本實用新型涉及地下采礦領域，特別是涉及一種能夠全面監(jiān)測隧道變形的激光式監(jiān)測裝置。

背景技術：

現(xiàn)在，在隧道開挖施工過程中，隨著圍巖應力的重新分布，圍巖在開挖卸荷后會向隧道內部產(chǎn)生變形，常規(guī)監(jiān)控量測包括拱頂下沉和圍巖收斂，以往的監(jiān)測技術主要分為收斂尺法、多點位移計式伸長儀、雷達掃描、巴賽特收斂系統(tǒng)和勉棱鏡全站儀法等。上述幾類方法是目前隧道收斂變形監(jiān)測中應用的主要技術方法及手段，雖然能夠實現(xiàn)一定的監(jiān)測目的，但均存在監(jiān)測效率低下、自動化程度不高或安裝不便等缺點，特別是不能夠處理監(jiān)測設備本身的位置變形所導致的監(jiān)測結果偏差的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是要提供一種能夠在精確檢測隧道變形的同時，還能夠考慮監(jiān)測裝置本身位移所帶來的偏差，進而得到更準確的隧道變形信息的監(jiān)測裝置。

特別地，本實用新型提供一種隧道變形監(jiān)測裝置，包括：

掃描儀，通過激光方式對當前隧道進行漫反射式掃描，以獲取當前隧道的變形信息；

固定座，用于將所述掃描儀安裝在隧道內；

安平控制臺，設置在所述掃描儀和所述固定座之間，自動調整所述掃描儀處于水平狀態(tài)；

姿態(tài)監(jiān)測模塊，用于檢測所述固定座相對隧道發(fā)生的位置變化信息；

控制單元，控制并接收所述掃描儀、所述安平控制臺、所述姿態(tài)監(jiān)測模塊的工作過程和產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)。

進一步地，所述控制單元設置有連接擴展設備的連接接口和向外界發(fā)出報警信息的聲光預警裝置，所述擴展設備包括檢測隧道內應力、應變、透水狀況 的傳感器。

進一步地，所述掃描儀包括免棱鏡漫反射式激光測距儀，和測量所述激光測距儀是否偏移的傾斜傳感器，以及通過減速箱驅動所述激光測距儀在180度的一維平面內轉動的伺服馬達，所述控制單元收集所述傾斜傳感器和所述激光測距儀的測量數(shù)據(jù)，并在兩者之間依據(jù)時間點建立對應關系，從而確定隧道隨時間流逝而產(chǎn)生的變形量。

進一步地，所述傾斜傳感器內置MEMS的雙軸傾斜傳感芯片和電子羅盤芯片，在監(jiān)測全斷面隧道變形的同時可檢測自動安裝位是否變形。

進一步地，所述掃描儀還包括激光清洗器，所述激光清洗器包括清潔馬達和清潔頭，當所述激光測距儀在控制單元的控制下轉動至清潔位置時，所述激光測距儀的激光頭與所述清潔頭接觸，同時所述清潔馬達驅動所述清潔頭旋轉以對所述激光頭進行清潔。

進一步地，所述姿態(tài)監(jiān)測模塊包括移動檢測單元、方向單元和一維收斂檢測單元；所述移動檢測單元采用MEMS傳感器，以檢測所述固定座是否發(fā)生俯仰或橫滾動作；所述方向單元采用PSD傳感器，通過與水平位置時激光點的相對距離值確定當前所述激光測距儀是否發(fā)生方位變化；所述一維收斂檢測單元通過當前位置與檢測點之間的相對位移，來檢測所述固定座是否發(fā)生絕對變形現(xiàn)象。

進一步地，所述一維收斂單元為線位移傳感器，所述線位移傳感器固定在所述固定座上，在與所述線位移傳感器相鄰的隧道側壁處開有深入隧道側壁深處的水平孔，所述線位移傳感器的位移拉線的伸出端固定在所述水平孔內。

進一步地，所述安平控制臺包括支撐連接所述掃描儀的上活動板，和與所述固定座連接的下固定板，以軸連接的方式垂直連接在所述上活動板和所述下固定板之間的支撐軸，以及安裝在所述下固定板上，以所述支撐軸為基點調整所述上活動板四周邊沿與中心水平的橫向電機和縱向電機。

進一步地，還包括局域無線鏈路和廣域無線模塊，所述控制單元連接有向外界發(fā)送信息的無線模塊，所述局域無線鏈路分布在隧道的不同位置處，以將各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)傳送至所述廣域無線模塊，所述廣域無線模塊用于將接收的信號傳送至地面，或將接收的地面信號傳送給所述局域無線鏈路。

本實用新型中的掃描儀為漫反射式激光掃描，無需在目標點設置反射棱鏡，因此，在掃描過程中的掃描點可以無限細密，從而能夠對隧道的細微變形進行監(jiān)測。通過安平控制臺可以隨時調整掃描儀的俯仰角度，使其不受環(huán)境變形的 影響，始終保持在預定的掃描位置。利用姿態(tài)監(jiān)測裝置可以對隧道變形監(jiān)測裝置的安裝點的橫滾變形進行監(jiān)測，在分析掃描儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)時，即可進行結合分析，從而得到更精確的隧道變形數(shù)據(jù)。通過姿態(tài)監(jiān)測裝置完全可以避免現(xiàn)有技術中，由于監(jiān)測設備本身位移所導致的監(jiān)測結果誤差。

附圖說明

圖1是根據(jù)本實用新型一個實施例的隧道變形監(jiān)測裝置結構示意圖；

圖2是根據(jù)本實用新型一個實施例的一維收斂單元的結構示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型一個實施例的隧道變形監(jiān)測裝置100一般性地包括：通過激光方式對當前隧道70進行漫反射式掃描，以獲取當前隧道70變形信息的掃描儀10；用于將掃描儀10安裝在隧道70內的固定座20；設置在掃描儀10和固定座20之間，以自動調整掃描儀10處于水平狀態(tài)的安平控制臺60；用于檢測固定座20相對隧道70發(fā)生位置變化信息的姿態(tài)監(jiān)測裝置30；以及控制并接收掃描儀10、安平控制臺60、姿態(tài)監(jiān)測模塊30的工作過程和產(chǎn)生的信息數(shù)據(jù)，進行分析以得到結果的控制單元40。

本實施例中的掃描儀10為漫反射式激光掃描，無需在目標點設置反射棱鏡，因此，在掃描過程中的掃描點可以無限細密，從而能夠對隧道70的細微變形進行監(jiān)測。通過安平控制臺60可以隨時調整掃描儀10的俯仰角度，使其不受環(huán)境變形的影響，始終保持在預定的掃描位置。利用姿態(tài)監(jiān)測裝置30可以對隧道變形監(jiān)測裝置100的安裝點的橫滾變形進行監(jiān)測，在分析掃描儀10的監(jiān)測數(shù)據(jù)時，即可進行結合分析，從而得到更精確的隧道變形數(shù)據(jù)。通過姿態(tài)監(jiān)測裝置30完全可以避免現(xiàn)有技術中，由于監(jiān)測設備本身位移所導致的監(jiān)測結果誤差。本實施例中的隧道變形監(jiān)測裝置10不但可以應用于地下隧道、巷道或洞室，也可以應用于地面上的隧道、巷道或洞室的變形監(jiān)測。

控制單元40內設置有專門為監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)的基于大型數(shù)據(jù)庫及遠程預警控制的數(shù)據(jù)管理軟件系統(tǒng)RDMS(Remote Data Management System)，RDMS集數(shù)據(jù)接收、管理、智能分析、安全預警、網(wǎng)絡發(fā)布為一體(取得授權的用戶可通過internet網(wǎng)絡瀏覽器在計算機、手機、PAD上輸入用戶名及密碼即可查看、修改參數(shù))。整個RDMS由接收設備管理、項目管理、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)管理、智能分析、報警、系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)檢索及輸出、腳本支持與功能擴展、 網(wǎng)絡發(fā)布等十個功能模塊構成，集中了目前安全監(jiān)測領域幾乎所有的管理及數(shù)據(jù)檢索功能，為用戶提供多種數(shù)據(jù)管理途徑，可輕松完成數(shù)據(jù)管理及日常數(shù)據(jù)處理工作，更進一步，可做為后續(xù)監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)綜合安全監(jiān)測項目一體化管理。

RDMS的程序主體框架使用Delphi進行編寫，部分功能模塊使用C++生成DLL函數(shù)庫，使用功能模塊化設計理念，整個程序更加易于維護升級及功能增加擴展。使用SQL、ACCESS或Excel進行數(shù)據(jù)存儲及管理，同時開發(fā)支持多種腳本語言對程序進行動態(tài)功能擴展(對于簡單的功能擴展，用戶可根據(jù)需要使用自己熟悉的較本語言完成個性化功能添加)，各功能模塊采用獨立線程技術，程序的響應速度和用戶體驗優(yōu)良。

進一步地，在本實用新型的一個實施例中，該掃描儀10可以包括安裝框架，和安裝在框架上的免棱鏡漫反射式激光測距儀11，和測量激光測距儀11是否偏移的傾斜傳感器12，以及通過減速箱驅動激光測距儀11在180度一維平面內轉動的伺服馬達13。具體的免棱鏡漫反射式激光測距儀11可以采用任意一種現(xiàn)有技術中能夠實現(xiàn)該目的的激光測距儀，如Wk-ds0120激光器。

傾斜傳感器12隨時檢測激光測距儀11在轉動過程中的位置信息，同時將檢測數(shù)據(jù)傳遞給控制單元40，控制單元40根據(jù)檢測數(shù)據(jù)與預定數(shù)據(jù)的對比，即可確認激光測距儀11是否偏移，進而通過安平控制臺60對當前激光測距儀11的位置狀態(tài)進行調整?；蚴菍A斜傳感器12的檢測數(shù)據(jù)與激光測距儀11獲取的檢測數(shù)據(jù)進行組合，來判斷當前隧道70的變形量。

具體的判斷方式還可以是由控制單元40收集傾斜傳感器12和激光測距儀11的測量數(shù)據(jù)，并在兩者之間依據(jù)時間點建立對應關系，從而確定隧道70隨時間流逝而產(chǎn)生的變形量。具體步驟如下

步驟10，在同一時間內，收集激光測距儀每道激光測量出的與當前隧道不同位置處的距離值；和傾斜傳感器獲取的每一距離值時，該道激光與垂直方向上的角度值。

該距離值即測量點至隧道壁不同位置之間的距離。

步驟20，將相應的角度值和距離值進行配對，并形成階段數(shù)據(jù)；

配對后的每組距離值與角度值可通過極坐標法計算出一組坐標數(shù)據(jù)(x_i,y_i)，通過連續(xù)測量即可獲取被測斷面的的多組坐標值。

步驟30，按預定時間間隔重復上述步驟，對每次收集的階段數(shù)據(jù)進行對比，即可得到隨時間流逝隧道的變形量。

收集的數(shù)據(jù)可以本地存儲，由控制單元40直接完成變形量的計算，也可以上傳至遠程控制中心進行處理。

進一步地，本實施例中的傾斜傳感器12可以內置MEMS的雙軸傾斜傳感芯片和電子羅盤芯片，該結構使得傾斜傳感器12不但可以監(jiān)測全斷面隧道變形，還可以同時檢測自身安裝位是否變形。

進一步地，在本實用新型的一個實施例中，該掃描儀還可以包括用于清洗激光測距儀11的激光頭的激光清洗器50，該激光清洗器50包括清潔馬達51和清潔頭52。激光清洗器50安裝在不影響激光測距儀11工作的位置處，如激光測距儀11可轉動的最大角度處，當激光測距儀11在控制單元40的控制下轉動至激光清洗器50的位置處時，該激光測距儀11的激光頭與激光清洗器50的清潔頭52接觸，此時，控制清潔馬達51帶動清潔頭52旋轉，即可對激光頭進行清潔，清潔完畢后的激光測距儀11再轉回至正常掃描位置處。本實施例中的清潔頭可以由帶有絨毛的材料制成。

進一步地，在本實用新型的一個實施例中，該姿態(tài)監(jiān)測模塊30可以包括移動檢測單元、方向單元和一維收斂檢測單元。

其中，移動檢測單元可以采用MEMS傳感器，其通過角度值來檢測固定座20是否發(fā)生俯仰或橫滾動作。

該方向單元可以采用PSD傳感器31，其通過與水平位置時激光點的相對距離值確定當前激光測距儀11是否發(fā)生方位變化。

PSD傳感器(Position Sensitive Device)31屬于半導體器件,采用非接觸位置監(jiān)測技術。一般做成PN結構，具有高靈敏度、高分辨率、響應速度快和配置電路簡單等優(yōu)點，可以實現(xiàn)監(jiān)測激光測距儀安裝處隧道壁的方位變形監(jiān)測。

其工作原理是基于橫向光電效應，工作時，將PSD傳感器31安裝于激光測距儀11水平時激光點在對側隧道壁上光斑的中心附近位置，并記錄下實際的光斑在PSD傳感器31上的坐標值(PSD傳感器在激光照射作用下所輸出的光斑坐標值)，當PSD傳感器31的表面接收到入射光斑時，PSD傳感器31的X兩方向和Y兩方向會有電流流出，流出電流的多少與光斑在接收板上的位置呈線性關系。根據(jù)這一特性，由各方向電流流出的比值即可確定光斑的位置，從而確定當前激光測距儀11發(fā)出的激光是否出現(xiàn)位移，根據(jù)前后位移的偏差，可計算出隧道變形量的大小。在監(jiān)測過程中，每將激光測距儀11水平移動時，均需要對此值進行重新讀取，當發(fā)現(xiàn)此值發(fā)生變化時則認為激光測距儀11發(fā)生了方位變化。

PSD傳感器31在激光照射下產(chǎn)生的電流，該電流可以被吸收，故整個PSD傳感器31功耗極低，可使用自帶電池供電，并加裝無線模塊，以實現(xiàn)與控制單元40的無線通訊。

該一維收斂檢測單元通過當前位置與檢測點之間的相對位移，來檢測固定座20是否發(fā)生絕對變形現(xiàn)象。主要是檢測設備安裝處隧道壁在周圍巖石圍壓作用下，產(chǎn)生向隧道70空間的位移。

如圖2所示，具體的一維收斂單元可以為線位移傳感器32，該線位移傳感器32固定在固定座20上，在與線位移傳感器32相鄰的隧道側壁處開有深入隧道側壁深處的水平孔35，線位移傳感器32的位移拉線34的伸出端固定在水平孔35內。

水平孔35最好是深入隧道70側壁的變形穩(wěn)定區(qū)72，而固定座20則固定于隧道外側壁71處，當隧道外側壁71相對變形穩(wěn)定區(qū)72產(chǎn)生變形時，即可通過位移接線34的變化檢測到。該線位移傳感器32檢測的收斂變形量為絕對變形，隧道其它點的變形是基于設備點的相對變形，通過此絕對變形均可轉換為絕對變形，從而實現(xiàn)了隧道全斷面絕對變形監(jiān)測的目的，這一功能不但起到了隧道70收斂變形的檢測作用，同時也可檢測到隧道70各方向上的不同區(qū)域的絕對變形，對進一步分析隧道周圍應力、位移場分布提供了科學依據(jù)。

進一步地，在本實用新型的一個實施例中，該安平控制臺60包括支撐連接掃描儀的上活動板，和與固定座連接的下固定板，以軸連接的方式垂直連接在上活動板和下固定板之間的支撐軸，以及安裝在下固定板上，以支撐軸為基點調整上活動板四周邊沿與中心水平的橫向電機和縱向電機。

安平控制臺60可以動態(tài)調整上活動板處于水平狀態(tài)，從而調整安裝在上活動板上的掃描儀的水平，支撐軸至少與上活動板連接的一端可以采用萬向節(jié)結構，使上活動板的四邊相對支撐柱的連接點，可以任意升降、旋轉。調整過程中以支撐柱為軸，使其四周與中心位置水平，即中心位置保持高度不變，抬高或降低上活動板四周的邊沿來使上活動板整體保持水平。掃描儀10的中心位置與上活動板的中心位置對應，即掃描儀11的旋轉軸14水平投影與上活動板的中心位置重合。調節(jié)時，橫向電機和縱向電機可以安裝在相應的軌道上，橫向電機控制縱向電機在軌道上移動，并可達到上活動板的任意一處，縱向電機再對相應位置處的上活動板傾斜角度進行調整。縱向電機可以通過驅動軸與相應的液壓舉伸機構連接，以通過驅動軸的正反轉來實現(xiàn)液壓舉伸機構的升降。此外，還可以是相應的齒條傳動機構。為檢測當前上活動板的水平狀態(tài)，可以 在安平控制臺60上設置相應的水平檢測儀，以測量上活動板是否調整到位，或出現(xiàn)傾斜。

進一步地，為方便數(shù)據(jù)傳送，在本實用新型的一個實施例中，還可以設置局域無線鏈路和廣域無線模塊，而控制單元40上設置有無線單元41。控制單元40可以通過無線單元41與無線鏈路建立連接，進行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。局域無線鏈路用于將控制單元40的數(shù)據(jù)傳送至廣域無線模塊，廣域無線模塊再將接收的信號傳送至地面遠程控制中心，或將接收的地面信號傳送給局域無線鏈路。局域無線鏈路可以分散地布置在整個隧道中，以接收各掃描儀的掃描信息。而廣域無線模塊可以設置在靠近隧道出口的位置，以統(tǒng)一接收所有局域無線鏈路的信息。具體的局部無線模塊可以是基于Zigbee技術的網(wǎng)絡節(jié)點模塊，負責與PSD傳感器41通訊以及其它控制單元40中包含的zigbee節(jié)點、中斷組成的無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)由隧道內至隧道外廣域網(wǎng)絡模塊之間的通訊工作。而廣域無線模塊可以是GSM、GPRS、北斗等模塊。

為提高應用范圍，在本實用新型的一個實施例中，該控制單元40可以設置有連接擴展設備的連接接口和向外界發(fā)出報警信息的聲光預警裝置。

隧道變形是由于隧道開挖隧道壁周邊巖石應力重分布引起的一系列問題的最直觀表面，本裝置預留了用于連接傳統(tǒng)應力、應變、透水等類型傳感器的接口，例如用于測量隧道變形影響范圍的多點位移計、圍巖壓力計、隧道支護結構應力應變計、地下水位、水壓傳感器。

聲光預警裝置可分為兩種，一為測量點處的直接連接的喇叭聲音報警，另一種是利用采發(fā)模塊內部的局域無線網(wǎng)絡，通過發(fā)送報警指令，使安裝于射頻有效范圍內的自建網(wǎng)絡報警器發(fā)出報警。

至此，本領域技術人員應認識到，雖然本文已詳盡示出和描述了本實用新型的多個示例性實施例，但是，在不脫離本實用新型精神和范圍的情況下，仍可根據(jù)本實用新型公開的內容直接確定或推導出符合本實用新型原理的許多其他變型或修改。因此，本實用新型的范圍應被理解和認定為覆蓋了所有這些其他變型或修改。