CN103196421B - 自动巡检式分层沉降仪 - Google Patents

Abstract

自动巡检式分层沉降仪，导管连接处外面有导管连接环，导管最底端有导管密封头；导管外分布有沉降环，沉降环内有磁铁环，其外收放的锚固铁片；导管上端有测量盒，导管内装有磁感应测头，磁感应测头上连接细线缆，细线缆上端连接沉降量电测装置，沉降量电测装置连接测控及无线传输装置，测控及无线传输装置连接无线电收发天线，测控及无线传输装置还通过信号线缆连接测量盒外的手持监测仪器。用于长期监测陆上软土地基分层沉降量。安装简便、成本低、监测精度及灵敏度高，可自动监测各被测土层沉降量，监测数据自动无线发送至远程接收机，因而实现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。

Description

自动巡检式分层沉降仪

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——自动巡检式分层沉降仪。

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。

在先申请的201020255577.4，CN201716583U基于微机的软土地基分层沉自动监测系统降专利存在一下弊端不足：

1、现有技术钢丝绳下端探头有铜管配重铁块、无线发射模块、电池、干簧管磁感应传感器等组成，探头较为粗大，在套管内滑动时易在套管接口处卡住，影响测量准确性。

2、探头组件较多、较沉长时间使用会使传动钢丝绳拉长变形，影响测量准确性。

3、探头内无线模块需要电池供电，定期要人工更换电池，人工从套管内取出探头拆卸电池，操作不便。

4、土层内探头上的“无线发射模块”易受附近土层施工中埋设的电气设备的电信号干扰（如电渗法软基加固中土层内埋设的金属电极对附近土层产生的电磁干扰），而不能将探头检测信号及时发送给土表的接收机，影响测量准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动巡检式分层沉降仪,用于长期监测陆上软土地基分层沉降量。自动巡检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。

本发明的技术方案是：

一种自动巡检式分层沉降仪，其特征在于：有多个竖直的导管依次上下连接，导管连接处外面有导管连接环，连接的导管最底端的底端口上有锥形导管密封头；在导管外表面分布有沉降环，沉降环内有磁铁环，在沉降环外连接有向外放射状并可以收放的锚固铁片；连接的导管最上端有测量盒，在导管内部装有磁感应测头，磁感应测头上方连接细线缆，细线缆上端连接装在测量盒内部的沉降量电测装置，沉降量电测装置连接测控及无线传输装置，测控及无线传输装置连接测量盒外的无线电收发天线，测控及无线传输装置还通过信号线缆连接测量盒外的手持监测仪器。

所述沉降量电测装置，有一个步进电机，步进电机轴上装有圆柱形绕线轮，磁感应测头上方的细线缆的上部分缠绕在圆柱形绕线轮上，圆柱形绕线轮的侧圆端面上有两个与圆柱形绕线轮同轴心的电滑环，两个电滑环的表面分别与两个电刷相接触，两个电刷分别连接有电刷信号线，两个电刷信号线分别连接测控及无线传输装置，步进电机轴外端与角位移传感器的旋转轴同轴连接，步进电机信号线缆连接测控及无线传输装置，角位移传感器信号线缆连接测控及无线传输装置。

所述的可以收放的锚固铁片的外端由水溶性纸质胶带固定在导管外壁上。

本发明特点优点：

本自动巡检式分层沉降仪结构简单，适用性强，用于长期监测陆上软土地基分层沉降量。自动巡检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。

附图说明

图1是自动巡检式分层沉降仪结构

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是测量盒内部结构主视图

图3.2是测量盒内部结构左视图

图中：1地下不发生沉降岩层、2PVC导管密封头、3沉降环、4PVC导管连接环、5磁感应测头、6土体表层、7沉降量电测装置、8信号线缆、9手持监测仪器、10无线电收发天线、11测量盒、12测控及无线传输装置、13PVC导管、14细电缆、15锚固铁片、16磁铁、17水溶性纸质胶带、18测量盒底板上的过线孔、19圆柱形绕线轮、20电滑环、21角位移传感器信号线缆、22角位移传感器的旋转轴、23电刷、24步进电机旋转轴、25步进电机、26步进电机信号线缆。

具体实施方式

如图1所示一种自动巡检式分层沉降仪，有多个竖直的导管依次上下连接，导管连接处外面有导管连接环，连接的导管最底端的底端口上有锥形导管密封头；在导管外表面分布有沉降环。

连接的导管最上端有测量盒，在导管内部装有磁感应测头，磁感应测头上方连接细线缆，细线缆上端连接装在测量盒内部的沉降量电测装置，沉降量电测装置连接测控及无线传输装置，测控及无线传输装置连接测量盒外的无线电收发天线，测控及无线传输装置还通过信号线缆连接测量盒外的手持监测仪器。

如图2.1所示沉降环内有磁铁环，在沉降环外连接有向外放射状并可以收放的锚固铁片；

如图2.2所示的可以收放的锚固铁片的外端由水溶性纸质胶带固定在导管外壁上。

如图2.3是当水溶性纸质胶被水溶化后，可以收放的锚固铁片打开呈放射状如图2.1所示。

如图3.1所示的沉降量电测装置，有一个步进电机，步进电机轴上装有圆柱形绕线轮，磁感应测头上方的细线缆的上部分缠绕在圆柱形绕线轮上，步进电机轴外端与角位移传感器的旋转轴同轴连接，步进电机信号线缆连接测控及无线传输装置，角位移传感器信号线缆连接测控及无线传输装置。

如图3.2所示圆柱形绕线轮的侧圆端面上有两个与圆柱形绕线轮同轴心的电滑环，两个电滑环的表面分别与两个电刷相接触，两个电刷分别连接有电刷信号线，两个电刷信号线分别连接测控及无线传输装置。

本角位移式水下沉降仪，其结构进一步说明：

沉降仪导管的下端固定在地下不发生沉降岩层的锚固点，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、导管

导管为坚固非金属材质如PVC材料等加工而成的中空柱体，下文说明以圆柱形PVC导管为例。如图1所示，导管外侧套有沉降环。导管分为多节，纵向连接埋入待测土层中，最末节导管底端用密封头密封并锚固在地下不发生沉降的岩层。相邻导管间通过“导管连接环”紧固连接。

二、沉降环

沉降环为坚固非金属材质如PVC材料等加工而成。如图2.1所示，沉降环外周装有有数个可折叠“锚固铁片”，用于使沉降环锚固在被测土层。沉降环内测嵌有一圈磁铁用于触发沉降仪探头内的磁感应元件。多个沉降环预先套装在导管上，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，最上端的为一号沉降环依次排号递增至底端为八号沉降环。

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

测量盒固定于导管正上方，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、沉降量巡检装置

1.1、步进电机

如图3.1所示，步进电机安装在测量盒内，其控制线缆连接至“测控及无线传输装置”内的“控制电路”，根据“控制电路”发出的指令旋转及停止。步进电机的转动轴与“圆柱形绕线轮”轴心及“角位移传感器”的转动轴同轴固定连接且同步转动。

1.2、磁感应测头

磁感应测头为坚固非金属材质如PVC材料等加工而成。磁感应测头内有磁感应元件如霍尔元件或干簧管等。

1.2、位移传动机构

如图3.1、图3.2所示，位移传动机构中的“圆柱形绕线轮”上绕有细电缆，缠绕圈数可根据量程需要修改。细电缆上端与“圆柱形绕线轮”侧面固定连接，细电缆内部各线芯与“圆柱形绕线轮”圆面上的对应电滑环连接导通，电滑环与对应电刷接触导通，使得细电缆内部各线芯通过对应的电滑环、电刷连接至“测控及无线传输装置”内的“测控单元”。细电缆下端由沉降量测量盒下部引出，并与磁感应测头连接，细电缆下端内部各线芯与测头中的磁感应元件对应引脚连接导通。“圆柱形绕线轮”侧面有细螺纹，细电缆卧于螺纹凹槽内，使得细电缆在从“圆柱形绕线轮”上放出或回收时始终并排缠绕。由于“步进电机”的转动轴与“圆柱形绕线轮”轴心及“角位移传感器”的转动轴同轴固定连接且同步转动，所以“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及“步进电机”转动轴转动的角位移量相等且同步增减。

每次对各沉降环所在土层沉降量进行巡测时，“测控单元”控制“步进电机”带动“圆柱形绕线轮”旋转，使得磁感应测头在导管内缓缓放下。当测头到达导管上端第一个沉降环位置时，测头内磁感应元件探测到沉降环内磁铁的磁场，则立即通过细电缆发送电信号给测量盒内的“测控单元”，“测控单元”收到该信号后立即控制“步进电机”停转。并由“测控单元”记录下此时“角位移传感器”测得的角位移量θ（单位为弧度），并与沉降量监测起始时间点该沉降环测得的角位移量相减，得出角位移增量⊿θ（单位为弧度）。则此沉降环自沉降量监测起始时间点至此次检测时的下沉（或上移）量为L，即此沉降环所在土层在这段时间内的沉降量为L。“圆柱形绕线轮”的周长为C。因此：“测控单元”可通过所测⊿θ计算出该沉降环所在土层沉降量L。

“测控单元”记录下所测第一个沉降环的沉降量L后，控制“步进电机”继续转动使得磁感应测头继续缓缓放下，当测头到达下一个沉降环位置时，设备重复上述步骤，依次类推，由“测控单元”记录下导管上各沉降环所在土层的沉降量，当测头检测完最下端的磁环所在土层沉降量后，“测控单元”记录下所测最下端沉降环的沉降量后，控制“步进电机”反向转动直至测头上升至紧贴测量盒底部，从而完成了一次自动巡检过程，并采集记录了各被测土层的沉降量。

1.3、位移量转化为数字电信号机构

“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：⊿θ=k⊿R，k为固定转换常数，由编码器生产厂家提供，为已知常量。

则： $L=\frac{\mathrm{CkR}}{2\mathrm{\π}}$

数字信号通过各角位移传感器信号线缆将量值R传入“测控单元”。经“测控单元”内的单片机运算后得出所测沉降量L。

2、测控及无线数据传输装置

2.1、测控单元

“测控单元”可接受“磁感应探头”发来的信号，并可控制“步进电机”正反向旋转与停转。“测控单元”可接收到“角位移传感器”输出的实时数字信号，数字信号经信号处理电路后输出量值R至“测控单元”内的单片机。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。经“测控单元”内单片机的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

“测控单元”中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传模块发送至远程接收机。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。巡检开始时“测量盒”内“测控单元”驱使“步进电机”旋转带动“圆柱形绕线轮”旋转，使得“磁感应测头”缓缓下降。测头从上至下依次经过导管上各沉降环位置，并自动测量记录下各沉降环所在土层的沉降量，全部检测完成后测头自动回收至测量盒底部，测量盒内的单片机将测量结果处理后将所测得各土层沉降量经无线电收发天线发送给远程接收机，即完成了一次巡检过程。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。测量盒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 (1)

1.一种自动巡检式分层沉降仪，有多个竖直的导管依次上下连接，导管连接处外面有导管连接环，连接的导管最底端的底端口上有锥形导管密封头；在导管外表面分布有沉降环，沉降环内有磁铁环，在沉降环外连接有向外放射状并可以收放的锚固铁片；连接的导管最上端有测量盒，在导管内部装有磁感应测头，磁感应测头上方连接细线缆，细线缆上端连接装在测量盒内部的沉降量电测装置，沉降量电测装置连接测控及无线传输装置，测控及无线传输装置连接测量盒外的无线电收发天线，测控及无线传输装置还通过信号线缆连接测量盒外的手持监测仪器，其特征在于：所述沉降量电测装置，有一个步进电机，步进电机轴上装有圆柱形绕线轮，磁感应测头上方的细线缆的上部分缠绕在圆柱形绕线轮上，圆柱形绕线轮的侧圆端面上有两个与圆柱形绕线轮同轴心的电滑环，两个电滑环的表面分别与两个电刷相接触，两个电刷分别连接有电刷信号线，两个电刷信号线分别连接测控及无线传输装置，步进电机轴外端与角位移传感器的旋转轴同轴连接，步进电机信号线缆连接测控及无线传输装置，角位移传感器信号线缆连接测控及无线传输装置。