CN102305677B - 一种岩土压力测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岩土压力测量仪及其测量方法，测量仪包括测压短节、监测部件和上位机，测压短节由主架、密封腔、母接头、公接头、纵板、固定板及横板组成，测压短节通过管螺纹与钻杆连接，主架的销轴上装有纵板与横板，固定板两端与纵板及横板相连，纵板下端固定有传感器架和压力传感器，密封腔与传感器架间装有拉簧，监测部件装在密封腔内；本测量方法是将钻杆连同装好监测部件的测压短节一起下放到已钻好的钻孔内，进行数据的采集、存储，采集后将钻杆从钻孔内提出，取出监测部件，将存储的数据发送到上位机，通过软件进行处理并显示。本压力测量仪和测量方法是针对滑坡体深部的岩土压力的直接监测，测量的数据更可靠直观简便地进行滑坡预测。

Description

一种岩土压力测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种通过采集和测量岩土体深部压力变化的数据用于进行滑坡预判的仪器，具体地说是涉及一种钻孔岩土压力测量仪及其测量方法。

背景技术

我国是滑坡灾害多发的国家。滑坡灾害常常造成人员伤亡、道路掩埋、房屋损毁等破坏性灾难，严重威胁着国家和人民的生命财产安全。因此，准确的对滑坡灾害进行预报，是解决问题的关键。滑坡的发生、发展、演化过程，伴随着大量宏观可测物理信息的改变，如地表位移、深部位移、地表倾角、岩土体压力、声发射等。通过实时捕捉上述物理信息，可以建立其与滑坡成灾演化阶段的映射关系进而为滑坡预测预报提供必要的基础数据。而对这些与滑坡相关的物理信息改变的参数进行监测的准确性、及时性及全面性，直接影响着滑坡预测预报的可靠性与真实性。目前常见的滑坡灾害预测的装置及方法很多，比如用测量机器人测量地表位移，用地温计来测量温度等。这些方法虽然可以通过各种计算来进行滑坡体预判。但由于不能准确的反应岩土体压力变化的情况从而不能简单直观有效地进行滑坡体的预判。本发明通过直接采集岩土体内部的压力数据为滑坡体的预判提供更为直接可靠的基础数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够直接测量岩土体内部压力的岩土压力测量仪以及测量方法，进而实现对滑坡灾害进行预测。

为实现本发明目的，采用的技术方案是：提供一种岩土压力测量仪，包括测压短节、监测部件、上位机, 所述的测压短节由主架、密封腔、母接头、公接头、销轴、纵板、固定板及横板组成，主架与公接头、密封腔分别通过管螺纹连接，密封腔下端与母接头也通过管螺纹连接，主架上装有销轴，销轴上装有纵板，纵板上端通过螺栓与横板相连接，固定板两端通过螺栓与纵板及横板相连，使纵板与横板保持垂直，纵板下端通过螺栓与两个传感器架固定，两个传感器架内安装有压力传感器，密封腔上安装有带钩螺栓，密封腔与传感器架间装有将压力传感器自动回位的拉簧，拉簧的挂钩一端连接在带钩螺栓上，另一端连接在传感器架的底部；测压短节与钻杆连接且内部装有监测部件；

所述的监测部件为一个微处理器系统，安装在测压短节的密封腔中；监测部件由微处理器连接的按键电路、数据采集电路、数据存储电路、电源转换电路、串口通信电路组成，所述的微处理器采用P89C52X2FN芯片，微处理器的P3.2、P3.3口与按键电路连接，当微处理器监测到相应I/O口有低电平时，则确认有相应按键按下；数据采集电路采用ADC0809芯片， ADC0809芯片的引脚D0-D7、ADD A-ADD C、ALE、ST、OE、EOC、CIK分别与微处理器的P0.0-P0.7、P1.0-P1.6、ALE口连接，ADC0809芯片将压力传感器采集的模拟信号转换成数字信号后输入微处理器；数据存储电路采用Micro SD卡，Micro SD卡的第1引脚CS经1N4728稳压二极管D1接地，同时经过电阻R4与微处理器的P2.0连接, Micro SD卡的第7引脚DO与微处理器的P2.3口连接，微处理器将数字信号经过电平转换后存入到Micro SD中；电源转换电路由ASM1117-3.3构成，电源转换电路与Micro SD卡连接，将微处理器所用的5V电源转换成Micro SD卡所需要的3.3V电源；串口通信电路采用MAX232芯片，MAX232芯片的第12引脚、第11引脚分别与微处理器的P3.0、P3.1口连接，MAX232芯片将微处理器的逻辑电平与上位机的电平相匹配； 

所述的上位机采用LabView编制软件，将监测部件采集到的数据进行处理、显示，通过设置的串口通信设置模块、按钮模块、图形显示模块、数据显示模块组成在上位机上可操作和显示的界面。

本发明的岩土压力测量仪，所述的测压短节由具有管螺纹接口的公接头及母接头实现与普通地质钻杆对接，公接头一端接钻杆，另一端接主架，主架的另一端接密封腔，密封腔用于放置监测部件，密封腔的另一端与母接头相接，母接头的另一端与钻杆相接。主架上开有销孔，销轴穿过纵板上端及主架上的销孔，横板通过螺栓与纵板连接，横板与纵板间还通过固定板固定，纵板下端通过螺栓固定有传感器架，通过传感器架将压力传感器固定紧，纵板可绕销轴转动，横板上穿有绳索，当上拉绳索时带动纵板绕销轴转动从而实现将传感器送出，贴近钻孔壁，当松开绳索时，纵板、压力传感器在拉簧回复力的作用下自动回到原位。

本发明的岩土压力测量仪，所述的监测部件为一个微处理器系统，放置在测压短节的密封腔内，用于岩土压力数据的采集与存储，监测部件包括由一个微处理器连接的按键电路、数据采集电路、数据存储电路、电源转换电路、串口通信电路。按键电路用于开始数据采集及数据传输；数据采集电路用于采集压力传感器输出的数据；数据存储电路用于将采集到的数据存储到Micro SD卡中；电源转换电路用于将微处理器所用的5V电源转换为Micro SD所用的3.3V电源；串口通信电路用于将微处理器内的数据发送给上位机，由上位机软件进行数据处理。 

本发明所述的上位机在操作和显示的界面中设置的串口通信设置模块由串口名称选择栏、波特率设置栏、数据位选择栏、奇偶校验位选择栏、停止位选择栏组成；按钮模块由清空缓存按钮、清空显示按钮、停止按钮组成。

本发明还提供一种利用上述岩土压力测量仪测量钻孔岩土压力的方法，具体有如下步骤：

⑴、钻机先在可能有滑坡灾害发生的岩土体上钻孔，钻机钻孔完成后，将钻杆提起，把测压短节安装到钻杆上，再把监测部件安装在测压短节的密封腔中，随后启动监测部件的按键电路中的数据采集开始按键，则数据采集将在延时一个半小时后自动启动，采集数据一个小时后自动停止；

⑵、将安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度；

⑶、向上拉动栓在测压短节的横板穿绳孔上的绳索，使安装在测压短节中的压力传感器靠到测量点，等待延时结束后，压力传感器进行数据的采集，并将采集得到的信号传输给微处理器，微处理器接收并处理信号后，将信号存储到Micro SD卡中；

⑷、采集完规定时间的数据后，松开向上拉的绳索，在拉簧的回复力的作用下，压力传感器自动回复到原位，随后将钻杆提起，将监测部件从测压短节的密封腔中取出；

⑸、通过串口通信电路将Micro SD卡内存储的数据发送到微处理器，再发送到上位机软件上设置的串口通信模块，上位机通过软件进一步进行处理，处理后的数据分别以图形和数据形式直观地显示在上位机的界面上。 

本发明的岩土压力测量仪及其测量方法具有如下优点：

1、本发明的岩土压力测量仪结构简单，其测压短节能与钻杆很好地配套，使安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度，通过安装的压力传感器获取岩土体内部压力变化的信息。 

2、本发明的岩土压力测量方法是应用上述岩土压力测量仪采集钻孔内部的岩土压力变化的信息，存储到Micro SD卡中，存储的数据传给上位机进行处理，处理后的数据通过上位机的界面上显示的图形和数据，数据信息更准确，可更直观简便地进行滑坡预测。

附图说明

图1为本发明岩土压力测量仪的测压短节的结构主视示意图。

图2为图1左视示意图。

图3为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的按键电路图。

图4为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的微处理器电路图。

图5为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的数据采集电路图。

图6为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的数据存储电路图。

图7为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的电源转换电路图。

图8为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的串口通信电路图。

    图9为本发明岩土压力测量仪的上位机的操作界面图。

上述图中：1-母接头、2-密封腔、3-主架、4-螺栓A、5-螺栓B、6-销轴、7-公接头、8-纵板、9-固定板、10-横板、11-传感器架、12-压力传感器、13-带钩螺栓、14-拉簧、15-穿绳孔、16-绳索。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：本发明一种岩土压力测量仪的测压短节的结构如图1、2所示，测压短节由主架3、密封腔2、母接头1、销轴6、公接头7、纵板8、固定板9及横板10组成，主架3的两端分别通过管螺纹与密封腔2与公接头7连接，密封腔2用于存放监测部件，主架3上开有两个对称的销轴孔，销轴6从销轴孔中穿过，纵板8穿过销轴6安装在主架3内，可绕销轴6自由转动，横板10与纵板8垂直固定在一起，为了使得固定后横板10与纵板8仍能够保持垂直的关系，增加了固定板9；纵板8下端通过螺栓A4、螺栓B5与两个传感器架11固定，两个传感器架将压力传感器12抱紧后安装于纵板8下端，带钩螺栓13安装在密封腔2上，拉簧14一端挂在带钩螺栓13上，另一端挂在传感器架11上；测压短节两端的母接头1和公接头7分别通过管螺纹与钻杆连接。

绳索16拴在横板10一端的穿绳孔15上，当绳索被向上拉起时，带动纵板8绕销轴6转动，从而将压力传感器12送出主架3，靠到深孔内岩土壁进行岩土压力数据的采集；当绳索不向上拉时，由于拉簧14的回复力的作用，压力传感器12自动回复到原位，停止数据的采集。

本发明岩土压力测量仪的监测部件中按键电路如图3所示，按键电路有两个按键S2、S3，分别为数据采集开始按键和数据通信按键，当按下数据采集开始按键S2后，则在延时一个半小时后自动开始数据采集，采集数据一个小时后自动停止数据的采集，当按下数据通信按键S3时，开始将微处理器内存储的数据发送到上位机进行处理。

参见图4，为本发明监测部件中的微处理器电路，微处理器采用P89C52X2FN芯片，S1键为复位键，当按下S1键时，微处理器复位；当按下S2键时，则在延时一个半小时后自动开始进行数据采集，采集到的岩土压力信号经数据采集电路的ADC0809芯片后被转换成数字信号，该数字信号经由微处理器的P0.0-P0.7口输入微处理器，经微处理器处理后再由P2.1口输出端经稳压二极管1N4728稳压为3.3v的信号后输入Micro SD卡，数据采集时间满一个小时后自动停止，当按下S3键时，微处理器通过P2.3口将存入Micro SD卡内的数据读出到微处理器内部的数据缓冲区后再将该数据通过P3.1口发送到上位机进行处理。

由于微处理器所能够识别的是5V的电平，而Micro SD卡所能够识别的电平是3.3V的电平，即Micro SD卡所允许输入的信号电压值的最大值是3.3V，高于这个最大值会将Micro SD卡烧毁，而经由微处理器输出的信号的最大值是5V，因此微处理器输出的信号必须要经过电平转换后方可输入Micro SD卡。

参见图5，本发明岩土压力测量仪的监测部件中的数据采集电路，采用ADC0809芯片，ADC0809芯片的D0-D7、ADD A-ADD C、ALE、ST、OE、EOC、cik与微处理器的P0.0-P0.7、P1.0-P1.6,ALE口连接，将模拟信号转换成数字信号后输入微处理器，微处理器经过电平转换后存入数据存储芯片。

参见图6，为监测部件中的数据存储电路，采用Micro SD卡作为数据存储芯片，Micro SD卡的第1引脚CS经1N4728稳压二极管D1接地，同时经过电阻R4与微处理器的P2.0连接, Micro SD卡的第7引脚DO与微处理器的P2.3口连接。

参见图7，为监测部件中的电源转换电路，电源转换模块由AMS1117-3.3芯片实现稳压；电源转换模块用于将微处理器所用的5V电源转换为供Micro SD卡所用的3.3V电源。 

参见图8，为监测部件中的串口通信电路，串口通信电路采用MAX232芯片，MAX232芯片的第12引脚、第11引脚分别与微处理器的P3.0、P3.1口连接，串口通信电路用于实现微处理器与上位机之间的数据通信，当钻杆提出钻孔拆卸下监测部件后，通过串口通信电路将Micro SD卡内存储的数据发送到微处理器，再发送到上位机软件上设置的串口通信模块，上位机通过软件再进一步进行处理，处理后的数据分别以图形和数据形式直观地显示在上位机的界面上。

本发明的岩土压力测量仪的上位机通过软件显示的界面参见图9，上位机的软件由LabView编制，软件界面由串口通信设置模块，按钮模块，图形显示模块，数据显示模块组成。串口通信设置模块由串口名称选择栏、波特率设置栏、数据位选择栏、奇偶校验位选择栏、停止位选择栏组成；按钮模块由清空缓存按钮、清空显示按钮、停止按钮组成。软件先通过设置串口通信设置模块设置好串口通信的相关信息后将数据读入到软件的缓冲区，经过处理后将数据分别发送到图形显示模块和数据显示模块进行图形形式和数据形式的显示，按钮模块中的清空缓存按钮，用于删除数据缓冲区内的数据；清空显示按钮用于删除数据显示模块中数据显示区内的数据；停止按钮用于停止整个程序的运行。

实施例2：本发明利用实施例1的岩土压力测量仪进行岩土压力测量的方法，具体有如下步骤： 

⑴、钻机先在可能有滑坡灾害发生的岩土体上钻孔，钻机钻孔完成后，将钻杆提起，把测压短节安装到钻杆上，再把监测部件安装在测压短节的密封腔2中，随后启动监测部件的按键电路中的数据采集开始按键，则数据采集将在延时一个半小时后自动启动，采集数据一个小时后自动停止；

⑵、将安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度；

⑶、向上拉动栓在测压短节的横板10穿绳孔15上的绳索16，使安装在测压短节中的压力传感器12靠到测量点，等待延时结束后，压力传感器进行数据的采集，并将监测得到的信号传输给微处理器，微处理器接收到信号经过处理后，将信号存储到Micro SD卡中；

⑷、松开向上拉的绳索16，在拉簧14的回复力的作用下，压力传感器12自动回复到原位，随后将钻杆提起，将监测部件从测压短节的密封腔2中取出；

⑸、通过串口通信电路将Micro SD卡内存储的数据发送到微处理器，再发送到上位机软件上设置的串口通信模块，上位机通过软件进一步进行处理，处理后的数据分别以图形和数据形式直观地显示在上位机的界面上。

最后通过上位机的界面上显示的图形和数据可直观简便地进行滑坡预测。

本发明的岩土压力测量仪结构简单，使用方便。本发明的压力测量仪和测量方法基于滑坡体深部的岩土压力的监测，采集的数据更加可靠，同时可通过上位机的界面上显示的图形和数据可更加直接简便地进行滑坡预测。

Claims (3)

1.一种岩土压力测量仪，包括测压短节、监测部件、上位机, 其特征在于：所述的测压短节由主架、密封腔、母接头、公接头、销轴、纵板、固定板及横板组成，主架与公接头、密封腔分别通过管螺纹连接，密封腔下端与母接头也通过管螺纹连接，主架上装有销轴，销轴上装有纵板，纵板上端通过螺栓与横板相连接，固定板两端通过螺栓与纵板及横板相连，使纵板与横板保持垂直，纵板下端通过螺栓与两个传感器架固定，两个传感器架内安装有压力传感器，密封腔上安装有带钩螺栓，密封腔与传感器架间装有将压力传感器自动回位的拉簧，拉簧的挂钩一端连接在带钩螺栓上，另一端连接在传感器架的底部；测压短节与钻杆连接且内部装有监测部件；

所述的监测部件为一个微处理器系统，安装在测压短节的密封腔中；监测部件由微处理器连接的按键电路、数据采集电路、数据存储电路、电源转换电路、串口通信电路组成，所述的微处理器采用P89C52X2FN芯片，微处理器的P3.2、P3.3口与按键电路连接，当微处理器监测到相应I/O口有低电平时，则确认有相应按键按下；数据采集电路采用ADC0809芯片， ADC0809芯片的引脚D0-D7、ADD A-ADD C、ALE、ST、OE、EOC、CIK分别与微处理器的P0.0-P0.7、P1.0-P1.6、ALE口连接，ADC0809芯片将压力传感器采集的模拟信号转换成数字信号后输入微处理器；数据存储电路采用Micro SD卡，Micro SD卡的第1引脚CS经1N4728稳压二极管D1接地，同时经过电阻R4与微处理器的P2.0连接, Micro SD卡的第7引脚DO与微处理器的P2.3口连接，微处理器将数字信号经过电平转换后存入到Micro SD中；电源转换电路由ASM1117-3.3构成，电源转换电路与Micro SD卡连接，将微处理器所用的5V电源转换成Micro SD卡所需要的3.3V电源；串口通信电路采用MAX232芯片，MAX232芯片的第12引脚、第11引脚分别与微处理器的P3.0、P3.1口连接，MAX232芯片将微处理器的逻辑电平与上位机的电平相匹配； 

所述的上位机采用LabView编制软件，将监测部件采集到的数据进行处理、显示，通过设置的串口通信设置模块、按钮模块、图形显示模块、数据显示模块组成在上位机上可操作和显示的界面。

2.根据权利要求1所述的一种岩土压力测量仪，其特征在于：所述的上位机在操作和显示的界面中设置的串口通信设置模块由串口名称选择栏、波特率设置栏、数据位选择栏、奇偶校验位选择栏、停止位选择栏组成；按钮模块由清空缓存按钮、清空显示按钮、停止按钮组成。

3.一种应用权利要求1所述的岩土压力测量仪测量钻孔岩土压力的方法，其特征在于：具体有如下步骤： 

⑴、钻机先在可能有滑坡灾害发生的岩土体上钻孔，钻机钻孔完成后，将钻杆提起，把测压短节安装到钻杆上，再把监测部件安装在测压短节的密封腔中，随后启动监测部件的按键电路中的数据采集开始按键，则数据采集将在延时一个半小时后自动启动，采集数据一个小时后自动停止；

⑵、将安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度；

⑶、向上拉动栓在测压短节的横板穿绳孔上的绳索，使安装在测压短节中的压力传感器靠到测量点，等待延时结束后，压力传感器进行数据的采集，并将采集得到的信号传输给微处理器，微处理器接收并处理信号后，将信号存储到Micro SD卡中；

⑷、采集完规定时间的数据后，松开向上拉的绳索，在拉簧的回复力的作用下，压力传感器自动回复到原位，随后将钻杆提起，将监测部件从测压短节的密封腔中取出；

⑸、通过串口通信电路将Micro SD卡内存储的数据发送到微处理器，再发送到上位机软件上设置的串口通信模块，上位机通过软件进一步进行处理，处理后的数据分别以图形和数据形式直观地显示在上位机的界面上。

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