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1、第二章 岩土工程安全监测常用仪器及自动化第一节 安全监测仪器的基本要求用于岩土工程的安全监测仪器所处的环境条件十分恶劣，有的暴露在100200m的高边坡上，有的又要深埋在200300m的坝体或基础中，有的长期在潮湿的廊道或水下工作，有的要在-3050 的交变温度场中工作。建筑物开始施工时仪器随同埋设，直到工程运行施工期就会长达十年以上。一般地说，仪器一旦埋进去就无法修理和更换。甚至观测人员都难以到达仪器布设的地方。因此，对仪器除了技术性能和功能符合使用要求外，通常设计制造要满足以下要求：（1） 高可靠性。设计要周密，要采用高品质的元器件和材料制造，并要严格地进行质量控制，保证仪器埋设后完好率满
2、足要求。 （2） 长期稳定性好。零漂、时漂和温漂满足设计和使用所规定的要求，一般有效使用寿命在10年以上。 （3） 精度较高。必须满足监测实际需要的精度，有较高的分辨率和灵敏度，有较好的直线性和重复性，观测数据不受长距离测量和环境温度变化的影响，如果有影响所产生的测值误差应易于消除。仪器的综合误差一般应控制在2%FS以内。（4） 耐恶劣环境性。可在温度-25+60 ，湿度95的条件下长期连续运行，设计有防雷击和过载冲击保护装置，耐酸、耐碱、防腐蚀。 （5） 密封耐压性良好。防潮密封性良好，绝缘度满足要求，在水下工作要能承受设计规定耐水压能力。 （6） 操作简单。埋设、安装、操作方便，容易测读，
3、最好是直接数显。中等文化水平的人员经过短期培训就应能独立使用。 （7） 结构牢固。能够耐受运输时的振动以及在工地现场埋设安装可能遭受的碰撞、倾倒。在混凝土或土层振捣或碾压时不会损坏。（8） 维修要求不高。选用通用易购的元器件，便于检修和定时更换，局部故障容易排除。 （9） 适于施工。埋设安装时与工程施干扰要小，能够顺利安装的可能性要大，不需要交流电源和特殊的影响施工的手段。（10） 费用低廉。包括仪器购价、维修费用和施工费用、配套的仪表，传输信号的电缆等直接和间接费用应尽可能低。（11） 能遥测。自动监测系统容易配置。以上这些要求构成了比较理想的监测仪器，实际上十全十美的仪器是很难实现的，还得
4、根据实际需要和技术设计可能性、制造工艺性的保证程度，以及质量控制手段来共同创造。第二节 常用传感器的类型和工作原理一、差动电阻式传感器的基本原理差动电阻式传感器是美国人卡尔逊研制成功的。因此，又习惯被称为卡尔逊式仪器。这种仪器利用张紧在仪器内部的弹性钢丝作为传感元件将仪器受到的物理量转变为模拟量，所以国外也称这种传感器为弹性钢丝式（Elastic Wire）仪器。 由物理学知道，当钢丝受到拉力作用而产生弹性变形，其变形与电阻变化之间有如下关系式： （2-2-1）式中 钢丝电阻变化量；钢丝电阻；钢丝电阻应变灵敏系数：钢丝变形增量；钢丝长度。 由图2-2-1可见仪器的钢丝长度的变化和钢丝的电阻变化
5、是线性关系，测定电阻变化利用式2-2-1可求得仪器承受的变形。钢丝还有一个特性，当钢丝感受不太大的温度改变时，钢丝电阻随其温度变化之间有如下近似的线性关系： 图2-2-1 钢丝变形 1钢丝；2钢丝固定点 （2-2-2）式中 RT温度为T的钢丝电阻；R0温度为O的钢丝电阻；电阻温度系数，一定范围内为常数；钢丝温度。只要测定了仪器内部钢丝的电阻值，用式2-2-2就可以计算出仪器所在环境的温度。差动电阻式传感器基于上述两个原理，利用弹性钢丝在力的作用和温度变化下的特性设计而成，把经过预拉长度相等的两根钢丝用特定方式固定在两根方形断面的铁杆上，钢丝电阻分别为R1和R2，因为钢丝设计长度相等，R1和R2
6、近似相等，如图2-2-2所示。图2-2-2 差动电阻式仪器原理当仪器受到外界的拉压而变形时，两根钢丝的电阻产生差动的变化，一根钢丝受拉，其电阻增加，另一根钢丝受压，其电阻减少，两根钢丝的串联电阻不变而电阻比R1/R2发生变化，测量两根钢丝电阻的比值，就可以求得仪器的变形或应力。当温度改变时，引起两根钢丝的电阻变化是同方向的，温度升高时，两根钢丝的电阻则都减少。测定两根钢丝的串联电阻，就可求得仪器测点位置的温度。差动电阻式传感器的读数装置是电阻比电桥（惠斯通型），电桥内有一可以调节的可变电阻R，还有两个串联在一起的50固定电阻M/2，其测量原理见图2-2-3，将仪器接人电桥，仪器钢丝电阻R1和R
7、2就和电桥中可变电阻R，以及固定电阻M 构成电桥电路。图2-2-3 电桥测量原理图2-2-3()是测量仪器电阻比的线路，调节R使电桥平衡，则： R/M = R1/R2 （2-2-3）因为M100，故由电桥测出之R值是R1和R2之比的100倍，R/100 即为电阻比。电桥上电阻比最小读数为0.01。图2-2-3(b)是测量串联电阻时，利用上述电桥接成的另一电路，调节R达到平衡时，则：（M/2)/R=（M/2)/(R1+R2) (2-2-4)简化式（2-2-4）得:R=(R1+R2) (2-2-5)这时从可变电阻R读出的电阻值就是仪器的钢丝总电阻，从而求得仪器所在测点的温度。综上所述，差动电阻式仪
8、器以一组差动的电阻R1和R2，与电阻比电桥形成桥路从而测出电阻比和电阻值两个参数，来计算出仪器所承受的应力和测点的温度。二、钢弦式传感器的基本原理钢弦式传感器的敏感元件是一根金属丝弦（一般称为钢弦，振弦或简称“弦”）。常用高弹性弹簧钢、马氏不锈钢或钨钢制成，它与传感器受力部件连接固定，利用钢弦的自振频率与钢弦所受到的外加张力关系式测得各种物理量。钢弦式传感器所测定的参数主要是钢弦的自振频率，常用专用的钢弦频率计测定，也可用周期测定仪测周期，二者互为倒数。在专用频率计中加一个平方电路或程序也可直接显示频率平方。钢弦式仪器是根据钢弦张紧力与谐振频率成单值函数关系设计而成的。由于钢弦的自振频率取决于
9、它的长度、钢弦材料的密度和钢弦所受的内应力。其关系式为： （2-2-6）式中 钢弦自振频率；L钢弦有效长度；钢弦的应力；钢弦材料密度。 由式（2-2-6）可以看出，当传感器制造成功之后所用的钢弦材料和钢弦的直径有效长度均为不变量。钢弦的自振频率仅与钢弦所受的张力有关。因此，张力可用频率的关系式来表示： （2-2-7）从式（2-2-6）中可以看出，钢弦式传感器的张力与频率的关系为一次函数图2-2-4（），频率平方与张力为一次函数 图2-2-4（b） 通过最小二乘法变换后的式（2-2-7)为线性方程。仪器的结构不同，张力“F”可以变换为位移、压力、压强、应力、应变等各种物理量。从式（2-2-7）中
10、可以看出钢弦的张力与自振频率的平方差呈直线关系。但不同的传感器中钢弦的长度、材料的线性度很难加工得完全一样。因此，修正常数（Y轴的截距）相对于每只传感器也都不尽相同，为以后资料整理时的起始值造成不一致，通常根据资料的要求人为设“A”值等于“0”，使一个工程中的多只传感器起点一致，以方便计算中的数据处理。图2-2-4 钢弦传感器输出特征钢弦自振频率；钢弦应力钢弦式传感器的激振一般由一个电磁线圈（通常称磁芯）来完成。 工作过程可用图2-2-5来说明。经过把各类物理量转换为拉（或压）力作用在钢弦上，改变钢弦所受的张力，在磁芯的激发下，使钢弦的自振频率随张力变化而变化。通过频率的变化可以换算出被测物理
11、量的变化值。由于钢弦被置于电测原件“磁芯”的磁场中，当钢弦振动时就在接收线圈中产生感应电动势V。测出它的频率就确定了被测钢弦的自振频率，代人式（2-2-7）中即可换算成相应的物理量。钢弦传感器的激振方式不同，所需电缆的芯数也不同。图2-2-5中的三种激振方式代表了钢弦式传感器的发展过程。图2-2-5 三种钢弦式传感器原理（a）单线圈间歇激振型输出波形；（b）三线制双线圈连续激振型输出波形；（c）二线制双线圈连续激振型输出波形图2-2-5（a）是单线圈间歇激振型传感器，它激振和接收共用一组线圈，结构简单，但由于线圈内阻不可能很大，一般是几十欧姆到几百欧姆。因此，传输距离受到一定限制，抗干扰能力比
12、较差，传输电缆要求截面较大的屏蔽电缆为好。激振方式为单脉冲输人，如图2-2-5(a2)。当激发脉冲输到磁芯线圈上，磁芯产生一个脉动磁场拨动钢弦，所以国外也有叫“拨弦式”，钢弦被拨动后产生一个衰减振荡，切割磁芯的磁力线在磁芯的输出端也产生如图2-2-5（a3）的衰减正弦波。接收仪表测出此波的频率即为钢弦此刻的自振频率。 图2-2-5（b）是一组三线制双线圈钢弦式传感器示意图。它有两个线圈组成如图2-2-5（b1）一个线圈为激振线圈，一个为接收线圈。激振线圈由二次仪表送来一个l000HZ左右的激发脉冲，一般为正弦波或锯齿波。当钢弦激振后由接收线圈传送到二次仪表中，经放大反馈一部分到激发线圈上，使激
13、发频率与接收频率相等，让钢弦处于谐振状态，一部分送到整形、计数、显示电路测出频率。图2-2-5（b2）、（b3）为激发和输出的波形。这种结构比单线圈的性能有了很大的改善，但同样存在线圈内阻小，对电缆要求较高的不足。常用三芯或双芯屏蔽电缆，屏蔽层或其中一芯为公用线，一芯激发线，一芯接收线。图2-2-5（c）为一组二线制双线圈的钢弦传感器示意图。这种结构比较新颖，磁芯中有一组反溃放大电路，对二次仪表来说，由二芯传输线直流输人，经内部电路激发，正弦波输出。此方式采用了现代电子技术，把磁芯内阻做到3500左右，内阻提高，传输损耗小，传输距离较远，抗干扰增强。因此，对电缆要求较低。一般用二芯不屏蔽电缆即
14、可。若一组有几个传感器的，每增加一只传感器只需增加一芯电缆。例一组四点位移计只需一根5芯不屏蔽电缆，但设计要求在雷电地区须屏蔽的例外。钢弦式传感器利用电磁线圈铜导线的电阻值随温度变化的特性可以进行温度测量，也在传感器内设置可兼测温度的元件，同样可以达到目的。钢弦式传感器的优点是钢弦频率信号的传输不受导线电阻的影响，测量距离比较远，仪器灵敏度高，稳定性好，自动检测容易实现。三、电感式传感器的基本原理电感式传感器是一种变磁阻式传感器，利用线圈的电感的变化来实现非电量电测。它可以把输人的各种机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电量输出，可以实现信息的远距离传输、记录、显示和控制
15、。电感式传感器种类很多，常用的有形、E形和螺管形三种。虽然结构形式多种多样，但基本包括线圈、铁芯和活动衔铁3个部分，见图2-2-6。图2-2-6是最简单的电感式传感器原理图。铁芯和活动衔铁均由导磁材料如硅钢片或铍镆合金制成，可以是整体的或者是迭片的，衔铁和铁芯之间有空气隙。当衔铁移动时，磁路中气隙的磁阻发生变化，从而引起线圈电感的变化，这种电感的变化与衔铁位置即气隙大小图2-2-6 电感式传感器原理图 相对应。因此，只要能测出这种电感量的变化，就能判定衔铁位移量的大小。根据电感的定义，设电感传感器的线圈匝数为W，则线圈的电感量L 为： （2-2-8）式中 磁通，Wb；I线圈中的电流，A。磁通可
16、由下式计算： （2-2-9）式中RF为铁芯磁阻，由下式计算： （2-2-10）为空气隙磁阻，由下式计算： （2-2-11）式中 磁通通过铁芯的长度，m；铁芯横截面积，m2；铁芯在磁感应值为B1时的导磁率，H/m；磁通通过衔铁的长度，m；衔铁横截面积，m2；衔铁在磁感应值为B2时的导磁率，H/m；气隙长度，m；气隙截面积，m2；空气导磁率，为410-7H/m。、可按下式计算： （2-2-12）式中 B磁感应强度，（特斯拉）；H磁场强度，A/m。由于电感传感器用的导磁材料一般都工作在非饱和状态下，其导磁率要大于空气的导磁率数千倍甚至数万倍，因此，铁芯磁阻RF，和空气隙磁阻相比是非常小的，常常可以忽
17、略不计。这样把式（2-2-9）和式（2-2-11）代入式（2-2-8）便得下式:L=W2/R=W20S/2 （2-2-13）式（2-2-13）就是电感传感器的基本特性公式。线圈匝数W确定，只要气隙长度和气隙截面积S二者之一发生变化，电感传感器的电感量就会随之变化。把电感传感器设计为变气隙长度的，就可用来测量位移，设计为改变气隙截面积，就可用来测量角位移。电感式传感器结构简单，没有活动电接触点、工作可靠、灵敏度高、分辨率大、能测出0.1微米（m）的机械位移和0.1角秒的微小角度变化。重复性好，高精度的可以做到非线性度误差达0.1。四、电阻应变片式传感器的基本原理电阻应变片是一种将机械构件上应变的
18、变化转换为电阻变化的传感元件。它是基于金属的电阻应变效应的原理制成，即金属导体的电阻随着所受机械变形（拉伸或压缩）的大小而变化，这就是电阻应变片工作的物理基础。因为导体的电阻与材料的电阻系数、长度和截面积有关，导体在承受机械变形过程中，这三者都要变化。因此，引起导体电阻产生变化。图2-2-7 应变片的基本结构1粘合层；2基座；3粘合层；4盖片；5敏感栅；6引出线电阻应变片的基本构造见图2-2-7。它由敏感栅、基底、粘合剂、引线、盖片等组成。敏感栅由直径约0.010.05mm、高电阻细丝弯曲而成栅状，是电阻应变片的敏感元件，实际上就是一个电阻元件。敏感栅用粘合剂将其固定在基底上。基底的作用应保证
19、将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。基底一般厚0.03O.06mm，材料有纸、胶膜、玻璃纤维布等，要求有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性能。引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相连接，一般由0.10.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两输出端相焊接。将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形，应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随着发生变化，且与试件应变成比例。用专用电阻应变仪将这种电阻变化转换为电压或电流变化，再用显示记录仪表将其显示记录下来，就可以测出被测试件应变量的大小。电阻应变片的品种繁多，按敏感栅不同分为丝式电阻应变片、箔式应变片和半导体应变片三种。常
20、用的是箔式应变片，它的敏感栅由0.030.01mm属箔片制成。箔片电阻应变片用光刻法代替丝式应变片的绕线工艺，可以制成尺寸精确形状各异的敏感栅，允许电流大，疲劳寿命长，蠕变小，特别是实现了工艺自动化，生产效率高。电阻应变片式传感器尺寸小、重量轻、分辨率高、能测出12个微应变（1 x 10-6mm/mm），误差在1以内，适于远距离测量和巡检自动化。日本共和电业首先引进制成以电阻片为传感元件的观测仪器，称为“贴片式仪器”。在日本已代替卡尔逊式仪器，普遍用于工程建设。五、其他原理的传感器除了上述四种类型的传感器以外，还有一些利用其他原理制成的安全监测仪器。例如电容式传感器、压阻式传感器、伺服加速度计
21、传感器等都被用来制成安全监测仪器。电容式传感器是指能将被测物理量转化为电容变化的一种传感元件。众所周知，电容器的电容是构成电容器的两极片形状、大小、相互位置及电介质电介常数的函数。以最简单的半极式电容器为例，见图2-2-8。其电容量C为： （2-2-14）式中 介质介电常数；S极片的面积； 极片间距离。 图2-2-8 平板电容器 由图2-2-8可知，如将上极片固定，下极片与被测物体相连，当被测物体上下位移（变化），或左右位移（S改变），将改变电容的大小，通过一定测量线路将电容转换为电压、电流或频率等信号输出，即可测定物体位移的大小。将两个结构完全相同的电容式传感器共用一个活动电极，即组成差动电
22、容式传感器，其灵敏度高，非线性得到改善，并且能补偿温度变化。固体受到作用力后，电阻率（或电阻）就要发生变化，这种效应称为压阻效应。压阻式传感器就利用固体的压阻效应制成，主要用来测量压力、载荷和加速度等参数。压阻式传感器灵敏度高，有时输出不要放大，就可以直接用来测量。另外分辨力高，12mm水柱的微压，也能反应。压阻式传感器是用半导体材料制成的，其对温度很敏感，所以必须要温度补偿，或在恒温条件下使用。习惯称为伺服加速度计就是力平衡加速度计。在工程安全监测中也采用伺服加速度计制成观测仪器来测量位移。它是利用检测质量的惯性力来测量线加速度或角加速度，其输出量与输人的加速度成比例。如石英挠性伺服加速度计
23、是用石英片（环）做为感性支承，将感受到的加速度通过电容传感器或电感式传感器转换成相应电信号输出。测出输出电压的大小就可算出相应的位移值。以上各种类型传感器均需要与此配套的测量仪表，方能测出其输出的电信号，而测定出对应的物理量。为此在选用观测仪器时，应尽量使用同一种原理的观测仪器和测量仪表，有利于人员培训，操作使用与维护管理。第三节 变形观测仪器对建筑物和地基的变形观测包括表面位移观测和内部位移观测。目的是观测水平位移和垂直位移，掌握变化规律，研究有无裂缝、滑坡、滑动和倾复的趋势。 表面位移观测一般包括两大类：用全站仪、水准仪或激光准直仪，根据起测基点的高程和位置来测量建筑物表面标点高程和位置的
24、变化。 在建筑物内、外表面安装或埋设一些仪器来观测结构物各部位间的位移，包括接缝或裂缝的位移测量。如在坝体内部、坝基或坝肩、竖井、廊道、隧洞、压力钢管、发电厂房以及高边坡、深基础等部位安装位移测量仪器，观测其自身和相互间的位移和位移变化率。内部安装的位移测量仪器要在结构物的整个寿命期内使用。常用的内部位移观测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线仪和多点变位计等。一、变形监测控制网用仪器利用测距、测角、测水准和准直线的大地测量方法，建立平面控制网用以测量大坝、坝肩、基础和大坝周边地区的水平位移和垂直位移。其特点是使用全站仪、水准仪等精密测量仪器按视准线、边角网、交会法及导线法
25、等方法测得网内点位相对于固定的大地参考点的绝对位移和变形。鉴于国家对变形监测精度的要求较高，受到测量仪器望远镜放大倍数的限制，照准误差大。特别大坝坝长、气候条件较差时，致使观测成果不能正确地反映坝体的实际变形。为此变形监测控制网多选用高精度的测量仪器。（一）全站仪这里介绍徕卡TCA2003全站仪。TCA2003全站仪有很高的角度和距离测量精度，既可人工操作也可自动操作，既可远距离遥控运行也可在机载应用程序控制下使用，广泛应用在精密工程测量、变形监测、几乎是无容许限差的机械引导控制等领域中。徕卡TCA2003全站仪主要工作指标如下：（1） 世界上最高精度的全站仪：测角精度（一测回方向标准偏差）0
26、.52，测距精度 1mm+1ppm。（2） 具有ATR功能的TCA2003全站仪，把地面测量设备带入了测量机器人的时代，并以性能稳定可靠著称。（3） 利用ATR功能，白天和黑夜（无需照明）都可以工作，合作目标只是普通的反射棱镜。（4） 具有激光对点器。（5） 可通过GeoBasic工具，用户可自开发机载应用软件；在GeoCOM模式下，通过计算机软件的控制，可组成各种自动化测量系统。（6） 在测量办公软件Leica Geo-Office的帮助下，可把仪器内PC卡上保存的数据轻松地传输到计算机中。（二）水准仪水准仪是一台能够提供一条水平视线测量仪器，通过水准仪的水平视线测读前、后水准尺读数，通过视
27、线高法即可计算出测点高程。这里介绍徕卡DNA03数字水准仪。DNA03数字水准仪主要工作指标如下：（1） 大屏幕的液晶显示屏能将所有重要的测量数据在一个界面上显示出来，并且能提示下一步动作。（2） 数据安全双重保护：除了将工作自动存储在仪器内存里，还能在测量完成后，把数据存储到一张PC卡上。这时候测量数据可以非常方便地下载到计算机上去。（3） 操作方便：汲取TPS700全站仪设计思路的字母数字式混合键盘和操作方式，让用户获得一流的作业效率，并且操作顺手，熟悉过程快。（4） 实践证明，与传统水准仪相比，采用徕卡数字水准仪可以节省将近50%的工作时间。（5） 测量轻松、准确。（6） 利用徕卡LGO
28、软件可以进行数据交换、参数设置、建立编码表以及更新仪器系统软件。二、激光准直仪 激光准直是激光应用最早的技术之一。在矿井指向，打桩定位，船体放样等低精度短距离的应用中，国内外已有各种激光照准的商品销售。但在高精度远距离的应用领域，如大坝的位移测量至今尚无专业生产厂生产定型的激光准直仪器，一般仍靠科研、院校与使用单位共同研制。激光准直系统在我国大坝变形监测中已取得了成功经验，并通过SDJ33689混凝土大坝安全监测技术规范的颁布加以推广。激光准直仪分为大气激光准直仪和真空激光准直仪两种。（一）大气激光准直仪过去大坝水平位移多用经纬仪视准线法进行观测，由于受到仪器望远镜放大倍数的限制和大气折光的影
29、响，特别是坝较长，往往观测误差大于2mm,甚至超过坝本身的位移量。利用激光的方向强，亮度高、单色性及相干性好的特性，以及光电探测远高于人眼分辨率的特性，在光学视准线基础上开发了激光照准法技术用于大坝水平位移的观测，增加准直距离，提高了准直精度，且实现全天候观测。大气激光准直在坝基准线两端分别设置激光点光源（发射点）和激光探测器（接收靶）, 根据观测需要在位移标点上设置波带板及其支架（测点）。因此，大气激光准直又称为波带板激光准直(如图2-3-1所示）。图2-3-1 波带板激光准直示意图1激光探测器；2波带板；3激光点光源；4十字亮丝；5测点1；6测点2从点光源发出的激光束，使它对准激光探测器，
30、在测点1上利用强制对中装置插人相应焦距的波带板，激光束在该点波带板衍射后，便在接收靶上产生一个十字亮线，按三点准直原理，精确测定十字亮线的中心位置，即可算出测点l 的位移值。当测点1 观测结束后，取下该点波带板，插上测点2的波带板，重复前述方法观测，直到所有测点全部观测完，就可测得沿坝长方向坝体的水平位移情况。（二）真空激光准直系统真空激光准直系统是波带板激光准直装置和真空管道系统的结合。即将装有波带板装置的测点箱与适合大坝变形的软连接的可动真空管道联成一体。管道内气压控制在66Pa以下，使激光源发射的激光在真空中传输，减少大气折光和大气湍流对准直的影响，从而使激光接收装置上测得的大坝变形值更
31、接近真实。该系统能同时观测各测点的水平位移和垂直位移，具有高精度、高效率、作业条件好、不受外界温度湿度和观测时间的限制等特点。三、GPS全球定位系统GPS是20世纪70年代美国国防部研制的全球定位系统，利用GPS空间测量新技术与常规地形变化监测技术相接合在测量领域中得到广泛应用。大坝变形监测常用传统的方法是利用光学仪器建立高精度的监测控制网来测量位移。由于受地形、气候等条件制约影响了测量精度，而且观测时间长、劳动强度大，难以实现监测自动化。而采用GPS技术则具有操作简单、观测时间短、定位精度高、能全天候作业等优点，且结合计算机技术，可实现从数据采集、平差计算及变形分析的连续自动化。特别是，接收
32、机体积的减少和价格降低、操作更简便，促进了GPS技术的推广与应用。在GPS测量技术中，相对定位是精度最高的一种定位方法，即采用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线相量。这种方法一般可推广到多台接收机确定多条基线相量。由于两个或多个观测站是同步观测相同卫星。因此，卫星的轨道误差、卫星时钟差、接收机时钟差以及电离层和对流层的折射误差等得以消除和减弱，从而提高了相对定位的精度。利用GPS定位技术可同时精确确定测点站的三维坐标，一般进行水平位移观测可得到小于士5mm的位移量。高程的测量误差可得到士10mm的精度。四、位移计（
33、一）差动电阻式土位移计1.用途差动电阻式土位移计是一种供长期测量土体或其他结构物间相对位移的观测仪器。在外界提供电源时，它输出的电阻比变化量与位移变化量成正比，而输出的电阻值变化量与温度变化量成正比。2.结构型式土位移计由变位敏感元件、密封壳体、万向铰接件和引出电缆四部分组成如图2-3-2所示。变位敏感元件是差动电阻式传感器。仪器两端万向铰接件配有柱销连接头和螺栓连接头。可用于连接锚固板或长杆等。图2-3-2 差动电阻式土位移计1螺栓连接头；2引出电缆；3变形敏感元件；4密封壳体；5万向铰接件；6柱销连接头3.工作原理由于被测位移量的作用，使差动电阻式变位敏感元件的两组电阻钢丝产生差动变化，即
34、引起电阻比变化。按差阻式仪器计算公式即可计算出土体位移量。（二）钢弦式位移计1.用途钢弦式位移计采用振弦式传感器，工作于谐振状态，迟滞、蠕变等引起的误差小，温度使用范围宽，抗干扰能力强，能适应于恶劣环境中工作。广泛应用于地基基础，坝工建筑及其他土工建筑物的位移监测。2.结构型式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构成（如图2-3-3所示）。电缆常用二芯屏蔽电缆。图2-3-3 钢弦式位移计结构示意图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传动弹簧；8内保护筒；9导向环；10外保护筒；
35、11位移传动杆；12密封圈；13万向节3.工作原理当位移计两端伸长或压缩时，传动弹簧使传感器钢弦处于张拉或松弛状态，此时钢弦频率产生变化，受拉时频率增高，受压时频率降低。位移与频率的平方差呈线性关系。当测出位移后的频率，即可按公式计算出土体位移。（三）引张线式水平位移计1.用途引张线式水平位移计是由受张拉的铟瓦合金钢丝构成的机械式测量水平位移的装置。其优点是工作原理简单、直观、耐久，观测数据可靠，适合于长期观测。广泛用于土石坝和其他填土建筑物及边坡工程中，观测其水平位移。2.结构型式引张线式水平位移计主要由锚固板、铟瓦合金钢丝、钢丝头固定盘、分线盘、保护管、伸缩接头、固定标点台和游标卡尺等组成
36、（如图2-3-4所示）。图2-3-4 引张线式水平位移计示意图1钢丝锚固点；2外伸缩管；3；外水平保护管；4游标尺；5铟钢丝；6导向轮；7砝码；8固定标点3.工作原理引张线式水平位移计的工作原理见图2-3-5。在测点高程水平铺设能自由伸缩、经防锈处理的镀锌钢管(或硬质高强度塑料管)，从各测点固定盘引出铟瓦合金钢丝至观测台固定标点，经导向轮，在其终端系一恒重砝码，测点移动时，带动钢丝移动，在固定标点处用游标卡尺量出钢丝的相对位移，即可以算出测点的水平位移量。测点位移大小等于某时刻t时读数与初始值读数之差，加相应观测台内固定标点的位移量。图2-3-5 引张线式位移计工作原理示意图1坝体；2伸缩管接
37、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（四）滑线电阻式土位移计（TS位移计）1.用途滑线电阻式土位移计，也称土应变计或堤应变计，是一种坚固、测量精度高、埋设容易的位移测量仪器，可测土体某部位任何一个方向的位移，适用于填土中埋设。可单点埋设，亦可串联埋设。2.结构型式滑线电阻式土位移计主要由传感元件、铟瓦合金连接杆、钢管保护内管、塑料保护外壳、锚固法兰盘和传输信号电缆构成，传感元件就是一种直滑式合成型电位器。其结构简单，尺寸小，重量轻，输出信号大，精度高，空载线性度+0 . 1 %，分辨率高，在1mm行程中可分辨2001000个点。3.工作原理将电位器内可自由伸缩的
38、铟瓦合金连接杆的一端固定在位移计的一个端点上，电位器固定在位移计的另一个端点上，两端产生相对位移时，伸缩杆在电位器内滑动，不同的位移量产生不同电位器移动臂的分压，即把机构位移量转换成与它保持一定函数关系的电压输出。用数字电压表测出电压变化，即可计算出位移量。（五）变位计变位计又称伸长计、钻孔伸长仪或钻孔位移计，主要是用来观测地下（深度为20m以上）基岩变形的位移计，变位计分为单点变位计和多点变位计两类。多点数在国内最多为6点，国外可多达10点。量测变形的传感器有测微表式、电位器式、钢弦式和差动电阻式。1.单双点锚固式变位计(A)用途单双点锚固式变位计是一种比较经济、操作简单、结构牢固、工作可靠
39、、容易安装的测量地下形变的监测仪器。广泛用于矿井、隧洞及岩石开挖周边的应变测量，建筑物基础和桥墩变形观侧，以及土坝边坡稳定监测等。根据经验，在容易钻孔地方，在相邻钻孔不同深度安装多支单点变位计，进行各点之间的多点观测比在同一钻孔设置多点变位计要好。(B)结构型式国内使用的单点杆式变位计由灌浆锚栓、测杆与锚栓接头、装在保护套管内的传递杆、变位计基准端、电测传感器等组成。（C）工作原理变位计的灌浆锚栓与岩体牢固连成一体，当岩体沿钻孔轴线方向发生位移时，锚栓带动传递杆沿伸到钻孔孔口基准端，使得位于基准端的伸长测量仪表也随着位移产生相应的变化，随着锚点的移动相对于基准端的伸长即可测出。 2.多点变位计
40、（多点位移计）（A）用途在同一钻孔中沿其长度方向设置不同深度的测点36个，测量各测点沿长度方向的位移，适用于各种建筑物基础及岩土工程，如隧洞、厂房、洞室、边坡、坝基等基岩不同深度变形监侧。（B）结构型式多点变位计主要由锚头、传递杆、护管、支承架、前（后）护筒、传感器、护罩以及灌浆管（或压力水管）组成(如图2-3-6所示)。传感器可用人工测读的机械式测微仪表，也可用远程传箱的电测传感器如线性电位器式位移计、差动电阻式位移计、钢弦式位移计等。常用锚头有四种：（1） 可膨胀型岩石锚。多用于单双点变位计，快速安装。具有较大膨胀量和扭力，能在表面不平破碎岩石钻孔或受到爆破作用的地方有效地锚固。（2） 弹
41、簧锚头。适用于钻孔均匀平滑的坚硬岩石中，安装简捷，特别适用于同一钻孔有两个或更多锚头的变位计。（3） 灌浆锚头。变位计先装好锚头与传递杆永久接触，再灌浆定位锚固。 图2-3-6 多点变位计示意图1保护罩；2传感器；3预埋安装管；4排气管； 5支承板；6护套管；7传递杆；8锚头；9灌浆管（C）工作原理当钻孔各个锚固点的岩体产生位移时，经传递杆传到钻孔的基准端，各点的位移量均可在基准端进行量测。基准端与各测点之问的位置变化即是测点相对于基准的位移。根据这原理可用多点变位计监测建筑物某一部位相对另一部位，建筑物相对基础，基础某一部位相对另一部位的位移。如果要观测岩石的绝对变形，可使变位计最深的锚头固
42、定在基岩变形范围之外，即找到稳定不变的基准点，就可测出基岩的相应变形值。（六）滑动测微计滑动侧微计是瑞士Solexperts公司为监测沿某一直线的应变分布而制造的高精度便携式仪器，从原理和功能来看，这是一种比较新颖的钻孔多点变位计。1.用途滑动测微计用于确定在岩石、混凝土和土中沿某一测线的应变和轴向位移的全部分布情况。在混凝土坝中可用其观测由于水位变化、温度变化和混凝土收缩所产生荷载作用。研究坝肩和岩石间相互作用。在隧道等地下工程可用它确定松动区，观测膨胀。在桩基、防渗墙和各种隔墙中，可用它观测沿桩和墙的两侧测线的应变，从而确定其曲率，估计其弯矩，确定其偏位曲线。2.结构型式该仪器由探头、电缆
43、、绞线盘和测读仪组成。探头的两个测头做成球面，探头内设有线性位移传感器（LVDT）。电缆为加强的测量电缆，长100m，配有绞线盘。测读仪为Solexperts的SDC 数据控制器，是菜单驱动的多用途读数和数据采集装置。3.工作原理将滑动式测微计插入钻孔的套管中，并在间距为1.0m的两测标间一步步移动。在滑移位置，探头可沿套管从一个测标滑到另一个测标。使用导杆，探头旋转45到达测试位置，向后拉紧加强电缆，利用锥面球面原理，使探头的两个测头在相邻两个测标间张紧，探头中传感器被触发，并将测试数据通过电缆传到测读装置上。周围介质（土、岩石或混凝上）的变形会引起测标产生相对位移。因此，滑动测微计能对某测
44、线的应变或轴向位移获得高精度的侧量。使用滑动测微计，可以在很短时间内测得结果，钻孔深30m，自上而下和自下而上测试一次，不要30min就可完成。五、收敛计1.用途主要用于固定在建筑物、基坑、边坡及周边岩体的锚栓测点间相对变形的监测。它可以在施工期 和竣工后 定期观测隧洞顶板下沉，坑道顶版下垂，基坑形变，边坡稳定性的表面位移等。2.结构型式收敛计主要由钢卷尺（铟瓦钢或高弹性工具钢）、百分表、测量拉力装置及与锚栓测点相连接的连接挂钩等部分组成。钢尺按每2.5cm或5cm ( 2 英寸）孔距用高精度加工穿孔，测力计张拉定位进行拉力粗调。弹簧控制拉力使钢尺张紧，百分表进行位移微距离读数测量。图2-3-
45、7 收敛计示意图1锚固端；2钢卷尺（每隔2英寸穿一孔）；3校正拉力指示仪；4压力弹簧；5密封外壳；6百分表；7拉伸钢丝；8旋转轴承；9钢带卷轴3.工作原理测量是将收敛计一端的连接挂钩与测点锚栓上不锈钢环相连（如图2-3-8所示），展开钢尺使挂钩与另一端测点的锚栓相连。张力粗调可把收敛计测力装置上的插销定位于钢尺穿孔中来完成。张力细调则通过测力装置微调至恒定拉力时为止。六、测缝计测缝计顾名思义是测量结构接缝开度或裂缝两侧块体间相对移动的观测仪器。按其工作原理有差动电阻式测缝汁、电位器式测缝计、钢弦式测缝计、旋转电位器式测缝计以及金属标点结构测缝装置等。测缝计与各种形式加长杆连接可组装成基岩变形计
46、，用以测量基岩变形。（一）差动电阻式测缝计1.用途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，经过适当改装，也可监测大体积混凝土表面裂缝的发展以及基岩的变形。如测量两坝段间接缝的相对位移，大坝管道中结构裂缝（接缝）的监测，软弱基岩中夹泥层的变形与错动、断层破碎带的变形监测等。2.结构型式测缝计由上接座、钢管、波纹管、接线座和接座套筒等组成仪器外壳。电阻感应组件由两根方铁杆、弹簧、高频瓷绝缘子和直径为0.05mm的弹性电阻钢丝组成。两根方铁杆分别固定在上接座和接线座上。两组电阻钢丝绕过高频瓷绝缘子张紧在吊拉簧和玻璃绝缘子焊点之间，并交错地固定在两根方铁杆上（如图2-3-8所示）。外套塑料套以防止埋设时水泥浆灌人波纹管间隙内，保持伸缩自如。图2-3-8 差动电阻式测缝计1接座套筒；2接线座；3波纹管；4塑料壳；5钢管；6中性油；7方铁杆；8弹性钢
