CN201181203Y - 基于图像传感器的隧道位移监测系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于图像传感器的隧道位移监测系统，属非接触式隧道周边位移测试技术。包括，激光发射装置：由激光器和安装底座组成，固定于隧道内或洞口位置；接收装置：固定于隧道内测试点，由激光靶、图像传感器、镜头以及安装底座组成；测试点位置同时设置另一激光发射装置并指向下一接收装置；激光发射装置控制箱：与激光发射装置连接，控制信号经数据传输总线传出；接收装置采集箱：与接收装置连接，输出信号经数据传输总线传出，处理采集到的位移图像数据；现场采集终端：接收数据传输总线传出的信号。它具有测定简便、精度高的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及隧道位移自动监测系统，特别是用于监测隧道施工或运营中隧道位移的一种简便、非接触、精度高的自动化隧道变形监测系统。。
背景技术
我国是一个多山的国家，由于坡度限制、环境保护及城市环境需要，隧道广泛应用于高速公路、铁路、地铁建设中。在隧道施工过程中，对隧道围岩、支护衬砌结构所处的力场及其稳定状态进行监控量测，被认为是保障施工安全、优化隧道设计、指导施工的主要方法，在隧道施工中具有十分重要的作用，是新奥法施工的重要内容之一；在隧道运营过程中，持续的隧道结构变形监测是隧道运营安全的重要保障。
隧道位移监测的传统项目是拱顶下沉和周边收敛。一般采用收敛计进行接触式测量，尽管收敛计本身读数精度很高，但实测精度受设备安置等各种因素有较大影响。这种方法受限于隧道周边上各点之间的相对距离，且只能求得一点相对另一点的位移，隧道不对称变形和纵向位移，采用传统方法就测不出来。
巴赛特收敛系统是一种隧道剖面收敛自动测量系统，它由多个杆件单元(一个长的和一个短的组合成为一对杆件单元)首尾互相铰接安装在待测剖面四周，构成一个测量环，杆件单元内置一种特制的高精度电解质倾角传感器，每对长短臂的一个铰接点通过固定件与洞壁相固定，另一个铰接点是浮动的。当洞壁发生变形时，必定使变形区内的几个固定点产生(空间)位移，也带动相关的长短臂活动，即长短臂产生角度变化。这时分别安装在长、短臂上的倾角传感器就可测出这种微小的角度变化。通过测试过程中的计算结果分别与首次测量数据比较可获隧道轮廓动态变化状况。本测试方法在接触式测量方法中效果较好，但系统设置费用较高，难以广泛应用。
非接触方式测量隧道周边位移有采用测点埋设反光标靶，通过电子全站仪测出测点三维坐标，通过不同批次测试三维坐标值可计算得出测点收敛值。
非接触方式测量隧道周边位移还有利用光纤维组成测试界面，对应设置光敏二极管测试阵列，通过激光光斑在光纤维界面变化测得隧道周边位移值。该方法精度受限于光纤维直径和排列精度，且测试量程不大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于隧道施工或营运中隧道位移的一种简便、非接触、精度高的基于图像传感器的隧道位移监测系统。
本实用新型的目的是这样实现的：一种基于图像传感器的隧道位移监测系统，其特征是：包括，
激光发射装置：由激光器和安装底座组成，固定于隧道内或洞口位置；
接收装置：固定于隧道内测试点，由激光靶、图像传感器、镜头以及安装底座组成；测试点位置同时设置另一激光发射装置并指向下一接收装置；
激光发射装置控制箱：与激光发射装置连接，控制信号经数据传输总线传出；
接收装置采集箱：与接收装置连接，输出信号经数据传输总线传出；
现场采集终端：接收数据传输总线传出的信号，处理采集到的位移图像数据。
上述隧道内的同一断面的拱顶和两个拱腰分别设置一套激光发射装置和接收装置。
本系统通过激光、图像传感器接收靶构成测试部件，通过现场采集仪进行数据采集，经由现场数据总线连接多个采集仪与洞口采集中心交换数据，洞口采集中心数据支持本地分析查看和通过网络发布至数据服务器，构成网络化自动测试系统。本发明测试量程可以根据需要调整，系统分辨率随着图像传感器分辨率提高还可以提高。
本实用新型的有益效果是：
1、本系统属于非接触式隧道周边位移测试方案。
2、本系统测试精度高，适当提高的图像传感器分辨率，可以提高系统分辨率。
3、激光发射装置和接收装置均通过了可调安装底座安装在隧道内，可以方便地对激光的发射和接收来进行定位。
4、隧道周边位移监测实时，准确，简便。监测结果直接在现场采集终端的电脑上显示。
附图说明
图1是本系统设备在隧道立面上的布置示意图；
图2是本系统在隧道上布置的立体示意图；
图3是图2所示激光发射装置和接收装置(均带可调安装底座)的立体图；
图4是图3所示激光发射装置另一视角方向的立体图；
图5是图4中除去U形槽后的立体图；
图6是图5中除去压板和压紧螺钉后的立体图；
图7是图4中U形槽及其上安装的轴的立体图；
图8是图3所示接收装置的可调安装底座(另一视角方向)的立体图。
具体实施方式
图1图2示出，本系统的设备组成如下：激光发射装置1：由激光器和安装底座组成，固定于隧道内或洞口位置；接收装置2：固定于隧道内测试点，由激光靶、图像传感器、镜头以及安装底座组成；测试点位置同时设置另一激光发射装置11并指向下一接收装置22；激光发射装置控制箱3：与激光发射装置连接，控制信号经数据传输总线传出；接收装置采集箱4：与接收装置连接，输出信号经数据传输总线传出；现场采集终端5：接收数据传输总线传出的信号，处理采集到的位移图像数据。隧道内的同一断面的拱顶和两个拱腰分别设置一套激光发射装置1和接收装置2。图1中，矩形框为隧道立面，其左面为掌子面，右面为隧道出口。激光发射装置的可调安装底座见图3～7，其结构为：激光器1a下部固定有一杆1b，杆1b与铰座1c构成球铰连接，紧定螺钉1f设置在铰座上，铰座1c下部的支柱1i铰接在底座1j的条形槽内，铰座1c的后部设置有压紧螺钉1d，铰座1c的前部设置有压板1e。底座1j可转动地安装在轴1k上，即可在轴上偏转，可由定位螺钉1h对其紧定，在U形槽1g上固定。这样，激光头(即激光发射器)经球铰可在底座1j上作360度偏转，同时，还可在底座上前、后(图6中Y方向)偏转。整个安装底座可由U形槽底部的安装块1m(其上开有螺孔)，经膨胀螺栓安装固定在隧道的拱面上。接收装置安装底座由偏转方向呈90°设置的两组U形板上、下固联构成，每组U形板结构为：两块U形板2a、2b开口相向，二者叠合部经螺栓2e铰接，螺钉2f固定位于内侧的U形板2b上、伸出并卡在位于外侧的U形板2a的半圆形条孔之上。图8中，下部左面位置示出：
形板2c和“L”形板2d经螺栓2g铰接，螺钉2h压接在“L”形板2d的半圆形条孔之上，对二者起紧定作用，下部左、右两组形板2c和“L”形板2d可以看作是一组与上部结构相同的U形板。接收装置可沿X方向和Y方向偏转，以与激光发射器对位。
系统设备安装：
1、接收装置的埋设：
按照接收装置底座上预留安装孔的尺寸、位置，利用冲击钻在隧道初期支护上打孔至适宜深度，然后安装、调整，使其在纵向保持水平，最后固定。激光发射装置的埋设；
2、利用冲击钻在隧道初期支护上打孔(大致与发射装置在同一高度)到适当深度，然后安装激光发射器，调整激光发射杆使激光束照到接收装置屏面上的适宜位置，最后固定激光头；
3、调整激光光斑使其落在接收装置屏面上的适宜位置；
4、安装激光发射装置保护罩；
5、测点传输线安装布置沿隧道壁固定，总线沿隧道动力电缆线铺设到洞外。
本系统在遵赤公路坛厂隧道进行应用测试检验。现场测试结果如下：
1)、ZK27+465断面测点安装时距离掌子面45m左右(现距隧道掌子面约60m左右)，安装每测点大约花半小时左右，安装快捷、方便，对施工干扰小。
2)、隧道施工对数据采集影响不大，采集的数据真实、可靠。
3)、隧道自动监测系统数据自动采集终端系统工作稳定，测试数据精度较高(正常监测情况下，精度：理论值0.3mm(空气质量较好)，现场实际0.5mm(受施工粉尘影响、施工机械振动等)。
4)、不同测试手段数据比较
(1)、利用隧道自动监测系统进行测试(ZK27+490断面)
X方向(水平方向)一个月变化为63.3-58.8＝4.5mm；
Y方向(竖直方向)一个月变化为26.3-25.8＝0.5mm。
(2)、收敛尺测试结果
利用收敛尺对ZK27+490断面进行测试，连续一个月净空收敛累积变化达4.1mm。
(3)、水准仪测试结果
利用水准仪及特制测点对ZK27+490断面ZC06-SL-TC002测点Y方向下沉进行监测，一个月下沉累积变化达约1～2mm，基本处于测量误差范围之内(测点所在隧道区段围岩级别为III级)。
测试数据表明，自动监测手段与手工监测数据吻合比较好。
5)、自动监测影响因素及程度分析
(1)、电焊光影响、镁光手电影响会出现异常数据，在后台数据处理中可以滤出。
(2)、本自动监测系统受强光(如电焊光、镁灯光)闪动照射影响较大，其他施工干扰影响不明显。
(3)、针对采集数据上传到远端服务器情况：在单独带宽1.2M条件下，上传通畅；在和视频同时使用带宽时，上传测试数据会出现短暂的传输中断。
数据采集在隧道出口现场利用现场数据采集终端完成自动采集，利用现场卫星通讯的条件，本系统能够实现对自动采集的数据实时上传至隧道监测信息系统平台数据库，同时利用internet网，只要在能够访问internet网的任何地方，均可以看到现场监控量测的数据以及隧道周边的位移变化趋势，从而真正意义上实现了远程监控量测的目的，以供隧道监测信息系统平台统计分析。
本发明通过在隧道内或洞口固定点设置激光定位器，测试点设置接收装置，激光定位器光斑投射至接收装置靶面，接收装置图像传感器采集激光光斑图像，通过特定图像处理算法，计算出光斑的位置坐标，测试坐标值与初始坐标值比较可求得测点位水平及垂直移值。测点位置同时设置激光定位器指向下一接收装置可实现级联。测试数据通过现场总线传输至洞口监测计算机，通过预设判别模式进行预警。
发射装置由激光器、可调安装底座构成，激光器采用平行光激光器，有效距离200米，测试环境如果超过200米，可选用更大射程的激光器。
接收装置由激光靶、图像传感器、镜头、可调安装底座组成。更换不同焦距镜头及改变接收靶大小可以实现不同量程位移测试。选取不同分辨率图像传感器可改变系统测试精度。
采集箱完成接收装置数据接收、传输。采集箱分接收装置采集箱和激光器采集箱两种。采集箱设置三路数据及控制接口，支持3套测试装置(考虑拱顶、拱腰等)，接收装置采集箱接收系统指令，控制、采集传感器数据，传输测试数据。激光器采集箱接收系统指令，同步控制接收装置对应激光发射器。
Claims (5)
1、一种基于图像传感器的隧道位移监测系统，其特征是：包括，
激光发射装置(1)：由激光器和安装底座组成，固定于隧道内或洞口位置；
接收装置(2)：固定于隧道内测试点，由激光靶、图像传感器、镜头以及安装底座组成；测试点位置同时设置另一激光发射装置(11)并指向下一接收装置(22)；
激光发射装置控制箱(3)：与激光发射装置连接，控制信号经数据传输总线传出；
接收装置采集箱(4)：与接收装置连接，输出信号经数据传输总线传出；
现场采集终端：接收数据传输总线传出的信号，处理采集到的位移图像数据。
2、根据权利要求1所述基于图像传感器的隧道位移监测系统，其特征是：所述隧道内的同一断面的拱顶和两个拱腰分别设置一套激光发射装置(1)和接收装置(2)。
3、根据权利要求1或2所述基于图像传感器的隧道位移监测系统，其特征是：所述激光器为平行光激光器，其有效距离为200m。
4、根据权利要求3所述基于图像传感器的隧道位移监测系统，其特征是：所述激光器安装底座为可调安装底座：激光器(1a)下部固定有一杆(1b)，杆(1b)与铰座(1c)构成球铰连接，紧定螺钉(1f)设置在铰座上，铰座(1c)下部的支柱(1i)铰接在底座(1j)的条形槽内，铰座(1c)的后部设置有压紧螺钉(1d)，铰座(1c)的前部设置有压板(1e)。
5、根据权利要求4所述基于图像传感器的隧道位移监测系统，其特征是：所述接收装置安装底座由偏转方向呈90°设置的两组U形板固联构成，每组U形板结构为：两块U形板(2a、2b)开口相向，二者叠合部经螺栓(2e)铰接，螺钉(2f)固定位于内侧的U形板(2b)上、伸出并卡在位于外侧的U形板(2a)的半圆形条孔之上。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090114 Termination date: 20120327 |