[發(fā)明專利]一種高精度拱壩變形監(jiān)測設備和測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710250026.5
• 申請日: 2017-04-17
• 公開（公告）號: CN107014304B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設計）人: 樂開端;袁一涵;李杰;肖盾;漆福棟;黃啟明
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;西安華騰光電有限責任公司
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李宏德

1.一種高精度拱壩變形測量方法，其特征在于，基于一種高精度拱壩變形監(jiān)測設備，包括若干監(jiān)測單元，每套監(jiān)測單元包括銦鋼管系統(tǒng)，以及相互配合沿光路依次設置的發(fā)射裝置(1)、折射裝置(2)和接收裝置(3)；

所述拱壩的壩體沿拱壩方向分隔為若干測段，測段的端點分別為測點，并對測點依次編號為0，1，2，…i-1，i，i+1，…n，其中i和n均為正整數；

第i套監(jiān)測單元中的發(fā)射裝置(1)對應設置在起始測點i-1處，折射裝置(2)對應設置在中間測點i處，接收裝置(3)對應設置在末端測點i+1處；

所述的銦鋼管系統(tǒng)包括兩個銦鋼管(41)，以及與銦鋼管(41)一一對應的長度測量位敏傳感器(42)；銦鋼管(41)固定在測段的其中一個測點上，對應的長度測量位敏傳感器(42)固定在該測段的另一個測點上，在固定長度測量位敏傳感器(42)的測點上對應的銦鋼管(41)通過移動副與之相連；

相鄰監(jiān)測單元呈重疊布置；前一套監(jiān)測單元的中間測點作為后一套監(jiān)測單元的起始測點依次布置，前一套監(jiān)測單元的末端測點作為后一套監(jiān)測單元的中間測點依次布置；

所述的方法包括如下步驟，

步驟1，采集所有監(jiān)測單元中接收裝置(3)和長度測量位敏傳感器(42)中的數據；通過第i套監(jiān)測單元中的接收裝置(3)得到的位移數據S_i+1，按照公式得到相鄰測段的角度；

α_i＝π-θ_i+S_i+1/L_i，i+1；

式中：θ_i為以測點i為頂點，以相鄰測段直線為兩邊所組成的銳角，L_i，i+1為以測點i和測點i+1為兩端點放置的銦鋼管(41)原始長度；在以測點i和測點i+1為兩端點放置的銦鋼管系統(tǒng)中，通過對應的長度測量位敏傳感器(42)得到相鄰測點距離的變化量l_i，i+1，從而通過如下公式得到相鄰測點距離d_i，i+1；

d_i，i+1＝L_i，i+1+l_i，i+1；

步驟2，根據相鄰測段的角度和相鄰測點的距離，通過如下幾何關系將相鄰測量單元組合成等效測量單元，組合時略去其中一個測量單元的中間測點i；

式中：d′_i-1，i+1為合成之后等效的測點i-1和測點i+1之間的距離，α′_i-1和α′_i+1是合成后對測點i-1處和測點i+1處夾角進行修正后的角度值；

上述步驟通過對測點i-1，測點i和測點i+1的處理，略去了中間測點i，通過重復上述略去中間測點的過程，直至得到包括第一測點、最后一個測點，以及與第一測點或最后一個測點相鄰的中間測點的最終等效測量單元；

步驟3，根據最終等效測量單元，以第一測點為原點，以第一測點和最后一個測點的連線為X軸使用左手坐標系建立坐標系，X軸的正方向規(guī)定為第一測點指向最后一個測點的方向，根據如下公式得到與第一測點或最后一個測點相鄰的中間測點的坐標數據；

x_m＝x₀+(d′_0，m)cosα′₀ (4)

y_m＝y(tǒng)₀-(d′_0，m)sinα′₀ (5)

式中：x₀和y₀是大壩基點的坐標數據，x_m和y_m是測點m的坐標數據，d′_0，m是經合成之后等效的測點m到測點0或測點n之間的距離，α′₀是測點0處夾角進行修正后的角度值；測點m是測點0或測點n的相鄰點；

步驟4，可依次建立局部坐標系，坐標系的建立方法如下：以測量單元中的起始測點為原點，以測量單元中的起始測點和測量單元中的中間測點的連線為X軸建立左手坐標系，X軸的正方向規(guī)定為測量單元中的起始測點指向測量單元中的中間測點的方向，將此坐標系按照原點所在的測點序號進行標注，使用坐標轉換矩陣將上一坐標系下的數據轉化到本次局部坐標下，再通過如下迭代公式由前一個測量單元的坐標數據得到后一個測量單元的坐標數據，進而得到拱壩所有測點的坐標數據，根據得到的坐標數據與安裝系統(tǒng)時原始測點的坐標數據進行比較，即可得到拱壩的變形監(jiān)測數據；

x_i+1＝x_i-1+(d_i，i+1)sin(α_i) (6)

y_i+1＝y(tǒng)_i-1+d_i-1，i+(d_i，i+1)cos(α_i) (7)

式中：α_i測點i處的相鄰測段的角度；x_i+1和y_i+1是測點i+1的位置坐標數據；x_i-1和y_i-1是測點i-1的位置坐標數據；其中坐標系i-1到坐標系i的坐標系轉換矩陣如下所示：

式中：M_i-1，i為以測點i-1為原點的坐標系到以測點i為原點的坐標系的轉換矩陣；L_i-1，i為以測點i-1和測點i為兩端點放置的銦鋼管(41)原始長度；θ_i為以測點i為頂點，以相鄰測段直線為兩邊所組成的銳角。