CN102852129A - 路基长期大变形自动监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种路基长期大变形自动监测系统。路基沉降监测方法大多为人工操作，工艺复杂，精度低，且常与施工机械相互干扰。本发明所述的监测系统由传感器、数据采集处理模块、通讯模块、电源模块和PC机组成；数据采集处理模块接收传感器输出的模拟电压信号，把电压信号转化为数字信号，通过通讯模块远程无线传输至PC机，电源模块为传感器、数据采集处理模块和通讯模块提供电力，远程无线传输利用GPRS模块完成沉降数据短信息的发送。本发明能满足各种路基条件下的长期大变形监测，精度高，不干扰施工及施工机械的通行，可实现多层、多点布设及监测数据获取，道路通车后不受行车影响，实现无线的远程监控与管理。

Description

路基长期大变形自动监测系统及其监测方法

技术领域

    本发明属于道路工程技术和电子信息及自动化技术领域，具体涉及一种路基长期大变形自动监测系统及其监测方法。

背景技术

路基的沉降监测是路基施工控制及指导后期养护的一项重要内容，沉降监测资料可用于分析路基的稳定性，计量土方，确定路面结构的铺筑时间，诊断运营期间道路的健康状况等。实际工程中对于变形量大的路基工程一般都要进行沉降监测，如软土路基、湿陷性黄土路基、盐渍土路基、冻土路基以及各种高填方路基等。

目前国内外常采用的路基沉降监测方法是人工操作的沉降板法（沉降板的形式有接杆式、套筒式、水杯式等），该方法工艺复杂、费工、费时，观测精度低且常与施工机械相互干扰，受损率高，尤其是在道路通车之后便难以持续观测，难以满足目前公路建设速度快，终身质量责任的要求，所以改进沉降监测方法是实际工程中一项迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高精度、宽温度范围、无线数字式输出、低功耗、高可靠性、能满足各种工程沉降监测要求的路基长期大变形自动监测系统及其监测方法，以克服现有技术存在的投入大、干扰工程施工且受工程施工干扰的弊端，以及在路面施工完成后难以继续进行路基沉降监测的缺陷。

本发明所采用的技术方案是：

路基长期大变形自动监测系统，其特征在于：

所述的监测系统由传感器、数据采集处理模块、通讯模块、电源模块和PC机组成；

传感器至多设置5个，一个为基准，其余为测量点，布设方式为单层多点布设或分层布设；传感器由液体连通管串联，管内液位高于基准点，各传感器测得所在位置液体连通管内液体的压力，并转化为相应的电压；

数据采集处理模块接收传感器输出的模拟电压信号，把电压信号转化为数字信号，通过通讯模块远程无线传输至PC机；

电源模块为传感器、数据采集处理模块和通讯模块提供电力。

所述的传感器选取电容式压力变送器。

所述的数据采集处理模块的单片机型号为MSP430F2013。

所述的远程无线传输利用GPRS模块完成沉降数据短信息的发送。

所述的传感器测量信号采用高强度多芯双绞屏蔽电缆线进行传输，每个传感器使用3根芯线。

路基长期大变形自动监测系统的监测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：路基沉降导致传感器位置发生变化后，引起液体连通管液位的变化，进而导致传感器位置处压强的变化，该变化被传感器转换成模拟电压信号；

步骤二：数据采集处理模块接收传感器输出的模拟电压信号，16位A/D转换器把电压信号转化为数字信号，输出到数据采集处理模块的单片机；

步骤三：单片机处理后得到了沉降量，将沉降数据存储到Flash存储器中，并通过GPRS模块完成沉降数据短信息的发送；

步骤四：后台GPRS模块完成沉降数据短信息的数据接收，通过RS-232通信，将沉降数据发送给PC机；

步骤五：PC机上系统软件完成沉降数据显示，对路基沉降进行预测；绘制路基沉降曲线，生成路基沉降报告。

    本发明具有以下优点：

1、大量程：

选用高精度大量程传感器，采用单液管连通，测量点与基准点压差方式获取高精度沉降量的特殊的结构设计使最大量程达到5000mm，精度达到1/1000，能满足各种路基条件下的长期大变形监测。目前国内外市场上其它原理设计的自动监测仪器最大量程仅500mm，在公路路基沉降监测中基本无法使用。

2、仪器体积小、高精度、安装方便、不干扰施工及施工机械的通行。

3、可实现多层、多点布设及监测数据获取。

4、道路通车后不受行车影响，可长期（大于5年）、全天候、实时监测获取数据，为道路健康诊断及养护提供信息。

5、先进的无线网络，实现远程监控与管理。

附图说明

图1为监测系统结构框图。

图2为监测系统使用示意图。

图3为监测系统工作原理流程图。

图4为监测系统前端软件流程图。

图5为用户端软件流程框图。

图6为监测系统传感器连接示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所涉及的路基长期大变形自动监测系统的硬件部分由传感器、数据采集处理模块、通讯模块、电源模块和PC机组成，软件部分包括数据采集处理、通讯和电源管理的单片机程序及其PC机后台相应的数据处理和沉降预测软件。路基沉降无线监测系统通过移动GPRS短信服务实现远程的实时监测和监测数据的实时远程传输。图1和图2分别是系统的结构和使用示意图。

1.传感器

在该系统中采用电容式压力变送器，具有独特的检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度自动补偿。把液位的高度转化为相应的电压量。根据传感器的市场供应情况以及成本因素，选择了0.065%等级的变送器。主要参数：量程：0~50KPa；非线性、迟滞、重复性：≤0.05%FS；零点温漂：≤0.03%FS。采用传感器温度自补偿及规一化电路调试，可将温度稳定性指标提高到0.01%/FS。

传感器设置2-5个，一个为基准，其余为测量点，布设方式为单层多点布设或分层布设；传感器由液体连通管串联，管内液位高于基准点，各传感器测得所在位置液体连通管内液体的压力，并转化为相应的电压。

基准传感器位于液体的某处深度，液体的压强致使传感器产生了输出电压值，该电压值反映了传感器所受到的压强，也反映了传感器所在位置的液体高度。当某个待测传感器在连通的液体另一处深度时，同样，它的电压值也反映了它所在处所受到的液体压强和它所在处的液体高度。利用传感器之间的电压差值，计算待测传感器相对高度，如果基准传感器液位不变，便可以得到待测传感器相对于基准传感器的沉降量了，如图6所示。

2.数据采集处理模块

数据采集处理模块包含的具体功能有16位A/D转换，微处理器，存储单元。存储单元把各个时段测量的数据存储起来，监测人员可隔一段时间用U盘把存储的数据取走。综合考虑成本和节能因素，选择的单片机为MSP430F2013，U盘接口芯片使用了CH376。单片机处理后得到的沉降量会存储到Flash存储器中。

3.无线收/发模块

数据的远程无线传输，使用了移动/联通/电信等的短信息服务。能实现GPRS功能的芯片选择的是西门子的MC35。

4.电源模块

电源模块考虑使用220V市电的情况。先用变压器把市电转化为12/5V的直流电，然后通过电源芯片把5V的电压分压分别给CH376和MSP430F2013供电。

5.软件

软件三个进程分别处理三个不同的功能划分。一个进程处理路基沉降信息接收，一个进程处理路基沉降信息界面显示，一个进程进行路基沉降预测计算并显示预测结果。

6.系统测试实例

本发明的监测方法的具体技术指标如表1～表4所示。

表1 路基沉降无线监测系统的主要技术性能指标

表2 路基沉降无线监测系统可实现多层、多点布设

表3 路基沉降无线监测系统能长期、全天候、实时监测

表4 路基沉降无线监测系统能自动化多点数据获取、传输与管理

该路基沉降无线监测系统除了适用于普通气候下公路工程建设中对路基沉降的实时监测以外，也适合于高寒地带的公路工程建设中对路基沉降的实时监测。

路基沉降无线监测系统精度行测试结果见表5。结果表明，测试结果在设计的0.1%FS的范围之内，精度达到设计要求。

表5 路基沉降监测系统精度测试实验数据

路基沉降无线监测系统传输线长度与信号衰减关系测试结果见表6。结果说明，传输线长度对信号衰减的影响并不明显。

表6 路基沉降监测系统传输线长度与信号衰减关系测试实验数据

经试验路使用验证，路基沉降无线监测系统同目前路基沉降监测中常用观测设施相比，具有不干扰施工和交通，长期、全天候、实时监测，自动化多点数据获取，远程监测与管理等优点，能对不同条件下的路基沉降进行实时监测，具有良好的应用价值。

路基沉降的整个测量过程如图3所示。数据采集处理模块用来接收传感器输出的模拟电压信号，把电压信号转化为数字信号，以便于数据的存储和发送。数据的远程无线传输，使用了移动GPRS短信息服务。GPRS功能模块完成沉降数据短信息的发送。用变压器把市电转化为12/5V的直流电或使用12V蓄电池，然后通过分压电源芯片给CH376和MSP430F2013供电。前端硬件电路控制软件流程如图4所示。用户端软件流程如图5所示。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.路基长期大变形自动监测系统，其特征在于：

所述的监测系统由传感器、数据采集处理模块、通讯模块、电源模块和PC机组成；

传感器至多设置5个，一个为基准，其余为测量点，布设方式为单层多点布设或分层布设；传感器由液体连通管串联，管内液位高于基准点，各传感器测得所在位置液体连通管内液体的压力，并转化为相应的电压；

数据采集处理模块接收传感器输出的模拟电压信号，把电压信号转化为数字信号，通过通讯模块远程无线传输至PC机；

电源模块为传感器、数据采集处理模块和通讯模块提供电力。

2.根据权利要求1所述的路基长期大变形自动监测系统，其特征在于：

所述的传感器选取电容式压力变送器。

3.根据权利要求1或2所述的路基长期大变形自动监测系统，其特征在于：

所述的数据采集处理模块的单片机型号为MSP430F2013。

4.根据权利要求3所述的路基长期大变形自动监测系统，其特征在于：

所述的远程无线传输利用GPRS模块完成沉降数据短信息的发送。

5.根据权利要求4所述的路基长期大变形自动监测系统，其特征在于：

所述的传感器测量信号采用高强度多芯双绞屏蔽电缆线进行传输，每个传感器使用3根芯线。

6.根据权利要求5所述的路基长期大变形自动监测系统的监测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：路基沉降导致传感器位置发生变化后，引起液体连通管液位的变化，进而导致传感器位置处压强的变化，该变化被传感器转换成模拟电压信号；

步骤二：数据采集处理模块接收传感器输出的模拟电压信号，16位A/D转换器把电压信号转化为数字信号，输出到数据采集处理模块的单片机；

步骤三：单片机处理后得到了沉降量，将沉降数据存储到Flash存储器中，并通过GPRS模块完成沉降数据短信息的发送；

步骤四：后台GPRS模块完成沉降数据短信息的数据接收，通过RS-232通信，将沉降数据发送给PC机；

步骤五：PC机上系统软件完成沉降数据显示，对路基沉降进行预测；绘制路基沉降曲线，生成路基沉降报告。

Images