CN101761331B - 自动遥测钻孔测斜装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动遥测钻孔测斜装置，涉及一种钻孔测斜装置。本发明包括工作环境钻孔和宽带网，设置有钻孔测斜仪、探头自动升降装置、数据采集控制器、数据汇集器、无线收发器和笔记本电脑；探头、信号电缆、数据采集控制器、数据汇集器、无线收发器、宽带网和笔记本电脑前后依次电气连通，实现自动遥测。探头、信号电缆和人工读数仪前后依次电气连通，实现人工读数。本发明对常规测斜仪无需改装；测量过程实现全自动化；远程测控中心值班员可远程通过互联网随时控制和调取监测现埸测量数据和同时对同一现埸多个钻孔的仪器或对多个现埸进行远程；获取的数字化监测数据利于计算机快速处理分析；适用于类似的人工观测仪器实现自动化遥测。

Description

自动遥测钻孔测斜装置

技术领域

本发明涉及一种钻孔测斜装置，尤其涉及一种自动遥测钻孔测斜装置。

背景技术

常规钻孔测斜仪广泛用于对钻孔各深度的水平位移测量，它由探头及人工读数仪组成。操作员将探头沿钻孔往下放送，每下行0.5米停2分钟进行人工读数和记录，直至钻孔底部；然后提拉上行，每上行0.5米停2分钟进行人工读数和记录，直至钻孔上部；至此测量过程结束。最后对测量数据进行处理分析。

常规钻孔测斜仪有以下缺点和不足：

1、每次观测至少2人，耗时2小时到现场进行人工操作，如多次重复观测则工作强度更大；

2、人工操作存在较大观测误差；

3、人工读数不便于大量数据的数字化处理分析。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种自动遥测钻孔测斜装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明包括工作环境钻孔和宽带网，设置有钻孔测斜仪、探头自动升降装置、数据采集控制器、数据汇集器、无线收发器和笔记本电脑；

钻孔测斜仪包括前后依次连接的探头、信号电缆和人工读数仪，探头置于钻孔中，信号电缆和自动升降装置机械连接，实现探头在钻孔中升降；探头、信号电缆、数据采集控制器、数据汇集器、无线收发器、宽带网和笔记本电脑前后依次电气连通，实现自动遥测。

本发明的工作原理是：

探头通过自动升降装置可在钻孔中自动升降，其观测数据被数据采集控制器自动采集並存贮在数据汇集器中；值班员在远程操作笔记本电脑，通过宽带网对监测现埸的设备进行测控，便可获取现埸监测数据。

本发明具有下列优点和积极效果：

1、对常规测斜仪无需改装，只需将测斜仪探头的信号电缆直接绕在探头自动升降装置的卷线滚筒上，即可进行自动遥测；

2、测量过程实现全自动化，避免人工观测误差，可实现现埸无人值守；

3、远程测控中心值班员可远程通过互联网随时控制和调取监测现埸测量数据；

4、设备经现埸一次安装后即可在远程定时或随时多次重复测量；

5、远程测控中心可同时对同一现埸多个钻孔的仪器或对多个现埸进行远程测控。

6、获取的数字化监测数据利于计算机快速处理分析；

7.本发明适用于类似的人工观测仪器实现自动化遥测。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2.1是钻孔测斜仪的原连线图，图2.2是钻孔测斜仪的本连线图；

图3.1是电缆对接器的结构主视图，图3.2是图3.1的A-A剖视图；

图4是零点检测装置的结构示意图；

图5是电子锁的结构示意图；

图6.1是数据采集控制器结构方框图，

图6.2是数据采集控制器工作流程图；

图7.1是数据汇集器结构方框图，

图7.2是数据汇集器工作流程图。

其中：

A-监测现场；B-远程测控中心；

000-钻孔；

100-钻孔测斜仪，

110-探头，    120-信号电缆，130-人工读数仪，

140-第1插头， 150-第1插座；

200-探头自动升降装置，

210-卷线滚筒，220-步进电机，230-变速箱，

240-电缆对接器，

241-绝缘板，  242-固定孔，  243-铜环，

244-滚筒转轴，245-弹性触点，246-触点座；

247-第2插座， 248-第2插头；

250-零点检测装置，

260-电子锁；

300-数据采集控制器；

400-数据汇集器；

500-无线收发器；

600-宽带网，

610-中转服务器；

700-笔记本电脑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、总体

如图1，本发明包括工作环境钻孔000和宽带网600，设置有钻孔测斜仪100、探头自动升降装置200、数据采集控制器300、数据汇集器400、无线收发器500和笔记本电脑700；

钻孔测斜仪100包括探头110、信号电缆120和人工读数仪130，探头110置于钻孔000中，信号电缆120和自动升降装置200机械连接，实现探头110在钻孔000中升降；

探头110、信号电缆120、数据采集控制器300、数据汇集器400、无线收发器500、宽带网600和笔记本电脑700前后依次电气连通，实现自动遥测；

探头110、信号电缆120和人工读数仪130依次前后依次电气连通，实现人工读数。

二、工作原理

信号电缆120绕在卷线滚筒210上，经电缆对接器240与人工读数仪130相连，探头110的测量信号进入人工读数仪130及数据采集控制器300；数据采集控制器300按设定程序采集探头110的测量数据、控制步进电机220及电子锁260的工作状态直至完成全部测量过程；数据采集控制器300采集的测量数据暂存于机内，一旦得到数据汇集器400的收集指令即传送至数据汇集器400的存貯器；步进电机220通过变速箱230与卷线滚筒210相连，使卷线滚筒210能正反转动；电子锁260可以程控开启或锁死，让卷线滚筒210分别处于自由或固定状态；数据汇集器400通过RS485口与数据采集控制器300相连，又通过无线收发器500与宽带网600中的中转服务器610某固定IP连通，笔记本电脑700上网与中转服务器610某固定IP连通；数据汇集器400可远程接收测控中心的笔记本电脑700发出指令，启动监测，並将数据采集控制器300的采集数据存入内部存貯器，一旦接收到笔记本电脑700发出的数据传送指令，立即通过无线收发器500及宽带网600中的中转服务器610某固定IP将数据传送至笔记本电脑700。

三、功能部件

0、钻孔000

如图1，钻孔000内予埋有直径为50～70毫米，内壁带4条均匀分布的凹槽的PVC管，以便钻孔测斜仪100的探头110能沿着凹槽定向升降测量。

1、钻孔测斜仪100

如图1，前述，钻孔测斜仪100包括探头110、信号电缆120和人工读数仪130。

如图2.1，钻孔测斜仪的原连线方式是：

探头110通过信号电缆120及其终端的插头140插入人工读数仪130上的插座150后与人工读数仪130相连。此时上下运动的探头的测量信号便可在人工读数仪130上显示出来，从而完成人工测量。

如果信号电缆120绕在转动的卷线滚筒上，尽管探头110能方便地上下进行自动测量，但绕在转动的卷线滚筒上的信号电缆120的插头140无法直接插入固定静止的人工读数仪130上的插座150内。

如果在中间加入一个电缆对接器，即可完成转动的信号电缆120和固定静止的信号电缆120之间的对接，使测量信号进入固定静止的人工读数仪130。

如图2.2，钻孔测斜仪的本连线方式是：

探头110、信号电缆120、第1插头140、第2插座247、电缆对接器240、电缆248、第2插头249、第1插座150和人工读数仪130前后依次连接，实现上下运动的探头110的测量信号便可在人工读数仪130上显示出来，完成人工测量，同时可以进入数据采集控制器300，完成自动测量。

2、探头自动升降装置200

如图1，探头自动升降装置200包括设置在支架上的卷线滚筒210、步进电机220、变速箱230、电缆对接器240、零点检测装置250和电子锁260；

步进电机220、变速箱230、卷线滚筒210和电缆对接器240前后依次连接，实现卷线滚筒210和电缆对接器240上下转动；

卷线滚筒210分别与信号电缆120和电子锁260连接，实现探头110升降和锁定状态；

数据采集控制器300分别与步进电机220、电子锁260和零点检测装置250电气连接，实现对其进行程序控制。

(1)电缆对接器240

如图3.1、3.2，电缆对接器240包括绝缘板241、固定孔242、铜环243、滚筒转轴244、弹性触点245和触点座246以及第2插座247和第2插头248；

在圆形绝缘板241上，从外向内依次设置有固定孔242、同心铜环243和转轴244，转轴244同心固定在卷线滚筒210上，第2插座247通过信号电缆120与铜环243连通，设置在触点座246上的弹性触点245的一端分别与铜环243紧密接触导通，弹性触点245的另一端通过信号电缆120和第2插头248与人工读数仪130连接。

其工作原理是：

信号电缆120绕在卷线滚筒210上，第1插头140插入电缆对接器240的第2插座247上，並通过第2插头248插入第1插座150后再与人工读数仪130连接，至此完成转动的信号电缆120与静止的人工读数仪130的连接，探头110随着卷线滚筒210的转动而升降，其测量信号可以进入人工读数仪130进行人工读数，同时进入数据采集控制器300完成自动测量。

(2)零点检测装置250

如图4，零点(即工作起始点)检测装置250由触盘252和行程开关251组成；

零点设置在Q处(在探头110的上方约0.3米)；

触盘252固定在信号电缆120上的Q处，行程开关251固定在地面上方(约0.15米)；

当探头110从钻孔000中上升，触盘252升至Q处接触到行程开关251的触轮时，行程开关251断开从而控制步进电机220，使探头110停止上升；

数据采集控制器300执行采集探头110的输出信号后开始下降(此时触盘252脱离行程开关251的触轮，行程开关闭合)，完成b个步距的测量后开始上升，当探头110又完成b-1个步距的测量后其触盘252升至Q处接触到行程开关251的触轮时，行程开关断开从而控制步进电机，使电缆线停止上升。此时数据采集控制器300执行采集探头110的最后一个输出信号后整个测量过程结束，等侍下一次测量工作开始。

(3)电子锁260

如图5，电子锁260包括棘轮261、转轴262、棘爪263和电磁铁264；

固定于转轴262上的棘轮261和棘爪263啮合，棘爪263和电磁铁264连接；转轴262和卷线滚筒210的中心轴连接。

电磁铁264的供电由数据采集控制器300的程序控制，可使棘爪263上下运动，从而使棘轮261及卷线滚筒210处于锁紧固定状态或自由状态。

(4)卷线滚筒210、步进电机220和变速箱230均为常用部件。

3、数据采集控制器300

如图6.1，数据采集控制器300包括第1供电电源310、步进电机逻辑驱动电路320、继电器控制电路330、光电耦合340、CPU微处理器350、A/D转换360、零奌检测开关量输入370、RS485接口380和第2供电电源390；

CPU微处理器350分别与A/D转换360、光电耦合340、零奌检测开关量输入370、RS485接口380、继电器控制电路330连接；

步进电机逻辑驱动电路320分别与光电耦合340和三相六拍步进电机330连接；

A/D转换360与探头130连接，RS485接口380与数据汇集器400连接，继电器控制电路与电子锁260连接；

第1供电电源310分别与步进电机逻辑驱动电路320、步进电机330及继电器控制电路330连接；第2供电电源390分别与其它电路连接。

工作原理：

三相六拍步进电机220带动卷线滚筒210的转动；CPU微处理器350时刻检测零奌检测开关量输入370的开关信息，查询零点检测装置250的行程开关251是否处于“开”的状态，如果不在“开”的状态，则驱动步进电机330转动，使探头110上升直至行程开关251处于“开”的状态，然后停止上升，随后开始进行测量工作，直至行程开关251处于“关”的状态时结束测量工作；

CPU微处理器350按程序要求通过继电器控制电路330控制电子锁260的12V供电，使卷线滚筒210处于自由或锁死状态；CPU微处理器350按设定程序通过A/D转换360采集探头110的输出倾钭信号，转换为数字信号后暂存于内部存貯器中；CPU微处理器350通过光电耦合340给予步进电机逻辑驱动电路320动作指令以实现对三相六拍步进电机330的控制；CPU微处理器350还通过RS485接口380与数据汇集器400相连，接受后者的指令並将测量数据传送至后者的存貯器中。

第1供电电源310为步进电机逻辑驱动电路320、三相六拍步进电机330及电子锁260提供12V供电；第2供电电源390为其它单元电路提供12V供电；

在CPU微处理器350与步进电机逻辑驱动电路320加入光电耦合340，可以有效地隔离步进电机功率驱动对数据采集的干扰。

(1)第1供电电源310

型号：规格为直流12V/2A的开关电源。

功能：为步进电机220、步进电机逻辑驱动电路320及电子锁260提供直流供电电压；

(2)步进电机逻辑驱动电路320

型号：通用逻辑组合电路。

功能：为步进电机提供大功率逻辑驱动。

(3)继电器330

型号：G5LE-14。

功能：12V吸合，控制电子锁260的开关动作。

(4)光电耦合340

型号：TLP52-1。

功能：隔离步进电机功率驱动对数据采集的干扰

(5)CPU微处理器350

①CPU微处理器350的配置

型号：PIC18F 452。

功能：按设计程序统一处理操作各单元电路，保持与数据汇集器400的通讯。

②CPU微处理器350的工作流程

如图4.2，CPU微处理器350的工作流程包括下列步骤：

第1、工作开始A；

第2、初始化，设置参数：步距＝a，测次＝b，B；

(注：例a＝0.5表示探头每移动0.5米采集1次数据，b＝20表示下行20次步距，上行20次步距。)

第3、电子锁开启，卷线滚筒处于自由状态C；

第4、判断探头是否在零点位置D，是则进入下一步骤，否则探头上升E，重复执行第4步骤；

第5、探头上升至零点位置后停止上升，采集探头输出值F后探头开始下降，

第6、下降a米后停数秒F，采集探头输出值，将b-1G，

第7、检测b值是否为0？H，是则进入下一步骤，否则重复执行第6步骤；

第8、探头上升a米后停数秒，采集探头输出值，将b+1I；

第9、检测b值是否为b-1？J，是则进入下一步骤，否则重复执行第8步骤；

第10、检测探头是否在零点位置K，是则进入下一步骤，否则探头继续上升L，重复执行第10步骤；

第11、采集探头输出值，电子锁关闭，卷线滚筒处于锁紧固定状态M；

第12、工作结束N。

(6)A/D转换360

型号：TCL7135。

功能：将探头110输出模拟信号转换为数字信号。

(7)零奌检测开关量输入370

型号：通用电平转换电路。

功能：将行程开关的开关信息转换为高低电平。

(8)RS485接口380

型号：SN75LBC184。

功能：半双工串口，与数据采集控制器300通讯。

(9)第2供电电源390

型号：规格为直流12V/1A的开关电源。

功能：为本机内各单元电路提供直流供电。

4、数据汇集器400

如图7.1，数据汇集器400包括时钟410、CPU微处理器420、存贮器430、RS232接口440和RS485接口450；

CP微处理器420分别与时钟410、存贮器430、RS232接口440和RS485接口450连接。

工作原理：

CPU微处理器420通过RS485接口450与数据采集控制器300通讯，向后者发出启动监测指令，並将后者采集数据收集于存贮器430中；CPU微处理器420通过RS232接口440与无线收发器500相连，然后通过宽带网600与远程笔记本电脑700进行通讯。

型号：PCF8563P

功能：为监测提供准确时间，並使监测数据带上时间标记。

(2)CPU微处理器420

①CPU微处理器420的配置

型号：PIC18F8520。

功能：按设计程序统一处理操作各单元电路，保持与数据采集控制器300及无线收发器500的通讯。

②CPU微处理器420的工作流程

如图7.2，CPU微处理器420的工作流程包括下列步骤：

第1、开始a；

第2、GPRS DTU初始化，连接中转服务器b；

通过无线收发器500和远程宽带网600中转服务器固定IP连通远程笔记本电脑700；

第3、检测是否有来自测控中心的命令c，是则执行命令d，完后返回到第3步骤，否则转入下一步骤；

第4、判断是否到达设定监测时间f，是则执行下一步骤，否则返回到第3步骤；

第5、启动监测f；

第6、判断监测是否完成g，是则执行下一步骤，否则重复第6步骤；

第7、从数据采集控制器的内存中读取监测数据h，完成后返回到第3步骤。

至此，本次监测工作完成，等侍下次监测工作开始。

①所述第3步骤中的执行命令e，其命令有查询或修正当前日期时间、设置监测时间、启动监测、下载监测数据等。

②有两种测量工作方式：

·即时自动测量工作方式：由值班员通过计算机发出当前时刻的‘启动监测’命令，数据汇集器接收到后将自动完成该次监测的全部测量过程；

·定时自动测量工作方式：由值班员通过计算机予先设置监测时间，只需发出一次‘启动监测’的命令，数据汇集器接收到后，以后每天到了该设定监测时间就自动啟动监测並自动完成全部测量过程。

(3)存贮器430

型号：DS1230Y。

功能：32Kb内存，可多次存贮来自数据采集控制器300内存中的监测数据。

(4)RS232接口440

型号：X232ACSE。

功能：全双工串口，与无线收发器500通讯。

(5)RS485接口450。

型号：SN75LBC184。

功能：半双工串口，可与多个数据采集控制器300通讯。

5、无线收发器500

型号：F2103 GPRS DTU无线监测终端。

功能：与中转服务器进行无线网络连接。

6、宽带网600

配置：网络中转服务器(610)内置固定IP。

功能：监听並接收来自数据汇集器400及监控中心的网络连接请求；通过中转为数据汇集器400及监控中心建立透明的数据传输通道。

7、笔记本电脑700

配置：windos操作系统。

功能：向数据汇集器400发布以下命令：查询或修正当前日期时间、设置监测时间、启动监测、下载监测数据等，以实现对现埸监测设备进行遥测遥控；

进行单次监测数据的空间位移曲线成图处理、长期多次监测数据的空间位移时序曲线成图处理、误差分析、临界予警等。

用途：上网对现埸监测设备进行远程测控、对监测数据进行处理分析和对现埸仪器进行检修维护等。

Claims (1)

1.一种自动遥测钻孔测斜装置的工作方法，

所述的自动遥测钻孔测斜装置包括工作环境钻孔(000)和宽带网(600)，

设置有钻孔测斜仪(100)、探头自动升降装置(200)、数据采集控制器(300)、数据汇集器(400)、无线收发器(500)和笔记本电脑(700)；

钻孔测斜仪(100)包括探头(110)、信号电缆(120)和人工读数仪(130)，探头(110)置于钻孔(000)中，信号电缆(120)和探头自动升降装置(200)机械连接，实现探头(110)在钻孔(000)中升降；

探头(110)、信号电缆(120)、数据采集控制器(300)、数据汇集器(400)、无线收发器(500)、宽带网(600)和笔记本电脑(700)前后依次电气连通，实现自动遥测；

探头(110)、信号电缆(120)和人工读数仪(130)前后依次电气连通，实现人工读数；

探头(110)、信号电缆(120)、第1插头(140)、第2插座(247)、电缆对接器(240)、信号电缆(120)、第2插头(248)、第1插座(150)和人工读数仪(130)前后依次连接，实现上下运动的探头(110)的测量信号便可在人工读数仪(130)上显示出来，完成人工测量，同时可以进入数据采集控制器(300)，完成自动测量；

探头自动升降装置(200)包括设置在支架上的卷线滚筒(210)、三相六拍步进电机(220)、变速箱(230)、电缆对接器(240)、零点检测装置(250)和电子锁(260)；

三相六拍步进电机(220)、变速箱(230)、卷线滚筒(210)和电缆对接器(240)前后依次连接，实现卷线滚筒(210)和电缆对接器(240)上下转动；

卷线滚筒(210)分别与零点检测器(250)、信号电缆(120)和电子锁(260)连接，实现探头(110)升降和锁定状态；

数据采集控制器(300)分别与三相六拍步进电机(220)、电子锁(260)和零点检测装置(250)电气连接，实现对其进行程序控制；

所述的电缆对接器(240)包括绝缘板(241)、固定孔(242)、同心铜环(243)、滚筒转轴(244)、弹性触点(245)和触点座(246)以及第2插座(247)和第2插头(248)；

在圆形绝缘板(241)上，从外向内依次设置有固定孔(242)、同心铜环(243)和转轴(244)，转轴(244)同心固定在卷线滚筒(210)上，第2插座(247)通过信号电缆(120)与铜环(243)连通，设置在触点座(246)上的弹性触点(245)的一端分别与铜环(243)紧密接触导通，弹性触点(245)的另一端通过信号电缆(120)和第2插头(248)与人工读数仪(130)连接；

数据采集控制器(300)包括第1供电电源(310)、步进电机逻辑驱动电路(320)、继电器控制电路(330)、光电耦合(340)、第1CPU微处理器(350)、A／D转换(360)、零点检测开关量输入(370)、第1RS485接口(380)和第2供电电源(390)；

第1CPU微处理器(350)分别与A／D转换(360)、光电耦合(340)、零点检测开关量输入(370)、第1RS485接口(380)和继电器控制电路(330)连接；

步进电机逻辑驱动电路(320)分别与光电耦合(340)和三相六拍步进电机(220)连接；

A／D转换(360)与探头(110)连接，第1RS485接口(380)与数据汇集器(400)连接，继电器控制电路与电子锁(260)连接；

第1供电电源(310)分别与步进电机逻辑驱动电路(320)、三相六拍步进电机(220)及继电器控制电路(330)连接；第2供电电源(390)分别与其它电路连接；

数据汇集器(400)包括时钟(410)、第2CPU微处理器(420)、存贮器(430)、RS232接口(440)和第2RS485接口(450)；

第2CPU微处理器(420)分别与时钟(410)、存贮器(430)、RS232接口(440)和第2RS485接口(450)连接；

其特征在于：

①数据采集控制器(300)的工作方法包括下列步骤：

第1、工作开始(A)；

第2、初始化，设置参数：步距=a，测次=b，(B)；

第3、电子锁开启，卷线滚筒处于自由状态(C)；

第4、判断探头是否在零点位置(D)，是则进入下一步骤，否则探头上升(E)，重复执行第4步骤；

第5、探头上升至零点位置后停止上升，采集探头输出值(F)后探头开始下降；

第6、下降a米后停数秒(F)，采集探头输出值，将b-1(G)；

第7、检测b值是否为0?(H)，是则进入下一步骤，否则重复执行第6步骤；

第8、探头上升a米后停数秒，采集探头输出值，将b+1(I)；

第9、检测b值是否为b-1？(J)，是则进入下一步骤，否则重复执行第8步骤；

第10、检测探头是否在零点位置(K)，是则进入下一步骤，否则探头继续上升(L)，重复执行第10步骤；

第11、采集探头输出值，电子锁关闭，卷线滚筒处于锁紧固定状态(M)；

第12、工作结束(N)；

②数据汇集器(400)的工作方法包括下列步骤：

第1、开始(a)；

第2、GPRS DTU初始化，连接中转服务器(b)；

第3、检测是否有来自测控中心的命令(c)，是则执行命令(d)，完后返回到第3步骤，否则转入下一步骤；

第4、判断是否到达设定监测时间(f)，是则执行下一步骤，否则返回到第3步骤；

第5、启动监测(f)；

第6、判断监测是否完成(g)，是则执行下一步骤，否则重复第6步骤；

第7、从数据采集控制器的内存中读取监测数据(h)，完成后返回到第3步骤。

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