CN102889876A - 一种实时测量地下变形的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实时测量地下变形的方法和装置。通过将多个测斜仪通过万向节连接，埋设于地下；采集器用同轴电缆通过电源线通信和供电，读取各个测斜仪的数据，并通过GPRS将数据发送到远程计算机，从而实现地下变形的实时测量。本发明可实现低功耗和低成本的实时地下位移测量，可能根据需要设计每节测量单元的长度，从而满足成本和测量的精度和要求。

Description

一种实时测量地下变形的方法和装置
技术领域
本发明涉及地下变形测量的方法和装置，尤其是涉及采用多个测斜仪通过万向节连接组成的一种实时测量地下变形的方法和装置。
背景技术
在地质灾害、环境监测等领域常需要地下变形进行测量。现在常用地下变形测量装置是采用测斜管和测斜仪，需要监测人定期到现场实地测量，耗费大量人力；测得的数据少，没有连续性，参考价值低。而现有的实时测量装置一般是在测斜管中固定几个测斜仪，所测得数据的深度间隔大，难以反映地下土层的变形情况。因而需要一种能够实时精确测量地下变形的装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时测量地下变形的方法和装置，可实现低成本和高精度的地下变形实时测量。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一、一种实时测量地下变形的方法：
1）将多个测斜仪通过万向节连接后，埋设于地下，每个测斜仪的引线通过同轴电缆供电和通信连接至地面的采集器；
2）采集器读取每个测斜仪的倾角数据θ，再根据已知的每个测量单元长度L得出每节的水平变形距离S＝L*sin(θ)；
3）采集器通过GPRS模块将数据传输到远程计算机。
二、一种实时测量地下的变形装置：
包括采集器和n个结构相同的测量单元；每个测量单元均包括接头、测斜仪、万向接头、同轴电缆、测斜仪保护不锈钢管和不锈钢延长杆；第一个测斜仪安装在第一测斜仪保护不锈钢管内，第一测斜仪保护不锈钢管的一端与第一接头螺纹连接，第一个万向接头的一端与第一个测斜仪保护不锈钢管的另一端螺纹连接，第一个万向接头的另一端与第一个不锈钢延长杆的一端螺纹连接，第一个不锈钢延长杆的另一端与下一个测量单元的接头螺纹连接，依次类推，n个测斜仪的引线通过同轴电缆经各自的接头与采集器连接构成该装置。
所述的测斜仪它依次由限流保护电路、电源线通信芯片、单片机和加速度传感器芯片电连接；所述的限流保护电路包括三个NPN三极管、PNP三极管、采样电阻、充电电阻、充电电容和限流电阻；第一个NPN三极管的发射极与采样电阻连接，采样电阻的两端与充电电阻和充电电容串联组成的RC电路连接，第二个三极管的发射级与基极分别与充电电容的两端连接，第二个三极管的集电极与PNP三极管的基极连接，PNP三极管的集电极与电路输出连接，PNP三极管的发射极与第三NPN三极管的基极连接，第三NPN三极管的发射极和第一NPN三极管的集电极相连接后与电路输入连接，并在第三NPN三极管的基极和集电极之间连接一个限流电阻。
所述的采集器包括电源、升压电路、电源线通信芯片、单片机和GPRS模块，单片机分别与电源线通信芯片和GPRS模块连接，电源通过升压电路对电源线通信芯片供电，并且电源对单片机和GPRS模块供电，采集器的电源线通信芯片通过同轴电缆与测斜仪的限流保护电路连接。
本发明具有的有益效果是：
本发明将多个测斜仪分别用延长杆和万向节连接，各测斜仪采用电源线通信芯片通信，只要两根线就可以同时实现供电和通信；再将其放置在地下土层中，以最底部或最顶部的端点为参考点，根据每节的倾斜角度变化，可测量地下变形量。本发明可实现低功耗和低成本的实时地下位移测量，可能根据需要设计每个测量单元的长度，从而满足成本和测量的精度的要求。
附图说明
图1是本发明的测量装置原理示意图。
图2是图1测量单元的结构放大图。
图3是本发明的测斜仪及延长杆和万向节剖视图。
图4是本发明的变形量计算方法示意图。
图5是测斜仪电路原理框图。
图6是测斜仪中限流保护电路图。
图7是采集器电路原理框图。
图中：1、第一个测量单元，2、第二个测量单元，3、第n个测量单元，4、地面，5、采集器，6、接头，7、测斜仪，8、万向节，9、同轴电缆，10、不锈钢延长杆，11、测斜仪保护不锈钢管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明包括采集器5、第一个测量单元1、第二个测量单元2、和第n个测量单元3，n个测量单元结构相同；每个测量单元均包括接头6、测斜仪7、万向接头8、同轴电缆9、测斜仪保护不锈钢管11和不锈钢延长杆10；第一个测斜仪7安装在第一测斜仪保护不锈钢管11内，第一测斜仪保护不锈钢管11的一端与第一接头6螺纹连接，第一个万向接头8的一端与第一个测斜仪保护不锈钢管11的另一端螺纹连接，第一个万向接头8的另一端与第一个不锈钢延长杆10的一端螺纹连接，第一个不锈钢延长杆10的另一端与下一个测量单元的接头螺纹连接，依次类推，n个测斜仪的引线通过同轴电缆9经各自的接头6与采集器连接构成该装置。
如图5所示，所述的测斜仪7它依次由限流保护电路、电源线通信芯片、单片机和加速度传感器芯片电连接；如图6所示，所述的限流保护电路包括三个NPN三极管、PNP三极管、采样电阻R1、充电电阻R2、充电电容C1和一个限流电阻R3；第一个NPN三极管Q1的发射极与采样电阻R1连接，采样电阻R1的两端与充电电阻R2和充电电容C1串联组成的RC电路连接，第二个三极管Q2的发射级与基极分别与充电电容C1的两端连接，第二个三极管Q2的集电极与PNP三极管Q3的基极连接，PNP三极管Q3的集电极与电路输出连接，PNP三极管Q3的发射极与第三NPN三极管Q4的基极连接，第三NPN三极管Q4的发射极和第一NPN三极管Q1的集电极相连接后与电路输入连接，并在第三NPN三极管Q4的基极和集电极之间连接一个限流电阻R3。
由于测斜仪一般工作时的电流小于4mA，但发送数据时的瞬间电流超过150mA，因此设计了这个可以限制平均电流小于8mA，但瞬间电流可超过200mA的限流电路。当正常工作时采样电阻R1两端电压VR1≈0，充电电容C1电压VC1≈0，NPN三极管Q2截止，PNP三极管Q3截止，限流电阻R3的电流通过NPN三极管Q4放大，驱动NPN三极管Q1导通。当电路瞬间过流时，因为充电电容C1两端电压VC1不能突变，NPN三极管Q1继续导通。当电路持续过流时充电电容C1两端电压VC1增大，NPN三极管Q2，PNP三极管Q3趋于导通，限流电阻R3的电流，流向NPN三极管Q3，NPN三极管Q4和NPN三极管Q1趋于截止，从限制电流。
单片机可采用任何一种面市的产品。这里选用了ST公司的STM8S103。加速度传感器采用飞思卡尔的MMA8451，通过I2C总线与单片机通信。电源线通信芯片采用HT公司的HT71D02，可直接在两根线上实现供电和通信两个功能。由于所有的测斜仪都埋设到地下，难以维护，且所有测斜仪用总线通信和供电，为防止一个测斜仪故障造成整个装置无法工作，限流保护电路是必不可少的。
如图7所示，所述的采集器5包括电源、升压电路、电源线通信芯片、单片机和GPRS模块，单片机分别与电源线通信芯片和GPRS模块连接，电源通过升压电路对电源线通信芯片供电，并且电源对单片机和GPRS模块供电，采集器的电源线通信芯片通过同轴电缆与测斜仪的限流保护电路连接。
单片机选用ST公司STM32F103系列ARM处理器，GPRS模块选用深圳有方科技公司M590E，电源线通信芯片同样采用HT公司的HT71D02。升压电路选用MC33063。
该方法的步骤如下：
1）将多个测斜仪通过万向节连接后，埋设于地下，每个测斜仪的引线通过同轴电缆供电和通信连接至地面的采集器； 
2）如图4所示，采集器读取每个测斜仪的倾角数据θ，再根据已知的每个测量单元长度L得出每节的水平变形距离S＝L*sin(θ)；由于埋设好测斜仪后各个测斜仪已经有了一定的倾斜，所以要进行清零操作，将各个测斜仪的初始倾角数据保存到采集器中，采集器读取到的每个测斜仪的倾角数据减去初始倾角数据得到测斜仪的实际倾角数据θ，倾角数据θ包括X轴和Y轴两个方向的倾斜角度，用于计算出地下X轴和Y轴两个方向的水平变形距离；采集器读取完每个测斜仪的数据后，就停止对测斜仪供电，以降低功耗； 
3）采集器通过GPRS模块将数据传输到远程计算机；远程计算机一直监听采集的数据，采集器连接到远程计算机后将数据发送给远程计算机，远程计算机将新的设定值发送给采集器，然后采集器关闭连接，进入低功耗模式。

Claims (4)

1.一种实时测量地下变形的方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1）将多个测斜仪通过万向节连接后，埋设于地下，每个测斜仪的引线通过同轴电缆供电和通信连接至地面的采集器；
2）采集器读取每个测斜仪的倾角数据θ，再根据已知的每个测量单元长度L得出每节的水平变形距离S＝L*sin(θ)；
3）采集器通过GPRS模块将数据传输到远程计算机。
2.根据权利要求1所述方法的一种实时测量地下变形的装置，其特征在于：包括采集器（5）和n个结构相同的测量单元；每个测量单元均包括接头（6）、测斜仪（7）、万向接头（8）、同轴电缆（9）、测斜仪保护不锈钢管（11）和不锈钢延长杆（10）；第一个测斜仪（7）安装在第一测斜仪保护不锈钢管（11）内，第一测斜仪保护不锈钢管（11）的一端与第一接头（6）螺纹连接，第一个万向接头（8）的一端与第一个测斜仪保护不锈钢管（11）的另一端螺纹连接，第一个万向接头（8）的另一端与第一个不锈钢延长杆（10）的一端螺纹连接，第一个不锈钢延长杆（10）的另一端与下一个测量单元的接头螺纹连接，依次类推，n个测斜仪的引线通过同轴电缆（9）经各自的接头（6）与采集器连接构成该装置。
3.根据权利要求2所述的一种实时测量地下变形的装置，其特征在于：所述的测斜仪（7）它依次由限流保护电路、电源线通信芯片、单片机和加速度传感器芯片电连接；所述的限流保护电路包括三个NPN三极管、PNP三极管、采样电阻（R1）、充电电阻（R2）、充电电容（C1）和限流电阻（R3）；第一个NPN三极管（Q1）的发射极与采样电阻（R1）连接，采样电阻（R1）的两端与充电电阻（R2）和充电电容（C1）串联组成的RC电路连接，第二个三极管（Q2）的发射级与基极分别与充电电容（C1）的两端连接，第二个三极管（Q2）的集电极与PNP三极管（Q3）的基极连接，PNP三极管（Q3）的集电极与电路输出连接，PNP三极管（Q3）的发射极与第三NPN三极管（Q4）的基极连接，第三NPN三极管（Q4）的发射极和第一NPN三极管（Q1）的集电极相连接后与电路输入连接，并在第三NPN三极管（Q4）的基极和集电极之间连接一个限流电阻（R3）。
4.根据权利要求2所述的一种实时测量地下变形的装置，其特征在于：所述的采集器（5）包括电源、升压电路、电源线通信芯片、单片机和GPRS模块，单片机分别与电源线通信芯片和GPRS模块连接，电源通过升压电路对电源线通信芯片供电，并且电源对单片机和GPRS模块供电，采集器的电源线通信芯片通过同轴电缆与测斜仪的限流保护电路连接。
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