工程变形监测：常用仪器简介

工程变形监测仪器可分为外部观测仪器、内部观测仪器、应力测量仪器三大类。

(1)外部观测法是以被观测物体的外部表面变形为观测对象的方法，其特点是观测点布设在被观测物体的表面，测点和仪器具有可接触、可更换、非完全埋入的特点。外部观测仪器分为通用仪器和专业仪器两类。

通用仪器主要包括光学经纬仪、光学水准仪、电磁波测距仪、电子经纬仪、电子水准仪、电子全站仪、GPS接收机等。通用仪器主要是常规工程测量类仪器。

专用仪器主要包括机械式、光电式及光电结合式，如液体静力水准测量系统、正倒垂线、活动觇牌、引张线、激光准直仪、铅垂仪、测量机器人、GPS一机多天线系统、三维激光扫描仪等。专用仪器主要是精密工程测量类仪器，其特点是高精度、自动化、遥测和持续观测。

(2)内部观测法是将仪器埋入变形体内部，监测变形体在施工过程中的各种物理量的变化的方法。内部观测法仍以位移作为最主要的观测对象。内部观测仪器主要包括位移计、收敛计、测缝计、测斜仪、沉降仪、应变计等。

(3)建筑物的应力(压力)观测主要包括混凝土应力观测、土压力观测、孔隙水压力观测、渗透压力观测、钢筋应力观测、岩(土)体应力观测、岩(土)体载荷力观测等。应力测量仪器主要有混凝土应力计、土压力计、孔隙水压力计(渗压计)、钢筋应力计(钢筋计)、测力计等。

2.4.1 精密电子水准仪

1. 电子水准仪的工作原理

电子水准仪是利用电子工程学原理，采用条形码标尺和电子影像处理原理，用CCD行阵代替人的肉眼，由传感器识别水准标尺上的条形码分划，经信息转换处理获得观测值，并以数字形式显示或存储在仪器内。电子水准仪的机械光学机构如图2.1所示。

电子水准仪区别于光学水准仪的主要不同在于望远镜中装置了一个由光敏二极管构成的行阵探测器，采用数字图像识别处理系统，并配有条码水准尺。水准尺的分划用条纹代替厘米间隔分划。行阵探测器将水准尺的条码图像用电信号传送给信息处理机，信息经过处理之后即可求得水平视线的水准尺读数和视距值。条码水准尺如图2.2所示。

图2.1 电子水准仪基本原理

图2.2 条码水准尺

当前电子水准仪采用了原理上相差较大的三种自动电子读数方法，即相关法(如徕卡NA3002/3003)、几何法(如蔡司DiNi10/20)、相位法(如拓普康DL101C/102C)。

2. 电子水准仪的基本结构

电子水准仪的主要部件包括机械部分和电子部分，下面以天宝(Trimble)DINI03为例，说明其基本结构，如图2.3所示。

图2.3 天宝(Trimble)DINI 03电子水准仪

阳板; 2—望远镜调焦螺旋; 3—触发键; 4—水平微调—脚螺旋; 7—底座; 8—电源/通信口; 9—键盘11—圆水准气泡; 12—十字丝; 13—可以动圆水准气泡调节器

3. 精密电子水准仪的参数设置

在使用精密电子水准仪进行作业之前，通常要进行如下设置: 路线名、起点点名、起点高程、终点点名、终点高程、往返测设置、测量等级、读数次数、观测顺序、高程显示位数、距离显示位数、视距长上限值、视距长下限值、视线高上限值、视线高下限值、前后视距差限值、视距差累计值限值、两次读数差限值、两次所测高差之差限值等。

4. 电子水准仪的优点

(1)速度快。水准仪自动探测读数、记录和检核，不用观测员人工读数，作业速度快慢取决于仪器整置速度和跑尺人员的速度。

(2)精度高。图像处理技术自动判别读数，免除了观测员人工夹准分划和读数误差的影响。对图形影像多个分划取平均值，有利于消除标尺分划误差。

(3)外业观测中，可在仪器中设置各项参数，仪器自动检查每测站的各项限差，超限时自动提示，方便观测，同时，仪器自动记录数据，减轻了作业员的劳动强度。

(4)易于实现内外业一体化。电子水准仪将数据直接记录在内存中，能自动检核，并按规定格式输出，便于在计算机上处理，提高了效率，避免了由于人工记录、计算出现的差错。

5. 电子水准仪的误差来源及使用注意事项

(1)补偿器误差。仪器经过长期使用后，补偿装置内应力会发生变化，补偿性能就会减弱，要求定期检测，超限时应及时调校。还应注意补偿器的稳定时间，置平后过几秒再测量。

(2)视准轴误差。视准轴误差即为水准管轴和视准轴的夹角在竖直面内的投影，也称i角，它对高差的影响与前后视距差成正比，测量过程中应保证前后视距差在限差范围内。

(3)亮度对测量的影响。电子水准仪的CCD图像传感器只能在有限的亮度范围内将图像转换为仪器能够识别的有效电信号，所以在使用过程中应随时调节尺身方位，以调节合适亮度。

(4)调焦对测量的影响。电子水准仪依据用于测量的所有间隔码元计算多次测量的平均值，因此调焦对测量精度的影响较小。但如果读数时焦距未调清晰，则易造成测量失败。

(5)标尺竖立垂直度对测量的影响。仪器在自动测量过程中标尺倾斜会给读数带来误差，精密铟瓦条码标尺上都安置了圆水准器，观测时应用尺撑使标尺直立。

(6)磁致误差影响。水准路线通过大功率的发电厂、变电枢纽或测线沿高压输电线、电气化铁路时，要受到磁致误差影响，必须检测其磁致误差影响幅度。

(7)仪器的晾置和预热。由于仪器参数(如i角)受环境温度影响易发生变化，作业前，仪器应充分晾置或预热，使仪器与外界气温趋于一致，避免仪器在初始阶段进行测量而影响精度。

(8)震动对测量的影响。由于交通、机械、风等产生的震动会影响补偿器，致使视准线不稳。在周围环境恶劣时，如明显的机械震动，载重运输车通过，风力过大等，应暂停测量。

2.4.2 测量机器人

1. 测量机器人技术

测量机器人又称高精度伺服马达自动全站仪，是具有马达伺服驱动和机内程序控制的TPS系统结合激光、通信及CCD技术，可以实现测量的全自动化，集自动目标识别、自动照准、自动测角、自动测距、自动跟踪目标、自动记录于一体的测量系统，被称为测量机器人。测量机器人可对多个目标进行持续和重复观测，可以实现变形监测的全自动化。

2. 测量机器人技术的基本原理

测量机器人的组成包括坐标系统、操纵器、换能器、计算机和控制器、闭路控制传感器、决定制作、目标获取和集成传感器八大部分。坐标系统为球面坐标系统，望远镜能绕仪器的纵轴和横轴旋转，在水平面360°、竖面180°范围内寻找目标; 操纵器的作用是控制机器人的转动; 换能器可将电能转化为机械能以驱动步进马达运动; 计算机和控制器的功能是从设计开始到终止操纵系统、存储观测数据并与其他系统接口，控制方式多采用连续路径或点到点的伺服控制系统; 闭路控制传感器将反馈信号传送给操纵器和控制器，以进行跟踪测量或精密定位; 决定制作主要用于发现目标，如采用模拟人识别图像的方法或对目标局部特征分析的方法进行影像匹配; 目标获取用于精确地照准目标，常采用开窗法、阈值法、区域分割法、回光信号最强法以及方形螺旋式扫描法等; 集成传感器包括采用距离、角度、温度、气压等传感器获取各种观测值。由影像传感器构成的视频成像系统通过影像生成、影像获取和影像处理，在计算机和控制器的操纵下实现自动跟踪和精确照准目标，从而获取物体的长度、宽度、方位、二维和三维坐标等信息，进而得到物体的形态及其随时间的变化。

3. 测量机器人技术的应用领域

测量机器人已被广泛地应用在水库大坝、滑坡体、露天矿等工程的变形监测中，其自动观测的优势非常适合工程场地条件复杂、人工观测不易达到点位等特殊情况。图2.4所示为徕卡TCA2003测量机器人，图2.5所示为索佳SRX1自动全站仪。

图2.4 徕卡TCA2003自动全站仪

图2.5 索佳SRX1自动全站仪

2.4.3 三维激光扫描仪

1. 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命，是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为实景复制技术，它将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法，如三角测量方法、GPS测量等，都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据，点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描技术无需和被测物体直接接触，可以在很多复杂环境下应用; 并且可以和GPS等集成起来实现更强、更多的应用。对空间信息进行可视化表达，即进行三维建模，通常有两类方法: 基于图像的方法和基于几何的方法。基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型，其数据来源是数码相机; 而基于几何的方法则是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。

2. 三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么可以求得每一个扫描点的三维坐标。以Riegl LMS-Z420i三维激光扫描仪为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。

地面型三维激光扫描系统的工作原理是，三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标，如图2.6所示。

系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要，如图2.7所示。

图2.6 扫描点坐标计算原理

图2.7 地面激光扫描仪测量的基本原理

3. 三维激光扫描仪的分类

三维激光扫描仪按照扫描平台的不同，可以分为机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。图2.8所示为三维激光扫描仪实物图，图2.9所示为三维激光扫描仪应用于大型滑坡体监测。

图2.8 三维激光扫描仪

图2.9 激光扫描仪应用于大型滑坡体监测

三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具，可以划分为不同的类型，通常情况下，按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为:

(1)短距离激光扫描仪: 最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为0.6～1.2m，通常这类扫描仪适用于小型模具的量测，不仅扫描速度快，而且精度较高，可以多达三十万个点精度至±0.018mm，如，美能达公司出品的VIVID 910高精度三维激光扫描仪，手持式三维数据扫描仪FastScan等，都属于这类扫描仪。

(2)中距离激光扫描仪: 最长扫描距离小于30m的三维激光扫描仪，属于中距离三维激光扫描仪，多用于大型模具或室内空间的测量。

(3)长距离激光扫描仪: 扫描距离大于30m的三维激光扫描仪，属于长距离三维激光扫描仪，主要用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量，如奥地利Riegl公司出品的LMSZ420i三维激光扫描仪和加拿大Cyra技术有限责任公司出品的Cyrax 2500激光扫描仪等，都属于这类扫描仪。

(4)航空激光扫描仪: 最长扫描距离通常大于1km，并且需要配备精确的导航定位系统，可用于大范围地形的扫描测量。

4. 三维激光扫描仪的数据处理

目前阶段，需要通过两种类型的软件才能使三维激光扫描仪发挥其功能: 一类是扫描仪的控制软件; 另一类是数据处理软件。前者通常是扫描仪随机附带的操作软件，既可以用于获取数据，也可以对数据进行相应处理，如Riegi扫描仪附带的软件Ri SCAN Pro; 而后者多为第三方厂商提供，主要用于数据处理。Optech三维激光扫描仪所用数据处理软件为Polyworks10.0。

2.4.4 GPS一机多天线技术

1． GPS一机多天线技术的意义

GPS因其观测精度高、全天候观测、通视要求低、实时性、自动化程度高等优点而被广泛应用在变形监测领域，如水库大坝、滑坡体等监测，然而，如果布设的监测点很多，仅用少量的几台GPS接收机组网观测，则工作量会非常大。目前GPS接收机价格比较昂贵，在每个点上安置接收机进行观测，会使监测系统成本非常昂贵，所以很难实现，GPS一机多天线技术就是基于这一问题而设计的。

GPS一机多天线技术就是使用GPS多天线控制器，仅用一部GPS接收机互不干扰地接收到多个GPS天线传输来的信号，实现用一个天线代替一台高精度GPS接收机，这样，监测系统的成本可大幅度下降。GPS一机多天线技术的实现为GPS技术在大坝安全监测、山体滑坡监测等全自动变形监测系统的建立创造了极为有利的条件。

2． GPS一机多天线技术的基本原理

GPS一机多天线系统的基本原理如图2.10所示，是将计算机实时控制技术与无线电通信技术相结合，仅用一台GPS接收机在同一时间段互不干扰地接收多个GPS天线接收信号。其技术难点是GPS一机多天线控制器的研发，重点需要解决的关键问题是如何确保多天线控制器微波开关中各通道的高隔离度和最大限度地减少GPS信号衰减。

图2.10 GPS一机多线性系统原理图

3． GPS一机多天线控制器组成

GPS多天线控制器由微处理机、微波开关阵列和控制电路等组成，包括硬件和软件两部分，硬件部分通常是由8个GPS天线和具有8个通道的微波开关、相应的微波开关控制电路、微处理器和1台GPS接收机组成。软件程序控制微波开关信号通道的断通状态和控制器的工作状态。

4. 数据传输方式

(1)采用GPRS/CDMA无线公网。这是在GSM系统上发展的一种新的承载业务，提供分组形式的数据业务，具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、不受距离限制等优点。

(2)采用光纤通信。这种传输方式具有损耗低、重量轻、不受电磁干扰等优点，但需要购置光纤通信设备，成本较高。

(3)采用电话线传输。利用电话线只需购置相关的Modem即可实现数据传输，这种方式的优点是方便、可靠，并且成本低。

(4)组网方式进行数据通信。

5. 基于GPS一机多天线技术的变形监测系统

采用GPS一机多天线控制器的变形监测系统如图2.11所示，它包括下面几个主要部分: 数据处理中心、数据传输、GPS多天线控制器、天线阵列、基准站、野外供电系统，其中，数据处理中心包括微机总控、数据处理、数据分析、数据管理四大部分。

图2.11 GPS一机多天线变形监测系统结构图

2.4.5 液体静力水准仪

1. 液体静力水准仪的工作原理

如图2.12所示，液体静力水准仪的主要原理是利用相互连通的且静力平衡时的液面进行高程传递的测量方法，传感器容器采用通液管连接，每个传感器内设有一个自由的浮筒，当液位发生变化时，浮筒的位置将随液位变化而变化，而浮筒上的标志杆也会随之改变，通过CCD传感器来检测标志杆的位置并进行量化及输出，通过转换获得液位的变化量。

欲求两液体静力水准仪底面所处位置A、B间的高差h，可依据传感器测量出的各自液面的高度值a和b，则高差h=a－b。

图2.12 液体静力水准测量原理图

2. 液体静力水准仪的基本构造

液体静力水准仪种类较多，但总体上由三部分组成，即液体容器及其外壳、液面高度量测设备和沟通容器的连通管。如图2.13所示为电感式液体静力水准仪的基本构造。

图2.14所示为BGK4675型液体静力水准仪，它由一系列含有液位传感器的容器组成，容器间由充液管互相连通。参照点容器安装在一个稳定的位置，其他测点容器位于同参照点容器大致相同标高的不同位置，任何一个测点容器与参照容器间的高程变化都将引起相应容器内的液位变化，从而获取测点相对于参照点高程的变化。

图2.13 电感式液体静力水准仪结构

1—电感传感仪; 2—通气胶皮管; 3—有机玻璃容器;4—装有传感器的浮子; 5—稳定装置

图2.14 BGK4675型液体静力水准仪外观图

3. 液体静力水准仪的读数方法

根据不同的仪器及其结构，液面高度测定方法有目视法、接触法、传感器测量法和光电机械法等，前两种方法精度较低，后两种方法精度较高且利于自动化测量。

(1)目视接触法。利用转动的测微圆环带动水中的触针上下运动，根据光学折射原理，在观测窗口可以观测到触针尖端的实像和虚像，当两像尖端接触时，在测微圆环上可读出触针接触水面时的高度，如图2.15所示。

(2)电子传感器法。通过电子(电感式、光电式或电容式)传感器不仅可以提高静力水准的读数精度，而且可实现测量的自动化，如图2.16所示。

图2.15 目视法读数静力水准仪

1—木夹板; 2—圆水准器;3—玻璃管; 4—水龙头

图2.16 接触法读数静力水准仪

1—气嘴; 2—水嘴; 3—对称玻璃窗;4—水位指针; 5—测微圆环

4. 液体静力水准仪的误差来源

液体静力水准仪的测量误差主要包括温度差影响、气压差影响、液面到标志高度测量误差、液体蒸发影响、液体中进入污物影响、仪器倾斜误差影响、仪器结构变化影响等; 同时，如同几何水准测量一样，液体静力水准仪也存在零点差，交换两台液体静力水准仪的位置可以消除其影响; 另外，连通管中液体不能残存气泡，否则测量结果将有粗差。

2.4.6 测斜仪

测斜类仪器通常包括测斜仪和倾斜仪两类。测斜仪是用于钻孔中测斜管内的仪器。倾斜仪是设置在基岩或建筑物表面用来测定某一点转动或某一点相对于另一点垂直位移量的仪器。测斜仪包括伺服加速度计式、电阻应变片式、电位器式、钢弦式、电感式等。倾斜仪包括梁式倾斜仪和倾角计等。

1. 伺服加速度计式测斜仪

伺服加速度计式测斜仪是建筑物及其基础侧向位移监测中应用较多的测斜仪，精度较高、稳定性较好，其装置包括测斜仪测头、测斜管和接收仪表。测斜仪探头由感应部件(伺服加速度计)、外壳、导向轮和电缆几部分组成，如图2.17所示。其工作原理是，基于伺服加速度计测量重力矢量g在传感器轴线垂直面上分量大小，当加速度计感应轴与水平面存在一个夹角θ时，即可换算出加速度计输出电压UC，从而求出倾斜角θ。

图2.17 伺服加速度计式测斜仪

2. 电阻应变片式测斜仪

电阻应变片式测斜仪在外形上和伺服加速度计式测斜仪基本相同，大小也差不多。不同的是，其内置的感应部件是一个弹性摆。弹性摆由应变梁和重锤组成，在梁的两侧贴有组成全桥的一组电阻应变片，当测斜仪的弹性摆的梁平面与铅垂线倾斜一夹角θ时，应变梁产生弯曲，一组电阻片受拉，另一组电阻片受压，用电阻应变仪测出应变值，即可换算得相对水平位移量，从而求出倾斜角θ。

3. 振弦式固定测斜仪

固定式测斜仪主要用在常规性测斜仪难于或无法测读的监测项目中，把测斜仪固定在测斜管内的某个固定位置，用遥测的方法来测定该位置倾角的连续变化。若要测得某个钻孔内各个高度处的倾斜情况，则需在测斜管中固定安置若干个传感器进行观测。其主要部件包括固定式传感器、连接电缆、遥测集线箱、测斜管和读数仪表，如图2.18所示。测斜管主要是用聚氯乙烯、塑料和铝合金等材料加工而成，管内有互成90°的四个导向槽，如图2.19所示。

图2.18 振弦式固定倾斜仪

图2.19 测斜管

2.4.7 倾斜仪

倾斜仪一般能连续读数、记录和传输数据，精度较高，在倾斜监测领域应用较为广泛。常见的倾斜仪有梁式倾斜仪、水管式倾斜仪、气泡式倾斜仪、水平摆式倾斜仪及电子倾斜仪，可用来监测建筑物的位移及转动。水平型的倾斜仪用来进行变形体沉降和隆起的监测，垂直型的倾斜仪用来进行变形体位移和收敛的监测。

1. 梁式倾斜仪

梁式倾斜仪可监测建筑物的位移和转动，主要用来监测建筑物受隧道等地下工程的影响、隧道本身的收敛和位移、滑坡区稳定性、桥梁稳定性等。梁式倾斜仪是在坚固金属梁上按照电解液测斜传感器，将1～3m长的梁锚固在建筑物上，然后将传感器调零并固定位置，产生倾斜时便可测量出倾斜角，如图2.20所示。

图2.20 梁式倾斜仪

2. 水管式倾斜仪

水管式倾斜仪是利用连通软管中的液体表面水平的原理，根据两端液面的高低变化，得出两点间的高差变化，进而计算倾斜角的仪器，如图2.21所示。水管式倾斜仪利用光导装置实现自动记录。工作时使光导装置向液面方向移动，并由位移传感器开始发生计数脉冲，当光导装置接触液面时，光线就从原来的全反射变为部分透射，使液面下的接收器受光，从而停止脉冲计数。

图2.21 水管式倾斜仪

图2.22 气泡式倾斜仪

3. 气泡式倾斜仪

气泡式倾斜仪由一个高灵敏度的气泡水准管和一套精密的测微器组成，如图2.22所示。气泡水准管固定在支架上，可绕旋转端点转动，下装一弹簧片，底板下为置放装置，测微器中包括测微杆、读数盘和指标。将倾斜仪安置在需要的位置上，转动读数盘，使测微杆向上或向下移动，直至水准管气泡居中为止，此时在读数盘上读数，即可得出该处的倾斜度。

2.4.8 位移计

位移计是用于监测变形体的相对位移的传感器，主要用于测量水工结构物或其他混凝土结构物的内部变形，也可用于监测土坝、土堤、边坡等结构物的位移、沉陷、应变及滑移。

位移计主要包括钢丝式位移计、钢弦式位移计、差动电阻式位移计、滑线电阻式土位移计、多点位移计、单双点锚固式变位计、滑动测微计等类型。

1. 钢丝式位移计

钢丝式位移计是由受张拉的铟瓦合金钢丝构成的机械式水平位移测量装置，主要由锚固板、铟瓦合金钢丝、分线盘、保护管、伸缩节、配重、固定标点台和游标卡尺(或位移传感器)等组成，适用于土石坝、边坡工程等的水平位移观测。选型前提是具备适合的安装空间。其特点是测量范围大，结构简单、耐久性好，观测数据直观可靠。

若锚固点在水平方向上发生位移，则通过一端固定在锚固板上的铟钢丝(或钢缆)传递给位移传感器，从而得到测点处的水平位移。在同一高程、同一断面处布置多个相同的测点，即可得到多个点的水平位移。单组测点数为4个，需要多点监测时，只需要增加铟钢丝或增加组数即可，如图2.23所示，其实物图如图2.24所示。

图2.23 引张线式水平位移计

1—坝体; 2—伸缩管接头; 3—导向轮; 4—游标卡尺5—保护钢管; 6—锚固板; 7—钢丝; 8—恒重砝码

2. 钢弦式位移计

钢弦式位移计由位移传动杆、传动弹簧、钢弦、电磁线圈、钢弦支架、防水套管、导向环、内外保护套筒、两端连接拉杆和万向节等部件组成。钢弦式位移计采用振弦式传感器，工作于协振状态，温度使用范围宽，抗干扰能力强，能适应于恶劣环境中，广泛应用于地基基础、土坝及其他土工建筑物的位移监测中。当位移计两端拉伸或压缩时，传动弹簧使传感器钢弦处于拉紧或松弛状态，此时钢弦频率产生变化，受拉时频率增高，受压时频率降低，测出位移后的频率即可算出位移量，如图2.25所示。

图2.24 钢丝式水平位移计

图2.25 钢弦式位移计

1—拉杆接头; 2—电缆孔; 3—钢弦支架; 4—电磁线圈; 5—钢弦; 6—防水波纹管; 7—传动钢簧;8—内保护筒; 9—导向环; 10—外保护筒; 11—位移传动杆; 12—密封圈; 13—万向节(或铰)

3. 差动电阻式位移计

差动电阻式位移计由测杆、护管、滑动式电阻器、信号传输电缆等组成，具有智能式电阻位移计别功能。当被测结构物发生变形时，带动位移计测杆产生位移，通过转换机构传递给滑动式电阻器，滑动式电阻器将位移物理量转变为电信号量，经电缆传输至读数装置，即可测出被测结构物位移的变化量，如图2.26所示。

图2.26 差动电阻式位移计

头; 2—引出电缆; 3—变形感应元件; 4—密封壳; 5—万向铰接件; 6—柱销连接头

4. 滑线电阻式位移计

滑线电阻式位移计可测量土体某部位任何一个方向的位移，适用于填土中埋设，它由传感元件、铟瓦合金连接杆、钢管保护内管、塑料保护外壳、锚固盘和传输电缆组成。电位器内可自由伸缩的铟瓦合金连接的一端固定在位移计的一端，电位器固定在位移计的另一端，伸缩管在电位器内滑动，不同的位移量产生不同电位器移动臂的分压，即把位移量转换成电压输出，用电压表测出电压变化值，换算出位移量，如图2.27所示。

图2.27 滑线电阻式位移计

—左端盖; 2—左法兰; 3—传感元件; 4—连接杆; 5—内护管; 6—外护管; 7—右法兰

5. 多点位移计

多点变位计是将3～6支测缝计组合在一起，按不同深度梯度埋设，用于测量同一测孔中不同深度裂缝的开合度。多点位移计由位移计组、位移传递杆及其保护管、减摩环、安装支座、锚固头等组成，适用于长期埋设在水工结构物或土坝、土堤、边坡、隧道等结构物内，测量结构物深层多部位的位移、沉降、应变、滑移等，可兼测钻孔位置的温度。

当被测结构物发生变形时，将会通过多点位移计的锚头带动测杆，测杆拉动位移计产生位移变形，变形传递给振弦式位移计转变成振弦应力的变化，从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振振弦并测量其振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置，即可计算出被测结构物的变形量，并可同步测量埋设点的温度值，如图2.28所示。

图2.28 多点位移计

2.4.9 测缝计

测缝计是适用于长期理设在水工建筑物或其他混凝土建筑物内或表面，测量结构物伸缩缝或周边缝的开合度(变形)以及裂缝两侧块体间相对移动的观测仪器。根据工作原理，测缝计可分为差动电阻式测缝计、振弦式测缝计、埋入式测缝计、钢弦式测缝计、电位器式测缝计、金属标点结构测缝计等。

1. 差动电阻式测缝计

差动电阻式测缝计用于埋设在混凝土内部，遥测建筑物结构伸缩缝的开合度，经适当改装，也可监测大体积混凝土表面裂缝的发展及基岩变形，如测量两坝段间接缝的相对位移等。

差动电阻式测缝计由上接座、钢管、波纹管、接线座和接座套等组成仪器外壳。电阻感应组件由两根方铁杆、弹簧、高频瓷绝缘子和弹性电阻钢丝组成，如图2.29所示。

当测缝计产生外部变形时，由于外部波纹管及传感部件中的弹簧承担了大部分变形，小部分变形引起钢丝电阻的变化，两组钢丝的电阻在变形时的变化是差动的，电阻的变化与变形成正比; 由测出的电阻比即可算出测缝计承受的变形量。

图2.29 差动电阻式测缝计

1—接座套筒; 2—接线座; 3—波纹管; 4—塑料管; 5—钢管;6—中性油; 7—方铁杆; 8—弹性钢丝; 9—上接座; 10—弹簧

2. 振弦式测缝计

振弦式裂缝计用于测量接缝的开合度，如建筑、桥梁、管道、大坝等混凝土的施工缝; 土体内的张拉缝与岩石和混凝土内的接缝。仪器包括一个振弦式感应元件，该元件与一个经热处理、消除应力的弹簧相连，弹簧两端分别与钢弦、连接杆相连。仪器完全密封并可在高达250psi(1.7MPa)的压力下操作。当连接杆从主体拉出，弹簧被拉长导致张力增大并由振弦感应元件测量。钢弦上的张力与拉伸成比例，因此，接缝的开合度通过振弦读数仪测出应力变化而精确地确定，如图2.30所示。

图2.30 振弦式测缝计

器电缆; 2—线圈及温度计; 3—套管(保护管); 4—尼龙扎带; 5—传递杆; 6—球形万向节;定螺栓; 8—球形万向节; 9—定位槽; 10—定位销; 11—螺纹适配器; 12—安装螺栓

3. 埋入式测缝计

埋入型测缝计主要用于测量砼块之间的升降或断面的接缝开度或边界位移。该仪器由一个经过一系列热处理的振弦感应元件构成，一端连接弦的应力释放弹簧，而另一端是连接杆。由于传递杆从传感器筒体拉出，弹簧拉伸导致应力增加，并由振弦元件感应。弹簧的应力与弦张力成正比，因而，裂缝的开度可以用弦式读数仪通过测量应变的变化很精确地确定。该单元是完全密封的并且可以在250psi(1.75MPa)压力下正常工作。同时，在振弦传感器内装有热敏电阻，用以测量测缝计安装部位的温度。另外，在传感器筒内有一个三极等离子体浪涌脉冲放电器，用以保护瞬间由直接或间接雷电冲击电荷对传感器的破坏，如图2.31所示。

图2.31 埋入式测缝计

—套筒底座; 2—仪器连接器; 3—传递杆; 4—传感器外壳; 5—线圈组件; 6—雷击保护器;—通气螺丝; 8—仪器电缆; 9—万向节; 10—定位销; 11—定位槽; 12—万向节; 13—导线

2.4.10 沉降仪

沉降仪是埋设安装在建筑物及其基础内、外表面用来测其沉降的仪器，主要应用在土坝、土石坝、边坡、开挖和填方等岩土工程的沉降监测中。沉降仪主要包括横梁管式沉降仪、电磁式沉降仪、水管式沉降仪、钢弦式沉降仪等。

1. 横梁管式沉降仪

这种沉降仪主要用于土石坝坝体内部的沉降，通常在坝体内逐层埋设。它由管座、带横梁的细管、中间套管三部分组成。利用细管在套管中的相对运动测定土体垂直位移。当土体发生隆起或沉陷时，埋设在土中的横梁翼板也随之移动，并带动细管在套管中上下移动。测定细管上口与管顶距离变化即可求出各测点的沉降量。每次观测时，用水准仪测出管口高程，再换算出相应各测点的高程。

2. 电磁式沉降仪

这种沉降仪主要用于监测土石坝、路堤、基坑等工程施工中土体分层沉降量。它是由测头、三脚架、钢卷尺和沉降管组成的。埋入土体的沉降管要依据设计需要，每隔一定距离设置一磁环，当土体发生沉降时，该磁环也同步沉降，利用电磁探头测出沉降后的磁环位置并与初始值相减，即可求出相应测点的沉降量。观测时，将三脚架安置于测孔上方，测头悬挂于钢卷尺端部。将测头缓慢放入管中，跟进电缆并接通电源。测头下降至磁环中间时，音响立即发出声音并找准其确切位置，让钢卷尺与脚架中的基准尺对齐，即可读出该沉降环所处深度。每次观测时，用水准仪测出孔口高程，测得磁环深度，即可换算出该点的高程。

3. 水管式沉降仪

水管式沉降仪可直接测读各点沉降量，适合于土石坝等结构物内部沉降监测。它由沉降测头、管路和量测板等组成。采用连通管原理监测测头的沉降，即用水管将坝体内的测头连通水管的水杯与坝体外量测板上的测量管相连接，使两端处于同一气压中，当水杯充满水后，观测房中玻璃管中液面高程即为坝内水杯杯口高程。水杯杯口高程变化即为该测点的相对垂直位移量。每次读数前，用水准仪测出量测板上各标点的高程，读出各测点玻璃管上的水位，即可得到各测点沉降量。

4. 钢弦式沉降仪

钢弦式沉降仪主要用于测量填土、堤坝、公路等结构的沉降，是由钢弦式探头、充满液体的管路、液体容器、测读装置组成的。传感器作为沉降测头进入测管中，通过充满液体的管路与液体容器相连，由传感器测得探头内液体压力，就可测出探头与容器内水位的高差。容器和测读装置固定于水准基点上的卷筒上，探头在测管中的移动就可测出测管高程变化，与起始高程比较，就可测得测管的沉降量。

2.4.11 应变计

观测应力、应变的目的在于了解建筑物及基岩内部应力的实际分布，求得最大拉应力、压应力和剪应力的位置、大小和方向。常用的应变计主要有埋入式应变计、无应力式应变计和表面应变计，从工作原理上分，有差动电阻式应变计、钢弦式应变计、差动电感式应变计、差动电容式应变计、电阻应变片式应变计等。

1. 差动电阻式应变计

主要是埋设在混凝土中观测其应变，也可用来测量浆砌石或基岩内的应变。这种应变计由电阻传感器部件、外壳和电缆组成。当仪器轴向受到变形时，电阻比产生变化，从而计算应变量。

2. 钢弦式应变计

主要用来测量建筑物基础、桩体、桥梁、坝体、隧道衬砌等混凝土的应变值。这种应变计由端头、应变管、钢弦、电磁线圈和导线组成。当混凝土产生应变时，端头带动应变管产生变形，使钢弦应力发生变化，用频率测定仪测量钢弦变形后的频率值，即可求得混凝土应变值。

3. 无应力式应变计

主要用来测量混凝土由于温度、湿度及水化作用产生的自由体积变形。这种应变计使用锥形双层套筒，埋设在内筒中的混凝土内的应变计不受筒外大体积混凝土荷载变形影响，而筒口和大体积混凝土连成一体，使筒内外保持相同湿度和温度，这样，筒内混凝土产生的变形只是由温度、湿度和自身原因引起的，而非应力作用结果。

4. 表面应变计

主要用于测量混凝土、钢筋混凝土及钢结构的桥梁、墩台、桩体、隧道及坝体表面的应变。其传感器有钢弦式和电阻应变片式等，通常将后者直接粘贴在结构物表面设计规定位置，经防水防潮处理后进行量测。

2.4.12 应力计

1. 钢筋应力计

钢筋应力计又称钢筋计，是埋设在水工结构物或其他混凝土结构物内，测量结构物内部的钢筋应力的仪器，常用的有差动电阻式和钢弦式两种。图2.32所示为钢筋应力计，图2.33所示为安装在基坑支护结构上的钢筋应力计。

图2.32 钢筋应力计

图2.33 安装在基坑支护结构上的钢筋应力计

2. 孔隙水压力计

孔隙水压力计也称为渗压计，是指用于测量构筑物内部孔隙水压力或渗透压力的传感器，按仪器类型可以分为差动电阻式孔隙水压力计、钢弦式孔隙水压力计及电阻应变片式孔隙水压力计等。孔隙水压力计可用来测量孔隙水或其他流体压力。所测得的数据可评估地下水流的情况，并用于设计和监测水工建造物、基础与挡土墙、大坝与堤防、边坡与开挖工程、隧洞与地下工程、废料堆积场等项目(图2.34、图2.35)。

图2.34 差动电阻式孔隙水压力计

图2.35 钢弦式孔隙水压力计

3. 混凝土应力计

混凝土应力计是埋设在混凝土建筑物内部，直接测量混凝土内部压应力，同时兼测埋设点的温度的仪器。它是由感应板组件和差动电阻式传感器组成的。传压液体将受压面板上感受的混凝土压应力传递到感应背板上，感应背板组件将位移转换成钢丝电阻值差动变化，用测读仪表接收电阻比变化量和电阻值，就可计算出混凝土的压应力和温度(图2.36)。

图2.36 混凝土应力计

4. 土压力计

土压力计是用来测量土石坝、大堤、桥墩、隧道、地铁、高层建筑基础等结构内部土体压应力的仪器。按其埋设方法可分为埋入式和边界式两种，按结构形式可分为立式、卧式和分离式三种形式(图2.37)。

图2.37 土压力计

5. 测力计

测力计是用于岩土工程的载荷或集中力观测的仪器，可观测承载桩和支撑桩的载荷。测量锚杆(索)预应力锚杆效果和预应力载荷变化时，采用锚杆(索)测力计。目前常用的有轮辐式测力计、环式测力计和液压式测力计三种，按照传感器不同，也可分为差动电阻式测力计、钢弦式测力计和电阻应变片式测力计等几种。图2.38所示为差动电阻式锚索轴力计。图2.39所示为钢弦式锚索轴力计和现场实际布设图。

图2.38 差动电阻式锚索轴力计

图2.39 钢弦式锚索轴力计

◎习题与思考题

1. 变形监测系统设计的基本原则是什么?

2. 外部监测常用的仪器有哪些?

3. 内部监测常用的仪器有哪些?

4. 应力监测常用的仪器有哪些?