CN102305618A - 一种串联固定式无线测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联固定式无线测斜仪，包含测斜管，其特征是，还包含与监测主机无线通信的无线采集器，所述无线采集器设在测斜管孔口位置，采集测量信号的多个测斜传感变送器，所述测斜传感变送器设在所述测斜管内；所述无线采集器和所述测斜传感变送器采用RS485工业总线进行通信。本发明的串联固定式无线测斜仪具有功耗低、测量精度高、单孔测量量程大、安装方便、维护成本低的特点，方便工程监测应用。解决了高边坡等工程安全监测应用中电源及通信电缆铺设困难、安装维护不便和单个测斜井孔埋设传感器数量受孔径大小限制的问题，在高边坡等工程应用中有显著优点。

Description

一种串联固定式无线测斜仪

技术领域

本发明涉及一种串联固定式测斜仪，属于检测技术领域。

背景技术

串联固定式测斜仪广泛用于监测大坝、岩土工程建筑物及地基的水平变形，适用于土石坝等水工建筑物，也适用于工业与民用建筑、道路、桥梁、隧道、路基、土建基坑等各类工程中，用以监测分层水平位移、深层水平位移、斜向位移和混凝土面板的挠度，也可用来监测不稳定边坡潜在滑动面的移动等。

现阶段，串联固定式测斜仪主要由数据采集装置、多个测斜仪传感器、测斜井(管)以及传感器串联连接装置组成。测斜仪传感器功能有单轴和双轴两种，类型有微电子和伺服加速度两种，测斜管内的每个测斜仪传感器采用单独的信号电缆，多个测斜仪传感器通过单独的电缆或者共用多芯电缆将信号传输至测斜井(管)口的数据采集装置，采用的交流电源供电和有线通信方式，需要铺设相应的工业电缆，安装不便，维护成本也较高。数据采集装置一般采用220V交流电源、蓄电池或者太阳能电池组供电，功耗相对较高，须配备蓄电池或者太阳能电池，设备体积较大，成本也相对较高。

现有的串联固定式测斜仪的每个测斜仪传感器间隔一定距离安装，分别采用单独的信号电缆，将信号传送至管口的数据采集装置，而管口孔径有限，容纳的电缆数量有限，这就导致传感器安装个数受到测斜井(管)口孔径的影响，测量的单孔量程受到限制，满足不了大量程测量的需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的缺陷，提供一种串联固定式无线测斜仪，解决高边坡等工程安全监测应用中电源及通信电缆铺设困难、安装维护不便的问题，且功耗低，成本低，可满足单个测斜井孔大量程测量的要求。

为解决上述技术问题，本发明提供一种串联固定式无线测斜仪，包含测斜管，其特征是，还包含

与监测主机无线通信的无线采集器，所述无线采集器设在测斜管孔口位置，

采集测量信号的多个测斜传感变送器，所述测斜传感变送器设在所述测斜管内；

所述无线采集器和所述测斜传感变送器采用RS485工业总线进行通信。

多个测斜传感变送器共用一根RS485工业总线。

多个测斜传感变送器与RS485总线之间采用航空接插头进行连接。

采用普通5号碱性干电池作所述无线采集器的电源。

所述测斜传感变送器包含微控制器、测量电路、测斜传感器、测量电源电路、控制器电源电路、通信电路以及测斜传感变送器接口。

所述无线采集器包含ZigBee通信电路。

所述无线采集器包含微控制器、电源电路、时钟电路、存储电路、变送器通信电路、变送器电源电路、开关电路、测斜传感变送器接口。

本发明所达到的有益效果：本发明的一种串联固定式无线测斜仪采用了低功耗的ZigBee通信技术及低功耗设计，采用方便更换的4节普通5号碱性干电池做供电电源，电池正常工作时间大于1年，可一年更换一次电池；无线通信距离大于500米，无需铺设电缆，有效降低了安装以及维护成本，解决了高边坡等工程安全监测应用中电源及通信电缆铺设困难，安装维护不便的问题。在高边坡等工程应用中有显著优点。装置中无线采集器和测斜传感变送器采用工业RS485总线进行信号传输，多个测斜传感变送器可以共用一根4芯RS485总线电缆，使传感器安装数量不再受孔径的限制，扩大了单孔测量量程。解决了单个测斜井孔埋设传感器数量受孔径大小影响的问题，满足单个测斜井孔大量程测量的要求。测斜传感变送器之间以及与无线采集器的连接采用了密封性良好的航空接插件连接，现场安装方便。串联固定式无线测斜仪具备功耗低、测量精度高、单孔测量量程大、安装方便、维护成本低的特点，方便工程监测应用。

附图说明

图1为测斜传感变送器工作原理图；

图2为本发明的装置系统组成框图；

图3为图2中测斜传感变送器组成框图；

图4为图2中无线采集器组成框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种集数据采集、无线数据传输功能一体化的测斜传感仪器。本发明的串联固定式无线测斜仪包含无线采集器2以及一个或多个测斜传感变送器1。

测斜传感变送器1安装在测斜管内，随监测对象产生水平方向上的相对位移。由测斜传感变送器内的测斜传感器感应测斜变化，输出与测斜变化相对应的电压信号，然后由测斜传感变送器1内的高精度模数转换芯片测量得到电压数值。多个测斜传感变送器1共用一根4芯RS485工业总线电缆，与无线采集器2进行通信。

无线采集器2安装在测斜管孔口位置，通过无线ZigBee通信技术，接收来自远端监测主机的命令，可根据命令设定的时间和测量周期对多个测斜传感变送器进行测量操作，然后将获取的电压测量值发送至监测主机进行相应的数据处理。

图1所示为测斜传感变送器工作原理图，测斜传感变送器的测斜传感器采用伺服加速度计，测量重力矢量g在传感器轴线垂直面上分量大小。当加速度计敏感轴与水平面存在一个θ角时，将引起输出电压的改变。被测对象的测斜变形量与测斜传感器输出的电压呈对应关系，同时该电压测量值的正负可显示出以零点为基准值的测斜角度变化方向。

带有导向轮的串联固定式测斜仪在测斜管中能够沿X、Y两个方向分别逐段测出产生位移后的测斜管轴线与铅垂线的夹角，再分段求出水平位移，累加得出总的位移量及沿测斜管轴线整个孔位的变化情况。可以在总体上监测测斜管埋设处的监测对象的二维位移情况。

(1)当被测对象发生测斜变形时，置入测斜管内的测斜传感变送器将感受其变形，其第i只仪器的第j次测量测斜角度变化量Δθ_ij与输出的电压读数具有如下计算公式：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-{\mathrm{\θ}}_{i0}=\frac{K\×(V_{\mathrm{ij}}-V_{i0})}{3600}---\left(1\right)$

式中：

Δθ_ij-被测对象的测斜角度变化量，单位为°(度)；

θ_ij-第i只仪器的第j次测量的倾角值，单位为°(度)；

θ_i0-第i只仪器初始测量的倾角值，单位为°(度)；

K-测斜仪的分辨力，单位为/mV；

V_ij-第i只仪器的第j次测量的实时值，单位为mV；

V_i0-第i只仪器的初始测量值，单位为mV。

(2)如图1所示，由n只测斜传感变送器组成的串联固定式无线测斜仪，沿着测斜管的导槽按设定的间距L布置。在第i只测斜传感变送器处输出一个与测斜角度的正弦值相对应的一个电信值U_i，两者有如下关系：

$\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=f\left(U_i\right)=a_3\×U_i^3+a_2\×U_i^2+a_1\×U_i+a_0---\left(2\right)$

式中：

U_i-为测斜传感变送器输出电压，单位为V；

θ_i-为测斜传感变送器轴线与铅垂面的夹角，单位为°(度)；

a₀、a₁、a₂、a₃-为第i只测斜传感变送器的系数，由厂家提供。

在第j次测量时，第i只测斜传感变送器相对于前一只测斜传感变送器的位移量Δx_ij为：

Δx_ij＝L×(Sinθ_ij-Sinθ_i0) $\left(\begin{array}{c}i=\mathrm{1,2,3},......,n\\ j=\mathrm{0,1,2},......,m\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中：

Sinθ_i0-为第i只测斜传感变送器的首次测值；

Sinθ_ij-为第i只测斜传感变送器的第j次测值。

则第j次测量时，整个测斜管轴线位移X_j为各段的相对位移之和，即

$X_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{x}_{\mathrm{ij}}---\left(4\right)$

图2所示为装置系统组成框图，串联固定式无线测斜仪包含多个测斜传感变送器1、无线采集器2、电池组3和天线4组成。多达32个分配不同通道地址的测斜传感变送器1通过一根4芯的RS485总线电缆与无线采集器2进行通信，多个测斜传感变送器1之间的RS485总线通过易于现场安装的耐水压航空接插件进行连接。无线采集器2采用4节普通5号碱性干电池组成的电池组3进行供电，通过ZigBee通信电路2.4与监测主机进行通信。根据现场通信距离的不同，系统可选用不同增益的通用SMA接口的天线4。无线采集器2通过ZigBee通信电路接收监测主机的命令，具有对单个通道或多个通道的测斜传感变送器1进行即刻测量、定时测量、定时自报、实时监测等功能，还具有数据存储及掉电保护功能。

图3为图2中测斜传感变送器1的组成框图，测斜传感变送器1包含微控制器1.1、测量电路1.2、测斜传感器1.3、测量电源电路1.4、控制器电源电路1.5、通信电路1.6以及测斜传感变送器接口1.7。微控制器1.1采用SiliconLabs公司的混合信号单片机C8051F300，具有启动电流小、运行电流小的特点，通过选择合适的晶振源，可极大降低模块的功耗。微控制器1.1含8KB片上闪存FLASH，可实现测斜传感变送器地址的存储及数据的缓存。控制器电源电路1.5采用低压差线性稳压器件，对测斜传感变送器接口1.7输入的12V电压进行稳压滤波，并使用DC-DC电源变换技术，为微控制器1.1和通信电路1.6提供电源。测量电源电路1.4采用精密电压源，具有温漂系数小、休眠电流小的特点，并在微控制器1.1的开关控制下，将稳压后的电源提供给测量电路1.2和测斜传感器1.3。测量电路1.2和测斜传感器1.3采用同一精密电压源供电，可在最大程度上消除供电电压漂移带来的角度测量误差。通信电路1.6采用具有较低待机接收状态功耗的RS485通信芯片，通过RS485总线与无线采集器2进行通信。微控制器1.1只有当接收到无线采集器2的测量命令才会打开测量电源电路1.4，在测量完毕后立即关闭测量电源电路1.4，且处理通信命令完毕后即处于空闲状态，从而降低模块功耗。

图4为图2中无线采集器2的组成框图，无线采集器2包含微控制器2.1、电源电路2.2、时钟电路2.3、ZigBee通信电路2.4、存储电路2.5、变送器通信电路2.6、变送器电源电路2.7、开关电路2.8、测斜传感变送器接口2.9。微控制器2.1采用双串口单片机STC12LE5A32S2，其中一路串口通过变送器通信电路2.6及测斜传感变送器接口2.9与测斜传感变送器1进行通信，另一路串口连接至ZigBee通信电路2.4。微控制器2.1通过ZigBee通信电路2.4，应用ZigBee技术与监测主机进行通信，接收监测主机的命令，并返回相应的数据信息。电源电路2.2采用低压差线性稳压器件，可适应外部4-11.5V范围内的电池组、太阳能以及铅酸蓄电池等供电电源的接入，并将稳定后的电压提供给其它各部分电路。时钟电路2.3为无线采集器2提供系统工作的实时时钟，微控制器2.1根据监测主机的命令，对时钟电路2.1进行相关设置，并接受时钟电路2.1提供的定时测量、定时自报的控制信号。存储电路2.5采用低功耗的铁电存储体，可在定时自报测量数据失败或定时测量的情况下存储测量数据，微控制器2.1可根据取数据命令将存储的测量数据再发送至监测主机。变送器电源电路2.7采用了一个恒定电流/恒定电压转换器，通过集成的一个传统电压反馈环路和一个独特的电流反馈回路，为测斜传感变送器提供一个电流输出能力大于80mA、电压为12V的电源。微控制器2.1只有接受到监测主机给出的与测量相关的命令时，才控制开关电路2.8，打开变送器电源电路2.7的电源，且收到测斜传感变送器的测量数据后，立即控制开关电路2.8关闭变送器电源电路2.7的电源，从而有效降低系统功耗，延长电池组的使用寿命。

测斜传感变送器1中的测斜传感变送器接口1.7与无线采集器2中的测斜传感变送器接口2.9采用共用的四芯RS485总线连接。

本领域普通技术人员可以意识到，在其他实施方式中，测斜传感变送器可由振弦式、差阻式、标准量式、编码式等其它类型的传感变送器代替。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种串联固定式无线测斜仪，包含测斜管，其特征是，还包含

与监测主机无线通信的无线采集器，所述无线采集器设在测斜管孔口位置，

采集测量信号的多个测斜传感变送器，所述测斜传感变送器设在所述测斜管内；

所述无线采集器和所述测斜传感变送器采用RS485工业总线进行通信。

2.根据权利要求1所述的一种串联固定式无线测斜仪，其特征是，多个测斜传感变送器共用一根RS485工业总线。

3.根据权利要求2所述的一种串联固定式无线测斜仪，其特征是，多个测斜传感变送器与RS485总线之间采用航空接插头进行连接。

4.根据权利要求1所述的一种串联固定式无线测斜仪，其特征是，采用普通5号碱性干电池作所述无线采集器的电源。

5.根据权利要求1所述的一种串联固定式无线测斜仪，其特征是，所述测斜传感变送器包含微控制器、测量电路、测斜传感器、测量电源电路、控制器电源电路、通信电路以及测斜传感变送器接口。

6.根据权利要求1所述的一种串联固定式无线测斜仪，其特征是，所述无线采集器包含ZigBee通信电路。

7.根据权利要求1或6所述的一种串联固定式无线测斜仪，其特征是，所述无线采集器包含微控制器、电源电路、时钟电路、存储电路、变送器通信电路、变送器电源电路、开关电路、测斜传感变送器接口。

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