一种确定建筑物监测点空间位置的测量系统及方法

摘要

本发明公开了一种确定建筑物监测点空间位置的测量系统，其特征在于：包括n个信号发射装置和N个信号接收装置，所述的n个信号发射装置安装在空间n个不动点上，用于发射电波和超声波；所述的N个信号接收装置安装在N个被测点上，用于接收信号发射装置发射的电波和超声波；其中n∈N+，N∈N+。本发明的测量系统及方法，利用超声波和电波在空间的传输速度不同的特性测量两点间的距离，进而确定被测点在空间的位置。

说明书

技术领域

本发明涉及结构安全监测领域，特别涉及一种确定建筑物监测点空间位置的测量系统及方法。

背景技术

建筑结构的位移实时监测是结构安全监测的重要内容之一。例如一栋高层建筑，如果能测得沿高度若干点的水平位移，就可推断出结构的受力状态，进而判断结构是否安全。再如大跨度结构，如果能测得若干点的竖向位移，也可推断出结构的受力状态，并判断结构是否安全。

要测量结构某点的位移，可测量该点与某不动点的距离。如果所测距离发生了变化，就意味着该点发生了位移。这样，就将测量结构位移问题转化为测量距离问题。

测量两点间距离的方法有很多，如雷达测距、超声波测距、激光测距等。这些测距方法都是利用发射波(电磁波、声波、光波)到达被测物体的反射波到达发射处的时差来测距的。这些测距方法的优点是被测点不需放置任何装置，发射和接收装置都设置在同一位置；其缺点是在被测物体和测距装置间有障碍物时，所测得的距离为障碍物与测距装置间的距离而非被测物体与测距装置间的距离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种确定建筑物监测点空间位置的测量系统，其利用超声波和电波(无线电波或有线电波)在空间的传输速度不同的特性测量两点间的距离。

本发明的另一目的在于提供一种确定建筑物监测点空间位置的测量方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种确定建筑物监测点空间位置的测量系统，包括n个信号发射装置和N个信号接收装置，所述的n个信号发射装置安装在空间n个不动点上，用于发射电波和超声波；所述的N个信号接收装置安装在N个被测点上，用于接收信号发射装置发射的电波和超声波；其中n∈N⁺，N∈N⁺。

所述的信号发射装置的数量n，根据被测点的运动情况而设置：

(1)被测点直线运动：n≥1；

(2)被测点平面运动：n≥2且不能同时有三个点在同一直线上；

(3)被测点空间运动：n≥3且不能同时有四个点在同一平面上。

根据被测点的运动情况而灵活设置信号发射装置的数量，首先保证了测量的精度，其次在保证测量精度的基础上尽可能的减少投入成本；若要求测量精度更高、误差更小，可以通过增加信号发射装置的数量来实现。

所述的电波和超声波中的信号波为正弦信号波。

所述的电波为无线电波或有线电波。

所述的n个信号发射装置发射的电波和超声波为同一频率的信号分n个时段发射，或者n个不同频率的信号同时或不同时发射。

本发明的另一目的通过以下的技术方案实现：

一种确定建筑物监测点空间位置的测量方法，包含以下顺序的步骤：

(1)被测点运动被限制在某一直线上的测点位置确定：

设被测点在x轴上运动：在x轴上n个位置i设置信号发射装置S_i，其中i＝1，2，……，n；n≥1；在N个被测点m设置信号接收装置R_m，m＝1，2，……，N；N≥1；各信号发射点i与被测点m间的距离D_im，被测点m的定位坐标x_m与发射点i的定位坐标x_i存在如下关系：

|x_m-x_i|＝D_im   i＝1,2,n；

x_m＝x_i±D_im   i＝1,2,n；

如果n＝1，则x_m有两个解，所确定的点I_m为重解；可根据被测点的布置实际情况确定一个正确解；

如果n>1，可求下式的极小值确定x_m：

$>\Delta \left(x_m\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[{(x_m-x_i)}^2-D_{\mathrm{im}}^2]}^2;$>

(2)被测点运动被限制在某一平面上的测点位置确定：

设被测点在xy平面运动：在xy平面n个位置i设置信号发射装置S_i，其中i＝1，2，……，n；n≥2；要求没有三个信号发射装置在一条直线上；在N个被测点m设置信号接收装置R_m，其中m＝1，2，……，N；N≥1；各信号发射点i与被测点m间的距离D_im；被测点m的定位坐标(x_m,y_m)与发射点i的定位坐标(x_i,y_i)存在如下关系：

$>{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2=D_{\mathrm{im}}^2,i=\mathrm{1,2},n;$>

如果n＝2，则可解出(x_m,y_m)；但由于是二次方程，其解有重解，即与两测点连线对称的两个点均为方程的解，所确定的点I_m为重解；可根据被测点的布置实际情况确定一个正确解；

如果n>2，可求下式的极小值确定(x_m,y_m)：

$>\Delta (x_m,y_m)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2-D_{\mathrm{im}}^2]}^2;$>

(3)被测点在三维空间运动的测点位置确定：

设被测点在三维空间运动：在三维空间n个位置i设置信号发射装置S_i，其中i＝1，2，……，n；n≥3；要求没有四个发射装置在同一平面上；在N个被测点m设置N个信号接收装置R_m，其中m＝1，2，……，N；N≥1；各信号发射点i与测点m间的距离D_im；测点m的定位坐标(x_m,y_m,z_m)与发射点i的定位坐标(x_i,y_i,z_i)存在如下关系：

$>{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2{+(z_m-z_i)}^2=D_{\mathrm{im}}^2,i=\mathrm{1,2},n;$>

如果n＝3，则可解出(x_m,y_m,z_m)，但由于是二次方程，其解有重解，即与三测点所确定的平面对称的两个点均为方程的解，所确定的点I_m为重解；可根据被测点的布置实际情况确定一个正确解；

如果n>3，可求下式的极小值确定(x_m,y_m,z_m)：

$>\Delta (x_m,y_m,z_m)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2+{(z_m-z_i)}^2-D_{\mathrm{im}}^2]}^2.$>

本发明的工作原理如下所示：

如图1，在某不动点i放置发射装置，用电波(无线电波或有线电波)和超声波同时发射正弦信号波；在被测点m放置接收装置，接收发射装置发送的电波和超声波。发射装置与接收装置间的距离为D。

如图2，接收装置接收的电波信号101与接收装置接收的超声波信号102之间有一时间差T，该时间差是因电波的传播速度V_e与超声波的传播速度V_s不同而引起的。根据波的传播理论可得:

$>T=\frac{D}{V_s}-\frac{D}{V_e}=D(\frac{1}{V_s}-\frac{1}{V_e})$>

进而可得:

$>D=\frac{T}{\frac{1}{V_s}-\frac{1}{V_e}}$>

由于电波的传播速度是300000000m/s，而超声波在空气中的传播速度是340m/s，电波的传播速度是超声波在空气中的传播速度的882353倍，即电波传播所占用时间是超声波在空气中的传播所占用时间的882353倍，故可忽略电波传播所占用时间近似认为进而可得D＝V_sT。

这样，只要测得超声波到达测点的延时T，就可得超声波信号发射点到接收点的距离D。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

A、现有技术利用波的反射测量两点间的距离，如果被测点和测点间存在障碍物，实测距离为测点与障碍物之间的距离，现有反射测量技术失效。本发明在被测点安装信号接收装置，由于电波和超声波能绕过障碍物传播，故测量效果不受障碍物的影响。

B、现有技术利用波的反射测量两点间的距离，能量损失大。本发明的接收装置直接接受发射波，能量利用率高，其测量效率、测量精度、测量距离都比现有技术大幅度提高。

C、可同时布置多个发射点以提高测量精度。

D、可同时布置多个接受点，同时测量多个点的距离及位移。

附图说明

图1为本发明电波和超声波的发射装置和接收装置安装示意图；

图2为本发明接收装置接收到的电波和超声波信号时间差示意图；

图3为本发明被测点运动被限制在直线上的测量系统示意图；

图4为本发明为被测点运动被限制在直线上的最少发射点测量系统示意图；

图5为本发明被测点运动被限制在平面上的测量系统示意图；

图6为本发明被测点运动限制在平面上的最少发射点测量系统示意图；

图7为本发明被测点在三维空间运动的测量系统示意图；

图8为本发明被测点在三维空间运动的最少发射点测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种确定建筑物监测点空间位置的测量系统，包括n个信号发射装置和N个信号接收装置，所述的n个信号发射装置安装在空间n个不动点上，用于发射电波和超声波；所述的N个信号接收装置安装在N个被测点上，用于接收信号发射装置发射的电波和超声波；其中n∈N⁺，N∈N⁺。

所述的信号发射装置的数量n，根据被测点的运动情况而设置：

(1)被测点直线运动：n≥1；

(2)被测点平面运动：n≥2且不能同时有三个点在同一直线上；

(3)被测点空间运动：n≥3且不能同时有四个点在同一平面上；

所述的电波和超声波为正弦信号波；

所述的电波为无线电波或有线电波；

所述的n个信号发射装置发射的电波和超声波为同一频率的信号分n个时段发射，或者n个不同频率的信号同时或不同时发射。

如图1，在某不动点i放置发射装置，用电波(无线电波或有线电波)和超声波同时发射正弦信号波，在被测点m放置接收装置，接收发射装置的电波和超声波。发射装置与接收装置间的距离为D。利用超声波和电波在空间的传输速度不同的特性测量两点间的距离D。

下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明：

实施例一

被测点运动被限制在某一直线上的测点位置确定

如图3，设被测点在x轴上运动。在x轴上不同的位置放置n个发射装置S_i，i＝1，2，……，n；n≥1。在被测点m放接收装置R_m，m＝1，2，……，N；N≥1。可利用测量装置测得各发射点i与测点m间的距离D_im。测点m的定位坐标x_m与发射点i的定位坐标x_i存在如下关系：

|x_m-x_i|＝D_im   i＝1,2,n；

x_m＝x_i±D_im   i＝1,2,n；

如果n＝1(图4)，则x_m有两个解，所确定的点I_m为重解。可根据测点的布置实际情况确定一个正确解。如果n>1，可求下式的极小值确定x_m：

$>\Delta \left(x_m\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[{(x_m-x_i)}^2-D_{\mathrm{im}}^2]}^2.$>

实施例二

被测点运动被限制在某一平面上的测点位置确定

如图5，设被测点在xy平面运动。在xy平面不同的位置放置n个发射装置S_i，i＝1，2，……，n；n≥2；要求没有三个发射装置在一条直线上。在被测点m放置接收装置R_m，m＝1，2，……，N；N≥1。可利用测量装置测得各发射点i与测点m间的距离D_im。测点m的定位坐标(x_m,y_m)与发射点i的定位坐标(x_i,y_i)存在如下关系：

$>{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2=D_{\mathrm{im}}^2,i=\mathrm{1,2},n;$>

如果n＝2(图6)，则可解出(x_m,y_m)。但由于是二次方程，其解有重解。即与两测点连线对称的两个点均为方程的解，所确定的点I_m为重解。可根据测点的布置实际情况确定一个正确解。如果n>2，可求下式的极小值确定(x_m,y_m)。

$>\Delta (x_m,y_m)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2-D_{\mathrm{im}}^2]}^2.$>

实施例三

被测点在三维空间运动的测点位置确定

如图7，设被测点在三维空间运动。在三维空间不同的位置放置n个发射装置S_i，i＝1，2，……，n；n≥3；要求没有四个发射装置在同一平面上。在被测点m放置N个接收装置R_m，m＝1，2，……，N；N≥1。可利用测量装置测得各发射点i与测点m间的距离D_im。测点m的定位坐标(x_m,y_m,z_m)与发射点i的定位坐标(x_i,y_i,z_i)存在如下关系：

$>{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2{+(z_m-z_i)}^2=D_{\mathrm{im}}^2,i=\mathrm{1,2},n;$>

如果n＝3(图8)，则可解出(x_m,y_m,z_m)。但由于是二次方程，其解有重解。即与三测点所确定的平面对称的两个点均为方程的解，所确定的点I_m为重解。可根据测点的布置实际情况确定一个正确解。如果n>3，可求下式的极小值确定(x_m,y_m,z_m)。

$>\Delta (x_m,y_m,z_m)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[{(x_m-x_i)}^2+{(y_m-y_i)}^2+{(z_m-z_i)}^2-D_{\mathrm{im}}^2]}^2$>

上述实例中的n个发射装置的发射信号，可以是同一频率的信号分n个时段发射，也可以是n个不同频率的信号同时或不同时发射。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。