一种铅垂线多点三维变位测试系统及其测试数据处理方法与流程

本发明涉及土木工程中的结构监测技术领域，尤其涉及一种铅垂线多点三维变位测试系统及其测试数据处理方法。

背景技术：

现有技术中，应用于核电站安全壳结构或其他大型构筑物的铅垂线竖向变位测试系统均为单点测量系统，水平变位测试系统与竖向变位测试系统相互分离。

当对大型建筑结构某一方位的不同标高进行测量时，现有测量装置在某一方位不同标高处均需要设置一套水平测试系统和一套竖向测试系统。铅垂线水平变位测试系统中的读数装置都是设置在铅垂线保护管的最下方，仅在铅垂线保护管最下方设置一个读数装置，因此，一个铅垂线水平变位监测系统仅能对一个方位一个标高的一个测点进行水平变位监测。铅垂钱竖向变位测试系统中的读数装置设置在铅垂线保护管的最下方，利用游标卡尺进行人工读数，因此，一个铅垂线竖向变位监测系统也仅能对一个方位一个标高的一个测点进行竖向变位监测。

可见，上述现有测量装置不仅系统繁杂，占地空间大，而且测读单一。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术存在的缺陷，解决一个铅垂线水平变位监测系统仅能对一个方位一个标高的一个测点进行水平变位监测以及一个铅垂线竖向变位监测系统仅能对一个方位一个标高的一个测点进行竖向变位监测的技术问题，本发明提出一种可以实现一个方位多个标高测点的水平和竖向变位的三维同步监测的测试系统，并提出该铅垂线多点三维变位测试系统的测试数据处理方法。

本发明的铅垂线多点三维变位测试系统可以应用于核电站安全壳结构或其他大型构筑物的铅垂线三维变位测试，代替现有铅垂线竖向测试系统和铅垂线水平测试系统。

本发明的技术方案如下：

一种铅垂线多点三维变位测试系统，包括设于待测构筑物最高点的铅垂线悬挂装置、悬挂于该铅垂线悬挂装置的铅垂线以及连接在该铅垂线最底端的重锤阻尼装置，沿着构筑物的测试面还依次间隔设置有多段铅垂线保护管、多个保护管安装支架、多个水平变位测读装置和多个竖向变位测读装置；其中，每个保护管安装支架均安装在构筑物的测试面上并且将相应的所述铅垂线保护管固定，在相邻所述铅垂线保护管之间且对应于指定的每个标高测点均安装一个所述水平变位测读装置和一个所述竖向变位测读装置；所述铅垂线从上至下穿过多段铅垂线保护管、多个水平变位测读装置和多个竖向变位测读装置。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述竖向变位测读装置包括具有中心通孔的激光传感器承载平台、激光传感器安装板、激光传感器和竖向变位测量标靶；其中，激光传感器安装板固定于激光传感器承载平台的下端，激光传感器设置在激光传感器安装板内，竖向变位测量标靶设置在激光传感器安装板的下方；铅垂线穿过激光传感器承载平台的中心通孔连接至竖向变位测量标靶。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述激光传感器承载平台的下端沿周向均布多个激光传感器安装板，每个激光传感器安装板内设有激光传感器。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述激光传感器承载平台为具有上连接板和下连接板的筒状结构。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述竖向变位测量标靶包括吊环螺钉、标靶盘调节螺杆、连接套筒和竖向测量标靶盘；其中，标靶盘调节螺杆穿过具有内螺纹的连接套筒并与上下两端的吊环螺钉均螺纹连接，竖向测量标靶盘套接固定在连接套筒上。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述重锤阻尼装置包括阻尼桶、阻尼盖、重锤、伸缩管及阻尼液；其中，阻尼盖位于阻尼桶正上方并不与阻尼桶接触，伸缩管从外穿过阻尼盖的中心并紧固再延伸至阻尼桶内、与阻尼桶内的重锤螺纹连接，重锤置于阻尼液中且不与阻尼桶触碰。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述伸缩管的下端通过双头螺纹连接杆与阻尼桶内的重锤螺纹连接。

进一步，如上述所述的铅垂线多点三维变位测试系统，所述水平变位测读装置和所述竖向变位测读装置均通过数据采集仪采集水平监测数据和竖向监测数据。

本发明还提供一种铅垂线多点三维变位测试系统的测试数据进行处理的方法，包括以下步骤：

s1数据采集

同步采集待测构筑物不同标高测点的所述水平测读装置和所述竖向测读装置所读取的水平监测数据和竖向监测数据；

s2数据转换

将步骤s1得到的水平监测数据和竖向监测数据传送给数据采集仪，通过数据采集仪实时监控不同时刻待测构筑物不同标高处的水平监测数据和竖向监测数据；

s3数据处理

将步骤s2得到的水平监测数据和竖向监测数据进行后期数据处理，获取更准确的变位数据。

进一步，如上述所述的处理方法，步骤s3进行数据处理的方法为：

(1)待测构筑物不同标高处，从下往上，测点编号依次为d1、d2、d3、d4、d5…dn，其中d1为最底端测点也是基准点，dn为最顶端测点，待测构筑物测点变形后会产生径向水平变位和竖向变位；

(2)待测构筑物不同标高处，从下往上，测点d1、d2、d3、d4、d5…dn变位后产生径向水平变位和竖向变位，水平测点的编号依次为hd1、hd2、hd3…hdn，竖向测点的编号依次为vd1、vd2、vd3…vdn；

(3)水平变位数据处理

在最高处测点悬挂铅垂线延伸至最低点，最高处测点的水平测读装置安装于最低点，因hdm1即为最高点的水平径向变位值,那么hdan＝hdm1，

hdai＝hdm1-hdmi

其中，hdm1为基准点径向变位实测值，mm；hdai为第i点水平径向变位值，mm；hdmi为第i点水平径向变位实测值，mm；其中hdmi为每个测点水平变位测读装置所读实测数据；

(4)竖向变位数据处理

在最高处测点悬挂铅垂线延伸至最低点，最高处测点的竖向测读装置安装于最低点，因vdm1即为最高点的竖向变位实测值,vdm1即为最高点的竖向变位值，

vdai＝vdm1-vdmi

其中，vdm1为最高点竖向变位实测值，mm；vdai为第i点竖向变位值，mm；vdmi为第i点竖向变位实测值，mm；其中vdmi为每个测点竖向变位测读装置所读实测数据。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益技术效果：

本发明的铅垂线多点三维变位测试系统，利用一根多管铅垂线测量装置实现一个方位多个标高测点的水平及竖向变位的同步监测，可以得到待测构筑物某一方位不同标高测点的三维变位值，代替现有独立的铅垂线竖向测试系统和铅垂线水平测试系统，克服了现有监测装置的系统繁杂、占地空间大、测读单一的缺陷，大大减少了系统安装工作量及节约监测成本。将现有人工显微镜读数方法改进为数控采集，提高了精度。而且，根据本发明所提出的测试数据处理方法，利用多点之间测读可以有效减少系统误差。

附图说明

图1为本发明的铅垂线多点三维变位测试系统的安装布局整体示意图；

图2为本发明的铅垂线多点三维变位测试系统的安装布局部分放大示意图；

图3为本发明的竖向变位测读装置的立体图；

图4为本发明的竖向变位测读装置的正视图；

图5为本发明的竖向变位测量标靶的正视图；

图6为本发明的竖向变位测量标靶的剖面图；

图7为本发明的重锤阻尼装置的正视图；

图8为本发明的重锤阻尼装置的分解图；

图9为本发明的重锤阻尼装置的剖面图；

图10为测点变形后产生水平变位和竖向变位的示意图；

图11为水平和竖向变位的分解示意图；

图12为水平变位测点处理方法示意图；

图13为竖向变位测点处理方法示意图。

图中：1-铅垂线悬挂装置、2-铅垂线保护管、3-保护管安装支架、4-铅垂线、5-水平变位测读装置、6-竖向变位测读装置、7-连接套、8-重锤阻尼装置、9-安装架；61-激光传感器承载平台、62-激光传感器安装板、63-激光传感器、64-竖向变位测量标靶、641-吊环螺钉、642-标靶盘调节螺杆、643-连接套筒、644-竖向测量标靶盘；81-螺栓扣、82-阻尼盖、83-伸缩管、84-双头螺纹连接杆、85-重锤、86-阻尼桶、87-阻尼液。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的描述和说明。

如图1所示，是本发明提供的铅垂线多点三维变位测试系统，包括一个铅垂线悬挂装置1、多段铅垂线保护管2、多个保护管安装支架3、铅垂线4、多个水平变位测读装置5、多个竖向变位测读装置6、多个连接套7以及一个重锤阻尼装置8。

参见图1-2，铅垂线悬挂装置1安装在待测构筑物的最高点处，铅垂线4悬挂于铅垂线悬挂装置1上。每个保护管安装支架3均安装在待测构筑物的测试面上，并且每个保护管安装支架3将相应的铅垂线保护管2固定，铅垂线保护管2通过连接套7连接，用于保护铅垂线。在相邻铅垂线保护管2之间且对应于指定的不同标高测点，均通过一个安装架9安装有一个变位测读装置，每个变位测读装置包括一个水平变位测读装置5和一个竖向变位测读装置6。铅垂线4从上至下穿过多个铅垂线保护管2、多个水平变位测读装置5和多个竖向变位测读装置6并与最底端(地面附近)的重锤阻尼装置8连接，尤其是，铅垂线4不与任一变位测读装置或任一铅垂线保护管接触。重锤阻尼装置8处于自由状态，通过重锤阻尼装置8保证铅垂线4垂直。

水平变位测读装置5和竖向变位测读装置6分别用于读取相应标高测点处的水平变位和竖向变位。每个水平变位测读装置5和竖向变位测读装置6的中部都留有直径不小于60mm的中心通孔，以保证铅垂线4可以经过中心通孔并且不与孔壁触碰，中心通孔大小可以根据待测构筑物不同或量程不同而有所改变。

本发明的水平变位测读装置和竖向变位测读装置可以采用申请人“中冶建筑研究总院有限公司”所发明的水平变位测读装置和竖向变位测读装置。但是，本发明并不局限于此，只要能够进行水平及竖向测读的测读装置，均可应用于本发明的测试系统及其测试数据处理方法中。

下面对本发明采用的竖向变位测读装置和水平变位测读装置的具体结构进行描述。

本发明的竖向变位测读装置6包括具有中心通孔的激光传感器承载平台61、激光传感器安装板62、激光传感器63和竖向变位测量标靶64。请参见图3-4，其中，激光传感器安装板62通过连接件(比如螺栓)固定于激光传感器承载平台61的下端，激光传感器63设置在激光传感器安装板62内，竖向变位测量标靶64设置在激光传感器安装板62的下方并不与激光传感器安装板62接触；铅垂线4穿过激光传感器承载平台61的中心通孔后连接至竖向变位测量标靶64上部的吊环螺钉；位于最底端的竖向变位测量标靶64的下部吊环螺钉可以连接至重锤阻尼装置8。为保证测量数据的准确性，激光传感器承载平台61的下端沿周向均匀分布多个激光传感器安装板62，每个激光传感器安装板62内安装有一个激光传感器63。激光传感器的数量可以根据需求调整，激光传感器数量越多，测量结果越精准，多个激光传感器所测结果取平均值可剔除竖向变位测量标靶倾斜的问题，从而提高了大型建构筑物竖向变形测量的准确度。激光传感器的测试结果精度可达0.01mm。本发明的激光传感器承载平台61为具有上平板和下平板的筒状结构，结构简单，便于安装。

参见图5-6，本发明的竖向变位测量标靶64包括吊环螺钉641、标靶盘调节螺杆642、连接套筒643和竖向测量标靶盘644。其中，标靶盘调节螺杆642穿过具有内螺纹的连接套筒643，并与上下两端的吊环螺钉641均螺纹连接，竖向测量标靶盘644套接固定在连接套筒643。由于标靶盘调节螺杆642与连接套筒643螺纹连接，竖向测量标靶盘644可沿着标靶盘调节螺杆642在一定高度范围内调节，调整好竖向测量标靶盘644的位置后，将连接套筒643拧紧固定。当待测物产生竖向位移时，铅垂线带动竖向测量标靶盘上下移动，稳定后，激光传感器读出基准点到竖向测量标靶盘的距离。

可见，上述用于铅垂线竖向测试系统的非接触式竖向变位测读装置，不仅结构简单，而且各个部件都可以进行方便快捷的拆卸和组装，因而大大减轻现场工作量，操作更便捷。

本发明所采用的水平变位测读装置5包括具有中心通孔的位移传感器安全保护罩及设置在位移传感器安全保护罩内的位移传感器。位移传感器安全保护罩通过安装架9固定在待测构筑物的测试面上。当待测物产生水平位移时，位移传感器所测得的数值与基准点的数值差，即为测点的水平位移。

下面对本发明所采用的重锤阻尼装置的具体结构进行描述。

图7-9分别为本发明的重锤阻尼装置的正视图、透视图和剖面图。

如图7-9所示，本发明提供的用于核电站或大型构筑物变位测试系统的重锤阻尼装置8，包括螺栓扣81、阻尼盖82、伸缩管83、双头螺纹连接杆84、重锤85和阻尼桶86。阻尼盖82位于阻尼桶86正上方，其上下左右并不与阻尼桶86接触，伸缩管83从外穿过阻尼盖82的中心并紧固再延伸至阻尼桶86内，伸缩管83的下端通过双头螺纹连接杆84与重锤85螺纹连接。螺栓扣81拧紧在伸缩管83的上端，铅垂线连接至螺栓扣81。阻尼桶86内装有阻尼液87，阻尼液87以阻尼桶86容积的2/3为最佳，阻尼液87必须没过重锤85的上表面，参见图8。

通过调节伸缩管83下端的双头螺纹连接杆84可以调节重锤85的竖向位置，重锤85位于阻尼液87中且不与阻尼桶86的底部及四周触碰。

阻尼盖82的外径大于阻尼桶86的外径，参见图9。当冷凝水沿铅垂线4滑落时，先滴落在阻尼盖82上表面并沿其边缘直接滴落至地面，不会滴入阻尼桶86内。防止冷凝水掉落阻尼桶内，从而防止有效阻尼液的外溢，因此避免了阻尼桶失效。

阻尼盖与阻尼桶上下左右之间留有均匀空隙，通过调节阻尼桶的水平位置，保证测量所需量程。

该重锤阻尼桶装置位于铅垂线变位测试系统的最下方，起到保持铅垂线垂直的作用，并通过阻尼液使重锤快速到达平衡状态。

需要说明的是，上述重锤阻尼装置并不仅仅限于核电工程，也可以应用于其他铅垂测量装置。

综上，本发明利用同一根铅垂线作为测量基准，铅垂线随着待测构筑物测试面最高标高测点的变形而移动，其余标高测点的测读装置均可获得相应的仪表读数，通过与安装于最低点的测读装置读数(基准点径向变位实测值)进行对比，就可以获得各标高测点的实际变位值。其中，待测构筑物的最高点处不安装测读装置，其实际变位值与基准变位实测值相同。

下面介绍本发明对铅垂线多点三维变位系统的测试数据进行处理的方法。该处理方法包括以下步骤：

s1数据采集

同步采集待测构筑物不同标高测点的水平测读装置和竖向测读装置所读取的水平监测数据和竖向监测数据。

s2数据转换

将步骤s1得到的水平监测数据和竖向监测数据传送给数据采集仪，通过数据采集仪实时监控不同时刻待测构筑物不同标高处的水平监测数据和竖向监测数据。

s3数据处理

将步骤s2得到的水平监测数据和竖向监测数据进行后期数据处理，获取更准确的变位数据。

其中，步骤s3进行数据处理的具体方法为：

(1)待测构筑物不同标高处，从下往上，测点编号依次为d1、d2、d3、d4、d5…dn，其中d1为最底端测点也是基准点，dn为最顶端测点，待测构筑物测点变形后会产生径向水平变位和竖向变位，如图10所示。

(2)待测构筑物不同标高处，从下往上，测点d1、d2、d3、d4、d5…dn变位后产生径向水平变位和竖向变位，水平测点的编号依次为hd1、hd2、hd3…hdn，竖向测点的编号依次为vd1、vd2、vd3…vdn，如图11所示。

(3)水平变位数据处理

最高处测点悬挂铅垂线延伸至最低点，最高处测点的水平测读装置安装于最低点，因hdm1即为最高点的水平径向变位值,hdan＝hdm1。

hdai＝hdm1-hdmi

其中，hdm1为基准点径向变位实测值，mm；hdai为第i点水平径向变位值，mm；hdmi为第i点水平径向变位实测值，mm。其中，hdmi为每个测点水平变位测读装置所读实测数据，数据可正可负，如图12所示。

(4)竖向变位数据处理

最高处测点悬挂铅垂线延伸至最低点，最高处测点的竖向测读装置安装于最低点，因vdm1即为最高点的竖向变位实测值,vdm1即为最高点的竖向变位值。

vdai＝vdm1-vdmi

其中，vdm1为最高点竖向变位实测值，mm；vdai为第i点竖向变位值，mm；vdmi为第i点竖向变位实测值，mm。其中，vdmi为每测点竖向变位测读装置所读实测数据，可正可负，如图13所示。

简言之，就是说，图11中，(a)部分的水平变位和竖向变位被分解成(b)部分的水平变位和(c)部分的竖向变位。这里的(a)部分所示的水平变位和竖向变位即图10，(b)部分所示的水平变位即图12，(c)部分所示的竖向变位即图13。

本发明的水平变位测读装置和竖向变位测读装置，均采用电缆传输测量数据，可以提高数据传输的稳定性和准确性，避免无线数据传输易于受到干扰和传输距离有限的缺陷。

本发明的铅垂线多点三维变位测试系统，利用一根多管铅垂线测量装置实现一个方位多个标高测点的水平及竖向变位的同步监测，大大减少了系统安装工作量，并节约了监测成本。经测读装置测读待测构筑物某一方位不同标高的水平变位实测数据和竖向变位实测数据，并通过本发明提供的数据处理方法，可以得到待测构筑物某一方位不同标高测点的三维变位值，并且利用多点之间测读可以有效减少系统误差。

本发明不限于具体的构件尺寸，凡根据本发明的发明构思和设计原理所做的任何修改变型、等同替换而获得的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。