本實(shí)用新型屬于力學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于大型結(jié)構(gòu)物位移和形變測(cè)量裝置，特別是一種自校準(zhǔn)的遠(yuǎn)程位移或形變測(cè)量的裝置及方法。

背景技術(shù)：

大型結(jié)構(gòu)物包括橋梁、大壩、隧道、斜坡和房屋建筑等，其變形主要包括靜態(tài)變形和動(dòng)態(tài)變形，靜態(tài)變形是指地基下陷、傾斜和應(yīng)力松弛等變化很慢的變形，動(dòng)態(tài)變形是指由于風(fēng)、溫度、地震、交通負(fù)載或現(xiàn)場(chǎng)施工等引起的短期變形，其參數(shù)測(cè)量對(duì)于目標(biāo)的安全評(píng)估分析具有重要的作用。

傳統(tǒng)的大型結(jié)構(gòu)物如橋梁，其變形檢測(cè)的儀器有百分表、千分表、加速計(jì)、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等。目前，這些儀器在橋梁驗(yàn)收、定期檢測(cè)中仍然廣泛使用，但是需要專業(yè)技術(shù)人員，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，人為誤差大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)、自動(dòng)、智能測(cè)量。近年來，信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展大大帶動(dòng)了橋梁變形測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)了許多新技術(shù)和新方法，比如激光撓度法和GPS(Global Position System)定位測(cè)量法。激光撓度儀能實(shí)現(xiàn)亞毫米的位移測(cè)量，但是量程僅能達(dá)到數(shù)十厘米，不能滿足跨距較大的用于橋梁大變形的測(cè)量，其垂直位移可達(dá)米級(jí)；GPS定位測(cè)量法可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量橋梁的大變形，但是其精度智能達(dá)到厘米級(jí)，且費(fèi)用高昂，限制了其推廣應(yīng)用。

自從70年代末期固體圖像傳感器出現(xiàn)以來，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者以CCD等圖像傳感器為媒介，將圖像處理技術(shù)用于橋梁、混凝土梁變形測(cè)量的研究。申請(qǐng)?zhí)枮?00820241096.0的中國(guó)專利“一種基于機(jī)器視覺的橋梁動(dòng)位移測(cè)量裝置”公開了一種通過激光源和CCD結(jié)合測(cè)量大橋動(dòng)態(tài)變形的測(cè)量裝置，通過在橋梁遠(yuǎn)端用CCD記錄大橋變形過程中激光光束的位置變化，計(jì)算得到大橋的變形參數(shù)。目前這類位移傳感器存在的主要問題是：CCD圖像傳感器需要與準(zhǔn)直激光器聯(lián)合使用，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

申請(qǐng)?zhí)枮?01410145554.0的中國(guó)專利“一種橋梁實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)”公開了一種橋梁動(dòng)態(tài)位移的遠(yuǎn)程測(cè)量裝置，使用中將加電靶標(biāo)固定在遠(yuǎn)離橋梁的固定目標(biāo)上，而在橋梁需要測(cè)量位移的地方安裝有CCD像機(jī)，使得靶標(biāo)成像在CCD光敏元上，通過實(shí)時(shí)獲得的靶標(biāo)圖像在CCD上的位置，計(jì)算得到橋梁待測(cè)點(diǎn)上的動(dòng)態(tài)位移。這種方案存在的問題是：當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)用在隧道、巖洞內(nèi)等場(chǎng)合時(shí)，由于CCD像機(jī)和測(cè)量靶標(biāo)均會(huì)隨著外界荷載的影響而產(chǎn)生位移和形變，而且由于二者安裝的位置不同，外界荷載引起的測(cè)量靶標(biāo)和CCD像機(jī)的位移不同，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)了較大的誤差，影響了測(cè)量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提出了一種用于大型結(jié)構(gòu)物垂直位移或變形的自校準(zhǔn)式測(cè)量裝置及方法，用于大型結(jié)構(gòu)物變形或位移參數(shù)的自校準(zhǔn)式測(cè)量裝置及方法，在傳統(tǒng)測(cè)量靶標(biāo)的基礎(chǔ)上增加了一只基準(zhǔn)靶標(biāo)和一只靜力水準(zhǔn)儀，且該基準(zhǔn)靶標(biāo)固定靜力水準(zhǔn)儀的沉降探頭上，由靜力水準(zhǔn)儀獲得準(zhǔn)確的基準(zhǔn)靶標(biāo)的位移絕對(duì)值，從而對(duì)測(cè)量靶標(biāo)的位置值進(jìn)行修正校準(zhǔn)，最后獲得測(cè)量點(diǎn)的精確位移值。

本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容如下：

用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置，包括若干個(gè)測(cè)量單元和數(shù)據(jù)處理中心，每個(gè)測(cè)量單元包括成像系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)儀、基準(zhǔn)靶標(biāo)、不少于一只的測(cè)量靶標(biāo)和不少于一只的激光測(cè)距儀，所述的靜力水準(zhǔn)儀包括通液管相聯(lián)通的基準(zhǔn)沉降探頭和若干只測(cè)量沉降探頭，所述的測(cè)量沉降探頭和測(cè)量靶標(biāo)固定在大型結(jié)構(gòu)物的側(cè)壁或頂部，所述的基準(zhǔn)靶標(biāo)(14)設(shè)置在其中某只測(cè)量沉降探頭上，且基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)在成像系統(tǒng)的敏感元的不同位置上成像，所述的激光測(cè)距儀設(shè)置在測(cè)量靶標(biāo)所在的大型結(jié)構(gòu)物的對(duì)應(yīng)位置處，并垂直指向待測(cè)的地面目標(biāo)處；數(shù)據(jù)處理中心獲取靜力水準(zhǔn)儀、激光測(cè)距儀和成像系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果后，并對(duì)測(cè)量靶標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)修正后，計(jì)算得到大型結(jié)構(gòu)物側(cè)壁、頂部的位移以及地表沉降參數(shù)。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，大型結(jié)構(gòu)物為隧道、巖洞、房屋、地下室或橋梁。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，靜力水準(zhǔn)儀的基準(zhǔn)沉降探頭設(shè)置在大型結(jié)構(gòu)物外部或內(nèi)部位移或變形可忽略的穩(wěn)定區(qū)域。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)為特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標(biāo)。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，加電靶標(biāo)為排成一定形狀的LED或LD燈帶。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，激光測(cè)距儀所對(duì)應(yīng)的測(cè)量靶標(biāo)固定在激光測(cè)距儀的機(jī)殼上。

靜力水準(zhǔn)儀和成像系統(tǒng)通過無線GPRS系統(tǒng)、無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊或光纜傳輸系統(tǒng)將測(cè)量結(jié)果傳輸至上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)處理中心。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量裝置中，成像系統(tǒng)包括光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、核心控制功能單元、處理存儲(chǔ)單元和遠(yuǎn)程通訊單元；所述的圖像傳感器為CCD或CMOS傳感器，所述的核心控制功能單元包括觸發(fā)信號(hào)檢測(cè)模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和靶標(biāo)圖像特征提起及識(shí)別模塊，用于靶標(biāo)圖像的處理和識(shí)別；所述的處理存儲(chǔ)單元與核心控制功能單元相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；所述的遠(yuǎn)程通訊單元與處理存儲(chǔ)單元聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。

用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量方法，包括以下步驟：

[1]安裝：在大型結(jié)構(gòu)物上安裝測(cè)量靶標(biāo)、基準(zhǔn)靶標(biāo)、靜力水準(zhǔn)儀、激光測(cè)距儀，其中靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量沉降探頭和測(cè)量靶標(biāo)固定在大型結(jié)構(gòu)物的側(cè)壁或頂部，測(cè)量靶標(biāo)安裝在待測(cè)量點(diǎn)位置，基準(zhǔn)靶標(biāo)設(shè)置在對(duì)應(yīng)的測(cè)量沉降探頭上；激光測(cè)距儀設(shè)置在測(cè)量靶標(biāo)所在的大型結(jié)構(gòu)物的對(duì)應(yīng)位置處，并垂直指向待測(cè)的地面目標(biāo)處。

[2]測(cè)量：開啟成像系統(tǒng)，使得基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)在成像系統(tǒng)的敏感元的不同位置上成像，開啟靜力水準(zhǔn)儀，測(cè)量基準(zhǔn)靶標(biāo)所在的測(cè)量沉降探頭的高度值；開啟激光測(cè)距儀，對(duì)激光測(cè)距儀和地面目標(biāo)之間的距離；

[3]校準(zhǔn)：對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)的位移值；對(duì)靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到測(cè)量沉降探頭的位移值；并根據(jù)測(cè)量沉降探頭的位移值對(duì)測(cè)量靶標(biāo)的位移值進(jìn)行修正校準(zhǔn)，扣除成像系統(tǒng)因自身安裝基礎(chǔ)位移帶來的測(cè)量誤差，獲得測(cè)量靶標(biāo)所在測(cè)量點(diǎn)的真實(shí)位移值；并根據(jù)激光測(cè)距儀測(cè)量得到的距離變化值，計(jì)算得到地面的沉降參數(shù)。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量方法中，步驟[3]中的校準(zhǔn)步驟包括：

[3.1]根據(jù)測(cè)量靶標(biāo)的位置變化值，并結(jié)合測(cè)量靶標(biāo)與成像系統(tǒng)之間的距離、成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到測(cè)量靶標(biāo)的位移值x1；

[3.2]根據(jù)基準(zhǔn)靶標(biāo)的位置變化值，并結(jié)合基準(zhǔn)靶標(biāo)與成像系統(tǒng)之間的距離、成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到基準(zhǔn)靶標(biāo)的位移值x0；

[3.3]根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀中基準(zhǔn)沉降探頭和測(cè)量沉降探頭的液面高度，計(jì)算得到測(cè)量沉降探頭的位移值y0；

[3.4]激光測(cè)距儀測(cè)量得到激光測(cè)距儀和地面之間的位移變化值m；

[3.5]經(jīng)校準(zhǔn)后測(cè)量靶標(biāo)所在的測(cè)量點(diǎn)的位移x11＝x1+y0-x0；

[3.6]地表沉降參數(shù)n＝x11-m。

本實(shí)用新型具有的有益技術(shù)效果如下：

1、本實(shí)用新型在現(xiàn)有CCD像機(jī)和測(cè)量靶標(biāo)組成的位移測(cè)量裝置的基礎(chǔ)上，增加了基準(zhǔn)靶標(biāo)、激光測(cè)距儀和靜力水準(zhǔn)儀，將基準(zhǔn)靶標(biāo)設(shè)置在靜力水準(zhǔn)儀的一個(gè)測(cè)量沉降探頭上，并在每只激光測(cè)距儀上設(shè)置有測(cè)量靶標(biāo)，由靜力水準(zhǔn)儀給出該測(cè)量沉降探頭的絕對(duì)位移值，作為基準(zhǔn)靶標(biāo)的絕對(duì)位移值。安裝調(diào)試中，使得基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)同時(shí)成像在CCD像機(jī)上，并在數(shù)據(jù)處理中，根據(jù)基準(zhǔn)靶標(biāo)的位移值來修正其他測(cè)量點(diǎn)的位移值，同時(shí)利用激光測(cè)距儀測(cè)量得到的測(cè)量靶標(biāo)和地表之間的距離變化，就可以獲得地表沉降的相對(duì)位移，與激光測(cè)距儀相匹配的測(cè)量靶標(biāo)數(shù)據(jù)相結(jié)合，得到了地表沉降的絕對(duì)位移值。該方法克服了測(cè)量系統(tǒng)因成像系統(tǒng)受到載荷或自身安裝基礎(chǔ)變形等原因而產(chǎn)生的位移，最終導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量誤差，提高了測(cè)量精度。

2、本實(shí)用新型的靜力水準(zhǔn)儀包括通液管相聯(lián)通的基準(zhǔn)沉降探頭和若干只測(cè)量沉降探頭，測(cè)量沉降探頭和測(cè)量靶標(biāo)固定在大型結(jié)構(gòu)物的側(cè)壁或頂部，基準(zhǔn)靶標(biāo)設(shè)置在其中某只測(cè)量沉降探頭上，基準(zhǔn)沉降探頭設(shè)置在大型結(jié)構(gòu)物外部位移或變形可忽略的區(qū)域，通過基準(zhǔn)沉降探頭和測(cè)量沉降探頭之間的關(guān)系，計(jì)算得到測(cè)量沉降探頭的精確位移，同時(shí)若干個(gè)測(cè)量沉降探頭分布在被測(cè)量隧道的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，與若干個(gè)成像系統(tǒng)、靶標(biāo)相配合，實(shí)現(xiàn)了隧道等大型結(jié)構(gòu)物參數(shù)的分布式自校準(zhǔn)測(cè)量。

3、本實(shí)用新型的地表沉降參數(shù)是通過多個(gè)環(huán)節(jié)綜合測(cè)量得到；首先基準(zhǔn)靶標(biāo)設(shè)置在靜力水準(zhǔn)儀的某只測(cè)量沉降探頭上，通過靜力水準(zhǔn)儀的數(shù)據(jù)處理可以得到該基準(zhǔn)靶標(biāo)的絕對(duì)位移；其次測(cè)量靶標(biāo)和基準(zhǔn)靶標(biāo)在成像系統(tǒng)的敏感元上同時(shí)成像，可計(jì)算得到測(cè)量靶標(biāo)和基準(zhǔn)靶標(biāo)之間的相對(duì)位移，故可得到測(cè)量靶標(biāo)的絕對(duì)位移；接著由于測(cè)量靶標(biāo)設(shè)置在激光測(cè)距儀的外殼上，則該測(cè)量靶標(biāo)的位移即為激光測(cè)距儀自身的絕對(duì)位移；最后激光測(cè)距儀測(cè)量得到的地表和激光測(cè)距儀之間的位移，結(jié)合激光測(cè)距儀自身的絕對(duì)位移，就得到了地表沉降參數(shù)的絕對(duì)值。這種方案實(shí)現(xiàn)了地表沉降參數(shù)的無擾動(dòng)測(cè)量，對(duì)于隧道等大型結(jié)構(gòu)物來說，不影響內(nèi)部車輛的通行，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4、本實(shí)用新型的核心控制功能單元采用嵌入式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)緊湊可靠，方便應(yīng)用；同時(shí)設(shè)置有遠(yuǎn)程通訊傳輸單元，可將測(cè)量的結(jié)果通過GPRS系統(tǒng)、3G無線網(wǎng)絡(luò)等無線傳輸系統(tǒng)或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，傳輸至遠(yuǎn)端的值班室，滿足了遠(yuǎn)程無人值守全天候的野外工作要求。

5、本實(shí)用新型的靶標(biāo)采用加電的LED或LD燈帶作為靶標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的工作，并具有特征目標(biāo)提取方便和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，測(cè)量精度也相應(yīng)提高。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型自校準(zhǔn)式測(cè)量裝置測(cè)量單元在隧道測(cè)量應(yīng)用原理示意圖；

圖2為測(cè)量裝置在隧道某一處測(cè)量布局示意圖；

圖3為靜力水準(zhǔn)儀在初始靜態(tài)狀態(tài)下的原理示意圖；

圖4為靜力水準(zhǔn)儀在位移測(cè)量狀態(tài)下的原理示意圖；

圖5為基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)在CCD像元上成像位置示意圖；

圖6為本實(shí)用新型成像系統(tǒng)組成原理示意圖；

附圖標(biāo)記如下：1—光學(xué)鏡頭；2—圖像傳感器；3—觸發(fā)控制單元；4—遠(yuǎn)程通訊單元；5—核心控制功能單元；6—處理存儲(chǔ)單元；11—大型結(jié)構(gòu)物；12—成像系統(tǒng)；13—測(cè)量靶標(biāo)；14—基準(zhǔn)靶標(biāo)；15—支桿；16—測(cè)量靶標(biāo)圖像；17—基準(zhǔn)靶標(biāo)圖像；18—顯示屏幕；20——數(shù)據(jù)處理中心；21—基準(zhǔn)沉降探頭；22—測(cè)量沉降探頭；23—通液管；24—變形測(cè)量區(qū)域；25—穩(wěn)定區(qū)域；26—激光測(cè)距儀；27—地面；28—激光測(cè)距儀出射反射激光。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型的測(cè)量系統(tǒng)主要用于大型結(jié)構(gòu)物頂部、腰等關(guān)鍵部位的位移或形變測(cè)量，同時(shí)對(duì)其地表沉降進(jìn)行測(cè)量，其中大型結(jié)構(gòu)物包括隧道、巖洞、房屋、地下室和橋梁等，下面以隧道為例。

如圖1和圖2所示，用于大型結(jié)構(gòu)物垂直位移及地表沉降的測(cè)量裝置，包括設(shè)置在遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)處理中心20和若干個(gè)測(cè)量單元，其中每個(gè)測(cè)量單元包括成像系統(tǒng)12、基準(zhǔn)靶標(biāo)14、靜力水準(zhǔn)儀、不少于一只的測(cè)量靶標(biāo)13，靜力水準(zhǔn)儀包括由通液管23相聯(lián)通的基準(zhǔn)沉降探頭21和若干只測(cè)量沉降探頭22。數(shù)據(jù)處理中心20設(shè)置在測(cè)量遠(yuǎn)端，成像系統(tǒng)12安裝在大型結(jié)構(gòu)物合適的位置，測(cè)量沉降探頭22和測(cè)量靶標(biāo)13固定在大型結(jié)構(gòu)物11的側(cè)壁或頂部，基準(zhǔn)靶標(biāo)14設(shè)置在其中某只測(cè)量沉降探頭22上，且基準(zhǔn)靶標(biāo)14和測(cè)量靶標(biāo)13在成像系統(tǒng)12的敏感元的不同位置上成像。

為了實(shí)現(xiàn)地表沉降測(cè)量，每個(gè)單元還包括不少于一只的激光測(cè)距儀26，激光測(cè)距儀26設(shè)置在測(cè)量靶標(biāo)13所在的大型結(jié)構(gòu)物的對(duì)應(yīng)位置處，并垂直指向待測(cè)的地面目標(biāo)處，可以測(cè)量得到激光器出口和反射地面27之間的距離，其中28為激光測(cè)距儀出射和反射的激光，激光測(cè)距儀就是通過測(cè)量反射到目標(biāo)的光來計(jì)算得到激光器出口和目標(biāo)之間的距離。在實(shí)施中可將測(cè)量靶標(biāo)13固定在激光測(cè)距儀26的外殼上，這樣可以由測(cè)量靶標(biāo)13的位移來得到激光測(cè)距儀26自身的位移抖動(dòng)。需要說明的是，一個(gè)測(cè)量單元中可能包含若干個(gè)測(cè)量靶標(biāo)13，但是激光測(cè)距儀26則根據(jù)地面測(cè)量的需求，數(shù)量可以少于測(cè)量靶標(biāo)的數(shù)量。

數(shù)據(jù)處理中心獲取靜力水準(zhǔn)儀、激光測(cè)距儀和成像系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果后，根據(jù)沉降探頭、基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算得到測(cè)量點(diǎn)的位移或變形參數(shù)，再根據(jù)測(cè)量靶標(biāo)和激光測(cè)距儀的結(jié)果，計(jì)算得到地表沉降參數(shù)。

由于成像系統(tǒng)在測(cè)量應(yīng)用中固定在大型結(jié)構(gòu)物上，自身也隨著基礎(chǔ)產(chǎn)生位移和變形，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確，為了矯正成像系統(tǒng)自身帶來的誤差，本實(shí)用新型引入的基準(zhǔn)靶標(biāo)，并將基準(zhǔn)靶標(biāo)固定在靜力水準(zhǔn)儀的一個(gè)沉降探頭上，并通過靜力水準(zhǔn)儀的結(jié)果測(cè)量得到基準(zhǔn)靶標(biāo)的位移參數(shù)，這樣只需要測(cè)量得到基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)之間的相對(duì)位移，即可以得到測(cè)量點(diǎn)的準(zhǔn)確位移，從而對(duì)成像系統(tǒng)的自身進(jìn)行校準(zhǔn)。此外將激光測(cè)距儀和測(cè)量靶標(biāo)相結(jié)合，通過前面的基準(zhǔn)靶標(biāo)得到測(cè)量靶標(biāo)的自身位移，再結(jié)合激光測(cè)距儀測(cè)量得到的測(cè)量靶標(biāo)和地表之間的距離變化，就可以得到地表的沉降參數(shù)。

靜力水準(zhǔn)儀的工作原理如圖3和圖4所示，圖中給出了1#、2#、3#和4#探頭，其中1#探頭作為基準(zhǔn)沉降探頭21，設(shè)置在大型結(jié)構(gòu)物設(shè)置在大型結(jié)構(gòu)物外部或內(nèi)部位移或變形可忽略的穩(wěn)定區(qū)域25，而2#、3#和4#探頭作為測(cè)量沉降探頭14則設(shè)置在隧道的頂部、腰部等需要測(cè)量的區(qū)域，其中的一只測(cè)量沉降探頭上固定有基準(zhǔn)靶標(biāo)22。測(cè)量時(shí)成像系統(tǒng)12將該基準(zhǔn)靶標(biāo)和該區(qū)域的其他測(cè)量靶標(biāo)一起成像，從而計(jì)算得到測(cè)量靶標(biāo)和基準(zhǔn)靶標(biāo)之間的相對(duì)位移。

圖3中靜力水準(zhǔn)儀在初始靜態(tài)狀態(tài)下，由通液管連通的每只測(cè)量探頭的液平面平齊，即H10＝H20＝H30＝H40，當(dāng)靜力水準(zhǔn)儀處于圖4所示的位移測(cè)量狀態(tài)時(shí)，1#探頭處于穩(wěn)定區(qū)域，作為基準(zhǔn)液面；而2#、3#、4#處于測(cè)量區(qū)域，隨著測(cè)量點(diǎn)的上下位置起伏而出現(xiàn)了液面的上升或下降。

根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量原理，有△h1＝H1-H10、△h2＝H2-H20、△h3＝H3-H30、△h4＝H4-H40……△hi＝Hi-Hi0。其中計(jì)算結(jié)果：△hi為正值表示該測(cè)點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面升高，△hi為負(fù)值表示該測(cè)點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面降低。當(dāng)選定測(cè)點(diǎn)1為基準(zhǔn)點(diǎn)，則其它各測(cè)點(diǎn)相對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移(沉降量)為：△H2＝△h1-△h2、△H3＝△h1-△h3、△H4＝△h1-△h4、……△Hi＝△h1-△hi。其中計(jì)算結(jié)果：△Hi為正值表示該測(cè)點(diǎn)地基抬高，△Hi為負(fù)值表示該測(cè)點(diǎn)地基沉降。如果知道兩測(cè)點(diǎn)間的水平距離L，則兩測(cè)點(diǎn)間相對(duì)傾斜的變化也可算得。由此可知，通過測(cè)量沉降探頭與基準(zhǔn)沉降探頭之間的液面差，即可得到該材料沉降探頭的位移值，進(jìn)而也得到安裝在該材料沉降探頭上的基準(zhǔn)靶標(biāo)的位移值。

測(cè)量靶標(biāo)13和基準(zhǔn)靶標(biāo)14在CCD光敏元上的成像如圖5所示，圖中16、17分別為測(cè)量靶標(biāo)圖像和基準(zhǔn)靶標(biāo)圖像，18為顯示屏幕。由于基準(zhǔn)靶標(biāo)14處在位移為零或位移很小的橋墩附近，因此其位移可忽略，而測(cè)量靶標(biāo)13和成像系統(tǒng)12均處在橋梁中部位移和形變最大的區(qū)域，當(dāng)載重車輛駛?cè)霕蛄簳r(shí)，會(huì)使得測(cè)量靶標(biāo)13的圖像產(chǎn)生上下方向的位移x1,而成像系統(tǒng)CCD自身產(chǎn)生的本底位移就是基準(zhǔn)靶標(biāo)14的位移xO，對(duì)其進(jìn)行扣除，可得到準(zhǔn)確的測(cè)量點(diǎn)位移值。

如圖6所示,成像系統(tǒng)包括光學(xué)鏡頭1、圖像傳感器2、核心控制功能單元5、處理存儲(chǔ)單元6和遠(yuǎn)程通訊單元4；圖像傳感器2為CCD或CMOS傳感器，核心控制功能單元5包括觸發(fā)信號(hào)檢測(cè)模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像灰度化及縮放模塊和靶標(biāo)圖像特征提起及識(shí)別模塊，用于靶標(biāo)圖像的處理和識(shí)別；處理存儲(chǔ)單元6與核心控制功能單元5相聯(lián)，用于圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理；遠(yuǎn)程通訊單元4與處理存儲(chǔ)單元6聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。

光學(xué)鏡頭1瞄準(zhǔn)被測(cè)量目標(biāo)上設(shè)置的靶標(biāo)，在應(yīng)用中可選變焦距的鏡頭，將不同距離、不同大小的目標(biāo)成像至圖像傳感器上，這種工作方式對(duì)測(cè)量目標(biāo)具有良好的適應(yīng)性，并具有測(cè)量范圍大的特點(diǎn)，其中圖像傳感器2為CCD或CMOS傳感器，用于實(shí)時(shí)獲取被測(cè)量目標(biāo)的圖像。

本實(shí)用新型的靶標(biāo)可以為目標(biāo)對(duì)象上的一個(gè)特定圖案或連續(xù)工作的加電靶標(biāo)。本裝置對(duì)靶標(biāo)要求不高，如果采用加電的LED或LD燈帶作為靶標(biāo)，則可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候的工作，并具有特征目標(biāo)提取方便和準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)，測(cè)量精度也相應(yīng)提高。

觸發(fā)控制單元3用于提供遠(yuǎn)程位移傳感器所需的觸發(fā)信號(hào)，傳感器平時(shí)不工作，只有當(dāng)外界觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，位移傳感器才開始工作，減小了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲毫Α＿h(yuǎn)程通訊單元4與處理存儲(chǔ)單元6聯(lián)接，用于圖像數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送。

遠(yuǎn)程通訊單元4可以為無線GPRS系統(tǒng)、3G、4G等無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊或光纜等有線傳輸系統(tǒng)，將測(cè)量結(jié)果傳輸至遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)處理中心20，滿足了遠(yuǎn)程無人值守全天候的野外工作要求。

本實(shí)用新型用于大型結(jié)構(gòu)物垂直位移或變形參數(shù)具體測(cè)量步驟如下：

[1]安裝：在大型結(jié)構(gòu)物上安裝測(cè)量靶標(biāo)、基準(zhǔn)靶標(biāo)、靜力水準(zhǔn)儀、激光測(cè)距儀，其中靜力水準(zhǔn)儀的測(cè)量沉降探頭和測(cè)量靶標(biāo)固定在大型結(jié)構(gòu)物的側(cè)壁或頂部，測(cè)量靶標(biāo)安裝在待測(cè)量點(diǎn)位置，基準(zhǔn)靶標(biāo)設(shè)置在對(duì)應(yīng)的測(cè)量沉降探頭上；激光測(cè)距儀設(shè)置在測(cè)量靶標(biāo)所在的大型結(jié)構(gòu)物的對(duì)應(yīng)位置處，并垂直指向待測(cè)的地面目標(biāo)處。

[2]測(cè)量：開啟成像系統(tǒng)，使得基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)在成像系統(tǒng)的敏感元的不同位置上成像，開啟靜力水準(zhǔn)儀，測(cè)量基準(zhǔn)靶標(biāo)所在的測(cè)量沉降探頭的高度值；開啟激光測(cè)距儀，對(duì)激光測(cè)距儀和地面目標(biāo)之間的距離；

[3]校準(zhǔn)：對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲取基準(zhǔn)靶標(biāo)和測(cè)量靶標(biāo)的位移值；對(duì)靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到測(cè)量沉降探頭的位移值；并根據(jù)測(cè)量沉降探頭的位移值對(duì)測(cè)量靶標(biāo)的位移值進(jìn)行修正校準(zhǔn)，扣除成像系統(tǒng)因自身安裝基礎(chǔ)位移帶來的測(cè)量誤差，獲得測(cè)量靶標(biāo)所在測(cè)量點(diǎn)的真實(shí)位移值；并根據(jù)激光測(cè)距儀測(cè)量得到的距離變化值，計(jì)算得到地面的沉降參數(shù)。

上述用于大型結(jié)構(gòu)物本體垂直位移和地表沉降的測(cè)量方法中，步驟[3]中的校準(zhǔn)步驟包括：

[3.1]根據(jù)測(cè)量靶標(biāo)的位置變化值，并結(jié)合測(cè)量靶標(biāo)與成像系統(tǒng)之間的距離、成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到測(cè)量靶標(biāo)的位移值x1；

[3.2]根據(jù)基準(zhǔn)靶標(biāo)的位置變化值，并結(jié)合基準(zhǔn)靶標(biāo)與成像系統(tǒng)之間的距離、成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，計(jì)算得到基準(zhǔn)靶標(biāo)的位移值x0；

[3.3]根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀中基準(zhǔn)沉降探頭和測(cè)量沉降探頭的液面高度，計(jì)算得到測(cè)量沉降探頭的位移值y0；

[3.4]激光測(cè)距儀測(cè)量得到激光測(cè)距儀和地面之間的位移變化值m；

[3.5]經(jīng)校準(zhǔn)后測(cè)量靶標(biāo)所在的測(cè)量點(diǎn)的位移x11＝x1+y0-x0；

[3.6]地表沉降參數(shù)n＝x11-m。

其計(jì)算原理如下：

假設(shè)測(cè)量過程中成像系統(tǒng)因基礎(chǔ)不穩(wěn)同步移動(dòng)了位移z，由于基準(zhǔn)靶標(biāo)是設(shè)置在測(cè)量沉降探頭上，則對(duì)于基準(zhǔn)靶標(biāo)有y0＝x0+z(1)

對(duì)于測(cè)量靶標(biāo)而言，其真實(shí)的位移值x11＝x1+z(2)

公式(1)和(2)聯(lián)立計(jì)算得到x11＝x1+y0-x0；計(jì)算中取位移向上為正值,向下為負(fù)值。

地表沉降的測(cè)量步驟如下：

[2.1]數(shù)據(jù)處理中心獲取激光測(cè)距儀測(cè)量得到的地面和激光出口之間的位移變化值m，其中m是將實(shí)測(cè)的距離與原始距離進(jìn)行相減后獲得；

[2.2]根據(jù)前面步驟[3.5]得到激光測(cè)距儀所對(duì)應(yīng)的測(cè)量靶標(biāo)所在的測(cè)量點(diǎn)的位移x11；

[2.3]則地表沉降參數(shù)n＝x11-m。

本實(shí)用新型已在橋梁位移檢測(cè)中得到應(yīng)用，目前可測(cè)量位移的量程為10m級(jí)，測(cè)量精度達(dá)0.1mm級(jí)，時(shí)間分辨率為100ms。這種方案還實(shí)現(xiàn)了地表沉降參數(shù)的無擾動(dòng)測(cè)量，對(duì)于隧道等大型結(jié)構(gòu)物來說，不影響內(nèi)部車輛的通行，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。