本實(shí)用新型涉及地形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于測(cè)線技術(shù)測(cè)量地表位移或表面位移的多維度位移測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

在安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，對(duì)于地表位移或表面位移的監(jiān)測(cè)方法主要有GNSS、FDR、激光、PSD、拉線和干涉雷達(dá)等，分別對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)、線、面的變形監(jiān)測(cè)，其中FDR法和干涉雷達(dá)法分別實(shí)現(xiàn)了線和面的測(cè)量，由于技術(shù)成熟度和多解問(wèn)題尚未解決，目前還不能大量應(yīng)用于室外工程監(jiān)測(cè)環(huán)境；激光和PSD法均采用光線作為測(cè)量介質(zhì)，容易受到環(huán)境光線和空氣質(zhì)量干擾，在工程應(yīng)用中受到很多現(xiàn)場(chǎng)條件限制。目前，在工程領(lǐng)域，對(duì)于表面位移安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用最為廣泛的是GNSS和拉線式位移監(jiān)測(cè)儀，這兩類儀器存在以下不足：

(1)GNSS是基于衛(wèi)星定位的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，可通過(guò)多顆衛(wèi)星得到全球坐標(biāo)值，再通過(guò)特殊的靜態(tài)解算算法，其測(cè)量精度大約在5～10mm，該精度遠(yuǎn)不能滿足人工建造結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測(cè)要求；

(2)GNSS系統(tǒng)直接依賴于衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量，在大氣環(huán)境較差時(shí)無(wú)法達(dá)到理論精度；

(3)GNSS的高精度是經(jīng)過(guò)海量測(cè)量數(shù)據(jù)的差分結(jié)果，海量數(shù)據(jù)需要數(shù)十分鐘的時(shí)間才能獲取，因此在突發(fā)變形的時(shí)效性方面不能滿足突發(fā)事件的要求；

(4)受GNSS的工作原理所限，其需要長(zhǎng)時(shí)間開機(jī)和大量的數(shù)據(jù)傳輸，造成整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)耗電量增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求很高，很多工程現(xiàn)場(chǎng)不具備這樣的條件。

拉線式位移監(jiān)測(cè)儀具有原理簡(jiǎn)單，精度高的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的被應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)中，但在應(yīng)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)很多問(wèn)題，列舉如下：

(1)測(cè)量數(shù)據(jù)單一。

只能測(cè)量拉線方向上的一維長(zhǎng)度變化，若被測(cè)點(diǎn)存在其它方向上的位移時(shí)無(wú)法感知。若被測(cè)點(diǎn)是以基準(zhǔn)點(diǎn)(參考點(diǎn))為圓心做弧形運(yùn)動(dòng)變形時(shí)，由于測(cè)線長(zhǎng)度未發(fā)生改變，單純的一維測(cè)線無(wú)法感知。

(2)大量應(yīng)用時(shí)容易混淆。

進(jìn)行工程應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)服務(wù)器對(duì)不同的監(jiān)測(cè)設(shè)備一般以測(cè)點(diǎn)編號(hào)或手機(jī)號(hào)碼來(lái)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別碼在安裝時(shí)由施工人員填寫表格，再錄入服務(wù)器，這種方法依賴于施工人員的記錄，在監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，極易發(fā)生測(cè)點(diǎn)記錄錯(cuò)亂的問(wèn)題，給永久或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及后續(xù)預(yù)警帶來(lái)很大隱患。

(3)不能測(cè)量設(shè)備本身位置的變形。

拉線式地表位移監(jiān)測(cè)儀是一種點(diǎn)到點(diǎn)的相對(duì)變化量監(jiān)測(cè)，對(duì)于參考點(diǎn)和被測(cè)點(diǎn)同時(shí)發(fā)生變形的情況無(wú)法進(jìn)行判斷。

(4)沒有校正措施。

拉線(測(cè)線)長(zhǎng)度會(huì)受到溫度變化的影響；另外，由于被測(cè)兩點(diǎn)間的距離還受到測(cè)點(diǎn)處多種變形因素的干擾，如傾斜、旋轉(zhuǎn)等，若不加以綜合考慮、一一消除，會(huì)帶來(lái)不同程度的長(zhǎng)度失真。

(5)沒有拉線速率保護(hù)措施。

測(cè)線速率迅速變化時(shí)，容易造成測(cè)線所受拉力突變，可能導(dǎo)致測(cè)線拉斷，從而使設(shè)備出現(xiàn)損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是要提供一種基于測(cè)線技術(shù)測(cè)量地表位移或表面位移的多維度位移測(cè)量裝置，本裝置能夠減少故障率且提高測(cè)量精度。

特別地，本實(shí)用新型提供的基于測(cè)線的多維度位移測(cè)量裝置，包括：

主設(shè)備，包括安裝在基準(zhǔn)點(diǎn)的主殼體，和安裝在主殼體內(nèi)通過(guò)測(cè)線連接基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的拉線裝置，對(duì)引出測(cè)線長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的長(zhǎng)度測(cè)量裝置，修正環(huán)境溫度對(duì)測(cè)線影響的溫度修正裝置；控制測(cè)線拉出速度和回縮速度的阻尼裝置；和測(cè)量測(cè)線空中角度的姿態(tài)測(cè)量裝置；和識(shí)別當(dāng)前測(cè)量位置的坐標(biāo)識(shí)別裝置；以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的無(wú)線通訊裝置和主控模塊；

輔設(shè)備，包括安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輔殼體，和安裝在所述輔殼體內(nèi)的輔控模塊；

所述主設(shè)備和所述輔設(shè)備通過(guò)線纜進(jìn)行信號(hào)通訊和電力連接。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述拉線裝置包括繞有測(cè)線的卷筒、穿過(guò)卷筒軸心的軸桿，和將測(cè)線的端頭以受力狀態(tài)限定在所述主殼體的出線孔處的限位塊，以及對(duì)所述卷筒施加與測(cè)線拉出方向相反作用力的恒力裝置，所述恒力裝置包括安裝在所述軸桿上的力輪，設(shè)置在力輪一側(cè)的變向滑輪，設(shè)置在力輪另一側(cè)的恒力卷簧，以及連接力輪和恒力卷簧且中部繞過(guò)變向滑輪的拉線。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述長(zhǎng)度測(cè)量裝置包括一個(gè)安裝在所述卷筒軸桿上的計(jì)圈傳感器，和與計(jì)圈傳感器接觸的角位移傳感器；所述計(jì)圈傳感器將卷筒的轉(zhuǎn)動(dòng)量傳遞給角位移傳感器變成角度變化量，進(jìn)而換算出對(duì)應(yīng)的測(cè)線長(zhǎng)度。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述主設(shè)備和所述輔設(shè)備內(nèi)分別安裝有測(cè)量其當(dāng)前傾斜狀態(tài)的雙軸傾斜傳感器，和測(cè)量其水平扭轉(zhuǎn)角度的電子羅盤，所述主控模塊根據(jù)所述雙軸傾斜傳感器和所述電子羅盤的測(cè)量值修正測(cè)線的實(shí)際測(cè)量值。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述溫度修正裝置包括溫度傳感器，所述主控模塊根據(jù)所述溫度傳感器的值，利用所述測(cè)線的溫度系數(shù)對(duì)所述測(cè)線在不同溫度下的伸縮量進(jìn)行修正。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，還包括基座，所述主設(shè)備通過(guò)水平軸承可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述基座上，在所述基座上安裝有鎖止所述主設(shè)備旋轉(zhuǎn)的鎖止裝置。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述姿態(tài)測(cè)量裝置包括安裝在所述殼體的出線孔處的萬(wàn)向軸，安裝在所述萬(wàn)向軸上的激光器，與所述激光器相對(duì)以接收所述激光器發(fā)射激光的光斑位置傳感器；所述萬(wàn)向軸隨所述測(cè)線的方位變化同步調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述姿態(tài)測(cè)量裝置還包括安裝在所述萬(wàn)向軸上的線管，所述測(cè)線由所述線管內(nèi)穿出，在所述線管內(nèi)設(shè)置有與所述測(cè)線增加摩擦的彈性層。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述阻尼裝置為旋轉(zhuǎn)阻尼器，所述坐標(biāo)識(shí)別裝置為GPS定位模塊。

在實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式中，所述主設(shè)備和輔設(shè)備采用同一套電源，所述電源為可充電電池或不可充電電池，所述電池安裝在所述主設(shè)備上，且通過(guò)線纜為所述輔設(shè)備提供電力，在所述主殼體的上表面安裝有吸收太陽(yáng)能并向所述電源補(bǔ)充電力的單晶硅片。

本實(shí)用新型能夠同時(shí)考慮主設(shè)備和輔設(shè)備安裝位置的空間變化，同時(shí)考慮外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)線的影響，并能夠根據(jù)測(cè)線的姿態(tài)變化修正誤差值，使得獲取的結(jié)果更精確。通過(guò)長(zhǎng)度測(cè)量裝置能夠在減少占用空間的情況下，提供更大量程的長(zhǎng)度測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式的多維度位移測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型另一個(gè)實(shí)施方式的多維度位移測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3圖1中的雙軸傾斜傳感器工作原理示意圖；

圖4圖1中姿態(tài)測(cè)量裝置的萬(wàn)向軸安裝位置示意圖；

圖5圖1中姿態(tài)測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6姿態(tài)測(cè)量裝置的工作過(guò)程示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施方式的基于測(cè)線的多維度位移測(cè)量裝置100，包括分別設(shè)置在基準(zhǔn)點(diǎn)的主設(shè)備10和設(shè)置在測(cè)量點(diǎn)的輔設(shè)備20，主設(shè)備10和輔設(shè)備20通過(guò)線纜進(jìn)行信號(hào)通訊和電力連接。

該主設(shè)備10包括一個(gè)用于安裝各種設(shè)備的主殼體101，在主殼體101內(nèi)安裝有：通過(guò)測(cè)線111連接基準(zhǔn)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)的拉線裝置11，對(duì)引出測(cè)線111長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量的長(zhǎng)度測(cè)量裝置13，修正環(huán)境溫度對(duì)測(cè)線111影響的溫度修正裝置17；和測(cè)量測(cè)線111空中角度的姿態(tài)測(cè)量裝置14；和識(shí)別當(dāng)前測(cè)量位置的坐標(biāo)識(shí)別裝置；以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊的無(wú)線通訊裝置和主控模塊12。

該輔設(shè)備20可以包括安裝在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的輔殼體201，和安裝在輔殼體201內(nèi)對(duì)當(dāng)前測(cè)量點(diǎn)姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量的輔姿態(tài)測(cè)量裝置26，以及輔控模塊22。

拉線裝置11包括一個(gè)固定在主設(shè)備101內(nèi)的卷筒110，和纏繞在卷筒110上的多圈測(cè)線111，測(cè)線111可以采用不銹鋼絲繩，在使用時(shí)，拉動(dòng)測(cè)線111的引出端并將其引至測(cè)量點(diǎn)。通過(guò)設(shè)置在卷筒110處的長(zhǎng)度測(cè)量裝置13，即可獲取測(cè)線111由引出點(diǎn)至測(cè)量點(diǎn)的長(zhǎng)度。該長(zhǎng)度測(cè)量裝置13可以是通過(guò)電阻值變化來(lái)測(cè)量卷筒110旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的多圈電位器。

由材料熱脹冷縮性質(zhì)可知，當(dāng)溫度升高時(shí)，測(cè)線111變長(zhǎng)，導(dǎo)致測(cè)量到的距離值變小，反之亦然。而溫度修正裝置17可以依據(jù)測(cè)線111在規(guī)定溫度下的長(zhǎng)度，在外界溫度發(fā)生變化時(shí)，用于修正因溫度過(guò)高或過(guò)低導(dǎo)致的測(cè)線111長(zhǎng)度變化量，從而使測(cè)線111的測(cè)量值更加精確。溫度修正裝置17可以采用安裝在主設(shè)備101內(nèi)外的溫度計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前溫度變化，并將溫度值傳送給主控模塊12，由主控模塊12根據(jù)預(yù)設(shè)算法求出測(cè)線111的正常測(cè)量值。

計(jì)算方法可以如下：通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量得到所用測(cè)線111的溫度系數(shù)τ，以25℃環(huán)境時(shí)的測(cè)線111長(zhǎng)度為基準(zhǔn)長(zhǎng)度，則某環(huán)境溫度下的長(zhǎng)度改變量為Δl＝(t_n-25)×τ。

姿態(tài)測(cè)量裝置14可以根據(jù)主設(shè)備10與輔設(shè)備20的位置發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量測(cè)線111的方向、俯仰和橫滾角度。姿態(tài)測(cè)量裝置14具體可以采用激光定位的方法，來(lái)確定測(cè)量點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)之間的位置變化，主控模塊12根據(jù)公式計(jì)算出變化的具體數(shù)值，再用該具體數(shù)值去修正測(cè)線111的測(cè)量結(jié)果。

該坐標(biāo)識(shí)別裝置可以通過(guò)GPS或GNSS模塊完成每一個(gè)主設(shè)備10和輔設(shè)備20的全球三維坐標(biāo)值確定，將該坐標(biāo)值發(fā)送至主控中心，即可對(duì)每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，從而避免各測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)混淆。

該無(wú)線通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)主設(shè)備10與主控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心或接收來(lái)自主控中心的指令。此外，主設(shè)備10與輔設(shè)備20之間也可以采用無(wú)線通訊模式。無(wú)線通訊模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)可以包括前述的：設(shè)備識(shí)別碼、三維全球坐標(biāo)、主設(shè)備姿態(tài)(方位、俯仰、橫滾角度)、輔設(shè)備姿態(tài)(方位、俯仰、橫滾角度)、測(cè)線長(zhǎng)度、測(cè)線姿態(tài)(方位、橫滾角度)、溫度、CRC校驗(yàn)碼等。

該主控模塊12可以由微控制芯片、開關(guān)陣列、數(shù)模轉(zhuǎn)換組等幾部分功能模塊組成，在微控制芯片固件程序驅(qū)動(dòng)下完成各部分電源控制、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送等測(cè)控工作，是整個(gè)設(shè)備的邏輯執(zhí)行核心。

輔設(shè)備20的輔姿態(tài)測(cè)量裝置26和輔控模塊22與主設(shè)備10的相應(yīng)部件功能相同，只是用于測(cè)量輔設(shè)備20的當(dāng)前狀態(tài)，并由輔控模塊22完成相關(guān)的計(jì)算，再通過(guò)線纜傳遞給主控模塊12。

本實(shí)施方式中，主設(shè)備10和輔設(shè)備20采用同一套電源，具體電源安裝在主設(shè)備10上，并通過(guò)電纜或是無(wú)線方式為輔設(shè)備20提供電力。

本實(shí)施方式能夠同時(shí)考慮主設(shè)備10和輔設(shè)備20安裝位置的空間變化，同時(shí)考慮外界環(huán)境因素對(duì)測(cè)線111的影響，并能夠根據(jù)測(cè)線111的姿態(tài)變化修正誤差值，使得獲取的結(jié)果更精確。通過(guò)長(zhǎng)度測(cè)量裝置能夠在減少占用空間的情況下，提供更大量程的長(zhǎng)度測(cè)量。

如圖2所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，該拉線裝置11可以包括繞有測(cè)線111的卷筒110、穿過(guò)卷筒110軸心的軸桿113，和將測(cè)線111的端頭以受力狀態(tài)限定在主殼體101的出線孔處的限位塊112，以及對(duì)卷筒110施加與測(cè)線111拉出方向相反作用力的恒力裝置15。

卷筒110可以軸桿113為支點(diǎn)在測(cè)線111的拉動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，而恒力裝置15將作用力施加到軸桿113上，使拉出的測(cè)線111能夠始終保持繃緊狀態(tài)。具體的恒力裝置15可以包括固定在軸桿113上的力輪152，設(shè)置在力輪152一側(cè)的變向滑輪153，設(shè)置在力輪152另一側(cè)的恒力卷簧151，以及連接力輪152和恒力卷簧151且中部繞過(guò)變向滑輪153的拉線154。變向滑輪153可以減少拉線154的量程，同時(shí)減少受力并延長(zhǎng)恒力卷簧151的拉力距離。

當(dāng)測(cè)線111拉動(dòng)卷筒110轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，力輪152會(huì)帶著拉線154同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)并將拉線154繞在力輪152上，而恒力卷簧151始終對(duì)拉線154施加一個(gè)相反的拉力，因此使拉出的測(cè)線111始終處于繃緊狀態(tài)，當(dāng)測(cè)線111回縮時(shí)，恒力卷簧151施加到力輪152上的拉力，會(huì)自動(dòng)使卷筒110回轉(zhuǎn)，并將測(cè)線111繞在卷筒110上，直至限位塊112卡在出線孔處。本實(shí)用新型采用恒力卷簧151作為動(dòng)力件，可以具有更小的空間利用率，更長(zhǎng)的用于分解拉線154的材料長(zhǎng)度，在占用相同體積條件下具有更大的量程，同時(shí)由于用于承擔(dān)拉力的彈簧材料長(zhǎng)度增加，單位長(zhǎng)度材料上分擔(dān)的力減小，可以更好的工作于彈性范圍內(nèi)，不易產(chǎn)生永久塑性變形。力輪152的直徑可以小于卷筒110的直徑，以在付出更小量程的情況下達(dá)到同樣的施力效果。

限位塊112可以在設(shè)備不使用時(shí)，將測(cè)線111的端頭卡在出線孔處，使測(cè)線111不能回縮到主殼體101內(nèi)，同時(shí)，限位塊112可以抵制卷筒110施加到測(cè)線111上的拉力，使測(cè)線111始終處于受力狀態(tài)。此外，限位塊112還用于設(shè)備出廠時(shí)測(cè)線111的預(yù)定位，出廠時(shí)，將測(cè)線111預(yù)拉，使內(nèi)部恒力卷簧151產(chǎn)生一定的拉伸，限位塊112與測(cè)線111固定，使整個(gè)設(shè)備內(nèi)部各處產(chǎn)生一定的拉力，從而避免了設(shè)備在運(yùn)輸及安裝過(guò)程中可能出現(xiàn)的內(nèi)部測(cè)線111脫位問(wèn)題，而且無(wú)需打開保護(hù)主殼體101即可完成設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)安裝。

進(jìn)一步地，為防止測(cè)線111被損壞，可以在主設(shè)備10的出線孔處設(shè)置阻尼裝置，該阻尼裝置用于增加測(cè)線111的阻力，避免測(cè)線111在拉出或回縮時(shí)速度過(guò)快，導(dǎo)致測(cè)線111斷裂或拉線裝置11精度降低。該阻尼裝置可以是安裝在主殼體101出線孔處的旋轉(zhuǎn)阻尼器。

在本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施方式中，該長(zhǎng)度測(cè)量裝置13可以包括一個(gè)安裝在卷筒110的軸桿113上的計(jì)圈傳感器131，和一個(gè)與計(jì)圈傳感器131接觸的角位移傳感器132，計(jì)圈傳感器131隨卷筒110同步轉(zhuǎn)動(dòng)，并將轉(zhuǎn)動(dòng)量傳遞給角位移傳感器132，而角位移傳感器132根據(jù)角度變化計(jì)算出測(cè)線111的拉出長(zhǎng)度，該結(jié)構(gòu)可以解決超大量程與測(cè)量精度之間的矛盾關(guān)系。

如圖3所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，為修正因?yàn)橹髟O(shè)備10安裝位置發(fā)生變化而導(dǎo)致測(cè)線111結(jié)果出現(xiàn)誤差的現(xiàn)象，可以在主設(shè)備內(nèi)安裝測(cè)量當(dāng)前主設(shè)備10傾斜狀態(tài)的雙軸傾斜傳感器17，根據(jù)雙軸傾斜傳感器17測(cè)量結(jié)果即可修正因測(cè)線111的角度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

在使用時(shí)，雙軸傾斜傳感器17通常安裝于具有一定高度的主設(shè)備10的上端，當(dāng)主設(shè)備10發(fā)生傾斜變形時(shí)，引起測(cè)線111長(zhǎng)度發(fā)生改變，導(dǎo)致測(cè)量失真(實(shí)際上被測(cè)點(diǎn)并未發(fā)生位移)。主設(shè)備10傾斜變形往往是由于基礎(chǔ)以下的原有地表發(fā)生變形所致，故雙軸傾斜傳感器17測(cè)量到的角度變化實(shí)際上也反映了此點(diǎn)處地表淺層土體的變化，即同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)維度的地基傾斜變形監(jiān)測(cè)。

傾斜引起測(cè)線111長(zhǎng)度變化的公式推導(dǎo)方法可以是：利用兩個(gè)維度傾斜角度變化(俯仰、橫滾)，可分別簡(jiǎn)化投影到兩個(gè)對(duì)應(yīng)的空間平面內(nèi)，再轉(zhuǎn)化為平面幾何問(wèn)題來(lái)處理。如主設(shè)備10的長(zhǎng)度已知，當(dāng)主設(shè)備10發(fā)生傾斜后，傾斜角度由設(shè)備內(nèi)部雙軸傾斜傳感器17測(cè)量得到，故根據(jù)三角函數(shù)即可計(jì)算得出因傾斜因素引起的測(cè)線111長(zhǎng)度變化量，傾斜角度與測(cè)線111變化量呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，可以在主設(shè)備10內(nèi)安裝測(cè)量主設(shè)備10在水平方向扭轉(zhuǎn)角度的電子羅盤16，主控模塊12通過(guò)主設(shè)備10扭轉(zhuǎn)后測(cè)線111與標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)測(cè)線111間的夾角變化，修正測(cè)線111的長(zhǎng)度變化值。

在主設(shè)備10位置固定時(shí)，若主設(shè)備10安裝處地基發(fā)生水平扭轉(zhuǎn)變形(方位角變化)，則測(cè)線111長(zhǎng)度發(fā)生改變。如圖3所示，主設(shè)備10發(fā)生方位旋轉(zhuǎn)變形，測(cè)線111出線口從位置A旋轉(zhuǎn)到位置B，導(dǎo)致測(cè)線111變長(zhǎng)，但實(shí)際上主設(shè)備10到監(jiān)測(cè)點(diǎn)E的距離并未發(fā)生變化，若要消除水平旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的位移誤差，則必須計(jì)算出旋轉(zhuǎn)角度α作用下引起的測(cè)線111長(zhǎng)度變化值，加以修正。

三角形AOB中，邊OA和OB同為設(shè)備半徑，設(shè)備半徑為已知條件，旋轉(zhuǎn)角α可通過(guò)設(shè)備內(nèi)部安裝的電子羅盤測(cè)量獲取，故此，三角形AOB可通過(guò)下式解出，

在三角形OEB中，邊OB已知，OE＝OA+AE，角度α已知，則邊BE由下式解出，

則因方位角發(fā)生改變而引起的測(cè)線長(zhǎng)度修正值BB’＝BE-AE，

上式中，OB為已知的設(shè)備半徑，OE為主設(shè)備10半徑+主設(shè)備10安裝初始測(cè)線長(zhǎng)度，均為已知，角度α由設(shè)備內(nèi)部電子羅盤16測(cè)得。

電子羅盤16除可進(jìn)行測(cè)線111長(zhǎng)度修正外，還可用于對(duì)主設(shè)備10安裝點(diǎn)地基方位角度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，為使主設(shè)備10適應(yīng)測(cè)線111的位置變化，還可以設(shè)置一個(gè)固定基座18，該主設(shè)備10通過(guò)水平軸承19可旋轉(zhuǎn)地安裝在基座18上，在基座18上安裝有鎖止主設(shè)備10旋轉(zhuǎn)的鎖止裝置191。當(dāng)主設(shè)備10未鎖止時(shí)，主設(shè)備10可以隨測(cè)線111的角度變化而隨測(cè)線111的拉力旋轉(zhuǎn)。當(dāng)不需要主設(shè)備10旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以利用鎖止裝置191將主設(shè)備10鎖定在基座18上。

如圖4、5所示，在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，公開一種獲取測(cè)線111當(dāng)前姿態(tài)的結(jié)構(gòu)。該姿態(tài)測(cè)量裝置14可以包括安裝在主殼體101的出線孔處的萬(wàn)向軸141，和安裝在萬(wàn)向軸141上的激光器142，與及與激光器142相對(duì)安裝以接收激光器142發(fā)射激光的光斑位置傳感器143。該萬(wàn)向軸141可以隨測(cè)線111的方位變化同步調(diào)整旋轉(zhuǎn)方向。

通過(guò)測(cè)線111長(zhǎng)度及不同時(shí)間點(diǎn)的長(zhǎng)度變化值只能測(cè)量測(cè)線111一個(gè)維度的長(zhǎng)度變形，通過(guò)在出線孔處安裝可在兩個(gè)維度上自由旋轉(zhuǎn)的萬(wàn)向軸141，使其在外部測(cè)線111所受拉力作用下沿拉力方向發(fā)生自由旋轉(zhuǎn)，通過(guò)測(cè)量當(dāng)前二個(gè)維度上的角度值，可獲取到測(cè)線111當(dāng)前二個(gè)維度的角度值。根據(jù)空間幾何原理可知，處于空間內(nèi)的任意已知長(zhǎng)度的線段，若線段的空間角度(姿態(tài))已知，則此線段兩端點(diǎn)的三維距離值可通過(guò)幾何公式計(jì)算得到，不同時(shí)間點(diǎn)的兩端點(diǎn)三維距離值的變化量即是被測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn))的三維位置變化。

本實(shí)用新型中基座18與主設(shè)備10通過(guò)水平軸承19連接，當(dāng)測(cè)線111方向改變時(shí)，水平軸承19會(huì)發(fā)生水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，而萬(wàn)向軸141則不會(huì)發(fā)生相對(duì)于主殼體101的角度變化，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述三維位置監(jiān)測(cè)的功能。為此，在上述水平軸承19處設(shè)計(jì)鎖止裝置191，當(dāng)鎖止裝置191將水平軸承與基座18鎖死后，萬(wàn)向軸141的角度會(huì)強(qiáng)制跟隨測(cè)線111變化，實(shí)現(xiàn)測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)三維方向變形量的目的。

萬(wàn)向軸141水平方向的旋轉(zhuǎn)角度和垂直方向上的角度可通過(guò)多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，如二維霍爾傳感技術(shù)或二維PSD技術(shù)等，以下僅以二維PSD技術(shù)來(lái)進(jìn)行實(shí)例說(shuō)明。

正常情況下，激光器142向光斑位置傳感器143發(fā)射的光斑是一個(gè)垂直角度，當(dāng)萬(wàn)向軸141隨測(cè)線111的拉力改變方向時(shí)，會(huì)帶動(dòng)激光器142同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，激光器142的轉(zhuǎn)動(dòng)使其發(fā)射至光斑位置傳感器143上的光斑位置發(fā)生改變，根據(jù)角度變化和測(cè)線111長(zhǎng)度測(cè)量，即可計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)沉降變化和左右位移量。

如圖6所示，點(diǎn)B代表安裝于主外殼101上的萬(wàn)向軸，點(diǎn)F為激光器142，線EB為測(cè)線長(zhǎng)度，測(cè)線111固定于被測(cè)點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn))E上，線FA為激光器142發(fā)出的光線，光線在萬(wàn)向軸141作用下時(shí)刻與測(cè)線方向保持一致，點(diǎn)A為激光在二維PSD上的成像點(diǎn)。

在空間坐標(biāo)系O1中：

原點(diǎn)O1位于二維PSD一頂點(diǎn)，即二維PSD平面與坐標(biāo)軸Y1-Z1平面重合。

激光射線FA照射到二維PSD位置傳感器上A點(diǎn)，則A點(diǎn)的空間坐標(biāo)A(x1,y1,z1)＝A(0,y1,z1)。

通過(guò)PSD電路，可獲取光點(diǎn)在PSD二維平面上的坐標(biāo)y1和z1。

即：激光落在PSD上的光斑坐標(biāo)可以實(shí)時(shí)獲取。

將光斑和激光線分別投影到平面Y₁O₁X₁和X₁O₁Z₁，可在兩個(gè)平面上分別獲得直角三角形FO₁Y₁‘和直角三角形FO₁Z₁’。

在三角形FO₁Y₁‘中，直角邊FO₁長(zhǎng)度已知(固定值)，直角邊OY₁’長(zhǎng)度等于y1(L_AY1)，則

在三角形FO₁Z₁‘中，直角邊FO₁長(zhǎng)度已知，直角邊OZ₁’長(zhǎng)度等于z1(L_AZ1)，則

在空間坐標(biāo)系O2中：

L_EB長(zhǎng)度已知(由測(cè)線傳感器測(cè)得)，則在平面EO₂Z₂中，測(cè)線長(zhǎng)度L_EB在其平面上的投影長(zhǎng)度L_EZ2可由下式計(jì)算得出

L_EZ2＝L_BE×cosβ2 (3)

在平面EO₂Y₂中，測(cè)線長(zhǎng)度L_EB在其平面上的投影長(zhǎng)度L_EY2可由下式計(jì)算得出

L_EY2＝L_BE×cosα2 (4)

因空間坐標(biāo)系O1與O2相互平行，且測(cè)線LEB與激光射線LFA在空間內(nèi)方向相同(機(jī)械剛性結(jié)構(gòu)萬(wàn)向軸傳導(dǎo)作用下，激光射線總是被動(dòng)的與測(cè)線保持方向一致)，則根據(jù)相似三角形原理可得到

α2＝α1 (5)

β2＝β1 (6)

將式5、式6代入式3、式4，可得

L_EZ2＝L_BE×cosβ1 (7)

L_EY2＝L_BE×cosα1 (8)

因B點(diǎn)(萬(wàn)向軸)與坐標(biāo)系O2的平面Y2-Z2重合，故B點(diǎn)在O2坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為B(0,y2,z2)，y2即是L_BY2，z2即是L_BZ2。

y2＝L_BY2＝L_EY2×sinβ2 (9)

z2＝L_BZ2＝L_EZ2×sinα2 (10)

將式5、6、7、8代入式9、10，得到

y2＝L_BE×cosα1×sinβ1 (11)

z2＝L_BE×cosβ1×sinα1 (12)

將式1、式2代入得

則，監(jiān)測(cè)點(diǎn)E在三維方向向相對(duì)于點(diǎn)B的三個(gè)距離值分別為

D_x＝L_EO2 (17)

D_y＝y(tǒng)2 (18)

D_z＝z2 (19)

即：

上式中，L_BE、L_AY1、L_FO1均為實(shí)時(shí)測(cè)量到的已知量：

L_BE：為長(zhǎng)度測(cè)量裝置測(cè)量到的測(cè)線長(zhǎng)度(萬(wàn)向軸到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)線長(zhǎng)度)。

L_AY1、L_FO1：為二維PSD測(cè)量得到的激光光斑的二維坐標(biāo)值。

通過(guò)對(duì)比不同時(shí)間點(diǎn)的Dx、Dy、Dz長(zhǎng)度變化，即可計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移量。

以上公式未考慮角度以及坐標(biāo)在空間坐標(biāo)系內(nèi)的正負(fù)號(hào)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可添加到公式內(nèi)。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，可以在萬(wàn)向軸141內(nèi)安裝線管144，測(cè)線111由線管144內(nèi)穿出，在線管144內(nèi)可以設(shè)置與測(cè)線111增加摩擦的彈性層。通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以減慢測(cè)線111的拉動(dòng)速度，同時(shí)更好的將拉力傳遞到萬(wàn)向軸141上，使萬(wàn)向軸141的變化與測(cè)線111的變化保持一致。

在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施方式中，該主設(shè)備10和輔設(shè)備20可以采用同一套電源，電源可以為可充電電池或不可充電電池，電源安裝在主設(shè)備10上，且通過(guò)線纜為輔設(shè)備20提供電力，在主殼體101的上表面可以安裝吸收太陽(yáng)能并向電源補(bǔ)充電力的單晶硅片102。

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