隐蔽式监控量测点装置的制作方法

本发明属于隧道工程监测，具体涉及一种隐蔽式监控量测点装置。

背景技术：

1、在隧道施工过程中，为监测围岩变形而设置的监控量测点通常采用预埋式反射片或棱镜，其测点表面需外露于围岩表面，以供全站仪等测量设备采集数据。由于隧道内空间有限，挖掘、出渣、支护等施工机械设备频繁通过，外露的测点极易遭受碰撞，导致测点损坏或位置偏移，进而影响监测数据的连续性和可靠性。为避免碰撞，一些施工现场尝试在非测量时段由人工在测点外部加装临时防护罩或插拔式保护盖，但这种方式依赖于人工操作，增加了现场工作量，且常因遗忘或操作不及时导致保护失效。因此，如何在无需人工频繁干预、不改变测点固定位置的前提下，使测点既能获得有效保护，又能按需暴露以供测量，成为隧道监控量测领域中一个尚未得到妥善解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种隐蔽式监控量测点装置，包括：

3、瓶状壳体，其具有封闭端、开口端以及位于封闭端与开口端之间的筒状侧壁，封闭端、开口端以及筒状侧壁共同围合形成一个容纳腔；开口端为斜口设置，开口端的高侧与隧道围岩的表面平齐，瓶状壳体用于以开口端朝外的方式预埋固定于隧道围岩的取芯孔内；

4、其中，取芯孔靠近隧道洞口的一侧设置有斜坡口以使光线穿过斜坡口、开口端进入瓶状壳体；

5、测点安装座，其固定设置于容纳腔内，测点安装座的正面设置有监测反光片，且监测反光片朝向斜坡口方向，使外部测量光线能够从斜坡口射入并照射到监测反光片上；

6、盖体，其通过铰接于开口端的高侧边缘以封闭或打开开口端，以防止灰尘进入容纳腔；

7、电动驱动组件，其固定设置于容纳腔内，电动驱动组件的输出端与盖体连接，用于驱动盖体打开或封闭开口端；

8、双向无线收发模块，其设置于容纳腔内，用于接收无线控制指令并输出开启驱动信号或关闭驱动信号；

9、其中，当双向无线收发模块接收到开启指令时，电动驱动组件驱动盖体打开开口端，使监测反光片暴露于外部测量光线中；当双向无线收发模块接收到关闭指令时，电动驱动组件驱动盖体旋转封闭开口端，以使监测反光片隐藏于容纳腔内。

10、优选的是，电动驱动组件包括微型电机以及传动机构，微型电机与双向无线收发模块电连接，传动机构的输出端与盖体连接，用于驱动盖体向外翻转。

11、优选的是，装置还包括联动控制器，所述联动控制器分别与双向无线收发模块和微型电机电连接；

12、联动控制器被配置为：通过双向无线收发模块接收外部下发的开启指令或关闭指令，并在接收到开启指令时控制微型电机正向转动预定角度，使盖体向外翻转至完全打开位置，预定角度对应盖体从封闭状态到完全打开所需的转动角度；在接收到关闭指令时控制微型电机反向转动所述预定角度，使盖体在电机驱动下回复至封闭开口端的位置。

13、优选的是，装置还包括应变感知单元、主控制器以及定时唤醒电路；

14、筒状侧壁的外表面设有多个沿轴向和周向离散分布的凹穴，应变感知单元包括若干固定于凹穴内的应变片，各应变片的敏感方向一致，用于感知筒状侧壁因隧道围岩变形而产生的微小应变并输出应变信号；

15、主控制器固设于容纳腔内，其通过双向无线收发模块与远程监控中心进行无线通信，主控制器还与联动控制器以及各应变片电连接，主控制器内部配置有可设定的采集时间间隔、应变增量阈值以及一历史基准值，所述历史基准值为主控制器在初始化阶段根据采集的应变信号确定的初始参照值；

16、定时唤醒电路与主控制器的中断引脚和电源管理单元连接，用于根据设定的采集时间间隔产生周期性唤醒信号；

17、主控制器被配置为：在非测量状态下，盖体封闭开口端，主控制器处于低功耗待机模式，应变感知单元处于断电状态，仅双向无线收发模块保持在低功耗监听模式以接收远程监控中心可能下发的遥控指令；定时唤醒电路按采集时间间隔周期性唤醒主控制器，主控制器被唤醒后，向应变感知单元短暂供电以采集一次应变信号，计算其相对于存储的历史基准值的变化量，并与应变增量阈值比较；若未超过应变增量阈值，则按预设的基准更新规则更新历史基准值并再次进入断电或深度休眠状态；若超过应变增量阈值，则判定围岩发生显著位移或变形，随即生成包含当前应变数据和时间戳的报警信息，并通过双向无线收发模块主动上报至远程监控中心；主控制器通过双向无线收发模块接收远程监控中心下发的人工复核指令，以经由联动控制器控制电动驱动组件执行相应的开启或关闭动作。

18、优选的是，凹穴的内底面具有一减薄区，减薄区的厚度小于筒状侧壁的壁厚，从而形成与筒状侧壁一体成型的应变放大膜片；应变片贴附于应变放大膜片朝向容纳腔的内表面，且应变放大膜片朝向凹穴的外表面直接暴露于凹穴空间中，瓶状壳体与取芯孔的孔壁之间填充有填充材料，围岩变形通过填充材料传递至筒状侧壁时，应变放大膜片因局部刚度降低而产生较筒状侧壁其余区域更大的弹性应变，应变片通过感测放大的弹性应变输出应变信号。

19、优选的是，应变增量阈值包括更新阈值和预警阈值，预警阈值大于更新阈值；主控制器内部还配置有异常计数器和变化速率限值，且主控制器还被配置为：当计算得到的变化量未超过更新阈值时，将本次采集的应变信号与历史基准值进行加权平均，以生成新的历史基准值，并将异常计数器清零；当变化量超过更新阈值但未超过预警阈值时，保持历史基准值不变，禁止更新操作，并令异常计数器加一，若异常计数器的累计值在连续唤醒周期内达到预设次数，则判定围岩发生缓慢持续变形，生成包含当前应变数据、时间戳和趋势性异常标记的报警信息；当变化量超过预警阈值时，立即判定为异常事件，生成包含当前应变数据和时间戳的报警信息，并冻结历史基准值的任何更新，直至通过双向无线收发模块接收到远程监控中心下发的复位指令才解除冻结；当变化量未超过预警阈值但变化速率超过变化速率限值时，亦立即判定为异常事件并生成报警信息。

20、优选的是，主控制器还被配置为：在上电启动或通过双向无线收发模块接收到远程监控中心下发的复位指令后，进入基准值初始化模式；在基准值初始化模式下，主控制器暂停定时唤醒电路原有的周期性工作逻辑，以设定的连续采集频率快速获取多组应变信号，并计算每次相邻采集值之差的绝对值作为瞬时波动量；当连续m次测得的瞬时波动量均小于预设的初始化稳定阈值时，判定围岩-壳体耦合状态已趋于短期准静态平衡，主控制器取最后k次采集的应变信号的统计平均值作为历史基准值并固化存储，随即退出初始化模式，恢复定时唤醒电路的正常监测逻辑，并清零异常计数器；若从上电或收到复位指令起算的累计初始化时长超出预设的最大初始化时限时仍未满足稳定条件，则主控制器放弃本次初始化，并将当前采集的应变信号序列与超时标记一同通过双向无线收发模块上报至远程监控中心，请求人工判定基准值或检查安装状态。

21、优选的是，还包括至少一个温度传感器，其固设于容纳腔内且与主控制器电连接；

22、主控制器还被配置为：在基准值初始化模式下，在以设定的连续采集频率快速获取多组应变信号之前，先以设定的温度采样间隔连续采集温度传感器输出的温度数据，并计算相邻两次采集的温度变化率；当连续n次测得的温度变化率的绝对值均小于预设的温度稳定阈值时，判定围岩-壳体因填充材料水化热引起的温度场已趋于短期热平衡，随后才进入应变信号波动收敛性判断阶段，以获取历史基准值；若从上电或收到复位指令起算，在预设的最大温度平衡等待时限内仍未满足温度稳定条件，则主控制器放弃本次初始化，并将当前温度序列、累计等待时长与温度超时标记一同通过双向无线收发模块上报至远程监控中心，请求人工判定或调整安装状态。

23、优选的是，主控制器内部还配置有温度-应变耦合历史知识库，温度-应变耦合历史知识库中存储有通过预先标定实验获得的、以温度变化率为索引变量的应变热漂移系数对照表；

24、主控制器还被配置为：在基准值初始化模式下，当温度条件达到温度稳定条件后、进入应变信号波动收敛性判断阶段期间，每采集一组应变信号时，同步采集一次实时温度数据，并计算当前时刻相对于前一采集时刻的温度变化率；以温度变化率为索引，从应变热漂移系数对照表中调取对应的应变热漂移系数，将应变热漂移系数与当前时刻的温度变化率相乘，得到实时应变热漂移补偿量；在计算每次相邻采集值之差的绝对值作为瞬时波动量之前，先从每次应变采集值中扣除对应的实时应变热漂移补偿量，得到热补偿校正后的应变值，再用热补偿校正后的应变值计算瞬时波动量；

25、若在最大初始化时限内，经热补偿校正后的应变值序列仍未满足连续m次瞬时波动量均小于初始化稳定阈值的条件，则主控制器放弃本次热补偿初始化，将原始应变序列、温度序列、热补偿校正后的应变序列及热补偿失效标记一同通过双向无线收发模块上报至远程监控中心。

26、优选的是，还包括设于隧道洞外的太阳能发电板和设于洞内的可充电电池，所述太阳能发电板通过充电电路与可充电电池电连接，可充电电池为装置的双向无线收发模块、电动驱动组件、主控制器、应变感知单元、联动控制器、定时唤醒电路及温度传感器供电。

27、本发明至少包括以下有益效果：

28、第一、将整个测点装置预埋于隧道围岩的取芯孔内，使瓶状壳体的开口端与围岩表面平齐，非测量状态下由盖体封闭。需要测量时，通过无线信号远程控制电动驱动组件驱动盖体打开开口端，使固定于容纳腔内的监测反光片暴露于外部测量光线中；测量结束后再遥控盖体关闭。这种方式避免了监测反光片长期外露，有效减少了因施工机械碰撞导致的损坏风险，同时无需人工现场插拔保护罩，提高了测量操作的便捷性和可靠性。

29、第二、针对盖体在狭小取芯孔内开闭过程中易与壳体发生碰撞的问题，采用联动控制器控制微型电机按预定角度正反转，使盖体精确翻转至完全打开或完全关闭位置。这种角度控制方式无需额外的到位传感器，避免了因传感器失效或机械卡滞导致的动作时序错乱，消除了盖体未全开或未全关而引发的碰撞隐患。

30、第三、将预埋固结于围岩的瓶状壳体本身作为传感器，在其筒状侧壁外表面的凹穴内布设应变片。通过定时唤醒电路以设定的时间间隔周期性唤醒主控制器，短暂采集应变信号并计算相对于历史基准值的变化量。当变化量未超过阈值时，装置重新进入低功耗休眠；一旦超过阈值，则主动生成报警信息并通过无线收发模块上报至远程监控中心。这使得装置在盖体关闭的非测量时段内，依然能够不间断地感知围岩的突发性早期变形，实现了全天候预警，同时大幅降低了能耗与磨损。

31、第四、在凹穴内底面构造一体成型的减薄区域作为应变放大膜片，将应变片贴附于膜片朝向容纳腔的内表面。由于膜片局部刚度降低，围岩变形通过填充材料传递给筒状侧壁时，膜片会产生较其余区域更显著的弹性应变。这一结构以力学放大方式提高了应变信号的信噪比，同时将应变片置于膜片内侧，使其与填充材料隔离，避免了因填充层蠕变或脱空导致的信号衰减，从而能够可靠捕捉早期微小变形。

32、第五、在控制器内部设定更新阈值和预警阈值，并将历史基准值的更新与异常判定分离。当应变变化量低于更新阈值时，通过加权平均平滑更新基准，吸收正常的微小波动；当变化量介于更新阈值与预警阈值之间时，冻结基准更新并启动异常计数器，仅在连续多个唤醒周期均出现此类缓变时才确认趋势性异常并报警；当变化量超过预警阈值时立即报警并完全锁定基准更新。这种分级处理机制避免了缓慢徐变因逐步被基准值吸收而漏报，同时抑制了单次瞬态冲击引起的虚警。

33、第六、装置上电或收到复位指令后进入初始化模式，以连续采集频率快速获取多组应变信号，计算相邻采集值之差的绝对值作为瞬时波动量。当连续多次测得的瞬时波动量均小于预设的稳定阈值时，判定围岩-壳体耦合状态已趋于短期准静态平衡，取最后数次采集的统计平均值作为历史基准值并固化。这套自收敛判别机制无需外部标定，能够自动排除安装初期围岩应力调整及填充材料固结引起的瞬态扰动，确保基准值真实反映围岩的初始稳定形态。

34、第七、在基准值初始化阶段，首先通过温度传感器连续监测容纳腔内的温度变化率。当连续多次测得的温度变化率绝对值均小于预设的温度稳定阈值时，判定填充材料水化热已基本消散、温度场进入短期热平衡，随后才启动应变信号的波动收敛性判断。这一流程将热效应与围岩力学变形效应在时间上解耦，避免了因水化放热尚未结束而导致的历史基准值包含后期会消退的热致虚假变形，从而防止了由此引发的误报警或漏报警。

35、第八、在温度场达到宏观热平衡后，进一步利用预先标定的以温度变化率为索引的应变热漂移系数对照表，在每次应变采集时同步采集温度并计算温度变化率，调取对应的热漂移系数对原始应变值进行实时补偿。经补偿校正后的应变值再用于计算瞬时波动量和收敛性判断。即使存在残余的微小温度波动，该方法也能剥离其产生的热应变分量，仅对纯力学应变进行判别，从而加速初始化稳定条件的达成，避免因热扰动长期无法收敛而导致的超时失败。

36、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。