专利名称：一种测量建筑物垂直位移的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种测量装置及测量方法，特别涉及一种用于测量建筑物垂直位移的
装置及方法。
背景技术：
由于目前国内所涉及到的建筑物垂直位移的测量装置比较少，而且测量精度不够 高，不能实现对建筑物垂直位移的准确测量，给需要采集建筑物垂直位移的工作人员带来 很大的不便。

发明内容
本发明的目的是提供一种应用地球重力面作基准面的连通管技术，能够准确地测 量出建筑物垂直位移的装置和方法，可解决目前测量建筑物垂直位移不准确和测量精度不 高的问题。 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的 —种测量建筑物垂直位移的装置，一种测量建筑物垂直位移的装置，包括一个光 学透镜，该光学透镜一侧的焦点设置有光源，光学透镜另一侧设置有与外围单片机系统连 接的光接收受器件，其特征在于，在光学透镜与光接收受器件之间的光路上设置有一个竖 直玻璃管，该玻璃管下部与一个置于建筑物垂直位移基点的大液体容器连通，该大液体容 器中装有透光液体，其液面高度与玻璃管下部透光液体液面的高度一致；玻璃管的上部装 有与下部透光液体不相溶的透光率低的液体，两种互不相溶的液体之间在玻璃管中形成水 平的液位分界面。 上述方案中，所述外围单片机系统包括完成程控驱动、信号处理和识别、数据采集 及与计算机的通讯的基本单元模块。 所述光源为激光器或光电二极管；所述光接收器件为CCD感光器或PSD光电器件。 所述透光液体为含有防冻液的蒸馏水；上部透光率低的液体，其透光率为0_20%。
—种用前述装置来测量建筑物垂直位移的方法，其特征在于，包括下述步骤
(a)相对不动点高度的测量 首先打开光源使其发出的光透过光学透镜转化为平行光，照射到装有两种液体的 竖直玻璃管上；接着，照射到玻璃管下部的光经透光液体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体阻挡，从而使玻璃管上下部的液位分界面在光接收器件上 形成水平投影线，该水平投影线的高度hl即为玻璃管下部透光液面的高度；也即与玻璃管 下部连通的大容器液位高度，为相对不动点高度；
(b)相对动点高度的测量 当建筑物产生垂直位移时，置于建筑物垂直位移基点上的大液体容器也随之产生 垂直位移，从而使与其连通的玻璃管下部透光液体的液面也产生位移，光接收器件采集到 的水平投影线高度随之变化为h2，称为相对动点高度，
(c)将步骤(b)得到的相对动点高度h2与步骤(a)得到的相对不动点高度hi比 较，两者的差值即为建筑物发生的垂直位移。 与现有技术相比，本发明测量装置选择应用地球重力面作基准面的静力水准连通 管技术方案，根据连通管内的液体介质在重力作用下保持液面高程一致的连通管原理，采 用两种互不相溶的液体之间所形成的液位分界面，当光源发出的光透过光学透镜转化为平 行光后，照射到装有两种液体的测量玻璃管上。下半部分光可以透射过去，进而被CCD器件 或PSD光电器件接收；上半部分的光不能透射过去，CCD器件或PSD光电器件采集到的高度 为下半部分液体液面高度(即相对不动点高度)，当建筑物产生垂直位移时，测量玻璃管的 下半部分液体的液面也会产生位移(升高或者降低)，此时CCD器件或PSD光电器件采集 到的液位分界面位置也发生了变化，将此时采集到的液位分界面位置与相对不动点高度比 较，就可精确获得建筑物垂直位移的数值。 此外，本发明测量管上部采用与下部透光液体不相溶的透光率低的液体，不但可
以清晰地得到下部液体液面的位置，而且上部液体还起到挡渣的作用。防止在测量过程中
有不透光的杂质附着到玻璃管壁、落入下部液体中，使透射过玻璃管的光的垂直方向范围
受影响，导致CCD器件或PSD光电器件采集到的数据不准确，从而影响测量的精度。 本发明装置可广泛用于测量大坝、桥梁、码头、高边坡、地裂缝、断层、软弱夹层等
的垂直变形。


图1为本发明用于建筑物垂直位移监测装置的结构原理示意图。
图中，1、光源；2、光学透镜；3、透光液体；4、上下层不相溶液体水平液位分界面；
5、透光率低的液体；6、液位分界面的水平投影线；7、 CCD感光器或PSD光电器件；8、竖直玻璃管。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。 如图1所示， 一种测量建筑物垂直位移的装置，由光源1 (激光器或光电二极管)、 光学透镜2、玻璃管8、 CCD感光器或PSD光电器件7等组成。光源1和CCD感光器7或PSD 光电器件都固定在仪器底板上。光源1置于透镜的焦点处，透过透镜2的平行光视场足够 大，以能充分覆盖整个测量范围和CCD感光器或PSD光电器件7。玻璃管8上部装有透光率 低的液体5 ;下部与大液体容器(图中未画出)连通，大液体容器放置在相对垂直方向无位 移的平面上(建筑物垂直位移基点)，其中装有透光液体(从经济角度考虑，本发明采用含 有防冻液的蒸馏水)，其液面高度与玻璃管8下部液面高度保持一致。由于玻璃管8连通大 液体容器，因此其下部溶液也为透光液体，透光液体3与上部透光率低的液体5(从各个角 度考虑，本发明采用透光率在0-20%的重油或饱和酚的一种)不相溶。两种互不相溶的液 体在玻璃管8中形成一道水平的液位分界面4。 用图1所装置来测量建筑物垂直位移的方法，在建筑物产生垂直位移前，当光源1 发出的光透过光学透镜2转化为平行光后(光源1置于透镜的焦点处)，照射到装有两种 液体的玻璃管8上。下部液体透光，上部液体隔光，水平液位分界面4投影到CCD感光器或
4PSD光电器件7上的水平投影线6即为下部液体的液面高度hl。 当建筑物产生垂直位移前，置于建筑物垂直位移基点上的大液体容器也随之产生 垂直位移，从而使与其连通的玻璃管8下部透光率低的液体3的液面也产生位移，此时CCD 感光器或PSD光电器件测到的高度值为h2，称为相对动点高度，将h2与之前不动点高度hl 相比较，得出的差值即为建筑物垂直方向产生的位移。 上部液体采用与下部液体不相溶且透光率低的液体5，不但可以使CCD感光器或 PSD光电器件7清晰地得到透光液体3液面的高度，而且透光率低的液体5还起到挡渣的作 用。防止在测量过程中有杂质粘贴到玻璃管壁、落入透光液体3中，使透射过玻璃管的光的 垂直方向范围受影响，导致CCD感光器或PSD光电器件7采集到的数据不准确，从而影响测 量的精度。 本发明所说的大液体容器可与多个图1装置的玻璃管8多点连通，建立多个测点。
CCD感光器或PSD光电器件7可与外围单片机系统(包括完成程控驱动、信号处理 和识别、数据采集及与计算机的通讯等模块)连接。当平行光照向CCD感光器或PSD光电 器件时，玻璃管8内水平液位分界面4在CCD感光器或PSD光电器件上产生一个水平投影 线6，CCD感光器或PSD光电器件的像元将光强转换成电荷量存储。CCD感光器或PSD光电 器件驱动器产生相应逻辑时序将电荷信息移出，输出信号经过整形处理后，算出水平液位 分界面4的准确位置，据此得到测点液面的位移值，结果经通信接口发送到监测计算机或 其他外接设备。程控驱动、信号处理和识别、数据采集及与计算机的通讯等功能都是由外围 单片机系统来实现。
权利要求
一种测量建筑物垂直位移的装置，包括一个光学透镜，该光学透镜一侧的焦点设置有光源，光学透镜另一侧设置有与外围单片机系统连接的光接收受器件，其特征在于，在光学透镜与光接收受器件之间的光路上设置有一个竖直玻璃管，该玻璃管下部与一个置于建筑物垂直位移基点的大液体容器连通，该大液体容器中装有透光液体，其液面高度与玻璃管下部透光液体液面的高度一致；玻璃管的上部装有与下部透光液体不相溶的透光率低的液体，两种互不相溶的液体之间在玻璃管中形成水平的液位分界面。
2. 如权利要求1所述的测量建筑物垂直位移的装置，其特征在于，所述下部透光液体 为含有防冻液的蒸馏水；上部透光率低的液体，其透光率为0-20%。
3. 如权利要求1所述的测量建筑物垂直位移的装置，其特征在于，所述外围单片机系 统包括完成程控驱动、信号处理和识别、数据采集及与计算机的通讯的基本单元模块。
4. 如权利要求1所述的测量建筑物垂直位移的装置，其特征在于，所述光源为激光器 或光电二极管；所述光接收器件为CCD感光器或PSD光电器件。
5. —种测量建筑物垂直位移的方法，是基于权利要求1测量建筑物垂直位移的装置来 实现的，其特征在于，包括下述步骤(a) 、相对不动点高度的测量首先打开光源使其发出的光透过光学透镜转化为平行光，照射到装有两种液体的竖直 玻璃管上；接着，照射到玻璃管下部的光经透光液体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体阻挡，从而使玻璃管上下部的液位分界面在光接收器件上形成 水平投影线，该水平投影线的高度hl即为玻璃管下部透光液面的高度；也即与玻璃管下部 连通的大容器液位高度，为相对不动点高度；(b) 、相对动点高度的测量当建筑物产生垂直位移时，置于建筑物垂直位移基点上的大液体容器也随之产生垂直 位移，从而使与其连通的玻璃管下部透光液体的液面也产生位移，光接收器件采集到的水 平投影线高度随之变化为h2，称为相对动点高度，(c) 、将步骤(b)得到的相对动点高度h2与步骤(a)得到的相对不动点高度hl比较， 两者的差值即为建筑物发生的垂直位移。
全文摘要
本发明公开了一种测量建筑物垂直位移的装置及方法，该装置应用连通管原理多点连通，通过对连通容器中的液面分界面位置进行测量，将设备安装处的微小高程变化转换为液面分界面的垂直方向的位置变化，由CCD传感器或PSD光电器件直接检测液面分界面的垂直位置变化。采用单片机实现CCD器件或PSD光电器件的程控驱动、信号处理和识别、数据采集、与计算机通讯等功能。该仪器将传感器和外围电路集成，并设计专用模具制造，仪器的整体性和密封性能好，便于安装。该仪器可用于观测大坝、桥梁、码头、高边坡、地裂缝、断层、软弱夹层等的垂直变形。
文档编号G01C5/04GK101788286SQ20101012933
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者乐开端, 张铭, 闫昕 申请人:西安交通大学;西安华腾光电有限责任公司