一种高速铁路结构物沉降监测装置及监测方法

摘要

本发明公开了一种高速铁路结构物沉降监测装置及监测方法，装置的储液器上部有密封盖，储液器中下部装有传压液，储液器上部通过气管与压力变送器的压力引入端一相连，储液器的下部通过传压管与压力变送器的压力引入端二相连，压力变送器的电信号输出端与数据采集传输系统电连接，数据采集传输系统与控制中心通讯。本发明装置结构简单，精度高，操作方便，使用它可实现环境恶劣地区高速铁路结构物沉降的长期自动化监测。

说明书

技术领域

本发明属于测绘科学与技术领域，特别涉及高速铁路结构物的沉降监测装置及监测方法。

背景技术

我国铁路正在实现跨越式发展，新建高速客运专线和改造既有铁路提速建设方兴未艾。高速行车要求线路结构提供高平顺性的轨道系统。如何精确的监测结构物的沉降变形成为了高速铁路的关键技术问题。

传统的沉降变形监测方法主要有两大类：一是常规的测量方法(大地测量方法与摄影测量方法)；二是物理学传感器方法。常规的测量方法具有测量精度高、资料可靠等优点，但又有观测工作量大、效率低，受气候影响大，不易实现连续和自动化监测，并要求监测点与基点通讯等缺点。物理学传感器如：沉降测试仪器，如剖面沉降仪、磁环沉降仪、电测杆式沉降仪等虽有体积小、寿命长、测量方法简便、采集资料可靠等优点。但是，其观测工作量大、抗震动能力低、受气候影响大且不易实现连续和自动化监测，在精度上也很难满足客运专线沉降观测的要求。而电子水准仪和全站仪，虽能精确测试地基建筑物沉降变形，但需要设置地面基准点，且受气候环境因素影响极大，严重影响现场测试精度。

综上所述，需要开发一种高精度、受环境影响小、测试方法简单、能满足在结构物沉降变形的精确测试装置及方法。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高速铁路结构物沉降监测装置，它能实现高速铁路结构物沉降的自动化连续监测，该装置结构简单、成本低、精度高、受环境影响小能在恶劣环境下进行监测。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种高速铁路结构物沉降监测装置，其特征在于：储液器上部有密封盖，储液器中下部装有传压液，储液器上部通过气管与压力变送器的压力引入端一相连，储液器的下部通过传压管与压力变送器的压力引入端二相连，压力变送器的电信号输出端与数据采集传输系统电连接，数据采集传输系统与控制中心通讯。

本发明的第二个目的是提供一种使用上述沉降监测装置对高速铁路进行沉降监测的方法。

本发明实现其第二个发明目的所采用的技术方案是：一种使用上述沉降监测装置对高速铁路进行沉降监测的方法，其步骤如下：

A、装置安装：将所述的储液器底部用膨胀螺丝固定在待测沉降面上，压力变送器固定在基准桩或零沉降处；

B、监测：首先数据采集传输系统及控制中心读取压力变送器的初始电信号读数R₀；在监测过程中，连续读取压力变送器的电信号读数R_i，下标i为数据读取次数的序号；

C、待测沉降面高度的计算：

当压力变送器为线性传感器时，第i次读数对应的待测沉降面的高度值S_i为：S_i＝kR_i+b，式中，k、b分别为一次项和常数项的拟合系数，通过室内仪器标定确定，为拟合系数，通过室内仪器标定确定；

当压力变送器为非线性传感器时，第i次读数对应的待测沉降面的高度值S_i则为：k₂、k₁、b二次项、一次项和常数项的拟合系数，均通过室内仪器标定实验并利用最小二乘法确定；

D、得出待测沉降面的沉降值

第i次读数对应的待测沉降面的沉降值Δh_i，由下式得出：

Δh_i＝I_tiS_i-I_t0S₀

式中，I_ti为第i次读数时的温度ti对应的总修正系数，I_ti＝span{I_mti，I_lti，I_yti}；I_mti、I_lti、I_yti分别为第i次读数时的温度ti所对应的液体密度修正系数、管路长度修正系数和压力变送器空载修正系数，span{I_mti，I_lti，I_yti}为I_mti、I_lti、I_yti张成的线性空间；

E、数据处理：

控制中心将储存每次监测到的待测沉降面的沉降值Δh_i，并进行处理后画出待测沉降面的位移时程曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、根据液体压强与液面高度成正比的原理，当压力变送器固定于基准桩上，基准桩垂直位置固定不变，而固定于待测沉降面上的储液器则随沉降面的沉降一起沉降，使储液器的液面与压力变送器间的高度差也随之发生变化，也即从压力变送器的压力引入端二引入的液压压强发生变化。而压力变送器的压力引入端一引入的为密封的气体压强，保持不变。压力变送器检测出两端压力差的变化，并据以输出电信号读数。该电信号读数再经过标定、拟合及温度等因素校正后，即可精确得出待测沉降面的沉降值。从而本发明巧妙地利用压力变送器与密封的储液器之间的垂直位置变化，实现了对沉降面的连续自动室外监测。

2、该装置通过密封容器的液面沉降来实现铁路沉降面的沉降监测，将外界环境的干扰影响降至最低，同时通过对温度的校正补偿，使本发明的沉降测试更加精确可靠，其精度高达0.01mm。

3、该装置的传感部分仅由储液器、压力变送器及连接管路构成，结构简单，制作成本低，维护容易，运行稳定可靠。

4、由于有温度补偿机制，因此本发明可适用于高温差地区沉降测试，当传压液采用防冻液时，则可用于高寒地区使用。能实现环境恶劣地区沉降的精确测试。

5、测试量程可调，量程范围大。可通过控制初始安装液面高差调节量程，亦可通过调整压力变送器参数达到控制调节量程的目的。

6、测试方法简单，连续自动进行，稳定性好，测试信号传输至室内控制中心，可实现高速铁路结构物沉降的无人长期自动化远程监测。

上述的压力变送器安装在保护罩中。这样进一步降低了外界对测试的干扰和影响，提高了测试精度，也提高了压力变送器的使用寿命。

上述的密封盖与储液器之间设有密封圈。

上述的传压液表面加注硅油。这样可降低传压液的蒸发，减少装置的维护成本，降低了装置的维护频率。

上述的传压液为蒸馏水或防冻液。这样常温监测时使用蒸馏水可降低成本，使用防冻液则可在高寒地区进行监测。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1示出，本发明的一种具体实施方式为，一种高速铁路结构物沉降监测装置，其特征在于：储液器9上部有密封盖5，储液器9中下部装有传压液8，储液器9上部通过气管2与压力变送器4的压力引入端一相连，储液器9的下部通过传压管3与压力变送器4的压力引入端二相连，压力变送器4的电信号输出端与数据采集传输系统15电连接，数据采集传输系统15与控制中心16通讯。

数据采集系统与控制中心间的通信可以采用有线，也可采用无线方式进行。如可采用成熟的GPRS无线通信方式进行。

本例的压力变送器4安装在保护罩11中。密封盖5与储液器9之间设有密封圈6。

本例的传压液8表面加注硅油7。传压液8为蒸馏水或防冻液。

一种使用上述的沉降监测装置对高速铁路进行沉降监测的方法，其步骤如下：

A、装置安装：将所述的储液器9底部用膨胀螺丝固定在待测沉降面18上，压力变送器固定在基准桩17或零沉降处；

B、监测：首先数据采集传输系统15及控制中心读取压力变送器4的初始电信号读数R₀；在监测过程中，连续读取压力变送器4的电信号读数R_i，下标i为数据读取次数的序号；

C、待测沉降面高度的计算：

当压力变送器为线性传感器时，第i次读数对应的待测沉降面的高度值S_i为：S_i＝kR_i+b，式中，k、b分别为一次项和常数项的拟合系数，通过室内仪器标定确定，为拟合系数，通过室内仪器标定确定；

当压力变送器为非线性传感器时，第i次读数对应的待测沉降面的高度值S_i则为：k₂、k₁、b二次项、一次项和常数项的拟合系数，均通过室内仪器标定实验并利用最小二乘法确定；

D、得出待测沉降面的沉降值

第i次读数对应的待测沉降面的沉降值Δh_i，由下式得出：

Δh_i＝I_tiS_i-I_t0S₀

式中，I_ti为第i次读数时的温度ti对应的总修正系数，I_ti＝span{I_mti，I_lti，I_yti}；I_mti、I_lti、I_yti分别为第i次读数时的温度ti所对应的液体密度修正系数、管路长度修正系数和压力变送器空载修正系数，span{I_mti，I_lti，I_yti}为I_mti、I_lti、I_yti张成的线性空间；

E、数据处理：

控制中心将储存每次监测到的待测沉降面的沉降值Δh_i，并进行处理后画出待测沉降面的位移时程曲线，即沉降时间曲线。

本发明在实施时，为了更好的减少温度等外界影响，可将传压管3埋入土中。

本发明使用的压力变送器4可以采用各种现有的压力变送器。如可选用SE133型压力变送器，该变送器工作原理为：利用半导体的压阻效应和微机械加工技术，在单晶硅片的特定晶向上，用扩散的半导体工艺制做一惠斯登电桥，形成敏感膜片，当受到外力作用时产生微应变，电阻率发生变化，使桥臂电阻发生变化(一对变大一对变小)激励电压信号输出，经过计算机温度补偿、激光调阻、信号放大等处理手段和严格的装配检测、标定等工艺，生产出具有标准输出信号。

在实施时，对于所有的接头都做防水处理，为了实现长期监测，装置外表需做防腐蚀处理。