專利名稱：一種測(cè)量建筑物垂直位移的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量裝置及測(cè)量方法，特別涉及一種用于測(cè)量建筑物垂直位移的
裝置及方法。
背景技術(shù)：
由于目前國(guó)內(nèi)所涉及到的建筑物垂直位移的測(cè)量裝置比較少，而且測(cè)量精度不夠 高，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物垂直位移的準(zhǔn)確測(cè)量，給需要采集建筑物垂直位移的工作人員帶來(lái) 很大的不便。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用地球重力面作基準(zhǔn)面的連通管技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地測(cè) 量出建筑物垂直位移的裝置和方法，可解決目前測(cè)量建筑物垂直位移不準(zhǔn)確和測(cè)量精度不 高的問(wèn)題。 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 —種測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，一種測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，包括一個(gè)光 學(xué)透鏡，該光學(xué)透鏡一側(cè)的焦點(diǎn)設(shè)置有光源，光學(xué)透鏡另一側(cè)設(shè)置有與外圍單片機(jī)系統(tǒng)連 接的光接收受器件，其特征在于，在光學(xué)透鏡與光接收受器件之間的光路上設(shè)置有一個(gè)豎 直玻璃管，該玻璃管下部與一個(gè)置于建筑物垂直位移基點(diǎn)的大液體容器連通，該大液體容 器中裝有透光液體，其液面高度與玻璃管下部透光液體液面的高度一致；玻璃管的上部裝 有與下部透光液體不相溶的透光率低的液體，兩種互不相溶的液體之間在玻璃管中形成水 平的液位分界面。 上述方案中，所述外圍單片機(jī)系統(tǒng)包括完成程控驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理和識(shí)別、數(shù)據(jù)采集 及與計(jì)算機(jī)的通訊的基本單元模塊。 所述光源為激光器或光電二極管；所述光接收器件為CCD感光器或PSD光電器件。 所述透光液體為含有防凍液的蒸餾水；上部透光率低的液體，其透光率為0_20%。
—種用前述裝置來(lái)測(cè)量建筑物垂直位移的方法，其特征在于，包括下述步驟
(a)相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度的測(cè)量 首先打開(kāi)光源使其發(fā)出的光透過(guò)光學(xué)透鏡轉(zhuǎn)化為平行光，照射到裝有兩種液體的 豎直玻璃管上；接著，照射到玻璃管下部的光經(jīng)透光液體被投射到光接收器件上，照射到玻 璃管上部的光被透光率低的液體阻擋，從而使玻璃管上下部的液位分界面在光接收器件上 形成水平投影線，該水平投影線的高度hl即為玻璃管下部透光液面的高度；也即與玻璃管 下部連通的大容器液位高度，為相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度；
(b)相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度的測(cè)量 當(dāng)建筑物產(chǎn)生垂直位移時(shí)，置于建筑物垂直位移基點(diǎn)上的大液體容器也隨之產(chǎn)生 垂直位移，從而使與其連通的玻璃管下部透光液體的液面也產(chǎn)生位移，光接收器件采集到 的水平投影線高度隨之變化為h2，稱為相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度，
(c)將步驟(b)得到的相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度h2與步驟(a)得到的相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度hi比 較，兩者的差值即為建筑物發(fā)生的垂直位移。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明測(cè)量裝置選擇應(yīng)用地球重力面作基準(zhǔn)面的靜力水準(zhǔn)連通 管技術(shù)方案，根據(jù)連通管內(nèi)的液體介質(zhì)在重力作用下保持液面高程一致的連通管原理，采 用兩種互不相溶的液體之間所形成的液位分界面，當(dāng)光源發(fā)出的光透過(guò)光學(xué)透鏡轉(zhuǎn)化為平 行光后，照射到裝有兩種液體的測(cè)量玻璃管上。下半部分光可以透射過(guò)去，進(jìn)而被CCD器件 或PSD光電器件接收；上半部分的光不能透射過(guò)去，CCD器件或PSD光電器件采集到的高度 為下半部分液體液面高度(即相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度)，當(dāng)建筑物產(chǎn)生垂直位移時(shí)，測(cè)量玻璃管的 下半部分液體的液面也會(huì)產(chǎn)生位移(升高或者降低)，此時(shí)CCD器件或PSD光電器件采集 到的液位分界面位置也發(fā)生了變化，將此時(shí)采集到的液位分界面位置與相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度比 較，就可精確獲得建筑物垂直位移的數(shù)值。 此外，本發(fā)明測(cè)量管上部采用與下部透光液體不相溶的透光率低的液體，不但可
以清晰地得到下部液體液面的位置，而且上部液體還起到擋渣的作用。防止在測(cè)量過(guò)程中
有不透光的雜質(zhì)附著到玻璃管壁、落入下部液體中，使透射過(guò)玻璃管的光的垂直方向范圍
受影響，導(dǎo)致CCD器件或PSD光電器件采集到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而影響測(cè)量的精度。 本發(fā)明裝置可廣泛用于測(cè)量大壩、橋梁、碼頭、高邊坡、地裂縫、斷層、軟弱夾層等
的垂直變形。
圖1為本發(fā)明用于建筑物垂直位移監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖中，1、光源；2、光學(xué)透鏡；3、透光液體；4、上下層不相溶液體水平液位分界面；
5、透光率低的液體；6、液位分界面的水平投影線；7、 CCD感光器或PSD光電器件；8、豎直玻璃管。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。 如圖1所示， 一種測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，由光源1 (激光器或光電二極管)、 光學(xué)透鏡2、玻璃管8、 CCD感光器或PSD光電器件7等組成。光源1和CCD感光器7或PSD 光電器件都固定在儀器底板上。光源1置于透鏡的焦點(diǎn)處，透過(guò)透鏡2的平行光視場(chǎng)足夠 大，以能充分覆蓋整個(gè)測(cè)量范圍和CCD感光器或PSD光電器件7。玻璃管8上部裝有透光率 低的液體5 ;下部與大液體容器(圖中未畫(huà)出)連通，大液體容器放置在相對(duì)垂直方向無(wú)位 移的平面上(建筑物垂直位移基點(diǎn))，其中裝有透光液體(從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本發(fā)明采用含 有防凍液的蒸餾水)，其液面高度與玻璃管8下部液面高度保持一致。由于玻璃管8連通大 液體容器，因此其下部溶液也為透光液體，透光液體3與上部透光率低的液體5(從各個(gè)角 度考慮，本發(fā)明采用透光率在0-20%的重油或飽和酚的一種)不相溶。兩種互不相溶的液 體在玻璃管8中形成一道水平的液位分界面4。 用圖1所裝置來(lái)測(cè)量建筑物垂直位移的方法，在建筑物產(chǎn)生垂直位移前，當(dāng)光源1 發(fā)出的光透過(guò)光學(xué)透鏡2轉(zhuǎn)化為平行光后(光源1置于透鏡的焦點(diǎn)處)，照射到裝有兩種 液體的玻璃管8上。下部液體透光，上部液體隔光，水平液位分界面4投影到CCD感光器或
4PSD光電器件7上的水平投影線6即為下部液體的液面高度hl。 當(dāng)建筑物產(chǎn)生垂直位移前，置于建筑物垂直位移基點(diǎn)上的大液體容器也隨之產(chǎn)生 垂直位移，從而使與其連通的玻璃管8下部透光率低的液體3的液面也產(chǎn)生位移，此時(shí)CCD 感光器或PSD光電器件測(cè)到的高度值為h2，稱為相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度，將h2與之前不動(dòng)點(diǎn)高度hl 相比較，得出的差值即為建筑物垂直方向產(chǎn)生的位移。 上部液體采用與下部液體不相溶且透光率低的液體5，不但可以使CCD感光器或 PSD光電器件7清晰地得到透光液體3液面的高度，而且透光率低的液體5還起到擋渣的作 用。防止在測(cè)量過(guò)程中有雜質(zhì)粘貼到玻璃管壁、落入透光液體3中，使透射過(guò)玻璃管的光的 垂直方向范圍受影響，導(dǎo)致CCD感光器或PSD光電器件7采集到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，從而影響測(cè) 量的精度。 本發(fā)明所說(shuō)的大液體容器可與多個(gè)圖1裝置的玻璃管8多點(diǎn)連通，建立多個(gè)測(cè)點(diǎn)。
CCD感光器或PSD光電器件7可與外圍單片機(jī)系統(tǒng)(包括完成程控驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理 和識(shí)別、數(shù)據(jù)采集及與計(jì)算機(jī)的通訊等模塊)連接。當(dāng)平行光照向CCD感光器或PSD光電 器件時(shí)，玻璃管8內(nèi)水平液位分界面4在CCD感光器或PSD光電器件上產(chǎn)生一個(gè)水平投影 線6，CCD感光器或PSD光電器件的像元將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成電荷量存儲(chǔ)。CCD感光器或PSD光電 器件驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生相應(yīng)邏輯時(shí)序?qū)㈦姾尚畔⒁瞥?，輸出信?hào)經(jīng)過(guò)整形處理后，算出水平液位 分界面4的準(zhǔn)確位置，據(jù)此得到測(cè)點(diǎn)液面的位移值，結(jié)果經(jīng)通信接口發(fā)送到監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)或 其他外接設(shè)備。程控驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理和識(shí)別、數(shù)據(jù)采集及與計(jì)算機(jī)的通訊等功能都是由外圍 單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，包括一個(gè)光學(xué)透鏡，該光學(xué)透鏡一側(cè)的焦點(diǎn)設(shè)置有光源，光學(xué)透鏡另一側(cè)設(shè)置有與外圍單片機(jī)系統(tǒng)連接的光接收受器件，其特征在于，在光學(xué)透鏡與光接收受器件之間的光路上設(shè)置有一個(gè)豎直玻璃管，該玻璃管下部與一個(gè)置于建筑物垂直位移基點(diǎn)的大液體容器連通，該大液體容器中裝有透光液體，其液面高度與玻璃管下部透光液體液面的高度一致；玻璃管的上部裝有與下部透光液體不相溶的透光率低的液體，兩種互不相溶的液體之間在玻璃管中形成水平的液位分界面。
2. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，其特征在于，所述下部透光液體 為含有防凍液的蒸餾水；上部透光率低的液體，其透光率為0-20%。
3. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，其特征在于，所述外圍單片機(jī)系 統(tǒng)包括完成程控驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理和識(shí)別、數(shù)據(jù)采集及與計(jì)算機(jī)的通訊的基本單元模塊。
4. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量建筑物垂直位移的裝置，其特征在于，所述光源為激光器 或光電二極管；所述光接收器件為CCD感光器或PSD光電器件。
5. —種測(cè)量建筑物垂直位移的方法，是基于權(quán)利要求1測(cè)量建筑物垂直位移的裝置來(lái) 實(shí)現(xiàn)的，其特征在于，包括下述步驟(a) 、相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度的測(cè)量首先打開(kāi)光源使其發(fā)出的光透過(guò)光學(xué)透鏡轉(zhuǎn)化為平行光，照射到裝有兩種液體的豎直 玻璃管上；接著，照射到玻璃管下部的光經(jīng)透光液體被投射到光接收器件上，照射到玻璃管 上部的光被透光率低的液體阻擋，從而使玻璃管上下部的液位分界面在光接收器件上形成 水平投影線，該水平投影線的高度hl即為玻璃管下部透光液面的高度；也即與玻璃管下部 連通的大容器液位高度，為相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度；(b) 、相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度的測(cè)量當(dāng)建筑物產(chǎn)生垂直位移時(shí)，置于建筑物垂直位移基點(diǎn)上的大液體容器也隨之產(chǎn)生垂直 位移，從而使與其連通的玻璃管下部透光液體的液面也產(chǎn)生位移，光接收器件采集到的水 平投影線高度隨之變化為h2，稱為相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度，(c) 、將步驟(b)得到的相對(duì)動(dòng)點(diǎn)高度h2與步驟(a)得到的相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)高度hl比較， 兩者的差值即為建筑物發(fā)生的垂直位移。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種測(cè)量建筑物垂直位移的裝置及方法，該裝置應(yīng)用連通管原理多點(diǎn)連通，通過(guò)對(duì)連通容器中的液面分界面位置進(jìn)行測(cè)量，將設(shè)備安裝處的微小高程變化轉(zhuǎn)換為液面分界面的垂直方向的位置變化，由CCD傳感器或PSD光電器件直接檢測(cè)液面分界面的垂直位置變化。采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)CCD器件或PSD光電器件的程控驅(qū)動(dòng)、信號(hào)處理和識(shí)別、數(shù)據(jù)采集、與計(jì)算機(jī)通訊等功能。該儀器將傳感器和外圍電路集成，并設(shè)計(jì)專用模具制造，儀器的整體性和密封性能好，便于安裝。該儀器可用于觀測(cè)大壩、橋梁、碼頭、高邊坡、地裂縫、斷層、軟弱夾層等的垂直變形。
文檔編號(hào)G01C5/04GK101788286SQ20101012933
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月22日
發(fā)明者樂(lè)開(kāi)端, 張銘, 閆昕 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué);西安華騰光電有限責(zé)任公司