CN102305620B - 一种无线点式测斜仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线点式测斜仪，包含与监测主机无线通信的测斜主控电路，与测斜主控电路连接的测斜传感器部件，与测斜主控电路连接的SMA接口通用天线，上述各部件均设在保护罩与安装底板形成的密封空间内。本发明采用普通5号碱性干电池作供电电源，正常工作时间大于1年，现场采购便利，安装方便。采用ZigBee通信技术，装置无外接电源及外部引线，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，安装不便，维护成本高的问题，在高边坡等工程应用中优点显著；多个无线点式测斜仪可方便的按要求布置成分布式无线测斜传感器网络，且只需共用一个网络管理单元，解决了单个点式测斜仪无法准确反映被测物的倾斜变形情况的问题。

Description

一种无线点式测斜仪

技术领域

本发明涉及一种点式测斜仪，尤其涉及一种无线点式测斜仪，属于检测技术领域。

背景技术

随着我国社会经济的发展，铁路、公路及其它基础设施建设进入蓬勃发展期。水利设施、路基、桥隧等工程损坏事故常有发生，给国家财产及人民生命安全带来了巨大损失，因此，工程安全监测的重要性日益得到国家及各行业安全生产监管监测部门的重视。

点式测斜仪广泛用于监测大坝、岩土工程建筑物及地基的倾斜变形，适用于混凝土坝、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、边坡等各类工程中，用以监测其倾斜角的变化量。该仪器配合安装底座可反复使用，可布设于结构物进行永久观测。

现阶段，点式测斜仪主要由测斜传感器部件及信号变送器单元组成。测斜仪传感器部件主要有机械式和电子式两种。信号变送器单元一般采用220V交流电源、蓄电池或者太阳能电池组供电，与上位机或数据采集单元的通信一般采用有线方式，例如RS485总线方式、RS232总线方式及USB总线方式。信号变送器单元和传感器部件一般封装成一个整体，预留外部电源及通信引线，现场安装后再接入相应的数据采集单元，然后再将数据发送至监测主机。

现有的点式测斜仪需要外部的电源供给，采用有线通信方式，需要铺设相应的工业电缆，安装不便，维护成本也较高；当需安装的点式测斜仪较多时，空间分布受制于引线长度，需要配备较多的数据采集单元，安装灵活度不够。

发明内容

本发明的目的是提供一种低功耗的无线点式测斜仪，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，安装不便，维护成本高的问题，进一步解决安装的点式测斜仪较多时，空间分布受制于引线长度，需要配备较多的数据采集单元，安装灵活度不够，多个点式测斜仪组建传感器网络难的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种无线点式测斜仪，其特征是，包含

与监测主机无线通信的测斜主控电路，

与所述测斜主控电路连接的测斜传感器部件，

与所述测斜主控电路连接的SMA接口通用天线，

上述各部件均设在保护罩与安装底板形成的密封空间内。

所述测斜传感器部件包含测斜传感器。

所述测斜主控电路包含向所述测斜主控电路、所述测斜传感器供电的电池组。

所述测斜主控电路还包含

微控制器，

与所述电池组连接的电源电路、测量电源电路、电池电压测量电路，

与所述电源电路连接的ZigBee通信电路、时钟电路、存储电路，

设在所述测斜传感器与所述微控制器之间的测量电路。

所述微控制器与所述测量电源电路、电池电压测量电路、ZigBee通信电路、时钟电路、存储电路、测量电路均信号传递，由微控制器根据监测主机的命令控制各电路完成被测物的倾斜变形情况的测量。

所述电池组为多节普通5号碱性干电池。

所述ZigBee通信电路与所述SMA接口通用天线连接。

本发明所达到的有益效果：

本发明选用低功耗器件，且采用了多重低功耗设计，因此装置内部可采用4节普通5号碱性干电池作供电电源，正常工作时间大于1年，只需一年更换一次电池，现场采购便利，安装方便。由于采用了ZigBee通信技术，无线通信距离大于500米，装置无任何外接电源、通信引线及其他外部引线，经过合理的封装设计，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，安装不便，维护成本高的问题，极大降低了安装以及维护成本，在高边坡等工程应用中有显著优点。此外，ZigBee技术的应用，使本发明具有网络自组织功能，易于组成个人局域网络，多个低功耗无线点式测斜仪可方便的按要求布置成分布式无线测斜传感器网络，且只需共用一个网络管理单元，降低了系统成本，解决了单个点式测斜仪无法准确反映被测物的倾斜变形情况的问题，从而形成低成本、低维护费用的大规模的分布式测斜传感器网络。

附图说明

图1为本发明工作原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为图2中测斜主控电路原理图。

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。

本发明的无线点式测斜仪安装在被测结构物上，被测结构物产生的倾斜变形，通过安装架传递给测斜传感器。无线点式测斜仪内的测斜传感器感应倾斜变化，输出与倾斜变化相对应的电压信号。无线点式测斜仪通过无线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进行测量操作，通过内部高精度的模数转换芯片测量得到电压信号的数值，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或将测量值进行存储。

图1所示为本发明工作原理图，无线点式测斜仪内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变送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。

无线点式测斜仪可布设为一个测量单元独立工作，亦可多支连续布设得到被测结构物的各段倾斜量，据此将结构物的变形曲线描述出来。若在被测物上安装成二维方向，可测量结构物的二维变形。

(1)当被测对象发生倾斜变形时，无线点式测斜仪将同步感受其变形，其倾斜角度变化量Δθ与输出的电量读数具有如下计算公式：

$\mathrm{\Δ\θ}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0=\frac{K\×(V-V_0)}{3600}---\left(1\right)$

式中：

Δθ-被测对象的倾斜角度变化量，单位为°(度)；

θ-仪器测量的倾角值，单位为°(度)；

θ₀-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-仪器测量的实时值，单位为mV；

V₀-仪器的初始测量值，单位为mV。

(2)如图1所示，由n只相隔一定间距L_i垂直布置的测斜仪所组成的监测断面，当被测点发生位移时，测斜仪将随之感应，测出该倾角变化，通过下式可以得到该两相邻测点间的位移，逐段累加即可得到整个截面层的位移量。

其位移量x_i与输出的倾斜角度具有如下关系：

x_i＝L_i×(Sinθ_i-Sinθ_i0)    (i＝1，2，3，……，n)   (2)

式中：

x_i-为位移量，单位为mm；

L_i-为测斜仪测点间距，单位为mm；

Sinθ_i、Sinθ_i0为在第i只仪器的测值和首次测值，仪器输出一个与倾斜角度的正弦值相对应的电压值U_i，两者有如下关系：

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

$\mathrm{Sin}\left({\mathrm{\θ}}_{i0}\right)=f\left(U_{i0}\right)=a_3\×U_{i0}^3+a_2\×U_{i0}^2+a_1\×U_{i0}+a_0---\left(4\right)$

式中：

U_i-为测斜仪输出电压，单位为V；

U_i0-为测斜仪初始输出电压，单位为V；

θ_i-为测斜仪轴线与铅垂面的夹角，单位为°(度)；

θ_i0-为测斜仪轴线与铅垂面的初始夹角，单位为°(度)；

a₀、a₁、a₂、a₃-为第i只测斜仪的系数，由厂家提供。

整个监测断面的位移量X为各段的相对位移之和，即

$X=\underset{i-1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i---\left(5\right)$

图2为本发明装置示意图，无线点式测斜仪主要由测斜主控电路1、测斜传感器部件2、安装底板3、SMA接口通用天线4及保护罩5组成。测斜传感器部件2上安装有测斜传感器6等。整个装置被封装在保护罩5内部，外部无任何引线，现场安装时，只需根据装置上标注的倾斜信号敏感方向，将安装底板3固定于待测物的安装支架上即可。保护罩5经密封防水设计，不影响SMA接口通用天线4的增益，使本发明能够较好的适应野外现场观测的要求。

图3为图2中测斜主控电路1系统框图，测斜主控电路1主要由微控制器1.1、电池组1.2、电源电路1.3、电池电压测量电路1.4、ZigBee通信电路1.5、时钟电路1.6、存储电路1.7、测量电源电路1.8、测量电路1.9组成。微控制器1.1采用双串口单片机STC12LE5A32S2，具有掉电功耗低、运行速度快的特点，其具有双串口，其中一路串口连接至ZigBee通信电路1.5，一路串口用于程序下载及后续的扩展开发。微控制器1.1通过ZigBee通信电路1.5，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。电池组1.2由四节普通五号1.5V碱性干电池组成，为整个系统提供工作电源。电池电压测量电路1.4可实时监测电池组1.2的电压，并将电压值发送至监测主机，以便用户及时更换电池组1.2。电源电路1.3采用低压差线性稳压器件，根据应用环境的不同，可适应外部4-15V范围内的电池组1.2、太阳能以及铅酸蓄电池等供电电源的接入，其使用DC-DC电源变换技术，将稳定后的电压提供给微控制器1.1、ZigBee通信电路1.5、时钟电路1.6和存储电路1.7。ZigBee通信电路1.5在微控制器1.1的控制下，可进入休眠状态或被唤醒，根据现场通信距离的不同，可选用不同增益的SMA接口通用天线4。时钟电路1.6为低功耗的无线点式测斜仪提供系统工作的实时时钟，微控制器1.1根据监测主机的命令，对时钟电路1.6进行相关设置，并接收时钟电路1.6提供的定时测量、定时自报的控制信号。存储电路1.7采用低功耗的铁电存储体，存储容量为32Kb，用于存储测点设置等信息，还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1.1再根据监测主机发出的取数据命令将存储的测量数据再次发送至监测主机。测量电源电路1.8采用精密电压源，具有温漂系数小、休眠电流小的特点，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1.9和测斜传感器6。测量电路1.9和测斜传感器6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。测量电路1.9在微控制器1.1的控制下，将测斜传感器6输出的电压信号量经高精度模数转换，得到相应的电压测量值。

微控制器1.1只有接受到监测主机给出的与测量相关的命令时，才允许测量电源电路1.8的电压输出，且测量完毕后立即关闭测量电源电路1.8的输出，从而有效降低系统功耗，延长电池组1.2的使用寿命。此外，无线点式测斜仪采用了多重低功耗设计方案，微控制器1.1在应答监测主机命令后，立即进入休眠状态，且保持ZigBee通信电路1.5处于工作状态一段时间；当一段时间内无任何通信操作时，则立即控制ZigBee通信电路1.5进入掉电状态。上述机制保证了系统各部分绝大部分时间处于掉电及休眠状态，从而使本发明整体功耗小，采用电池组2能够适应工程应用的要求。

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 (2)

1.一种无线点式测斜仪，其特征是，包含

与监测主机无线通信的测斜主控电路，

与所述测斜主控电路连接的测斜传感器部件，

与所述测斜主控电路连接的SMA接口通用天线，

上述各部件均设在保护罩与安装底板形成的密封空间内；

所述测斜传感器部件包含测斜传感器；

所述测斜主控电路包含向所述测斜主控电路、所述测斜传感器供电的电池组；

所述测斜主控电路还包含

微控制器，

与所述电池组连接的电源电路、测量电源电路、电池电压测量电路，

与所述电源电路连接的ZigBee通信电路、时钟电路、存储电路，

设在所述测斜传感器与所述微控制器之间的测量电路；

测量电路和测斜传感器采用同一电压源供电；

所述电池组为4节普通5号碱性干电池；

所述微控制器与所述测量电源电路、电池电压测量电路、ZigBee通信电路、时钟电路、存储电路、测量电路均信号传递；微控制器只有接受到监测主机给出的与测量相关的命令时，才允许测量电源电路的电压输出，且测量完毕后立即关闭测量电源电路的输出；微控制器在应答监测主机命令后，立即进入休眠状态，且保持ZigBee通信电路处于工作状态一段时间；当一段时间内无任何通信操作时，则立即控制ZigBee通信电路进入掉电状态。

2.根据权利要求1所述的一种无线点式测斜仪，其特征是，所述ZigBee通信电路与所述SMA接口通用天线连接。