[發明專利]一種用于連續監測隧道收斂的測量系統及方法

有效

• 申請號: 201810106225.3
• 申請日: 2018-02-02
• 公開（公告）號: CN108489449B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 焦華喆;劉晨生;陳峰賓;陳新明;楊亦軒;王金星
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: G01B21/32
• 分類號: G01B21/32;G01B21/02
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張紹琳;栗改

1.一種用于連續監測隧道收斂的測量系統，其特征在于，包括滑輪(1)、導線(2)、數據采集模塊(3)、數據采集站和存儲模塊，所述滑輪(1)固定在隧道的監測點(4)上，監測點(4)組成開放多邊形，導線(2)的一端固定在開放多邊形的一端，導線(2)依次設在各個監測點(4)的滑輪(1)上，導線(2)的末端固定有將導線(2)保持拉緊狀態的配重塊(5)；設置在監測點(4)上的數據采集模塊(3)用于檢測開放多邊形的各段邊長距離和角度，數據采集模塊(3)與數據采集站相連接，數據采集站與存儲模塊相連接，存儲模塊與上位機相連接；

所述數據采集模塊(3)包括箱體(31)、第一編碼器(32)、第二編碼器(33)、第三編碼器(34)和PIC微處理器，箱體(31)通過膨脹螺栓(6)固定在隧道上，箱體(31)下部的兩側設有導線出口(35)和導線進口(36)；所述第一編碼器(32)、第二編碼器(33)和第三編碼器(34)均與PIC微處理器相連接，PIC微處理器與數據采集站相連接；第一編碼器(32)、第二編碼器(33)、第三編碼器(34)和PIC微處理器均固定在箱體(31)內，第一編碼器(32)和第二編碼器(33)位于滑輪的兩側、用于測量每個滑輪(1)旋轉的角度及每個相鄰監測點之間導線(2)相對于垂直線形成的角度，第三編碼器(34)位于滑輪(1)的上部、用于測量每個相鄰監測點之間導線(2)的位移；

確定隧道收斂的測量方法為：

步驟一：對所有監測點P_i點的初始位置進行初步調查：確定在瞬時t＝0相鄰監測點之間各段導線的初始長度其中，i＝1，2，…，n；n為設置的監測點個數，并以監測點P₁為參考點，確定其余各監測點的位置長度

步驟二：確定每個監測點P_i的笛卡爾坐標，其中，i＝2，…，n；n為設置的監測點個數：

其中，為監測點P_i在t時刻x方向的坐標，為監測點P_i-1在t時刻x方向的坐標，為監測點P_i-1在t時刻相對于位置長度的角度，為監測點P_i在t時刻y方向的坐標，為監測點P_i-1在t時刻y方向的坐標；

步驟三：由計算得到的監測點P_i在t時刻的坐標，與初始時間監測點P_i的坐標進行對比，從而得到在監測點P_i的相對位移，來確定隧道是否發生變形；

所述以監測點P₁為參考點，確定其余各監測點的位置長度為，其中，i＝2,……，n-1：

由第一監測點P₁知：

其中，為監測點P₁在t時刻相對于位置長度的角度，為監測點P₁在t時刻相對于位置長度的角度；

其余各監測點P_i的角度為：

其中，為監測點P_i在t時刻相對于位置長度和位置長度的角度，為監測點P_i在t時刻相對于位置長度的角度；

記錄相鄰時刻之間各角度產生的變化：

其中，為監測點P_i在t-1時刻相對于位置長度和位置長度的角度，為監測點P_i在t時刻和t-1時刻相對于位置長度L_i-1的角度增量，為監測點P_i在t時刻和t-1時刻相對于位置長度L_i的角度增量；

角度增量和的值與相應編碼器的計數成正比：

其中，f為開放幾何體的形狀系數，Δα是角度增量和的統稱，Δα^*是的統稱，且為監測點圍成的開放多邊形變形增加的幾何相關因數，且：

計數和計數的初始值分別為第一編碼器(32)和第二編碼器(33)測量的，k_A、k_B是第一編碼器(32)和第二編碼器(33)的分辨率，為恒定值，并且取決于每個編碼器的精度，當編碼器類型相同時：

通過對地形調查測量的初步值以及兩個連續監測點間由第三編碼器(34)測得的弧度角增量的差值，得到旋轉后每段導線的長度，即各監測點的位置長度由下式給出：

其中，r為第三編碼器(34)中導線旋轉滑輪(1)的半徑；

為旋轉后第i-1個監測點在t時刻相對于t-1時刻的由第三編碼器(34)測得的弧度角增量，為旋轉后第i個監測點在t時刻相對于t-1時刻的由第三編碼器(34)測得的弧度角增量；

計數的初始值測量顯示在第三編碼器(34)上，k_C為第三編碼器(34)的分辨率；

所述監測點(4)的數量設有5個，包括監測點P₁、P₂、P₃、P₄和P₅，配重塊(5)的質量為4kg。