[发明专利]一种高精度拱坝变形监测设备和测量方法

摘要

一种高精度拱坝变形监测设备和测量方法，属于测量监测领域，该设备包括：若干监测单元，每套监测单元包括铟钢管系统，以及相互配合沿光路设置的发射装置、折射装置和接收装置；铟钢管系统包括两个铟钢管以及与铟钢管一一对应的长度测量位敏传感器；铟钢管固定在测段的其中一个测点上，对应的长度测量位敏传感器固定在该测段的另一个测点上，在固定长度测量位敏传感器的测点上对应的铟钢管通过移动副与之相连。通过若干呈三点布置的监测单元，从各个测段对大坝变形数据进行监测和采集，铟钢管固定在一个测点上，另一个测点使用移动副与之相连，这种无接触的测量方法，和无应力的连接方式，能够消除应力使铟钢管发生的形变扰动，保证了测量的精度。

主权项

1.一种高精度拱坝变形测量方法，其特征在于，基于一种高精度拱坝变形监测设备，包括若干监测单元，每套监测单元包括铟钢管系统，以及相互配合沿光路依次设置的发射装置(1)、折射装置(2)和接收装置(3)；所述拱坝的坝体沿拱坝方向分隔为若干测段，测段的端点分别为测点，并对测点依次编号为0，1，2，…i‑1，i，i+1，…n，其中i和n均为正整数；第i套监测单元中的发射装置(1)对应设置在起始测点i‑1处，折射装置(2)对应设置在中间测点i处，接收装置(3)对应设置在末端测点i+1处；所述的铟钢管系统包括两个铟钢管(41)，以及与铟钢管(41)一一对应的长度测量位敏传感器(42)；铟钢管(41)固定在测段的其中一个测点上，对应的长度测量位敏传感器(42)固定在该测段的另一个测点上，在固定长度测量位敏传感器(42)的测点上对应的铟钢管(41)通过移动副与之相连；相邻监测单元呈重叠布置；前一套监测单元的中间测点作为后一套监测单元的起始测点依次布置，前一套监测单元的末端测点作为后一套监测单元的中间测点依次布置；所述的方法包括如下步骤，步骤1，采集所有监测单元中接收装置(3)和长度测量位敏传感器(42)中的数据；通过第i套监测单元中的接收装置(3)得到的位移数据S_i+1，按照公式得到相邻测段的角度；α_i＝π‑θ_i+S_i+1/L_i，i+1；式中：θ_i为以测点i为顶点，以相邻测段直线为两边所组成的锐角，L_i，i+1为以测点i和测点i+1为两端点放置的铟钢管(41)原始长度；在以测点i和测点i+1为两端点放置的铟钢管系统中，通过对应的长度测量位敏传感器(42)得到相邻测点距离的变化量l_i，i+1，从而通过如下公式得到相邻测点距离d_i，i+1；d_i，i+1＝L_i，i+1+l_i，i+1；步骤2，根据相邻测段的角度和相邻测点的距离，通过如下几何关系将相邻测量单元组合成等效测量单元，组合时略去其中一个测量单元的中间测点i；式中：d′_i‑1，i+1为合成之后等效的测点i‑1和测点i+1之间的距离，α′_i‑1和α′_i+1是合成后对测点i‑1处和测点i+1处夹角进行修正后的角度值；上述步骤通过对测点i‑1，测点i和测点i+1的处理，略去了中间测点i，通过重复上述略去中间测点的过程，直至得到包括第一测点、最后一个测点，以及与第一测点或最后一个测点相邻的中间测点的最终等效测量单元；步骤3，根据最终等效测量单元，以第一测点为原点，以第一测点和最后一个测点的连线为X轴使用左手坐标系建立坐标系，X轴的正方向规定为第一测点指向最后一个测点的方向，根据如下公式得到与第一测点或最后一个测点相邻的中间测点的坐标数据；x_m＝x₀+(d′_0，m)cosα′₀     (4)y_m＝y₀‑(d′_0，m)sinα′₀    (5)式中：x₀和y₀是大坝基点的坐标数据，x_m和y_m是测点m的坐标数据，d′_0，m是经合成之后等效的测点m到测点0或测点n之间的距离，α′₀是测点0处夹角进行修正后的角度值；测点m是测点0或测点n的相邻点；步骤4，可依次建立局部坐标系，坐标系的建立方法如下：以测量单元中的起始测点为原点，以测量单元中的起始测点和测量单元中的中间测点的连线为X轴建立左手坐标系，X轴的正方向规定为测量单元中的起始测点指向测量单元中的中间测点的方向，将此坐标系按照原点所在的测点序号进行标注，使用坐标转换矩阵将上一坐标系下的数据转化到本次局部坐标下，再通过如下迭代公式由前一个测量单元的坐标数据得到后一个测量单元的坐标数据，进而得到拱坝所有测点的坐标数据，根据得到的坐标数据与安装系统时原始测点的坐标数据进行比较，即可得到拱坝的变形监测数据；x_i+1＝x_i‑1+(d_i，i+1)sin(α_i)     (6)y_i+1＝y_i‑1+d_i‑1，i+(d_i，i+1)cos(α_i)    (7)式中：α_i测点i处的相邻测段的角度；x_i+1和y_i+1是测点i+1的位置坐标数据；x_i‑1和y_i‑1是测点i‑1的位置坐标数据；其中坐标系i‑1到坐标系i的坐标系转换矩阵如下所示：式中：M_i‑1，i为以测点i‑1为原点的坐标系到以测点i为原点的坐标系的转换矩阵；L_i‑1，i为以测点i‑1和测点i为两端点放置的铟钢管(41)原始长度；θ_i为以测点i为顶点，以相邻测段直线为两边所组成的锐角。