一种竖直方向变形位移检测装置及其检测方法

摘要

本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种竖直方向变形位移检测装置，包括采集机构、数据处理机构、供电机构和安装机构，采集机构从下到上依次分为底层采集机构、中层采集机构和顶层采集机构；本发明检测装置在测量过程不受施工干扰，无人为测量误差，可消除各端点的移动影响误差，实现对高层结构变形和位移的高精度连续跟踪监测；本发明还涉及一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，其应用本发明的竖直方向变形位移检测装置，通过内置算法能够得到竖直结构变形位移的检测数据与结果。

权利要求

1.一种竖直方向变形位移检测装置，其特征在于：包括采集机构、数据处理机构、供电机构、安装机构和RTK基站；

所述安装机构包括若干安装管道和连接结构，所述安装管道设有竖直设置的安装空腔，所述安装管道的外管壁的上端和下端均设有定位卡扣，所述连接结构设有连接空腔，所述连接空腔供所述安装管道穿设，所述连接空腔内设有定位槽和定位肩，所述定位肩凸起设置在所述连接空腔的腔壁上，所述定位槽开设于所述连接空腔的腔壁上，任意两个安装管道通过所述定位肩实现在竖直方向的定位，且通过所述定位卡扣嵌入所述定位槽实现在周向的定位；

所述采集机构从下到上依次分为底层采集机构、中层采集机构和顶层采集机构，所述底层采集机构和所述中层采集机构安装在所述安装空腔内，所述顶层采集机构的连接端与所述中层采集机构的顶端连接，所述顶层采集机构的采集端突出于所述安装管道的上端面，所述安装管道的上端穿设有所述供电机构且所述顶层采集机构的采集端位于所述供电机构的上方，所述数据处理机构安装于所述顶层采集机构的上方，所述RTK基站单独架设于所述采集机构的一侧；

所述中层采集机构包括若干位移计和柔性连接件，若干所述位移计通过所述柔性连接件依次首尾相接形成阵列位移计；

所述底层采集机构包括姿态传感器、姿态传感器支架、连接销轴和密封底板，所述姿态传感器支架的上端面固定安装有所述连接销轴，所述姿态传感器支架的下端面固定安装在所述密封底板的上表面，所述密封底板与所述安装空腔的下端口相适应；所述姿态传感器固定安装于所述姿态传感器支架，所述阵列位移计的首端和所述姿态传感器通过所述连接销轴连接；

所述顶层采集机构包括RTK移动站、顶层固定杆、固定卡件和下压装置，所述固定卡件包括两个固定孔，任一所述固定孔供所述顶层固定杆的一端穿设，另一所述固定孔供所述阵列位移计的末端穿设；所述顶层固定杆的另一端固定连接于所述下压装置，所述RTK移动站安装于所述下压装置的上端面，所述数据处理机构安装在所述RTK移动站的上端面；

所述下压装置包括安装盖板、安装盒、固定罩、伸缩杆、紧定螺母和固定套，所述安装盖板盖合在所述安装盒的上端面，所述安装盒的下端面固定设有所述固定罩，所述伸缩杆的上端穿设所述安装盒和所述固定罩，所述伸缩杆的下端通过所述紧定螺母连接所述固定套，所述固定套固定连接所述顶层固定杆；

所述安装机构还包括导向件和锁紧螺钉，所述导向件分别穿设于所述阵列位移计的外围，且通过所述锁紧螺钉固定，所述导向件朝向所述安装空腔的内壁延伸设有导轮臂，所述导轮臂的末端安装有可转动的导轮，所述安装空腔的内壁和所述定位肩竖直开设有导轮槽，所述导轮可嵌入所述导轮槽，所述导轮与所述导轮槽的各个面贴合；

所述供电机构用于对所述姿态传感器、阵列位移计、RTK移动站和数据处理机构进行供电，所述姿态传感器、阵列位移计、RTK移动站和数据处理机构之间进行电连接，所述姿态传感器、阵列位移计和RTK移动站用于采集待测对象竖直方向上各位置变形位移的采集数据，并将采集数据发送到所述数据处理机构，所述数据处理机构用于接收各采集数据、计算获得待测对象竖直方向的绝对变形数据，并将绝对变形数据发送到上位机；

所述RTK基站与所述采集机构之间的安装距离为1km；

所述RTK基站包括基站天线、主机盒、固定杆、调整螺钉、伸缩杆和三角支架，所述三角支架顶端开设通孔，所述伸缩杆的下端穿设所述通孔并固定，所述伸缩杆开设有伸缩空腔，所述固定杆的下端穿设所述伸缩空腔，所述伸缩杆可沿所述固定杆的杆体上下移动，且通过所述调整螺钉进行固定，所述固定杆的上端固定于所述主机盒的下端面，所述主机盒上安装有所述基站天线，所述主机盒与所述供电机构进行电连接。

2.根据权利要求1所述的一种竖直方向变形位移检测装置，其特征在于，所述RTK移动站包括装置外壳、上盖板、下盖板、电路板和移动站天线，所述下盖板固定连接于所述装置外壳的下端，所述上盖板可拆卸的盖合在所述装置外壳的上端，所述装置外壳的内部形成储存空腔，所述装置外壳的壳壁上开设有与外界相连通的通孔，所述通孔与所述储存空腔相连通；所述下盖板的内板面固定设有电路板安装座，所述电路板通过所述电路板安装座固定安装于所述储存空腔，所述电路板上焊接有电源接口、USB接口、RS接口、天线接口、RTK模块、GPS模块、主芯片和电源模块。

3.根据权利要求2所述的一种竖直方向变形位移检测装置，其特征在于，所述供电机构包括控制箱、太阳能板、太阳能板支架和锂电池，所述控制箱设有安装通孔，所述控制箱通过所述安装通孔可拆卸地安装于所述安装管道的上端，所述太阳能板支架固定安装于所述控制箱的上表面，所述太阳能板呈倾斜式固定安装于所述太阳能板支架，所述锂电池安装于所述控制箱的内部，所述太阳能板和所述锂电池之间进行电连接，所述锂电池对所述采集机构、所述数据处理机构和所述RTK基站进行供电。

4.根据权利要求1‑3任一所述的一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：预备底层采集机构，将密封底板固定安装于安装管道的下端，并根据预定长度，将所需安装管道竖直首尾通过连接结构穿设和固定；

步骤S2：在待测对象的土层上钻取预定深度的预埋孔，将安装管道下放至预埋孔内，预留500mm在土层表面以上，在安装管道与预埋孔之间灌注水泥砂浆进行回填并夯实；

步骤S3：预备中层采集机构，将首节导轮调整方向固定并沿着导轮槽下放，依次下方每节位移计，直至完全放入阵列位移计；

步骤S4：预备顶层采集机构，将阵列位移计的末端通过固定卡件与顶层固定杆连接，并依次安装下压装置、RTK移动站和数据处理机构，再将RTK基站安装在与RTK移动站之间的安装距离为1km；

步骤S5：预备供电机构，控制箱穿过安装管道并固定在地面上，依次安装锂电池和太阳能板，并进行各机构之间的电连接；

步骤S6：启动检测装置，配置采集频率，并且设置相应的位移变化阈值，依据工程现场的实际情况设置阈值大小，开始采集并传送实时数据，数据处理机构依据内置算法对数据进行处理得到实时数据结果，通过4G通讯将实时数据传递至服务器，客户端接收服务器数据，当变形量超过阈值时，向监控人员发出提示信息。

5.根据权利要求4所述的一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，其特征在于，在步骤S6前，还包括以下标定步骤：安装24小时后，观察姿态传感器采集数据是否趋于稳定，若姿态数据稳定在某一数值，则待测对象的内部结构达到稳定，标定该位置为姿态传感器零点，若姿态数据没有稳定，继续等待，直至待测对象的内部结构稳定进行标定。

6.根据权利要求5所述的一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，其特征在于，步骤S6中数据处理机构的内置算法包括以下数据计算步骤：步骤A1：标定姿态传感器初始稳定状态为该传感器的零点，以该零点为原点建立底层空间坐标系G；阵列位移计由n节位移计柔性连接而成，包含n+1个节点，令阵列位移计的第一个节点坐标为原点，以第一个节点为原点建立中层空间坐标系M；通过RTK基站引入地方坐标系D，在地方坐标系D中RTK基站固定点的绝对坐标为(d，l，k)；以RTK基站固定点为原点，建立RTK相对坐标系R；

步骤A2：读取姿态传感器、阵列位移计和RTK移动站的采集数据：姿态传感器的输出测量结果是其相对于标定点的移动量，在底层空间坐标系G表示为(x0，y0，z0)；阵列位移计的输出测量结果是相对于第一节点的其余n个节点坐标，在中层空间坐标系M表示为(xi，yi，zi)，其中0＜i≤n；RTK移动站的输出测量结果是与RTK基站的相对坐标，在RTK相对坐标系R表示为(xt，yt，zt)；

步骤A3：计算顶部端点的绝对坐标δn(xt，yt，zt)，其中

步骤A4：计算中层采集机构中任意节点i在底层空间坐标系G中相对姿态传感器标定的坐标 其中0＜i≤n， zεi＝z0+zi；

步骤A5：由步骤A3至A4可计算姿态传感器初始标定点的绝对坐标

其中

步骤A6：计算中层采集机构中任意节点的绝对坐标 其中0＜i≤n，

步骤A7：重复步骤A3至A6计算出每个时刻的数据，如在t1时刻，任意节点的绝对坐标基底点的绝对坐标 在t2时刻，任意节点的绝对坐标 基底点的绝对坐标 其中0＜i≤n；

步骤A8：在底部端点的检测模式下，计算t1‑t2时刻底部端点的变形量Δδ0，其中步骤A9：在相对位移校正模式下，消除底部端点的移动影响误差，计算t1‑t2时刻任意节点i的变形量Δδi，其中0＜i≤n，

说明书

一种竖直方向变形位移检测装置及其检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及测量仪器技术领域，尤其涉及一种竖直方向变形位移检测装置及其检测方法。

背景技术

[0002] 在土工建筑和水利工程中，竖直高层结构包括城市建筑、蓄水大坝、山体和土层等，这些竖直高层结构随着时间的流逝会出现沉降移动和结构变形等问题，严重时会导致
高层结构变形裂缝，甚至断裂崩塌发生重大安全事件造成损失。这种移动和变形总是由量
变到质变而造成事故的，因此对高层建筑进行实时监测竖直方向变形的发展变化，从而检
测到各种内界或外界因素导致的变形超出规定的范围时，在未造成损失前，及时采取补救
措施。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提出一种竖直方向变形位移检测装置，在测量过程不受施工干扰，无人为测量误差，可消除各端点的移动影响误差，实现对高层结构变形和位移的高精度
连续跟踪监测；

[0004] 本发明的另一目的在于提出一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，其应用上述所述竖直方向变形位移检测装置，通过内置算法能够得到竖直结构变形位移的检测数
据与结果。

[0005] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：

[0006] 一种竖直方向变形位移检测装置，包括采集机构、数据处理机构、供电机构、安装机构和RTK基站；

[0007] 所述安装机构包括若干安装管道和连接结构，所述安装管道设有竖直设置的安装空腔，所述安装管道的外管壁的上端和下端均设有定位卡扣，所述连接结构设有连接空腔，
所述连接空腔供所述安装管道穿设，所述连接空腔内设有定位槽和定位肩，所述定位肩凸
起设置在所述连接空腔的腔壁上，所述定位槽开设于所述连接空腔的腔壁上，任意两个安
装管道通过所述定位肩实现在竖直方向的定位，且通过所述定位卡扣嵌入所述定位槽实现
在周向的定位；

[0008] 所述采集机构从下到上依次分为底层采集机构、中层采集机构和顶层采集机构，所述底层采集机构和所述中层采集机构安装在所述安装空腔内，所述顶层采集机构的连接
端与所述中层采集机构的顶端连接，所述顶层采集机构的采集端突出于所述安装管道的上
端面，所述安装管道的上端穿设有所述供电机构且所述顶层采集机构的采集端位于所述供
电机构的上方，所述数据处理机构安装于所述顶层采集机构的上方，所述RTK基站单独架设
于所述采集机构的一侧；

[0009] 所述底层采集机构包括姿态传感器，所述中层采集机构包括若干位移计和柔性连接件，所述顶层采集机构包括RTK移动站，若干所述位移计通过所述柔性连接件依次首尾相
接形成阵列位移计，所述阵列位移计的首端连接所述姿态传感器，所述阵列位移计的末端
连接所述RTK移动站；

[0010] 所述供电机构用于对所述姿态传感器、阵列位移计、RTK移动站和数据处理机构进行供电，所述姿态传感器、阵列位移计、RTK移动站和数据处理机构之间进行电连接，所述姿
态传感器、阵列位移计和RTK移动站用于采集待测对象竖直方向上各位置变形位移的采集
数据，并将采集数据发送到所述数据处理机构，所述数据处理机构用于接收各采集数据、计
算获得待测对象竖直方向的绝对变形数据，并将绝对变形数据发送到上位机。

[0011] 优选的，所述RTK基站与所述采集机构之间的安装距离为1km；所述RTK基站包括基站天线、主机盒、固定杆、调整螺钉、伸缩杆和三角支架，所述三角支架顶端开设通孔，所述
伸缩杆的下端穿设所述通孔并固定，所述伸缩杆开设有伸缩空腔，所述固定杆的下端穿设
所述伸缩空腔，所述伸缩杆可沿所述固定杆的杆体上下移动，且通过所述调整螺钉进行固
定，所述伸缩杆的上端固定于所述主机盒的下端面，所述主机盒上安装有所述基站天线，所
述主机盒与所述供电机构进行电连接。

[0012] 优选的，所述底层采集机构还包括倾角传感器支架、连接销轴和密封底板，所述倾角传感器支架的上端面固定安装有所述连接销轴，所述倾角传感器支架的下端面固定安装
在所述密封底板的上表面，所述密封底板与所述安装空腔的下端口相适应；所述倾角传感
器固定安装于所述倾角传感器支架，所述阵列位移计的首端和所述倾角传感器通过所述连
接销轴连接。

[0013] 优选的，所述顶层采集机构还包括固定杆、固定卡件和下压装置，所述固定卡件包括两个固定孔，任一所述固定孔供所述固定杆的一端穿设，另一所述固定孔供所述阵列位
移计的末端穿设；所述固定杆的另一端固定连接于所述下压装置，所述RTK移动站安装于所
述下压装置的上端面，所述数据处理机构安装在所述RTK移动站的上端面。

[0014] 优选的，所述安装机构还包括导向件和锁紧螺钉；所述导向件分别穿设于所述阵列位移计的外围，且通过所述锁紧螺钉固定，所述导向件朝向所述安装空腔的内壁延伸设
有导轮臂，所述导轮臂的末端安装有可转动的导轮，所述安装空腔的内壁和所述定位肩竖
直开设有导轮槽，所述导轮可嵌入所述导轮槽，所述导轮与所述导轮槽的各个面贴合。

[0015] 优选的，所述RTK移动站包括装置外壳、上盖板、下盖板、电路板和移动站天线，所述下盖板固定连接于所述装置外壳的下端，所述上盖板可拆卸的盖合在所述装置外壳的上
端，所述装置外壳的内部形成储存空腔，所述装置外壳的壳壁上开设有与外界相连通的通
孔，所述通孔与所述储存空腔相连通；

[0016] 所述下盖板的内板面固定设有电路板安装座，所述电路板通过所述电路板安装座固定安装于所述储存空腔，所述电路板上焊接有电源接口、USB接口、RS接口、天线接口、RTK
模块、GPS模块、主芯片和电源模块。

[0017] 优选的，所述供电机构包括控制箱、太阳能板、太阳能板支架和锂电池，所述控制箱设有安装通孔，所述控制箱通过所述安装通孔可拆卸地安装于所述安装管道的上端，所
述太阳能板支架固定安装于所述控制箱的上表面，所述太阳能板呈倾斜式固定安装于所述
太阳能板支架，所述锂电池安装于所述控制箱的内部，所述太阳能板和所述锂电池之间进
行电连接，所述锂电池对所述采集机构、所述数据处理机构和所述RTK基站进行供电。

[0018] 一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤S1：预备底层采集机构，将密封底板固定安装于安装管道的下端，并根据预定长度，将所需安装管道竖直首
尾通过连接结构穿设和固定；步骤S2：在待测对象的土层上钻取预定深度的预埋孔，将安装
管道下放至预埋孔内，预留500mm在土层表面以上，在安装管道与预埋孔之间灌注水泥砂浆
进行回填并夯实；步骤S3：预备中层采集机构，将首节导轮调整方向固定并沿着导轮槽611
下放，依次下方每节位移计，直至完全放入阵列位移计；步骤S4：预备顶层采集机构，将阵列
位移计的末端通过固定卡件与顶层固定杆连接，并依次安装下压装置、RTK移动站和数据处
理系统，再将RTK基站安装在与RTK移动站之间的安装距离为1km；步骤S5：预备供电机构，控
制箱穿过安装管道并固定在地面上，依次安装锂电池和太阳能板，并进行各机构之间的电
连接；步骤S6：启动检测装置，配置采集频率，并且设置相应的位移变化阈值，依据工程现场
的实际情况设置阈值大小，开始采集并传送实时数据，数据处理机构4依据内置算法对数据
进行处理得到实时数据结果，通过4G通讯将实时数据传递至服务器，客户端接收服务器数
据，当变形量超过阈值时，向监控人员发出提示信息。

[0019] 优选的，在步骤S6前，还包括以下标定步骤：安装24小时后，观察姿态传感器11采集数据是否趋于稳定，若姿态数据稳定在某一数值，则待测对象的内部结构达到稳定，标定
该位置为姿态传感器零点，若姿态数据没有稳定，继续等待，直至待测对象的内部结构稳定
进行标定。

[0020] 优选的，步骤S6中数据处理机构的内置算法包括以下数据计算步骤：步骤A1：标定姿态传感器初始稳定状态为该传感器的零点，以该零点为原点建立底层空间坐标系G；阵列
位移计由n节位移计柔性连接而成，包含n+1个节点，令阵列位移计的第一个节点坐标为原
点，以第一个节点为原点建立中层空间坐标系M；通过RTK基站引入地方坐标系D，在地方坐
标系D中RTK基站固定点的绝对坐标为(d，l，k)；以RTK基站固定点为原点，建立RTK相对坐标
系R；步骤A2：读取姿态传感器、阵列位移计和RTK移动站的采集数据：姿态传感器的输出测
量结果是其相对于标定点的移动量，在底层空间坐标系G表示为(x0，y0，z0)；阵列位移计的
输出测量结果是相对于第一节点的其余n个节点坐标，在中层空间坐标系M表示为(xi，yi，
zi)，其中0＜i≤n；RTK移动站的输出测量结果是与RTK基站的相对坐标，在RTK相对坐标系R
表示为(xt，yt，zt)；步骤A3：计算顶部端点的绝对坐标δn(xt，yt，zt)，其中
步骤A4：计算中层采集机构中任意节点i在底层
空间坐标系G中相对姿态传感器标定的坐标εi(xεi，yεi，zεi)，其中0其中 zδ0＝zt+h‑(z0
+zn)；步骤A6：计算中层采集机构中任意节点的绝对坐标 其中0步骤A7：重复步骤A3至A6计算出每个时刻的数据，如在t1时刻，任意节点的绝对坐标
基底点的绝对坐标 在t2时刻，任意节点的绝对
坐标 基底点的绝对坐标 其中0骤A8：在底部端点(如岩石层的微运动)的检测模式下，计算t1‑t2时刻底部端点的变形量Δ
δ0，其中
步骤A9：在相对位移校正模式下，消除
底部端点的移动影响误差，计算t1‑t2时刻任意节点i的变形量Δδi，其中0

[0021] 与现有技术相比，上述技术方案具有以下有益效果：

[0022] (1)本发明的检测装置通过对待测对象，如高层城市建筑、蓄水大坝、山体等竖直方向变形位移进行实时测量的检测装置，可满足a.检测出待测对象竖直方向的内部变形，
显示待测对象各层的相对变形情况；b.能检测出顶端点和底端点的绝对坐标，和两者之间
的相对和绝对变形量；c.能检测出待测对象内部竖直方向的绝对变形量；并且通过这些绝
对变形量能够获取精确的变形数据，以此为后续对待测对象进行检测分析提供了有效的数
据保障，并向监控人员反馈待测对象的实时相对变形情况；

[0023] (2)本发明的检测方法依据数据处理机构的内置算法程序，能综合处理阵列位移计、姿态传感器、RTK测量仪的采集数据，该算法相较于现有技术，融合多组采集数据使得测
量结果更加精确可靠，得到竖直方向各层的绝对变形量，以及岩石层的状态数据。

附图说明

[0024] 图1是本发明的竖直方向变形位移检测装置的方案示意图；

[0025] 图2是本发明的竖直方向变形位移检测装置的原理示意图；

[0026] 图3是本发明的竖直方向变形位移检测装置的结构示意图；

[0027] 图4是本发明的竖直方向变形位移检测装置的剖面示意图；

[0028] 图5是本发明的竖直方向变形位移检测装置的采集机构的结构示意图；

[0029] 图6是图5中A区域的局部放大图；

[0030] 图7是图5中B区域的局部放大图；

[0031] 图8是本发明的竖直方向变形位移检测装置的下压装置的结构示意图；

[0032] 图9是本发明的竖直方向变形位移检测装置的RTK移动站的结构示意图；

[0033] 图10是本发明的竖直方向变形位移检测装置的安装管道的俯视示意图；

[0034] 图11是本发明的竖直方向变形位移检测装置的连接结构的结构示意图；

[0035] 图12是本发明的竖直方向变形位移检测装置的检测方法的安装示意图；

[0036] 附图中：底层采集机构1、姿态传感器11、倾角传感器支架12、连接销轴13、密封底板14、中层采集机构2、位移计21、柔性连接件22、连接软管221、连接法兰222、顶层采集机构
3、RTK移动站31、固定杆32、固定卡件33、下压装置34、装置外壳311、上盖板312、下盖板313、
电路板314、移动站天线315、电路板安装座316、安装盖板341、安装盒342、固定罩343、伸缩
杆344、紧定螺母345、固定套346、数据处理机构4、供电机构5、控制箱51、太阳能板52、太阳
能板支架53、锂电池54、安装机构6、导轮槽60、安装管道61、连接结构62、导向件63、导轮臂
64、导轮65、安装空腔610、定位卡扣611、连接空腔620、定位槽621、定位肩622、RTK基站7、基
站天线71、主机盒72、固定杆73、调整螺钉74、伸缩杆75、三角支架76、电源接口a、USB接口b、
RS485接口c、天线接口d、RTK模块e、GPS模块f、主芯片g、电源模块h、安装距离L。

具体实施方式

[0037] 下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

[0038] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方
位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0039] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的
普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0040] 如图1‑11所示，一种竖直方向变形位移检测装置，包括采集机构、数据处理机构4、供电机构5、安装机构6和RTK基站7；

[0041] 所述安装机构6包括若干安装管道61和连接结构62，所述安装管道61设有竖直设置的安装空腔610，所述安装管道61的外管壁的上端和下端均设有定位卡扣611，所述连接
结构62设有连接空腔620，所述连接空腔620供所述安装管道61穿设，所述连接空腔620内设
有定位槽621和定位肩622，所述定位肩622凸起设置在所述连接空腔620的腔壁上，所述定
位槽621开设于所述连接空腔620的腔壁上，任意两个安装管道61通过所述定位肩622实现
在竖直方向的定位，且通过所述定位卡扣611嵌入所述定位槽621实现在周向的定位；

[0042] 所述采集机构从下到上依次分为底层采集机构1、中层采集机构2和顶层采集机构3，所述底层采集机构1和所述中层采集机构2安装在所述安装机构6的空腔内，所述顶层采
集机构3的连接端与所述中层采集机构2的顶端连接，所述顶层采集机构3的采集端突出于
所述安装机构6的上端面，且所述顶层采集机构3的采集端位于所述供电机构5的上方，所述
数据处理机构4安装于所述顶层采集机构3的上方，所述RTK基站7单独架设于所述采集机构
的一侧；

[0043] 所述底层采集机构1包括姿态传感器11，所述中层采集机构2包括若干位移计21和柔性连接件22，所述顶层采集机构3包括RTK移动站31，若干所述位移计21通过所述柔性连
接件22依次首尾相接形成阵列位移计，所述阵列位移计的首端连接所述姿态传感器11，所
述阵列位移计的末端连接所述RTK移动站31；

[0044] 所述供电机构5用于对所述姿态传感器11、阵列位移计、RTK移动站31和数据处理机构4进行供电，所述姿态传感器11、阵列位移计、RTK移动站31和数据处理机构4之间进行
电连接，所述姿态传感器11、阵列位移计、RTK移动站31用于采集待测对象竖直方向上各位
置变形位移的采集数据，并将采集数据发送到所述数据处理机构4，所述数据处理机构4用
于接收各采集数据、计算获得待测对象竖直方向的绝对变形数据，并将绝对变形数据发送
到上位机。

[0045] 本发明由底层采集机构1、中层采集机构2、顶层采集机构3组合形成对待测对象竖直方向内部各层的变形位移检测装置，通过安装在安装管道的安装空腔610内，能够在测量
过程不受施工干扰，无人为测量误差，可消除各端点的移动影响误差，且安装管道61可以通
过连接结构62实现长度上的加长和安装上的固定，方便操作，实现对各种高度的高层结构
变形和位移的高精度连续跟踪监测；。

[0046] 本发明基于阵列位移计可以获得待测对象内部各层的互相之间的相对变形位移量，结合基于RTK移动站31和RTK基站7校正的顶部端点的绝对坐标位置，可以计算获得待测
对象内部各层绝对坐标位置，也同时可以获得的底部端绝对坐标位置；基于底部端点的姿
态传感器11和阵列位移计首节节点的内部传感器的标定对比，可以解算出准确的待测对象
内部各层的互相之间的相对变形位移量；通过比较以上三个传感检测单元的变化量：对于
顶部端点的绝对位置变化量、阵列位移计的末端端点相对于首端端点的变形位移量、底部
姿态传感器11与阵列位移计首节节点的传感器的变化量，当前两者相同时，表示底部端点
没有绝对变形位移；当前两者不同时，表示底部端点有绝对变形位移；通过底部姿态传感器
11与阵列位移计首节节点的传感器的变化量进行校正，然后对各层相对位移进行校正计
算；校正后，采用底部端点绝对位移减去各层累积相对位移变形量得到底部端点的位移变
形量，用于监测底部的微运动和微变形(如岩石层)。

[0047] 本发明通过姿态传感器1、阵列位移计、RTK移动站31三组传感器组合进行待测对象变形位移实时检测，姿态传感器11体积小、精度高、内置加速度计及环境适应性强，它包
含三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等运动传感器提高检测精度，具有全角度无盲
区三维姿态方位数据输出，便于安装至岩石层底部，能精确监测底部微运动和微变形；阵列
位移计具有精度高，且各节是通过柔性连接件22进行连接，能够方便各节位移计21的拼接，
且各节之间能实现任意范围的相对移动，对于每节长度范围内的变形和位移能精准检测，
能满足任意待测对象检测高度的需求；RTK移动站31具有结构紧凑、体积小、精度高、没有误
差累积的特点，便于安装在检测装置顶部。进一步的说明，所述柔性连接件22包括连接软管
221和连接法兰222，所述连接软管221的两端固定有所述连接法兰222，所述连接法兰222的
另一端用于连接所述位移计21，所述位移计21内含有位移传感器。若干位移计21通过连接
软管221和连接法兰222柔性连接，能够精确测量待测对象内部的竖向微小位移。

[0048] 更进一步的说明，所述RTK基站7与所述采集机构之间的安装距离L为1km；所述RTK基站7包括基站天线71、主机盒72、固定杆73、调整螺钉74、伸缩杆75和三角支架76，所述三
角支架76的顶端开设通孔，所述伸缩杆75的下端穿设所述通孔并固定，所述伸缩杆75开设
有伸缩空腔，所述固定杆73的下端穿设所述伸缩空腔，所述伸缩杆75可沿所述固定杆73的
杆体上下移动，且通过所述调整螺钉74进行固定，所述伸缩杆75的上端固定于所述主机盒
72的下端面，所述主机盒72上安装有所述基站天线71，所述主机盒72与所述供电机构5进行
电连接。

[0049] RTK基站7通过混凝土固定在土层，在大风等极端天际条件下保证结构的可靠性，通过升缩杆75使得主机盒72的高度可调节，以使RTK基站7的基站天线70接收信号达到最佳
状态，限制RTK基站7与采集机构的安装距离为1km，保证RTK移动站31接收信号的强度、RTK
移动站31的检测精度。

[0050] 更进一步的说明，所述底层采集机构1还包括倾角传感器支架12、连接销轴13和密封底板14，所述倾角传感器支架12的上端面固定安装有所述连接销轴13，所述倾角传感器
支架12的下端面固定安装在所述密封底板14的上表面，所述密封底板14与所述安装空腔
610的下端口相适应；所述倾角传感器11固定安装于所述倾角传感器支架12，所述阵列位移
计的首端和所述倾角传感器11通过所述连接销轴13连接。基于底部端点的倾角传感器11和
阵列位移计首节节点的内部传感器的标定对比，可以解算出准确的待测对象内部各层的互
相之间的相对变形位移量，以形成相对位移校正模式。

[0051] 更进一步的说明，所述顶层采集机构3还包括固定杆32、固定卡件33和下压装置34，所述固定卡件33包括两个固定孔，任一所述固定孔供所述固定杆32的一端穿设，另一所
述固定孔供所述阵列位移计的末端穿设；所述固定杆32的另一端固定连接于所述下压装置
34，所述RTK移动站31安装于所述下压装置34的上端面，所述数据处理机构4安装在所述RTK
移动站31的上端面。基于阵列位移计顶部的末端节点与RTK移动站31的顶点绝对位置测量
单元相连结构的顶点测量系统，两者通过固定杆32与固定卡件33组成同一构件，保证两者
一起运动，从而检测出顶部端点的绝对坐标变化。

[0052] 进一步的说明，所述下压装置34包括安装盖板341、安装盒342、固定罩343、伸缩杆344、紧定螺母345和固定套346，所述安装盖板341盖合在所述安装盒342的上端面，所述安
装盒342的下端面固定设有所述固定罩343，所述伸缩杆344的上端穿设所述安装盒342和所
述固定罩343，所述伸缩杆344的下端通过所述紧定螺母345连接所述固定套346，所述固定
套346固定连接所述固定杆343。

[0053] 更进一步的说明，所述安装机构还包括导向件63和锁紧螺钉；所述导向件63分别穿设于所述位移计21的外围，且通过所述锁紧螺钉固定，所述导向件63朝向所述空腔的内
壁延伸设有导轮臂64，所述导轮臂64的末端安装有可转动的导轮65，所述安装空腔610的内
壁竖直开设有导轮槽60，所述导轮65可嵌入所述导轮槽60，所述导轮65与所述导轮槽60的
各个面贴合。本实施例中安装管道61内部形成将阵列位移计收纳的空间，且密封底板14与
安装管道61的下端开口密封连接，保证安装管道61的密封性；此外安装管道61的内腔壁和
定位肩622形成导轮槽60，使得位移计21能够通过导向件63的导轮65沿导轮槽60的位移方
向调节安装位置，节省安装时间，提高安装效率。

[0054] 更进一步的说明，所述RTK移动站包括装置外壳311、上盖板312、下盖板313、电路板314和移动站天线315，所述下盖板313固定连接于所述装置外壳311的下端，所述上盖板
312可拆卸的盖合在所述装置外壳311的上端，所述装置外壳311的内部形成储存空腔，所述
装置外壳311的壳壁上开设有与外界相连通的通孔，所述通孔与所述储存空腔相连通；所述
下盖板313的内板面固定设有电路板安装座316，所述电路板314通过所述电路板314安装座
固定安装于所述储存空腔，所述电路板314上焊接有电源接口a、USB接口b、RS485接口c、天
线接口d、RTK模块e、GPS模块f、主芯片g和电源模块h。

[0055] 在现有技术中，RTK移动站通常需要设置多层电路板314，使得RTK移动站的体积、重量较大，且多层电路板314重叠不利于散热；本实施例中将RTK移动站实现小型化，仅由装
置外壳311及收容于储存空腔的电路板314组成，将各模块以及接口集成于单个电路板314
上，且装置外壳311有通孔和可拆卸的上盖板312，均便于安装散热。进一步的说明，电源接
口a用于连接锂电池54的输出端，对RTK移动站31进行供电；USB接口b用于连通外部PC端对
RTK进行配置；RS485接口c用于连接数据处理机构4，传输RTK测量数据；天线接口d用于安装
天线315；RTK模块e用于接收差分定位信号；GPS模块f用于接收卫星定位信号；主芯片g用于
处理数据、控制各模块的工作；电源模块h用于对各个模块进行供电。

[0056] 更进一步的说明，所述供电机构5包括控制箱51、太阳能板52、太阳能板支架53和锂电池54，所述控制箱51设有安装通孔，所述控制箱51通过所述安装通孔可拆卸地安装于
所述安装管道61的上端，所述太阳能板支架53固定安装于所述控制箱51的上表面，所述太
阳能板52呈倾斜式固定安装于所述太阳能板支架53，所述锂电池54安装于所述控制箱51的
内部，所述太阳能板52和所述锂电池54之间进行电连接，所述锂电池54对所述采集机构、数
据处理机构4和所述RTK基站7进行供电。本实施例采用太阳能板52这种新能源的供电机构5
作为独立供电电源，可以根据检测系统的用电负荷情况和当地资源条件进行机构容量的合
理配置，并有效利用在检测装置的顶部，无需占用土地资源；再配置锂电池54后，还能满足
安全用电的不断电要求；因此本实施例中供电机构5既节约成本，又保证检测装置平稳安全
运行。

[0057] 如图12所示，根据上述所述的一种竖直方向变形位移检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤S1：预备底层采集机构1，将密封底板14固定安装于安装管道61的下端，并根
据预定长度，将所需安装管道61竖直首尾通过连接结构62穿设和固定；步骤S2：在待测对象
的土层上钻取预定深度的预埋孔，将安装管道61下放至预埋孔内，预留500mm安装管道61在
土层表面以上，在安装管道61与预埋孔之间灌注水泥砂浆进行回填并夯实；步骤S3：预备中
层采集机构2，将首节导轮65调整方向固定并沿着导轮槽611下放，依次下方每节位移计21，
直至完全放入阵列位移计；步骤S4：预备顶层采集机构3，将阵列位移计的末端通过固定卡
件33与顶层固定杆32连接，并依次安装下压装置34、RTK移动站31和数据处理系统，再将RTK
基站7安装在与RTK移动站61之间的安装距离L为1km；步骤S5：预备供电机构5，控制箱51穿
过安装管道61并固定在地面上，依次安装锂电池54和太阳能板52，并进行各机构之间的电
连接；步骤S6：启动检测装置，配置采集频率，并且设置相应的位移变化阈值，依据工程现场
的实际情况设置阈值大小，开始采集并传送实时数据，数据处理机构4依据内置算法对数据
进行处理得到实时数据结果，通过4G通讯将实时数据传递至服务器，客户端接收服务器数
据，当变形量超过阈值时，向监控人员发出提示信息。

[0058] 更进一步的说明，在步骤S6前，还包括以下标定步骤：安装24小时后，观察姿态传感器11采集数据是否趋于稳定，若姿态数据稳定在某一数值，则待测对象的内部结构达到
稳定，标定该位置为姿态传感器11零点，若姿态数据没有稳定，继续等待，直至待测对象的
内部结构稳定进行标定。

[0059] 更进一步的说明，步骤S6中数据处理机构4的内置算法包括以下数据计算步骤：步骤A1：标定姿态传感器11初始稳定状态为该传感器的零点，以该零点为原点建立底层空间
坐标系G；阵列位移计由n节位移计21柔性连接而成，包含n+1个节点，令阵列位移计的第一
个节点坐标为原点，以第一个节点为原点建立中层空间坐标系M；通过RTK基站7引入绝对坐
标系D，在地方坐标系D中RTK基站的绝对坐标为(d，l，k)；步骤A2：读取姿态传感器11、阵列
位移计和RTK移动站31的采集数据：姿态传感器11的输出测量结果是其相对于标定点的移
动量，在底层空间坐标系G表示为(x0，y0，z0)；阵列位移计的输出测量结果是相对于第一节
点的其余n个节点坐标，在中层空间坐标系M表示为(xi，yi，zi)，其中0＜i≤n；RTK移动站的
输出测量结果是与RTK基站的相对坐标，在绝对坐标系D表示为(xt，yt，zt)；步骤A3：计算顶
部端点的绝对坐标δn(xt，yt，zt)，其中 步骤A4：计
算中层采集机构中任意节点i在底层空间坐标系G中相对姿态传感器标定的坐标εi(xεi，yεi，
zεi)，其中0步骤A6：计算
中层 采集机 构中任 意节 点的绝 对坐 标 其中 0步骤
A7：重复步骤A3至A6计算出每个时刻的数据，如在t1时刻，任意节点的绝对坐标
基底点的绝对坐标 在t2时刻，任意节点的绝对坐
标 基底点的绝对坐标 其中0骤A8：在底部端点(如岩石层的微运动)的检测模式下，计算t1‑t2时刻底部端点的变形量Δ
δ0，其中

[0060] 步骤A9：在相对位移校正模式下，消除底部端点的移动影响误差，计算t1‑t2时刻任意节点i的变形量Δδi，其中0依据上述的数据计算公
式编写数据处理机构4的内置算法程序，能综合处理阵列位移计、姿态传感器11、RTK移动站
31的采集数据，该算法相较于现有技术，融合多组采集数据使得测量结果更加精确可靠，得
到竖直方向各层的绝对变形量，以及岩石层的状态数据。

[0061] 以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术
人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些等同的变型或
替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。