一種亞毫米級精度位移自動監測系統的製作方法
2023-12-12 08:11:22
專利名稱：一種亞毫米級精度位移自動監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種監測大壩、橋梁、邊坡和地殼變形的自動監測儀器，特別是用大地測量方法測量變形或位移的自動監測系統。
在大壩、橋梁、邊坡與地殼等的變形監測中，有「內觀」與「外觀」兩類儀器。(下面以大壩為例加以說明)內觀是用巖土工程儀器和方法，測量大壩內部的溫度、應力、應變、滲透、揚壓力與收斂等等，它能較好地反映局部的狀況及其變化，便於自動監測，但是不能直觀反映出大壩整體的變形與移動；外觀能夠直觀反映出大壩整體的變形，對於大壩的安全非常重要。外觀是用測量幾何尺寸變化的儀器測量監測點相對於參考點的位移。參考點若是大壩基巖，用正錘線和倒錘線測量裝置測量大壩壩頂相對於基巖的水平位移，但是基巖可能移動；參考點是位於大壩的移動區外，這就只能用大地測量的方法進行；參考點或是繞地球轉動的衛星，則採用GPS系統進行監測；後兩種方法能夠真正測量出大壩在空間的位移，這是最理想的。
對於一個理想的變形監測系統要同時滿足高的測量精度、自動化程度、可視化程度、可靠性和實時性，並能測定三維坐標等，還要滿足安全監測的各項要求，特別是測量精度，越高越好，能夠實時報警，早期發現異常變形及變形的規律，及時解決問題。
目前，在自動監測儀器中，能從移動區外測定(大壩)絕對變形的自動監測儀器系統有兩種，一是瑞士LEICA公司的APS(自動極坐標測量系統)，二是GPS系統。但是，應用並不廣，主要問題是測量精度不夠，測量精度都在毫米量級，如APS WIN系統為±8～10mm／Km；GPS的實時性不夠，高程精度更差。
本發明的目的是提供一種亞毫米級精度的位移自動監測系統，用大地測量方法，從移動區外解決電站大壩、橋梁、邊坡及地震預報等位移或變形監測中的問題，即不但具有高的測量精度，而且能同時解決多點、連續、自動監測、三維坐標測定、實時測量與實時數據處理、可視化顯示、超限報警等問題。用該系統裝備大壩，就能夠長期、連續、動態監測被監測對象的變形及安全狀況，早期發現異常變形，及早採取措施，保證大壩、橋梁、邊坡的安全或給地震預報特別是臨震預報提供準確的信息。
本發明為完成上述任務，採用的技術方案是用計算機控制分別置於三個觀測站上的多套(一般為三套)高精度自動測距系統，同時對置於監測點上的反射稜鏡組進行高精度測距，用三邊交會法實時計算出監測點的三維坐標及其變化並用圖形、曲線、表格等在計算機屏幕上顯示出來。
它是(見
圖1)由安置在中央控制室的主計算機8控制多個(一般為三個)觀測站上的多套(一般為三套)高精度自動測距系統1、2、3及相應的計算機通訊裝置4，安置在監測點上的反射稜鏡組5，氣溫氣壓遙測遙控裝置7加上系統軟體6而構成的亞毫米級精度位移自動監測系統實現的。
下面結合附圖作進一步說明圖1亞毫米級精度位移自動監測系統構成總框圖；圖2亞毫米級精度位移自動監測系統的高精度自動測距系統構成框圖。
1．圖1中的高精度自動測距系統1、2、3，每套由圖2展示。它由系統主機11，自動電子全站儀12，高精度光電測距儀頻率校準儀13，高精度通風溫度計14，高精度數字氣壓計15，數字溼度計16，強制對中儀器座17，校準稜鏡18，數據通信部分19，UPS電源及直流穩壓電源20，雷射印表機21等組成。
圖2展示了各部分間的具體接法系統主機11本身是一臺工業控制計算機，486及486以上機型皆可。機箱中裝有擴展的4個RS232接口卡，一塊圖象採集卡，還裝有頻率測量與數據採集板，板上帶三個輸入頻率的高頻插口以及輸入溼度數據的RS232接口，採集板經過一個RS232接口與主機11相連；自動電子全站儀12經自帶Y型電纜與系統主機11的RS232串口相接；高精度光電測距儀頻率校準儀13與高精度通風溫度計14輸出的頻率信號經過高頻電纜與系統主機11中的數據採集板的高頻插口相接；高精度數字氣壓計15輸出的視頻信號與系統主機11的圖象採集板的視頻輸入端相接；數字溼度計16經電纜與系統主機11中的數據採集板的RS232口相接；數據通信部分19由系統主機11的RS232口經過MODEM與通信電纜相接，而電纜與其他觀測站及中央控制室相接；雷射印表機21經過並口與系統主機11相接；市電經過UPS給系統主機11供電；穩壓電源給自動電子全站儀12供電。
圖2中的自動電子全站儀12，在計算機控制下，自動精確瞄準目標，測距的標稱精度優於±(2mm+2PPm·D)；儀器經過嚴格檢測，充分掌握其各項誤差，選擇使用。本發明選用的自動電子全站儀2是瑞士LEICA公司的TCA系列的適當型號產品，如TCA1800，TCA2003等，也可以採用其他廠家生產的同性能儀器，但是控制系統軟體的測距與測角程序需要作相應改變。
圖2中的高精度光電測距儀頻率校準儀13，以非接觸方式測定測距儀的頻率；測量頻率的範圍應大於50MHz，頻率計的時基必須用彩電副載波校準，其頻率準確度與測頻準確度都優於10-8，並可用計算機控制，自動測量頻率；選用長沙市萊塞光電子技術研究所生產的EFC-6型光電測距儀頻率校準儀，保證用非接觸方式測定測距儀的調製頻率，準確到10-8以上。
圖2中的高精度通風溫度計14，用馬達通風，測空氣溫度的精確度優於±0．1℃，一般應該採用±0．05℃產品，由計算機控制測定溫度。如採用計算機控制的高精度石英通風溫度計等產品。
圖2中的高精度數字氣壓計15，測定空氣氣壓的精確度優於±0．3hPa，性能長期穩定，由計算機控制；採用長沙市萊塞光電子技術研究所生產的PD-1高精度數字氣壓計。
圖2中的數字溼度計16，精確度優於±5％，可以由計算機進行測量。可供選擇的產品較多；圖2中的強制對中儀器座17，由不鏽鋼製造的圓形底盤與圓錐形軸套、軸槓等組成。軸槓作為對中螺栓與自動電子全站儀相連接，底盤固定於水泥墩上，保證儀器的對中誤差小於±0．05mm；圖2中的校準稜鏡18，用於觀測站間對向測距，作基線校準用；通過簡單的支架安裝在自動電子全站儀上方；支架取代自動電子全站儀的提手，以便安裝稜鏡；採用LEICA公司的360度全方向稜鏡或普通錐體稜鏡。
圖2中的數據通信部分19，建立各觀測站的計算機之間的數據通信以及觀測站與中央控制室間的數據通信，數據通信通過RS232口與MODEM進行；數據通信也可以通過四至五臺計算機組成的有線或無線區域網進行；圖2中的UPS電源及直流穩壓電源20，由UPS給計算機提供長期，無幹擾，穩定的供電；由直流穩壓電源12給自動電子全站儀供電；圖2中的雷射印表機21，其作用是將需要的數據、曲線、表格等列印出來。
2．圖1中的計算機通訊裝置9，是在多個(一般為三個)觀測站的系統主機11，氣溫氣壓遙測遙控裝置7以及它們與中央控制室的主計算機8之間實現數據通訊的有線、無線和紅外通訊裝置。有線通訊作為主要數據通信手段，經過各觀測站間架設的電纜傳送信號。無線與紅外光通信作為輔助手段。無線通信採用無線MO-DEM雙工通信；紅外光通信採用數位訊號直接調製紅外光通信，以收發光學系統對向瞄準傳送信號。中央控制室的主計算機經過數據機經電話線路聯網，可使網上的計算機能隨時查詢監測數據。
3．圖1中的反射稜鏡組5，由2或3塊錐體反射稜鏡組合而成，單塊稜鏡的位置可調，以便分別對準三個觀測站，調好後可固定並用膨脹螺釘固定於監測對象上。
4．系統軟體6，用中央控制室的主計算機8控制一套至多套(一般是三套)高精度自動測距系統1、2、3按設定的時間間隔對多個監測點上的反射稜鏡組5進行自動照準、自動測距、測垂直角、水平角，同時測溫度、測氣壓、測溼度、測測距儀頻率等；按自動周日觀測方法、加氣象代表性改正數法計算距離；按三邊交會法與極坐標法測量與計算被監測點的極坐標、三維坐標及其變化；計算測量誤差；並實時在計算機屏幕上顯示監測點位移的大小、方向與速度及它們的變化；自動用聲光進行超限報警與安全狀態指示；自動生成報表；查詢與顯示各種測量參數與計算數據隨時間變化的曲線；用不同顏色表示不同曲線，疊加顯示在同一屏幕上；作資料庫備份；進行數據通訊等等。
5．圖1中的氣溫氣壓遙測遙控裝置7，包括系統主機11，高精度通風溫度計14，高精度氣壓計15及用於數據通訊的MODEM 。它的作用是測定反射稜鏡組5所在地(如大壩上、大橋上、高層建設上以及邊坡上)的空氣溫度與氣壓，經通訊線路傳送至系統主計算機11，供精確計算距離用。
優點和積極效果本發明亞毫米級精度位移自動監測系統由於同時具有亞毫米級高精度、連續多點自動監測、可同時測定點的三維坐標與大壩的變形、智能化程度高等優異性能，故有為現有其他外觀監測系統所不及的突出優點1．精度高-本發明的變形監測精度為亞毫米級，比GPS系統與APS系統的精度高一個數量級!能夠早期發現異常移動，便於儘早採取措施，防止事故產生；可準確、長期記錄大壩安全有關的資料，如庫區水位與大壩位移的關係，實時提供大壩安全的準確信息；2．實時性好-能夠實時處理數據，實時顯示坐標及其變化，移動量，移動速率，多種變化曲線，具有安全狀態指示，實時報警等功能；洪水期間，能夠實時顯示出大壩移動的歷史與現狀，給防洪搶險提供依據；真正起到安全監測的作用；3．連續性好-白天、黑夜、危險期和危險地區的目標都能連續監測，不需要人的幹預，可以安全地取得監測對象失穩前後的寶貴數據-用人工監測無法做到；4．大面積監測-可同時作大壩、邊坡、控制點的監測，船閘變形的動態測量及其他精密測量，可大大節省設備投資；5．大大降低人力消耗與勞動強度，高效率，安全，可靠。例如，對於一個電站大壩，一般可節省測量人員30人。
實施例亞毫米級精度變形自動監測系統在湖南省五強溪電站大壩進行了實地應用，取得了20萬個數據，完全證實了其精度達到亞毫米級和各項性能達到設計要求。其具體實施說明如下高精度自動測距系統的主機11本身是一臺486-100工業控制計算機，機箱中裝有擴展的4個RS232接口卡，地塊SE-100圖象採集卡，還裝有EFC-6頻率測量與數據採集板，板上帶三個輸入頻率的高頻插口以及輸入溼度數據的RS232接口，採集板經過一個RS232接口與主機11相連；自動電子全站儀12採用LEICATCA1800型，經自帶Y型電纜與系統主機11的RS232串口相接；高精度光電測距儀頻率校準儀13，選用長沙市萊塞光電子技術研究所生產的EFC-6型，其光電轉換頭輸出的高頻信號經過高頻電纜與系統主機11中的數據採集板的高頻插口相接；高精度通風溫度計14選用長沙市萊塞光電子技術研究所生產的WG1型，精度±0．05℃，它輸出的高頻信號經過高頻電纜與系統主機11中的數據採集板的高頻插口相接；高精度數字氣壓計15選用長沙市萊塞光電子技術研究所生產的PD-1型，精度±0．3hPa，輸出的視頻信號與系統主機11的圖象採集板的視頻輸入端相接；HD-1數字溼度計16，精度±5％，經電纜與系統主機11中的數據採集板的RS232口相接；數據通信部分19由系統主機11的RS232口經過MODEM與通信電纜相接，而電纜與其他觀測站及中央控制室的MODEM相接；PH-5P雷射印表機21經過並口與系統主機11相接；市電經過10000W的UPS給系統主機11供電；穩壓電源12(12V)給自動電子全站儀12供電。
自動電子全站儀12通過FC-1強制對中儀器座17安置在一個觀測站內的儀器墩上；校準稜鏡選擇LEICA的GZR4360度稜鏡，其連接裝置CP-I安裝在自動電子全站儀12的支架上。
用中央控制室的主計算機8控制一套至多套(一般是三套)高精度自動測距系統1、2、3按設定的時間間隔對多個監測點上的反射稜鏡組進行自動照準、自動測距、測垂直角、水平角，同時測溫度、測氣壓、測溼度、測測距儀頻率；自動記錄(存儲)測得的距離、水平角、垂直角與觀測站的氣溫、氣壓、溼度、測距儀頻率等；按自動周日觀測方法、加氣象代表性改正數法計算距離；按三邊交會法與極坐標法測量與計算被監測點的極坐標、三維坐標及其變化；計算測量誤差；並實時在計算機屏幕上顯示監測點位移的大小、方向與速度及它們的變化；自動用聲光進行超限報警與安全狀態指示；自動生成報表；查詢與顯示各種測量參數與計算數據隨時間變化的曲線；用不同顏色表示不同曲線，疊加顯示在同一屏幕上；作資料庫備份；進行數據通訊等等。在實際應用中充分顯示了現有其他外觀監測系統所不及的突出優點。
亞毫米級精度變形自動監測系統用於橋梁、邊坡、高層建築、地震預報，其只是反射稜鏡組5與監測站設置的地點不同，例如1．將亞毫米級精度位移自動監測系統用於電站大壩的安全監測，即將反射稜鏡組牢固安裝在大壩的適當位置上，多個(一般為三個)觀測站設置於移動區外的適當地點，實現對大壩、邊坡、滑坡、船閘及測量控制點的多目標，連續、自動、亞毫米級精度變形監測；2．將亞毫米級精度位移自動監測系統用於短期與臨震預報，即跨斷層分別設置觀測站與監測點，實現對多監測目標的連續，亞毫米級精度自動監測；3．將亞毫米級精度位移自動監測系統用於橋梁的安全監測中，即將反射稜鏡組固定於大橋的適當位置上，觀測站分別置於河流兩岸上穩定的地點，實現對橋梁的亞毫米級精度全自動變形監測與動態監測；4．將亞毫米級精度位移自動監測系統用於露天礦山邊坡或地下礦山巖層移動的自動監測中，即將反射稜鏡組牢固安裝在監測對象的適當位置上，多個(一般為三個)觀測站設置於移動區外的適當地點，實現對監測區的多目標，連續、自動亞毫米級精度變形監測。
權利要求
1．一種亞毫米級精度位移自動監測系統涉及一種監測大壩、橋梁、邊坡和地殼變形的自動監測儀器，其特徵在於中央控制室的主計算機8控制多個(一般為三個)觀測站上的多套(一般為三套)高精度自動測距系統1、2、3及相應的計算機通訊裝置4，安置在監測點上的反射稜鏡組5，氣溫氣壓遙測遙控裝置7加上系統軟體6而構成。
2．根據權利要求1所述的亞毫米級精度的位移自動監測系統，其特徵在於高精度自動測距系統1、2、3三套，由每套系統主機11，自動電子全站儀12，高精度光電測距儀頻率校準儀13，高精度通風溫度計14，高精度數字氣壓計15，數字溼度計16，強制對中儀器座17，校準稜鏡18，數據通信部分19，UPS電源及直流穩壓電源20，雷射印表機21等組成；其系統主機11裝有擴展的4個RS232接口卡，一塊圖象採集卡，還裝有頻率測量與數據採集板，板上帶三個輸入頻率的高頻插口以及輸入溼度數據的RS232接口，採集板經過一個RS232接口與主機11相連；自動電子全站儀12經自帶Y型電纜與系統主機11的RS232串口相接；高精度光電測距儀頻率校準儀13與高精度通風溫度計14輸出的頻率信號經過高頻電纜與系統主機11中的數據採集板的高頻插口相接；高精度數字氣壓計15輸出的視頻信號與系統主機11的圖象採集板的視頻輸入端相接；數字溼度計16經電纜與系統主機11中的數據採集板的RS232口相接；數據通信部分19由系統主機11的RS232口經過MODEM與通信電纜相接，而電纜與其他觀測站及中央控制室相接；雷射印表機21經過並口與系統主機11相接；市電經過UPS給系統主機11供電；穩壓電源給自動電子全站儀12供電。
3．根據權利要求2所述的高精度自動測距系統1、2、3，其特徵在於自動電子全站儀12，在計算機控制下，自動精確瞄準目標，測距的標稱精度優於±(2mm+2PPm·D)。
4．根據權利要求2所述的高精度自動測距系統1、2、3，其特徵在於高精度光電測距儀頻率校準儀13，以非接觸方式測定測距儀的頻率；測量頻率的範圍應大於50MHz，頻率計的時基必須用彩電副載波校準，其頻率準確度與測頻準確度都優於10-8，並可用計算機控制，自動測量頻率。
5．根據權利要求2所述的高精度自動測距系統1、2、3，其特徵在於校準稜鏡18，用於觀測站間對向測距，作基線校準用；通過簡單的支架安裝在自動電子全站儀上方；支架取代自動電子全站儀的提手，以便安裝稜鏡。
6．根據權利要求1所述的亞毫米級精度的位移自動監測系統，其特徵在於反射稜鏡組5，由2或3塊錐體反射稜鏡組合而成，單塊稜鏡的位置可調，以便分別對準三個觀測站，調好後可固定並用膨脹螺釘固定於監測對象上。
全文摘要
本發明涉及一種監測大壩、橋梁、邊坡和地殼變形的自動監測儀器,其特徵在於主計算機8控制多個觀測站上的多套高精度自動測距系統1及相應的計算機通訊裝置4,安置在監測點上的反射稜鏡組5,加上系統軟體6而構成。它精度高,能夠早期發現異常移動,便於儘早採取措施,防止事故產生;可準確、長期記錄大壩安全有關的資料,實時提供大壩安全的準確信息。
文檔編號G01C3/00GK1293347SQ98100678
公開日2001年5月2日 申請日期1998年3月9日 優先權日1998年3月9日
發明者張學莊, 王愛公, 張馳, 簡務人, 張豔祥 申請人:中南工業大學