CN102878979A - 自动电测式分层沉降仪 - Google Patents

Abstract

一种自动电测式分层沉降仪，有拼接的坚固导杆，导杆外表面有多个凹槽，凹槽内敷设传动钢丝绳，在导杆外设有多个沉降环，沉降环外侧均布铰链四片锚固铁片，每条传动钢丝绳的底端分别连接在一个沉降环上，导杆外表面上还有薄胶带，拼接的导杆的顶端有测量盒，测量盒内有沉降量电测装置、信号处理及无线数据传输装置，信号处理及无线数据传输装置通过馈线连接无线电收发天线，信号处理及无线数据传输装置通过信号线连接手持监测仪器。本自动电测式分层沉降仪结构简单，将多个沉降环所测的沉降量转换成角位移量提高测量精度和准确性。监测精度及灵敏度高，可无线传输信号，传输信号抗干扰性强、稳定性高，可将沉降量数值实时直观的显示出来，且安装简便、使用成本低廉。

Description

自动电测式分层沉降仪

技术领域

本发明属于土木工程质量监测仪器，特别涉及用于陆上软土地基分层沉降量长期监测的沉降仪——自动电测式分层沉降仪。

背景技术

在港口建设中，通常使用软尺沉降仪监测软土地基的分层沉降量。软尺沉降仪工作方式为：在待测软土地基中预埋PVC材质的沉降管，并在沉降管外分段套有沉降磁环，沉降磁环随被测土层沉降。软尺一端有磁感应传感器并通过软尺上附着的信号线连接至软尺另一端的接收器，接受器内有蜂鸣器，软尺上标有刻度。人工把软尺带有测头端放入PVC导管内，手握软尺让测头缓慢地向下移动，当测头到达到土层中的磁环埋设位置时，接收器的蜂鸣器便会发出蜂鸣声，此时人工读出软尺在管口处的深度尺寸，这样一点一点地测量到底。这种方式需全程人工操作、读数、记录测值。因此效率低、容易产生观测错误、测量精度低、数据需人工记录归档。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动电测式分层沉降仪,用于长期监测陆上软土地基分层沉降量。自动电测式分层沉降仪安装简便、使用成本低廉、监测精度及灵敏度高，可自动监测各被测土层沉降量，将监测数据自动无线发送至远程接收机，因而实现分层沉降量的自动无人监测及采集数据。亦可在现场使用手持监测仪器接收监测数据及实时检测，并可将各沉降量数值实时直观的显示出来，且安装简便、使用成本低廉。

本发明的技术方案是：

一种自动电测式分层沉降仪，其特征在于：有竖直方向拼接的导杆，在两个相连接的导杆外有PVC导杆连接环，导杆外表面有多个竖直的凹槽，凹槽内敷设传动钢丝绳，在导杆外设有多个沉降环，沉降环外侧均布铰链四片锚固铁片，每条传动钢丝绳的底端分别连接在一个沉降环上，导杆外表面上还有薄胶带，拼接的导杆的顶端有测量盒，测量盒内有沉降量电测装置、信号处理及无线数据传输装置，信号处理及无线数据传输装置通过馈线连接无线电收发天线，信号处理及无线数据传输装置通过信号线连接手持监测仪器。

所述沉降环外侧均布铰链的四片锚固铁片的外端由水溶性纸质胶带粘接在导杆的表面，使得四片锚固铁片竖直的贴服在导杆的表面。

所述测量盒内有沉降量电测装置是由多个角位移传动机构组成，多个角位移传动机构放射状排列，每个角位移传动机构靠近中心是角位移传感器，每个角位移传动机构靠近外缘的是圆柱形绕线轮，圆柱形绕线轮中心轴与角位移传感器的旋转轴连接，传动钢丝绳的上端部缠绕在圆柱形绕线轮上，圆柱形绕线轮内部有涡圈弹簧，角位移传感器信号线缆连接信号处理及无线数据传输装置。

本发明特点优点：

本自动电测式分层沉降仪结构简单，将多个沉降环所测的沉降量转换成角位移量提高测量精度和准确性。监测精度及灵敏度高，可无线传输信号，传输信号抗干扰性强、稳定性高，可将沉降量数值实时直观的显示出来，且安装简便、使用成本低廉。

附图说明

图1.1是自动电测式分层沉降仪结构

图1.2是导杆连接环结构

图2.1是沉降环结构

图2.2是沉降环埋设前状态

图2.3是沉降环埋设后状态

图3.1是位移传动机构主视图

图3.2是位移传动机构左视图

图3.3是各位移传动机构整体俯视图

图中：

1无线电收发天线、2馈线、3手持监测仪器、4信号线缆、5传动钢丝绳连接器、6土地表层、7沉降环、8导杆、9导杆连接环、10传动钢丝绳、11地下不发生沉降岩层、12凹槽、13薄胶带、14沉降量电测装置、15信号处理及无线数据传输装置、16测量盒、17紧固螺丝、18传动钢丝绳与沉降环连接点、19锚固铁片、20水溶性纸质胶带、21圆柱形绕线轮、22角位移传感器的旋转轴、23角位移传感器信号线缆、24角位移传感器、25测量盒底板上的过线孔、26钢丝绳连接器、27测量盒底板。

具体实施方式

如图所示一种自动电测式分层沉降仪，有一个拼接好的导杆，导杆外侧沿轴向均匀分布有凹槽，各凹槽内卧有传动钢丝绳，各传动钢丝绳下端连接对应沉降环，其上端连接对应沉降量电测装置中的传动钢丝绳下端，沉降量电测装置连接信号处理及无线数据传输装置，信号处理及无线数据传输装置通过无线电收发天线连接到远程接收机或通过线缆连接到手持监测仪器，各沉降环埋设后随各待测土层同步沉降。

沉降量电测装置有角位移传感器和传动钢丝绳，角位移传感器通过连接轴连接在圆柱形绕线轮轴上，传动钢丝绳上端固定在圆柱形绕线轮上，传动钢丝绳上部绕在圆柱形绕线轮上，在圆柱形绕线轮内部有涡圈弹簧。

本自动电测式分层沉降仪，其结构进一步说明：

沉降仪导杆下端固定在地下不发生沉降的岩层的锚固点，其上端依次连接沉降仪的“沉降环”、“测量盒”，并通过“测量盒”上的“无线电收发天线”连接至“远程接收机”,或通过“测量盒”引出的线缆连接到手持监测仪器，从而可以直观实时准确的读取当前各沉降环所在土层自沉降仪埋设时至此刻这段时间内所发生的沉降量。各装置特征如下：

一、导杆

导杆为坚固材质如金属及PVC材料等加工而成的柱体，下文说明以圆柱形PVC导杆为例。如图1.1、图1.2所示，导杆外侧套有沉降环。在导杆外侧沿轴向均匀分布有凹槽，凹槽用于敷设传动钢丝绳，凹槽数量与沉降仪上所套装的沉降环数量相同。各凹槽依次排号编号，各传动钢丝绳编号与所在凹槽编号一致。例如导杆上有八个凹槽，依次编号一号至八号凹槽及一号至八号钢丝绳。导杆凹槽内预先填满粘稠润滑脂，并在凹槽内敷设传动钢丝绳后沿导杆外侧缠好薄胶带。因此导杆埋设后不会有异物进入凹槽，避免影响钢丝绳传动。PVC导杆分为多节，纵向连接埋入待测土层中，最末节导杆底端锚固在地下不发生沉降的岩层。相邻导杆间通过“导杆连接环”紧固连接。如图1.2，连接环上的紧固螺丝位置避开凹槽位置从而不影响钢丝绳传动。凹槽内的传动钢丝绳一端与沉降环固定连接，另一端经凹槽内引致导杆顶端，并用“钢丝绳连接器”与测量盒下部探出的对应编号钢丝绳端点连接，从而与测量盒内对应编号“绕线轮”上的钢丝绳连接成一整根钢丝绳。“钢丝绳连接器”体积较小以便完全卧于导杆凹槽内，并可随传动钢丝绳在凹槽内顺畅滑动。

二、沉降环

沉降环为坚固材质如金属及PVC材料等加工而成。如图2.1所示，沉降环外周装有数个可折叠“锚固铁片”，用于使沉降环锚固在被测土层。多个沉降环预先套装在导杆上，根据各沉降环预监测的土层深度来确定其在导杆上的套装位置。各沉降环套装好后依次纵向排列在导杆上，并依照其所处位置排好编号。例如导杆上套有八个沉降环，最下端的为一号沉降环依次排号递增至顶端为八号沉降环。各沉降环分别与导杆凹槽内编号相同的传动钢丝绳下端连接好。

如图2.2所示，沉降环四周的“锚固铁片”在导杆埋设前先用力折起并用水溶性纸质胶带拴在导杆侧壁上。如图2.3所示，待导杆埋设好，沉降环已达到预定土层深度后，水溶性纸质胶带会被土层中的水溶化。随后“锚固铁片”由于自身弹性而自动撑开，锚固在待测土层中，使得沉降环随着待测土层下沉。

三、测量盒

测量盒固定于导杆正上方，并在顶部装有无线电收发天线，用于与远程监控主机传递数据，还设有信号输入输出接口，以便通过信号线缆与手持监测仪器连接。测量盒中装有电池为各电路供电，测量盒内还包括以下两部份：

1、沉降量电测装置

1.1、位移传动机构

如图3.1、图3.2、图3.3所示，沉降量电测装置内设有与沉降环数量及编号相同的位移传动机构。各位移传动机构中的“圆柱形绕线轮”上绕有传动钢丝绳，缠绕圈数可根据量程需要修改。传动钢丝绳一端与“圆柱形绕线轮”侧面固定连接，另一端由测量盒下部引出并与对应导杆凹槽内传动钢丝绳上端连接。“圆柱形绕线轮”内有涡圈弹簧以使得传动钢丝绳始终处于绷紧状态。“圆柱形绕线轮”侧面有细螺纹，钢丝绳卧于螺纹凹槽内，使得钢丝绳在从“圆柱形绕线轮”上放出或回收时始终并排缠绕。当钢丝绳下端拉力减小时，使得钢丝绳并排回缠于“圆柱形绕线轮”侧面上。“圆柱形绕线轮”的轴心与“角位移传感器”的旋转轴相互固定且同轴。因此当“圆柱形绕线轮”旋转时的角位移量与“角位移传感器”旋转轴转动的角位移量相等且同步增减。

当沉降环在某时间段内随所测土层下沉（或上升），使得钢丝绳下移（或上移），则相应传动机构内传动钢丝绳固定端在绕线轮侧面围绕其轴心所转动的线位移量即此时间段内该沉降环所测土层的沉降量（或上升量）为L，“圆柱形绕线轮”的周长为C，此时间段内“圆柱形绕线轮”随钢丝绳转动的旋转角度即与之相连的“角位移传感器”所测的此时间段内角位移增量为⊿θ（单位为弧度）。则：

1.2、位移量转化为数字电信号机构

当其中一个沉降环在某时间段内随所测土层下沉（或上升）时，对应“角位移传感器”可测得此时间段内角位移增量⊿θ。“角位移传感器”的类型可以用：电阻式旋转编码器、绝对型光电式旋转编码器、绝对型电磁式旋转编码器等。

例如“角位移传感器”使用绝对型光电式旋转编码器或绝对型电磁式旋转编码器，编码器均可直接输出量值为R的数字信号，量值R与编码器测得的角度θ成线性关系，因此两者在某时间段内的增量关系为：Δθ＝kΔR，k为固定转换常数，由编码器生产厂家提供，为已知常量。则：

各路数字信号通过各角位移传感器信号线缆将各路量值R传入“信号处理及无线数据传输装置”。

2、信号处理及无线数据传输装置

2.1、信号处理电路

信号处理电路从线缆接收到各路“角位移传感器”输出的实时数字信号，各路数字信号经信号处理电路后输出各路量值R至单片机。各沉降环在其沉降量监测起始时间点所测的数字信号的量值R’已记录在单片机的内部存储器中，R’通常采用沉降环刚埋设好时所测数值，也可自行选择所需的起始时间点的测量值。“信号处理及无线数据传输装置”内通过单片机程序运算使得单片机输出的各数字信号量值即为各沉降环在其沉降量监测起始时间点至此次监测时间点之间这段时间内的被测土层沉降量L。单片机所运行的换算公式即为 $L=\frac{\mathrm{Ck}(R-R^{\′})}{2\mathrm{\π}}$

2.2、无线数据传输装置

信号处理电路内的单片机输出的各路数字信号量值即各沉降环所在土层的沉降量L。单片机输出的各路数字信号可通过无线数据传输装置发送至远程接收机。无线数据传输装置的无线电收发天线安装在测量盒顶部。单片机输出的各路数字信号亦可以通过测量盒外壳上的信号输入输出接口经信号线缆与手持监测仪器连接，从而在手持监测仪器上现场实时直观的显示各沉降环所在土层的沉降量。

本发明成果的使用方法是：如图1.1所示，将沉降仪导杆下部固定于地下不发生沉降岩层的锚固点，导杆上套有多个沉降环，各沉降环分别嵌入各待测土层，各沉降环通过对应导杆凹槽内传动钢丝绳连接至导杆顶部测量盒内的“沉降量电测装置”。“沉降量电测装置”将测得的各路信号输出至“信号处理及无线数据传输装置”。“信号处理及无线数据传输装置”将解算出的各被测土层沉降量经无线电发送至远程接收机，从而可以直接实时准确的读取当前各沉降环所在土层的沉降量。也可直接连接手持监测仪器，以便现场观测实时沉降量。

沉降仪的输出信号为数字信号，此数字信号经无线电收发天线传至远程接收机，因此测量精度不受传输距离的影响。此数字信号还可经线缆传至手持监测仪器，因此测量精度不易受到线缆长度及外界电磁干扰的影响。该沉降仪具备多土层监测及大量程和高灵敏度，在埋设点可同时监测8个以上不同深度土层的沉降量，各土层沉降量测量量程可达5米以上、灵敏度可达0.05毫米。

Claims (3)

1.一种自动电测式分层沉降仪，其特征在于：有竖直方向拼接的坚固导杆，在两个相连接的导杆外有导杆连接环，导杆外表面有多个竖直的凹槽，凹槽内敷设传动钢丝绳，在导杆外设有多个沉降环，沉降环外侧均布铰链四片锚固铁片，每条传动钢丝绳的底端分别连接在一个沉降环上，导杆外表面上还有薄胶带，拼接的导杆的顶端有测量盒，测量盒内有沉降量电测装置、信号处理及无线数据传输装置，信号处理及无线数据传输装置通过馈线连接无线电收发天线，信号处理及无线数据传输装置通过信号线连接手持监测仪器。

2.根据权利要求1所述的自动电测式分层沉降仪，其特征在于：所述沉降环外侧均布铰链的四片锚固铁片的外端由水溶性纸质胶带粘接在导杆的表面，使得四片锚固铁片竖直的贴服在导杆的表面。

3.根据权利要求1所述的自动电测式分层沉降仪，其特征在于：所述测量盒内有沉降量电测装置是由多个角位移传动机构组成，多个角位移传动机构放射状排列，每个角位移传动机构靠近中心是角位移传感器，每个角位移传动机构靠近外缘的是圆柱形绕线轮，圆柱形绕线轮中心轴与角位移传感器的旋转轴连接，传动钢丝绳的上端部缠绕在圆柱形绕线轮上，圆柱形绕线轮内部有涡圈弹簧，角位移传感器信号线缆连接信号处理及无线数据传输装置。

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