專利名稱：一種隧道沉降收斂檢測儀及其檢測方法
技術領域：
本發明屬 于測量技術領域，特別涉及一種隧道沉降收斂檢測儀及其檢測方法，通過激光干涉測距裝置和重力感應裝置的組合應用實現了隧道沉降收斂的快速檢測。
背景技術：
在隧道施工中隧道凈空是非常關鍵的控制因素，在開挖控制中，隧道凈空的大小影響到超欠挖方量的多少同時也對以后的二襯厚度產生非常大的影響；在二襯中直接關系到成型后的隧道的斷面凈空是否侵限。因此，隧道的沉降收斂是必備的檢測，它能對隧道穩定程度做出判斷，預警隧道不安全的因素，防止事故的發生。目前，檢測方法是“水準儀倒尺法”，其有比較高的精度，但是操作比較繁瑣，需要在隧道頂部預埋件；隧道內一般比較昏暗，影響水準尺的讀數精度；在隧道出渣土過程中會造成彼此的工作延誤，用這種方法費時費力。
發明內容
本發明的目的是提出一種隧道沉降收斂檢測儀及其檢測方法技術方案，該技術方案通過激光干涉測距裝置和重力感應裝置的組合應用實現了隧道沉降收斂的快速檢測。為了實現上述目的，本發明的技術方案是
一種隧道沉降收斂檢測儀，包括檢測儀主體，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達驅動旋轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體，所述載體通過旋轉軸連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器，所述重力感應傳感器的敏感軸與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸的軸向一致；在所述檢測儀主體上設置有微處理器測量控制裝置、溫度傳感器、濕度傳感器和水平尺；所述水平尺軸向與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸向呈90度夾角設置，所述角度編碼器、激光干涉測距儀、重力感應傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器的輸出信號分別連接至微處理器測量控制裝置。所述水平尺是目測水準管。一種隧道沉降收斂檢測方法，所述方法是基于一種隧道沉降收斂檢測儀而實現的檢測方法，所述隧道沉降收斂檢測儀包括檢測儀主體，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達驅動旋轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體，所述載體通過旋轉軸連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器，所述重力感應傳感器的敏感軸與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸的軸向一致；在所述檢測儀主體上設置有微處理器測量控制裝置、溫度傳感器、濕度傳感器和水平尺；所述水平尺軸向與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸向呈90度夾角設置，所述角度編碼器、激光干涉測距儀、重力感應傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器的輸出信號分別連接至微處理器測量控制裝置；所述隧道沉降收斂檢測方法的步驟包括原始數據檢測步驟和沉降收斂檢測步驟所述原始數據檢測步驟包括
a.首先將所述隧道沉降收斂檢測儀固定在隧道的一側邊墻處并記錄固定原點；
b.將激光干涉測距儀朝向隧道的另一側邊墻，校準水平尺，使檢測儀旋轉軸處于水平狀態；
c.啟動隧道沉降收斂檢測儀工作微處理器測量控制裝置發出伺服馬達啟動命令，伺服馬達帶動測量裝置開始旋轉，微處理器測量控制裝置等待重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號；
d.當微處理器測量控制裝置接收到重 力感應傳感器發出的水平零度輸出信號后，記錄此時的激光干涉測距儀測得的距離數據為隧道第一寬度距離，并定義此時角度編碼器輸出的角度為零度角信號；繼續向上旋轉測量裝置讀取激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，定義頂部任意的一個點，讀取激光干涉測距儀到隧道頂部所述任意的一個點的斜向距離，記錄此時的角度編碼器輸出的角度，通過正弦定理計算出隧道頂部所述任意一個點到激光干涉測距儀水平線的垂直高度為隧道第一垂直高度，計算出激光干涉測距儀到隧道寬度距離中所述隧道第一垂直高度的垂點距離；
所述沉降收斂檢測步驟包括獲取隧道寬度收斂結果步驟和獲取隧道高度收斂結果步
驟
所述獲取隧道寬度收斂結果步驟是
e.將所述隧道沉降收斂檢測儀固定在隧道的一側邊墻所記錄的固定原點處，所述固定原點是所述原始數據檢測步驟中隧道沉降收斂檢測儀的固定原點；
f.將激光干涉測距儀朝向隧道的另一側邊墻，校準水平尺，使檢測儀旋轉軸處于水平狀態；
g.啟動隧道沉降收斂檢測儀工作微處理器測量控制裝置發出伺服馬達啟動命令，伺服馬達帶動測量裝置開始旋轉，微處理器測量控制裝置等待重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號；當微處理器測量控制裝置接收到重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號后，記錄此時的激光干涉測距儀測得的距離數據為隧道第二寬度距離，并定義此時角度編碼器輸出的角度為零度角信號，將隧道第一寬度距離和隧道第二寬度距離進行相減，得到隧道寬度收斂結果；
隧道寬度收斂中兩側邊墻的收斂是對稱的，因此原始數據檢測步驟中所述隧道第一垂直高度的垂點到當前激光干涉測距儀的距離是已知距離，其計算過程是原始數據檢測步驟中所述激光干涉測距儀到所述隧道第一垂直高度的垂點距離減去二分之一寬度收斂距離；
所述獲取隧道高度收斂結果步驟是
h.繼續向上旋轉測量裝置讀取激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，根據已知的隧道第一垂直高度的垂點到當前激光干涉測距儀的距離、連續讀取的角度編碼器輸出的角度和連續讀取的激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，通過余弦定理找到在所述垂點之上的所述頂部任意的一個點，通過正弦定理或勾股定理計算出此時隧道頂部所述任意一個點到激光干涉測距儀水平線的垂直高度，并稱之為隧道第二垂直高度，將隧道第一垂直高度和隧道第二垂直高度進行相減，得到隧道高度收斂結果。本發明與現有技術相比結構簡單、操作方便、精度高、穩定性好，可以實現快速檢測；完成一次檢測使用其它方法多于一個小時、至少需要兩個人，而使用本方法只需一個人、僅需幾分鐘，省時省力，具有明顯的技術進步；同時檢測過程中不與其他工程施工沖突，配上應用軟件可進行全天候實時監測，對隧道有較大沉降、不穩定沉降進行預警。下面結合附圖和實施例對本發明作一詳細描述。
圖I是本發明隧道沉降收斂檢測儀外形示意 圖2是本發明隧道沉降收斂檢測儀結構示意 圖3是本發明隧道沉降收斂檢測儀電路框 圖4是本發明測量過程示意圖。
具體實施例方式實施例I :
一種隧道沉降收斂檢測儀，參見圖I、圖2和圖3，所述隧道沉降收斂檢測儀包括檢測儀主體1，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達2驅動旋轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體3，所述載體通過旋轉軸4連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器5，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀6和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器7，所述重力感應傳感器的敏感軸與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸的軸向一致；在所述檢測儀主體上設置有微處理器測量控制裝置8、溫度傳感器9、濕度傳感器10和水平尺11 ;所述水平尺軸向與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸向呈90度夾角設置，所述角度編碼器、激光干涉測距儀、重力感應傳感器，溫度傳感器、濕度傳感器的輸出信號分別連接至微處理器測量控制裝置。其中所述水平尺是目測水準管，所述伺服馬達由微處理器通過驅動電路12帶動。實施例中的檢測儀主體可以根據現場測量方便設計成多種形狀，本實施例考慮到現場手持方便，所述檢測儀主體包括有一個U形框架1-1，在U形框架的封口邊設置有一個方便手持的手柄1-2，本儀器的電源電池可以安裝在手柄中，在手柄的外端設置有一個用于定位原點的錐頭12。利用該錐頭在測量時可以將該錐頭卡入隧道一側的墻體中，即可以定位原點，又可以起到穩定檢測儀主體的作用。實施例中所述微處理器測量控制裝置包括有一個微處理器8-1，微處理器數據口連接數個用于進行操作的按鍵8-2，微處理器數據口還連接用于顯示數據的顯示器8-3 ;其中的溫度傳感器和濕度傳感器是用于激光干涉測距儀的數據校正，所述的激光干涉測距儀是市場上購買的成熟產品。實施例2:
一種隧道沉降收斂檢測方法，所述方法是基于實施例I 一種隧道沉降收斂檢測儀而實現的檢測方法，實施例I所述隧道沉降收斂檢測儀包括檢測儀主體，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達驅動旋 轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體，所述載體通過旋轉軸連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器，所述重力感應傳感器的敏感軸與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸的軸向一致；在所述檢測儀主體上設置有微處理器測量控制裝置、溫度傳感器、濕度傳感器和水平尺；所述水平尺軸向與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸向呈90度夾角設置，所述角度編碼器、激光干涉測距儀、重力感應傳感器，溫度傳感器、濕度傳感器的輸出信號分別連接至微處理器測量控制裝置；所述隧道沉降收斂檢測方法的步驟包括原始數據檢測步驟和沉降收斂檢測步驟
所述原始數據檢測步驟包括
a.首先將所述隧道沉降收斂檢測儀固定在隧道的一側邊墻處并記錄固定原點； b.將激光干涉測距儀朝向隧道的另一側邊墻，校準水平尺，使檢測儀旋轉軸處于水平狀態；
c.啟動隧道沉降收斂檢測儀工作微處理器測量控制裝置發出伺服馬達啟動命令，伺服馬達帶動測量裝置開始旋轉，微處理器測量控制裝置等待重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號；
d.當微處理器測量控制裝置接收到重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號后，記錄此時的激光干涉測距儀測得的距離數據為隧道第一寬度距離，并定義此時角度編碼器輸出的角度為零度角信號；繼續向上旋轉測量裝置讀取激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，定義頂部任意的一個點，讀取激光干涉測距儀到隧道頂部所述任意的一個點的斜向距離，記錄此時的角度編碼器輸出的角度，通過正弦定理計算出隧道頂部所述任意一個點到激光干涉測距儀水平線的垂直高度為隧道第一垂直高度，計算出激光干涉測距儀到隧道寬度距離中所述隧道第一垂直高度的垂點距離；
所述沉降收斂檢測步驟包括獲取隧道寬度收斂結果步驟和獲取隧道高度收斂結果步
驟
所述獲取隧道寬度收斂結果步驟是
e.將所述隧道沉降收斂檢測儀固定在隧道的一側邊墻所記錄的固定原點處，所述固定原點是所述原始數據檢測步驟中隧道沉降收斂檢測儀的固定原點；
f.將激光干涉測距儀朝向隧道的另一側邊墻，校準水平尺，使檢測儀旋轉軸處于水平狀態；
g.啟動隧道沉降收斂檢測儀工作微處理器測量控制裝置發出伺服馬達啟動命令，伺服馬達帶動測量裝置開始旋轉，微處理器測量控制裝置等待重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號；當微處理器測量控制裝置接收到重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號后，記錄此時的激光干涉測距儀測得的距離數據為隧道第二寬度距離，并定義此時角度編碼器輸出的角度為零度角信號，將隧道第一寬度距離和隧道第二寬度距離進行相減，得到隧道寬度收斂結果；
隧道寬度收斂中兩側邊墻的收斂是對稱的，因此原始數據檢測步驟中所述隧道第一垂直高度的垂點到當前激光干涉測距儀的距離是已知距離，其計算過程是原始數據檢測步驟中所述激光干涉測距儀到所述隧道第一垂直高度的垂點距離減去二分之一寬度收斂距離；
所述獲取隧道高度收斂結果步驟是
h.繼續向上旋轉測量裝置讀取激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，根據已知的隧道第一垂直高度的垂點到當前激光干涉測距儀的距離、連續讀取的角度編碼器輸出 的角度和連續讀取的激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，通過余弦定理找到在所述垂點之上的所述頂部任意的一個點，通過正弦定理或勾股定理計算出此時隧道頂部所述任意一個點到激光干涉測距儀水平線的垂直高度，并稱之為隧道第二垂直高度，將隧道第一垂直高度和隧道第二垂直高度進行相減，得到隧道高度收斂結果。實施例中激光干涉測距儀的距離數據是經過現場溫度、濕度校正后的數據，其測距方法是一種已知的方法。圖4是對現場隧道收斂測量的形象的示意，具體描述如下
第一次側量數據是把儀器O安放在隧道的邊墻處A，調整儀器方向使水平尺水準管氣泡居中，開機后可先設定轉動角度(< CAB)后啟動測量，或不用輸入角度微處理器直接發出測量指令，微處理器通過驅動電路驅動伺服馬達帶動測量裝置轉動，重力感應傳感器監測測量裝置水平情況，當測量裝置水平時，重力感應傳感器向微處理器發出測量裝置已在水平信號，微處理器激活激光干涉測距裝置工作，激光干涉測距裝置測量A點到沿著水平方向B點距離AB，微處理器記錄數據，根據氣象站(溫度傳感器、濕度傳感器)的數據經過校正后最終得到AB距離值數據并存儲；伺服馬達繼續驅動測量裝置轉動，當角度編碼器輸出的角度與開機設定轉動角度(< CAB)相同時，微處理器收到這一角度數據后令伺服馬達停止轉動，激光干涉測距裝置測量A點到C點距離AC，微處理器記錄AC距離數據，根據氣象站的數據經過校正后最終得到AC距離值數據并存儲。如果不用事先輸入角度直接發出測量指令方式伺服馬達驅動測量裝置轉動，重力感應傳感器監測測量裝置水平情況，當測量裝置水平時，重力感應傳感器向微處理器發出觸發信號，微處理器收到信號后激活激光干涉測距裝置，激光干涉測距裝置測量A點到沿著水平方向B點距離AB，微處理器記錄數據，根據氣象站的數據經過校正后最終得到AB距離數據值并存儲；伺服馬達繼續驅動測量裝置轉動，旋轉一定角度后定義頂部任意一點按動控制按鈕使其停止轉動，激光干涉測距裝置測量A點C點距離AC，微處理器記錄數據，根據氣象站的數據經過校正后最終得到AC距離值數據并存儲，角度編碼器輸出測量裝置所轉過的角度(< CAB)，微處理器記錄存儲距離數據和角度數據。依據這些數據用以下公式 隧道頂部任意一點的高度⑶=ACX sinCAB ；
計算激光干涉測距裝置到隧道頂部任意一點的高度的垂足點的距離AD ；
AD=ACX CosCAB ；
沉降收斂檢測是把儀器放置在第一次測量的位置點上，調整儀器方向使水準管氣泡居中，微處理器發出測量指令，伺服馬達驅動測量裝置轉動，重力感應裝置監測測量裝置水平情況，當測量裝置水平時，重力感應傳感器向微處理器發出觸發信號，微處理器激活激光干涉測距裝置，激光干涉測距裝置測量A’點到沿著水平方向B’點距離A’B’，微處理器記錄數據，根據氣象站的數據經過校正后最終得到A’ B’距離值數據并存儲；算出寬度收斂數據并計算出A’點到D的距離；伺服馬達繼續驅動測量裝置轉動，當角度編碼器輸出角度接近上次輸出角度(< CAB)時，儀器進入微調狀態，測量裝置慢速轉動，根據已知的A’ D的距離不斷地調整角度編碼器輸出角度激光測距裝置連續測量A’點到頂部點的距離，角度編碼器不間斷輸出角度值，微處理器記錄處理這些數據直至A’ D的距離=A’ C’ X cosC’ A’ B’。則C，為C的沉降點，計算此時的高度C’ D=A’ C’ X sinC’ A’ B’ ；
上述結果的前提是兩邊墻收斂值近似相等(實際的結果也是近似相等)即AA， =BB，
可得收斂值
AA，=(AB-A，B，)/2;
又得
A， D=AD-AA，
因此第一次與第二次量測的沉降值為
CC，=CD-C，D ；
三次觀測、四次觀測等多次觀測的沉降收斂值依次類推，其數學表達式為 E=Ne-(N-l)e ；
F=Nf- (N-l)f ；
E代表沉降收斂值，
Ne代表第n次檢測時隧道頂部到儀器的垂直距離，
(N-l)e第n-1次檢測時代表隧道頂部到儀器的垂直距離，
F代表寬度收斂值，
Nf代表第n次檢測時儀器到邊墻的水平距離，
(N-1) f代表第n-1次檢測時儀器到邊墻的水平距離。
權利要求
1.一種隧道沉降收斂檢測儀，包括檢測儀主體，其特征在于，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達驅動旋轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體，所述載體通過旋轉軸連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器，所述重力感應傳感器的敏感軸與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸的軸向一致；在所述檢測儀主體上設置有微處理器測量控制裝置、溫度傳感器、濕度傳感器和水平尺；所述水平尺軸向與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸向呈90度夾角設置，所述角度編碼器、激光干涉測距儀、重力感應傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器的輸出信號分別連接至微處理器測量控制裝置。
2.根據權利要求I所述的一種隧道沉降收斂檢測儀，其特征在于，所述水平尺是目測水準管。
3.—種隧道沉降收斂檢測方法，其特征在于，所述方法是基于一種隧道沉降收斂檢測儀而實現的檢測方法，所述隧道沉降收斂檢測儀包括檢測儀主體，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達驅動旋轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體，所述載體通過旋轉軸連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器，所述重力感應傳感器的敏感軸與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸的軸向一致；在所述檢測儀主體上設置有微處理器測量控制裝置、溫度傳感器、濕度傳感器和水平尺；所述水平尺軸向與所述激光干涉測距儀發出的激光束軸向呈90度夾角設置，所述角度編碼器、激光干涉測距儀、重力感應傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器的輸出信號分別連接至微處理器測量控制裝置；所述隧道沉降收斂檢測方法的步驟包括原始數據檢測步驟和沉降收斂檢測步驟 所述原始數據檢測步驟包括 a.首先將所述隧道沉降收斂檢測儀固定在隧道的一側邊墻處并記錄固定原點； b.將激光干涉測距儀朝向隧道的另一側邊墻，校準水平尺，使檢測儀旋轉軸處于水平狀態； c.啟動隧道沉降收斂檢測儀工作微處理器測量控制裝置發出伺服馬達啟動命令，伺服馬達帶動測量裝置開始旋轉，微處理器測量控制裝置等待重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號； d.當微處理器測量控制裝置接收到重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號后，記錄此時的激光干涉測距儀測得的距離數據為隧道第一寬度距離，并定義此時角度編碼器輸出的角度為零度角信號；繼續向上旋轉測量裝置讀取激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，定義頂部任意的一個點，讀取激光干涉測距儀到隧道頂部所述任意的一個點的斜向距離，記錄此時的角度編碼器輸出的角度，通過正弦定理計算出隧道頂部所述任意一個點到激光干涉測距儀水平線的垂直高度為隧道第一垂直高度，計算出激光干涉測距儀到隧道寬度距離中所述隧道第一垂直高度的垂點距離； 所述沉降收斂檢測步驟包括獲取隧道寬度收斂結果步驟和獲取隧道高度收斂結果步驟 所述獲取隧道寬度收斂結果步驟是 e.將所述隧道沉降收斂檢測儀固定在隧道的一側邊墻所記錄的固定原點處，所述固定原點是所述原始數據檢測步驟中隧道沉降收斂檢測儀的固定原點；f.將激光干涉測距儀朝向隧道的另一側邊墻，校準水平尺，使檢測儀旋轉軸處于水平狀態； g.啟動隧道沉降收斂檢測儀工作微處理器測量控制裝置發出伺服馬達啟動命令，伺服馬達帶動測量裝置開始旋轉，微處理器測量控制裝置等待重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號；當微處理器測量控制裝置接收到重力感應傳感器發出的水平零度輸出信號后，記錄此時的激光干涉測距儀測得的距離數據為隧道第二寬度距離，并定義此時角度編碼器輸出的角度為零度角信號，將隧道第一寬度距離和隧道第二寬度距離進行相減，得到隧道寬度收斂結果； 隧道寬度收斂中兩側邊墻的收斂是對稱的，因此原始數據檢測步驟中所述隧道第一垂直高度的垂點到當前激光干涉測距儀的距離是已知距離，其計算過程是原始數據檢測步驟中所述激光干涉測距儀到所述隧道第一垂直高度的垂點距離減去二分之一寬度收斂距離； 所述獲取隧道高度收斂結果步驟是 h.繼續向上旋轉測量裝置讀取激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，根據已知的隧道第一垂直高度的垂點到當前激光干涉測距儀的距離、連續讀取的角度編碼器輸出的角度和連續讀取的激光干涉測距儀到隧道頂部的斜向距離，通過余弦定理找到在所述垂點之上的所述頂部任意的一個點，通過正弦定理或勾股定理計算出此時隧道頂部所述任意一個點到激光干涉測距儀水平線的垂直高度，并稱之為隧道第二垂 直高度，將隧道第一垂直高度和隧道第二垂直高度進行相減，得到隧道高度收斂結果。
全文摘要
本發明涉及一種隧道沉降收斂檢測儀及其檢測方法，所述檢測儀包括檢測儀主體，在檢測儀主體上設置有一個由伺服馬達驅動旋轉的測量裝置，所述測量裝置包括一個載體，所述載體通過旋轉軸連接在檢測儀主體上，所述旋轉軸連接有角度編碼器，所述載體上設置有一個激光干涉測距儀和一個帶有水平零度輸出信號的重力感應傳感器；所述方法包括原始數據檢測步驟和沉降收斂檢測步驟；本發明結構簡單、操作方便、精度高、穩定性好，可以實現快速檢測；完成一次檢測只需一個人、幾分鐘，省時省力，具有明顯的技術進步；同時檢測過程中不與其他工程施工沖突，配上應用軟件可進行全天候實時監測，對隧道有較大沉降、不穩定沉降進行預警。
文檔編號G01B11/16GK102620661SQ201210112710
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月18日 優先權日2012年4月18日
發明者孫洪超, 張揚, 張春玲, 張超, 戴連雙, 程琦然, 軒興滄 申請人:中國新興保信建設總公司