参见图3波形图中最右侧的较大突变点；检测信号突变的大小可以以图3波形图中竖向线段的长度差异区分。由于在反光板3上插片与插片之间的距离一定，所以可以根据突变次数n计算地裂缝竖直位移为n×0.5cm。

当水平位移或竖直位移达到预设最大值时(此最大值可以在计算机8中设置)，计算机自动报警(图3中的右侧报警区域显示红色标志)；若未达到预设最大值，则记录数据，从而实现监测和报警的功能。

将图3的记录结果，按照一定的比例选取采样点，并按照电压与实际距离的关系进行预处理，即可得到选取的采样点处激光传感器与靶标的距离，随着监测的进行，计算机输出图4所示图像形式，可以更直观的反映出地裂缝的位移随时间的变化情况。图4中非突变区段向上的变化量对应水平位移的增加，竖直位移由突变区段个数分析得出。

本发明借助所述靶标，可以利用单一激光传感器完成监测，不但简化了设备，降低仪器操作的复杂性，还能将靶标坐标变化转换为反映位移变化的图像，对地裂缝的发展情况进行直观的展示，可显著提高地裂缝水平和竖直位移监测的工作效率。