[发明专利]一种形变监测方法

摘要

本发明公开了一种形变监测方法，包括以下步骤：一、监测装置安装及空间坐标系的建立；二、待测物体倾斜角度的检测；三、待测物体倾斜状态的补偿；四、待测物体沉降状态的监测；五、待测物体开裂状态的监测。本发明设计合理，成本低，省时，省力，花费小，能获取建筑物、构筑物及边坡的倾斜、沉降、开裂等形变状态，实现实时监控，从而及时提出预报，便于采取防治措施，实用性强。

主权项

1.一种形变监测方法，该方法采用的装置包括机架和安装在所述机架上的形变检测模块，所述机架包括三角支架、安装在所述三角支架顶部的活动套管机构和安装在所述活动套管机构顶部的承载机箱(3)，所述形变检测模块包括倾斜检测模块和沉降监测模块，所述倾斜检测模块包括安装在承载机箱(3)的一侧面的第一激光测距传感器(11)、第二激光测距传感器(12)和第三激光测距传感器(13)，所述第一激光测距传感器(11)、第二激光测距传感器(12)和第三激光测距传感器(13)呈等边三角形布设，所述承载机箱(3)的顶部设置有防水盖(20)，且所述防水盖(20)的两端伸出承载机箱(3)处设置有防水弯折部(21)，第一激光测距仪(11)和第二激光测距仪(12)发射中心的连线与承载机箱(3)的一侧面的底边平行；所述沉降监测模块包括安装在承载机箱(3)的一侧面的红外激光发射器(24)和相机(19)，所述承载机箱(3)内设置有电子线路板，所述电子线路板上集成有微处理器(17)和倾角传感器(4)，所述承载机箱(3)上设置有显示屏(15)、报警器(16)和工作状态指示灯(18)，所述第一激光测距传感器(11)、第二激光测距传感器(12)、第三激光测距传感器(13)、倾角传感器(4)、报警器(16)、工作状态指示灯(18)、显示屏(15)和相机(19)均与微处理器(17)连接；其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、监测装置安装及空间坐标系的建立：步骤101、将测试靶标贴装在待测物体的外表面上，并在测试靶标的正前方放置形变监测方法，使形变监测方法中承载机箱(3)底部距离地面的高度与测试靶标底部距离地面的高度相同；其中，测试靶标固定于待测物体高度的1/3处～1/2处，待测物体为建筑物、构筑物或边坡，所述测试靶标上设置有刻度尺，所述测试靶标为矩形靶标，所述测试靶标的长边与待测物体底部的一个侧边平行；步骤102、调节所述三角支架，倾角传感器(4)对承载机箱(3)的底部与地面之间的倾斜角度进行检测，并将检测到的承载机箱(3)的底部与地面之间的倾斜角度发送至微处理器(17)，直至承载机箱(3)的底部与地面之间的倾斜角度等于零，以使第一激光测距仪(11)、第二激光测距仪(12)和第三激光测距仪(13)所发出的激光光束均与地面平行；其中，第一激光测距仪(11)和第二激光测距仪(12)发射中心的连线与地面平行，所述测试靶标的长边在第一激光测距仪(11)、第二激光测距仪(12)和第三激光测距仪(13)发射中心所在平面上的投影线与第一激光测距仪(11)和第二激光测距仪(12)发射中心的连线平行；步骤103、以测试靶标中左下角顶点为原点o，过原点o且沿测试靶标的长边直线为Y轴，过原点o且垂直与地面的直线为Z轴，过原点o且与由Y轴与Z轴组成的YOZ平面垂直的直线为X轴，建立空间直角坐标系；其中，所述X轴的正向朝向第一激光测距仪(11)、第二激光测距仪(12)和第三激光测距仪(13)；步骤二、待测物体倾斜角度的检测：步骤201、待测物体初始倾斜的判断：步骤2011、第一激光测距仪(11)发出的激光光束投射在测试靶标上形成A照射点，第二激光测距仪(12)发出的激光光束投射在测试靶标上形成B照射点，第三激光测距仪(13)发出的激光光束投射在测试靶标上形成C照射点，第一激光测距仪(11)获取第一激光测距仪(11)到A照射点的间距并记作a，第二激光测距仪(12)获取第二激光测距仪(12)到B照射点的间距并记作b，第三激光测距仪(13)获取第三激光测距仪(13)到C照射点的间距并记作c，并获取在空间直角坐标系下A照射点的坐标A(x_a,y_a,z_a)、B照射点的坐标B(x_b,y_b,z_b)和C照射点的坐标C(x_c,y_c,z_c)；步骤2012、采用微处理器(17)判断a＝b＝c是否成立，当a＝b＝c成立，则说明待测物体不存在初始倾斜，且x_a＝x_b＝x_c＝0；当a＝b＝c不成立，则说明待测物体存在初始倾斜；步骤202、待测物体倾斜角度的获取：步骤2021、当待测物体不存在初始倾斜时，对待测物体的倾斜角度进行测量，具体过程如下：步骤20211、第一激光测距仪(11)再次发出的激光光束投射在测试靶标上形成A′照射点，第二激光测距仪(12)再次发出的激光光束投射在测试靶标上形成B′照射点，第三激光测距仪(13)再次发出的激光光束投射在测试靶标上形成C′照射点，第一激光测距仪(11)获取第一激光测距仪(11)到A′照射点的间距并记作a′，第二激光测距仪(12)获取第二激光测距仪(12)到B′照射点的间距并记作b′，第三激光测距仪(13)获取第三激光测距仪(13)到C′照射点的间距并记作c′，并获取A′照射点的坐标A′(a‑a′,y_a,z_a)、B′照射点的坐标B′(b‑b′,y_b,z_b)和C′照射点的坐标C′(c‑c′,y_c,z_c)；步骤20212、采用微处理器(17)根据A′照射点的坐标A′(a‑a′,y_a,z_a)、B′照射点的坐标B′(b‑b′,y_b,z_b)和C′照射点的坐标C′(c‑c′,y_c,z_c)，获取向量和向量步骤20213、根据第一激光测距仪(11)和第二激光测距仪(12)发射中心的连线与地面平行，得到z_b＝z_a，且a＝b＝c，并将第一激光测距仪(11)、第二激光测距仪(12)、第三激光测距仪(13)围成等边三角形的边长记作l，化简向量和向量得到和向量步骤20214、采用微处理器(17)根据得到A′照射点、B′照射点和C′照射点所在平面的法向量步骤20215、采用微处理器(17)根据公式并输入初始法向量得到待测物体的倾斜角度其中，待测物体的倾斜角度θ的取值范围为0°～90°；步骤2022、当待测物体存在初始倾斜时，对待测物体的倾斜角度进行测量，具体过程如下：步骤20221、采用微处理器(17)根据A照射点的坐标A(x_a,y_a,z_a)、B照射点的坐标B(x_b,y_b,z_b)和C照射点的坐标C(x_c,y_c,z_c)，得到向量和向量步骤20222、采用微处理器(17)根据得到A照射点、B照射点和C照射点所在平面的法向量步骤20223、重复步骤20211至步骤20214，得到A′照射点、B′照射点和C′照射点所在平面的法向量步骤20224、根据公式并输入初始法向量得到待测物体的倾斜角度θ；步骤203、待测物体倾斜时左右扭转的角度的获取：步骤2031、当待测物体不存在初始倾斜时，对待测物体倾斜时左右扭转的角度进行测量，具体过程如下：步骤20311、将A′照射点和B′照射点投影到由X轴与Y轴组成的XOY平面上，得到A″照射点和B″照射点，并获取A″照射点的坐标A″(a‑a′,y_a,0)和B″照射点的坐标B″(b‑b′,y_b,0)；步骤20312、采用微处理器(17)根据A″照射点的坐标A″(a‑a′,y_a,0)和B″照射点的坐标B″(b‑b′,y_b,0)，得到步骤20313、采用微处理器(17)根据公式并输入由X轴和Z轴组成的XOZ平面的法向量得到待测物体倾斜时左右扭转的角度α；其中，待测物体倾斜时左右扭转的角度α的取值范围为0°～90°；步骤20314、采用微处理器(17)判断当a′<b′成立时，待测物体倾斜时逆时针扭转α角度；当a′>b′成立时，待测物体倾斜时顺时针扭转α角度；当a′＝b′成立时，待测物体倾斜时左右扭转角度等于零；步骤2032、当待测物体存在初始倾斜时，对待测物体倾斜时左右扭转的角度进行测量，具体过程如下：步骤20321、将A照射点和B照射点投影到XOY平面上，得到a″照射点和b″照射点，并获取a″照射点的坐标a″(x_a,y_a,0)和b″照射点的坐标b″(x_b,y_b,0)；步骤20322、采用微处理器(17)根据a″照射点的坐标a″(x_a,y_a,0)和b″照射点的坐标b″(x_b,y_b,0)，得到向量步骤20323、重复步骤20311和步骤20312，得到向量步骤20324、采用微处理器(17)根据公式并输入由X轴和Z轴组成的XOZ平面的法向量得到待测物体倾斜时左右扭转的角度α；步骤204、待测物体倾斜时前后扭转的角度的获取：步骤2041、当待测物体不存在初始倾斜时，对待测物体倾斜时前后扭转的角度进行测量，具体过程如下：采用微处理器(17)根据公式并输入由X轴和Y轴组成的XOY平面的法向量得到待测物体倾斜时前后扭转的角度β；其中，当β>0时，待测物体向前倾斜；当β<0时，待测物体向后倾斜；待测物体的前侧是指靠近第一激光测距仪(11)、第二激光测距仪(12)和第三激光测距仪(13)；步骤2042、当待测物体存在初始倾斜时，对待测物体倾斜时左右扭转的角度进行测量，具体过程如下：采用微处理器(17)根据公式并输入由X轴和Y轴组成的XOY平面的法向量得到待测物体倾斜时前后扭转的角度β；步骤三、待测物体倾斜状态的补偿：步骤301、采用微处理器(17)对待测物体的倾斜角度θ求全微分，得到并采用微处理器(17)根据公式得到待测物体的倾斜角度的中误差m_θ；其中，m_l表示第一激光测距仪(11)、第二激光测距仪(12)、第三激光测距仪(13)围成等边三角形的边长l的中误差，m_a′表示第一激光测距仪(11)测距的中误差，m_b′表示第二激光测距仪(12)测距的中误差，m_c′表示第三激光测距仪(13)测距的中误差；步骤302、采用微处理器(17)对待测物体倾斜时左右扭转的角度α求全微分，得到并采用微处理器(17)根据公式得到待测物体倾斜时左右扭转的角度的中误差m_α；步骤303、采用微处理器(17)对待测物体倾斜时前后扭转的角度β求全微分，得到并采用微处理器(17)根据公式得到待测物体倾斜时前后扭转的角度的中误差m_β；步骤304、采用微处理器(17)根据公式θ′＝θ+m_θ，得到待测物体的较大补偿倾斜角度θ′；步骤305、采用微处理器(17)根据公式α′＝α+m_α，得到待测物体倾斜时左右扭转的较大补偿角度α′；步骤306、采用微处理器(17)根据公式β′＝β+m_β，得到待测物体倾斜时前后扭转的较大补偿角度β′；步骤四、待测物体沉降状态的监测：步骤401、在待测物体倾斜状态检测的过程中，红外激光发射器(11)发出的红外定位照射点投射在测试靶标上形成定位照射点，相机(19)对定位照射点图像进行拍摄，并发送至微处理器(17)，之后，相机(19)对定位照射点进行下一次拍摄，并发送至微处理器(17)，微处理器(17)将定位照射点图像和下一次拍摄到的定位照射点图像进行处理，得到定位照射点的像点位移d_x；其中，定位照射点的像点位移是沿定位照射点图像的列方向，且定位照射点图像的列方向与待测物体的高度方向一致；步骤402、采用微处理器(17)根据公式得到待测物体的沉降总变化值Δh；其中，u表示相机(19)和定位照射点的物距，f表示相机(19)的焦距；步骤403、采用微处理器(17)根据公式Δh₂＝h‑h×cosβ′，得到待测物体倾斜高度变化量Δh₂；其中，h表示红外激光发射器(11)发出的红外定位照射点投射在测试靶标上形成的定位照射点距离待测物体底部的初始高度；步骤404、采用微处理器(17)根据公式Δh₁＝Δh‑Δh₂，得到待测物体的沉降量Δh₁；步骤五、待测物体开裂状态的监测：步骤501、相机(19)对待测物体的裂缝区域进行拍摄，并发送至微处理器(17)，微处理器(17)将裂缝区域图像进行处理，得到裂缝区域图像上裂缝最大宽度处的像素个数k_x；步骤502、采用微处理器(17)根据公式K＝k_x×l′，得到待测物体的裂缝最大宽度K；其中，l′表示裂缝区域图像中单个像素点对应的实际距离；步骤503、调节第一激光测距仪(11)发出的激光光束投射在待测物体的裂缝区域的一侧，第一激光测距仪(11)获取第一激光测距仪(11) 到待测物体的裂缝区域的一侧的距离并记作f₁；第二激光测距仪(12)发出的激光光束投射在待测物体的裂缝区域的另一侧，第二激光测距仪(12)获取第二激光测距仪(12)到待测物体的裂缝区域的另一侧的距离并记作f₂；采用微处理器(17)根据公式W_c1＝|f₁‑f₂|，得到待测物体的第一裂缝错位距离W_c1；步骤504、调节第三激光测距仪(13)发出的激光光束投射在待测物体的裂缝区域的另一侧，第三激光测距仪(13)获取第三激光测距仪(13)到待测物体的裂缝区域的另一侧的距离并记作f₃；采用微处理器(17)根据公式W_c2＝|f₁‑f₃|，得到待测物体的第二裂缝错位距离W_c2；步骤505、调节第二激光测距仪(12)发出的激光光束投射在待测物体的裂缝区域的一侧，第二激光测距仪(12)获取第二激光测距仪(12)到待测物体的裂缝区域的一侧的距离并记作f′₂；第三激光测距仪(13)发出的激光光束投射在待测物体的裂缝区域的另一侧，第三激光测距仪(13)获取第三激光测距仪(13)到待测物体的裂缝区域的另一侧的距离并记作f₃；采用微处理器(17)根据公式W_c3＝|f′₂‑f₃|，得到待测物体的第三裂缝错位距离W_c3；步骤506、采用微处理器(17)根据公式得到待测物体的裂缝错位平均值