CN102735212B - 路基沉降的监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种路基沉降的监测方法及其装置，包括监测结点，所述监测结点包括一个容器，所述容器内设置有液体，所述容器上设置有检测仪，所述检测仪用于监测液面高度的变化，并将监测的情况传输给监测中心；在所要监测路基上，每隔一段距离设置一个监测结点。具有测量精度高、测量过程中不需要人工操作、信息能够以较快的速度传输给监控中心、安装和使用也非常方便，有利于大范围路基沉降的实时监测。

Description

路基沉降的监测装置

技术领域

本发明涉及对路基是否沉降进行监测的技术领域，根据本申请文件公开的一个实施例，具体涉及一种通过无线网络和超声波实现对路基的沉降进行监测的方法及其装置。

背景技术

路基是铁路线路工程的一个重要组成部分，是承受轨道结构重量和列车载荷的基础，也是线路工程中最薄弱最不稳定的环节。在工程的施工中以及完工以后，路基在荷载和其它因素的作用下不可避免地发生变形，产生均匀或不均匀沉降。工后沉降特别是不均匀的沉降极可能引起铁路主体结构的开裂、歪斜和破坏，同时还有可能对工程周围的建筑物以及地下管线产生了一定的影响。因此从铁路的工程质量安全方面来考虑，必须对路基沉降进行监测和控制。

目前用于路基沉降监测的常用方法有：

1、沉降板法：如图1所示，沉降板底座随着路基沉降，通过与底座相连的测杆，可以测得底座埋设处的路基沉降值。但是容易在施工遭到破坏，且损坏后的补救非常困难；一个沉降板只能测量路堤中一点的沉降，属于单点测量。

2、监测桩法：监测桩用木桩和钢钎钉入土中，用水准仪持平，即可测量土体表面的沉降量。对填土施工有干扰，也属于单点测量。

3、水平测斜仪：通过测试地基的侧向位移，判断地基土的稳定性，以及估算侧向位移所产生的沉降。但成本高，不能直接获得任一点的沉降，在施工现场不易标定。

4、水压式剖面沉降仪：将带有小孔的隔板预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位置，通过测量隔板处的水压可以测得该处的沉降值。但成本高，精度易受环境影响，操作工序复杂，仪器不方便携带，测试所需人员较多。

5、磁环沉降仪：通过钻机成孔后，将分层沉降管和磁环分层沉降标放入孔内，用电磁感应信号反映沉降环的深度。但是磁环的正确放置困难，标尺自身的伸缩影响精度，对填土施工有干扰，机械容易撞坏沉降管。

以上方法均为传统的土木测量法，普遍存在测量精度低、需要人工操作、信息传输速度慢、只能测量单个地点的沉降量、安装和使用不方便等缺点，不利于大范围路基沉降的实时监测。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提供一种路基沉降的监测方法及其装置，目的之一是，解决现有技术中只能单点测量，并且测量不准确的技术问题。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种路基沉降的监测方法，包括监测结点，

所述监测结点包括一个容器，所述容器内设置有液体，所述容器上设置有检测仪，所述检测仪用于监测液面高度的变化，并将监测的情况传输给监测中心；

在所要监测路基上，每隔一段距离设置一个监测结点；

根据所述要监测路基的情况，确定一个监测路基是否沉降的一个区域，在所述区域内设置至少两个监测结点，并将所有监测结点内的液体连通以形成连通器，通过对所述区域内的各个监测结点液面高度变化的比较，而得出某处/几处监测结点所在位置的路基是否发生沉降。

为了更好地实现本发明，进一步的技术方案是：

作为优选，所述检测仪通过无线网络将液面高度的变化传递给监测中心。

作为优选，所述检测仪是通过超声波监测液面高度的变化。

作为优选，所述检测仪包括一个发射探头和两个接收探头，所述两个接收探头不在同一高度，并在竖直方向上相互错开，并使两个接收探头与发射探头之间的安装距离，等于各自超声波的实际传播距离。

为了更好的实施上述的方法，下面公开了一种路基沉降的监测装置，包括，

箱体，所述箱体内装有液体，所述箱体上连接有水箱连接管；

安装轴，所述安装轴通过固定装置与箱体连接，并位于液体的上方；

发射探头，所述发射探头通过轴套与安装轴连接；

第一接收探头，所述第一接收探头通过第一探头安装座与安装轴连接；

第二接收探头，所述第二接收探头通过第二探头安装座与安装轴连接；

所述两个接收探头不在同一高度，并在竖直方向上相互错开；

所述安装轴、发射探头、第一接收探头和第二接收探头，所在的中心轴线都与水平面垂直；

水平泡，所述水平泡位于固定装置上，用于查看所述安装轴、发射探头、第一接收探头和第二接收探头，所在的中心轴线是否与水平面垂直。

作为优选，所述固定装置包括箱体盖板、法兰安装座和水平调整螺钉，所述安装轴与法兰安装座连接，并且所述安装轴与法兰安装座的上端面垂直，所述法兰安装座通过水平调节螺钉与箱体盖板连接，所述箱体盖板与箱体连接。

作为优选，所述水平泡设置在所述法兰安装座的上端面。

作为优选，所述水平调整螺钉为三颗，并成120°均布。

作为优选，所述箱体盖板还设置有支点螺钉，所述支点螺钉并与法兰安装座的上端面的圆心处连接。

本发明还可以是：

作为优选，所述箱体盖板上设置有太阳能模块安装座，所述太阳能模块安装座上设置有U形支架，所述U形支架与电池板旋转支架连接，所述电池板旋转支架与太阳能电池板连接，所述太阳能电池板为发射探头、第一接收探头和第二接收探头供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果之一是：

通过本路基沉降的监测方法及其装置，（1）利用连通器原理，使各监测仪的液位处于同一水平面，通过测量监测仪相对于液位的变化，计算出沉降量；（2）采用超声波相对式测量结构，消除由声速变化带来的测量误差；（3）采用超声波探头的垂直调节装置，克服监测仪在现场安装时由于非水平放置所导致的测量误差。

具有测量精度高、测量过程中不需要人工操作、信息能够以较快的速度传输给监控中心、安装和使用也非常方便，有利于大范围路基沉降的实时监测。

在实际应用中，测量不会因传播介质的温度、压力、湿度、密度等各种因素对声速产生影响而导致测量不准确的情况。

通过太阳能对本路基沉降的监测装置供电，使得供电更加方便。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1示出了根据本申请文件一个实施例的路基沉降的监测方法的示意图；

图2示出了根据本申请文件另一个实施例的路基沉降的监测方法的示意图；

图3示出了超声波探头与水平面不垂直情况的示意图；

图4示出了根据本申请文件另一个实施例的路基沉降的监测方法的示意图；

图5示出了根据本申请文件另一个实施例的路基沉降的监测装置的示意图；

图6为参考图5的左向示意图；

图7为参考图5的A向示意图；

图8为电气系统框图；

图9为一个实施例的U形支架结构示意图；

图10为一个实施例的电池板旋转支架结构示意图；

图11为一个实施例的路基沉降的监测装置的3D爆炸示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

一种路基沉降的监测方法，包括监测结点，

所述监测结点包括一个容器，所述容器内设置有液体，所述容器上设置有检测仪，所述检测仪用于监测液面高度的变化，并将监测的情况传输给监测中心；

在所要监测路基上，每隔一段距离设置一个监测结点；

根据所述要监测路基的情况，确定一个监测路基是否沉降的一个区域，在所述区域内设置至少两个监测结点，并将所有监测结点内的液体连通以形成连通器，通过对所述区域内的各个监测结点液面高度变化的比较，而得出某处/几处监测结点所在位置的路基是否发生沉降。

所述检测仪通过无线网络将液面高度的变化传递给监测中心。

所述检测仪是通过超声波监测液面高度的变化。

图1示出了根据本申请文件一个实施例的路基沉降的监测方法的示意图。参考图1所示路基沉降的监测方法的一个实施例：

沿着铁路线，每隔一段距离设置一个监测结点（即安装一台沉降监测仪）。如图1所示，所有监测仪用管道连通，构成连通器。由于局部地区内的大气压力不可能有很大差别，因此连通器里的同一种液体不流动时，各容器中直接与大气接触的液面总是保持同一高度。若某处地基发生沉降，监测仪中测量探头与液位之间的距离D会相应变化；当监测结点足够多，即监测范围足够大时，可认为该地发生了不均匀沉降，通过综合分析各监测仪测量到的D值，即可得到其沉降量，并通过无线网络将各D值传输到监测中心。

图2示出了根据本申请文件另一个实施例的路基沉降的监测方法的示意图。参考图2所示路基沉降的监测方法的另一个实施例：

准确测量D值是保证监测数据可靠、稳定的前提条件。超声波测距方法是记录发射声波与接收到回波信号之间的时间差Δt，通过计算声波传播速度V与Δt的乘积得到探头与障碍物的距离。然而，稳定且准确的声速V是保证测量精度的必要条件，在实际应用中，传播介质的温度、压力、湿度、密度等各种因素均会对声速V产生直接影响。

本实施例通过相对式测量方法，克服了速度V的波动对测量精度的影响。如图2所示，一个发射探头（目的是为了保证发射信号的频率、振幅等条件均相同，减少误差）与两个相互错开一定高度的接收探头。监测仪的内部空间较小，可认为传播介质是均匀的，因此速度V是一致的。由此可得：

2D+H₁＝V×T₁；    （1）

2D+H₂＝V×T₂；    （2）

式中：H₁、H₂—发射探头到接收探头16、13的高度差，mm；D—发射探头距液面距离，mm；T₁、T₂—接收探头13和16分别检测到回波的时间，s。

由（1）式、（2）式可求得所测距离：

D＝(H₁T₂-H₂T₁)/2(T₁-T₂)    （3）

由（3）式可看出，D值测量与声速V无关。

从以上分析可以得出，路基沉降的监测方法的另一个实施例是，所述检测仪包括一个发射探头和两个接收探头，所述两个接收探头不在同一高度，并在竖直方向上相互错开，并使两个接收探头与发射探头之间的安装距离，等于各自超声波的实际传播距离。

在图2所示实施例的基础上，做进一步的分析，如图3所示，为超声波探头与水平面不垂直的情况。

仅当超声波探头完全垂直于水平面时，声波在发射探头到接收探头之间的传播距离才等于安装距离。然而在实际应用中，复杂的现场条件使得监测仪几乎不可能水平放置，如图3中的H₁'、H₂'为声波传播距离，H₁、H₂为安装距离，显然H₁≠H₁'、H₂≠H₂'，这将导致D值的测量产生较大误差。

为了解决上述出现的问题，图4示出了根据本申请文件另一个实施例的路基沉降的监测方法的示意图。

根据空间内3点定1个平面的原理，本实施例采用如图4的垂直调节方案，以圆心O为支点，即先将L₀值固定，通过改变L₁、L₂、L₃的长度值，可以改变点O₁、O₂和O₃的空间位置，从而使得探头安装杆的端面绕着支点O旋转，达到垂直调节的目的，其中检测仪顶部401，探头安装杆402。

考虑到上述实施例公开的方法，发明人通过实验及其研究得出了一种路基沉降的监测装置，以下通过一些具体的实施例对该装置的结构进行说明。

图5示出了根据本申请文件另一个实施例的路基沉降的监测装置的示意图。参考图5所示路基沉降的监测装置的一个实施例，包括，

箱体7，所述箱体7内装有液体，所述箱体7上连接有水箱连接管21，水箱连接管21可通过连接管头20与箱体7，各沉降监测仪/箱体7通过水箱连接管21形成连通器。

安装轴14，所述安装轴14通过固定装置与箱体7连接，安装轴14位于液体的上方。对于固定装置的具体结构可以是，包括箱体盖板6、法兰安装座11和水平调整螺钉9，所述安装轴14与法兰安装座11连接，并且所述安装轴14与法兰安装座11的上端面垂直，所述法兰安装座11通过水平调节螺钉9与箱体盖板6连接，所述箱体盖板6与箱体7连接。安装轴14的另一端可以是与法兰安装座11的同轴内孔联接并固定。

发射探头18，所述发射探头18通过轴套17与安装轴14连接,可以是，轴套17将发射探头18与安装轴14的一端相互连接，以保证二者同轴。

所述第一接收探头13通过第一探头安装座与安装轴14连接；所述第二接收探头16通过第二探头安装座15与安装轴14连接；两个接收探头不在同一高度，并在竖直方向上相互错开；可以是，使它们与发射探头18的中心轴相互平行，以减小测量误差，同时也保证探头之间相互错开距离的精度。

所述安装轴14、发射探头18、第一接收探头13和第二接收探头16，所在的中心轴线都与水平面垂直；

水平泡12，所述水平泡12位于固定装置上，用于查看所述安装轴14、发射探头18、第一接收探头13和第二接收探头16，所在的中心轴线是否与水平面垂直。

其中，所述水平泡可以是设置在所述法兰安装座的上端面，所述水平调整螺钉为三颗，并成120°均布。可以是，3颗水平调整螺钉9分别穿过箱体盖板6，与法兰安装座11上以120°均布的螺纹孔联接,如图7所示；观察法兰安装座11端面上安装的水平泡12，调整这3个螺钉的长度使端面水平，进而达到使探头垂直于水平面的目的。

所述箱体盖板6还设置有支点螺钉10，所述支点螺钉10并与法兰安装座11的上端面的圆心处连接。可以是，支点螺钉10通过螺纹固定在箱体盖板6上，支撑法兰安装座11的圆心。

箱体盖板6还可设置一个防尘方盖8。

为了更好的表示出路基沉降的监测装置的具体结构，可参见如图11所示的3D爆炸示图。

如图6所示，箱体7的侧壁上开有一个长条孔，安装了带有刻度的水位观察窗19，方便维护与调试。

所述箱体盖板6上设置有太阳能模块安装座5，所述太阳能模块安装座5上设置有U形支架4，所述U形支架4与电池板旋转支架2连接，所述电池板旋转支架2与太阳能电池板1连接，所述太阳能电池板1为发射探头18、第一接收探头13和第二接收探头16供电。还可包括用于电气安装的电气安装盒3以及蓄电池。

沉降监测仪由太阳能电池提供能源，根据当地纬度的太阳照射角，通过电池板旋转支架2上的条形孔可以调整其与U形支架4的夹角，使得太阳能电池板1获得合适的俯仰角。其中，U形支架4的具体结构可以是如图9所示，U形支架4的对立两边各设置有三个与电池板旋转支架2上的条形孔进行配合的小孔。

电池板旋转支架2的具体结构可以是如图10所示，电池板旋转支架2包括两部分，每部分的电池板旋转支架2上都设置有两段弧形的条形孔以及一个用于旋转固定的小孔。

参考上述公开的实施例，本实施例公开一种适用上述装置的控制系统。

如附图8所示，监测仪采用太阳能供电，并将多余的能量储存在蓄电池中，属于独立的自供电系统。单片机系统产生脉冲信号由功率驱动模块放大后，驱动超声波发射探头T发送超声波，同时内部16位计数器开始计时。接收探头R1、R2分别将探测到的声回波转换为电信号，回波检测模块对该电信号进行放大和整形，并以脉冲信号方式向单片机系统发出中断请求，单片机则读取16位计数器中的数值，根据计数器时钟的频率可计算出各接收探头的声延时，计时精度不低于±1us，从而计算得到发射探头与液面之间的距离，然后单片机清零16位计数器的值，等待下一次测量。单片机将每次检测到的液面距离值以无线方式（如ZigBee、GPRS、GSM等）传输到监测中心。

操作步骤如下：

1、单片机产生脉冲信号，信号经过功率放大后驱动超声波换能器T发送超声波，同时16位计数器开始计时。

2、超声接收探头R1和R2分别将探测波回波的声能转换为电信号，实现超声波回波的接收。

3、对接收到的电信号进行放大和整形，以脉冲信号方式向单片机发出中断申请。

4、单片机响应相应的中断，并读取16位计数器的计数值，计算出从发射到接收的时间间隔。

5、单片机根据各时间间隔，计算出液面距离值。

6、清零16位计数器，并把本次测量数据以无线方式传送到监测中心。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开、附图和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (3)

1.一种路基沉降的监测装置，其特征在于，包括，

箱体，所述箱体内装有液体，所述箱体上连接有水箱连接管；

安装轴，所述安装轴通过固定装置与箱体连接，并位于液体的上方；

发射探头，所述发射探头通过轴套与安装轴连接；

第一接收探头，所述第一接收探头通过第一探头安装座与安装轴连接；

第二接收探头，所述第二接收探头通过第二探头安装座与安装轴连接；

所述两个接收探头不在同一高度，并在竖直方向上相互错开；

所述安装轴、发射探头、第一接收探头和第二接收探头，所在的中心轴线都与水平面垂直；

水平泡，所述水平泡位于固定装置上，用于查看所述安装轴、发射探头、第一接收探头和第二接收探头，所在的中心轴线是否与水平面垂直；

所述固定装置包括箱体盖板、法兰安装座和水平调整螺钉，所述安装轴与法兰安装座连接，并且所述安装轴与法兰安装座的上端面垂直，所述法兰安装座通过水平调节螺钉与箱体盖板连接，所述箱体盖板与箱体连接；所述水平调整螺钉为三颗，并成120°均布；所述箱体盖板还设置有支点螺钉，所述支点螺钉与法兰安装座的上端面的圆心处连接。

2.根据权利要求1所述的路基沉降的监测装置，其特征在于，所述水平泡设置在所述法兰安装座的上端面。

3.根据权利要求1或2所述的路基沉降的监测装置，其特征在于，所述箱体盖板上设置有太阳能模块安装座，所述太阳能模块安装座上设置有U形支架，所述U形支架与电池板旋转支架连接，所述电池板旋转支架与太阳能电池板连接，所述太阳能电池板为发射探头、第一接收探头和第二接收探头供电。