CN104089832B - 一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统。步进电机、扭矩传感器和十字板依次同轴连接，步进电机和扭矩传感器位于安装箱内，十字板位于安装箱外伸入到土体中；步进电机和扭矩传感器分别经步进电机驱动控制电路和扭矩信号采集处理电路与微控制器连接，微控制器通过远程发送电路发送无线信号，再由信号经远程接收电路传送到上位计算机；各器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电。本发明能在现场实现实时、原位、远程、自动、长期测量土体抗剪强度测量系统，为观测隐患点可能出现的灾变过程，研究灾害的规律，最终实现灾害预报，提供现场实时远程监测的手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种土体抗剪强度测量系统，具体是涉及岩土防灾工程技术领域的一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统。
背景技术
滑坡、泥石流对人类社会发展和经济建设的危害是世界性的，而土体的抗剪强度是岩土体一项重要的物理性能指标，它取决于土壤的内粘聚力和内摩擦力，是反应滑坡、泥石流灾害隐患点是否可能发生灾害的重要参数之一，结合地形地貌以及其他因素分析滑坡、泥石流灾害隐患点的土体抗剪强度，可实现滑坡、泥石流灾害的预报。要实现预报，需要现场实时自动测量出土体抗剪强度。现有的土体抗剪强度的测量方法有以下几种：室内直接剪切测量，三轴压缩测量，无限侧抗压强度测量和现场十字板剪切测量。前三种测量方法是将土体样品采回实验室进行，最后一种十字板测量是在现场由人操作相应装备完成，可见这些测量方法都不能实现在滑坡、泥石流灾害隐患点现场进行无人、自动、长期、原位、实时、远程的测量。
发明内容
针对现有各种土体剪切强度测量方法和装置无法实现对土体剪切强度的实时、原位、远程、自动、长期的测量，本发明的目的在于提供一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统，实现自动地进行地质灾害隐患点的土体剪切强度实时远程监测。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明包括十字板、扭矩传感器、步进电机和上位计算机；步进电机、扭矩传感器和十字板依次同轴连接，步进电机和扭矩传感器之间、扭矩传感器和十字板均通过联轴器连接，步进电机和扭矩传感器位于安装箱内，十字板位于安装箱外伸入到土体中；扭矩传感器采集最大扭矩信号，最大扭矩信号经扭矩信号采集处理电路传送到微控制器中转化为土体剪切强度信号，土体剪切强度信号通过远程发送电路连接天线发送无线信号，无线信号经天线接收后由远程接收电路将土体剪切强度的信息传送到上位计算机，微控制器经步进电机驱动控制电路连接步进电机进行控制；上述各个器件均由蓄电池供电，蓄电池与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电。
所述的步进电机、扭矩传感器均通过支架固定在安装箱内壁，步进电机驱动控制电路、扭矩信号采集处理电路、微控制器和远程发送电路均安装在安装箱的仪器盒内。
所述的太阳能供电装置包括光伏电池板和支撑钢管；光伏电池板固定在支撑钢管顶部，支撑钢管底部通过混凝土墩固定在土体上，光伏电池板太阳能电池电能馈线与蓄电池。
所述的无线信号采用GSM移动通讯方式传输。
本发明具有的有益效果是：
本发明能在现场实现实时、原位、远程、自动、长期测量土体抗剪强度测量系统，为观测滑坡、泥石流隐患点可能出现的灾变过程，研究滑坡、泥石流灾害的规律，最终实现滑坡、泥石流灾害的预报，提供现场实时远程监测的手段。
本发明结合隐患点的其他参数，可建立相关模型，对该隐患点地形地貌进行综合分析，得到隐患点的稳定性和灾变的预报。
本发明采用白天光伏充电，夜晚由蓄电池供电的方式，有效利用能源，适用于野外环境，绿色节能。
附图说明
图1是本发明提供的测量系统示意图。
图2是本发明提供的测量系统在现场的测量仪器的安装方式和安装箱。
图3是本发明提供的测量系统在现场的测量仪器与光伏供电示意。
图4是对土体产生剪切的十字板。
图中：1、现场部分，2、远程部分，3、十字板，4、联轴器，5、扭矩传感器，6、步进电机，7、天线，8、上位计算机，9、安装箱，10、现场仪器盒，11、蓄电池，12、土体，13、天线，14、支架，15、支撑钢管，16、光伏电池板，17、混凝土墩，18、太阳能电池电能馈线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明本发明包括十字板3、扭矩传感器5、步进电机6、扭矩信号处理电路、步进电机驱动控制电路、微控制器、远程发送电路、远程接收电路和上位计算机8；步进电机6、扭矩传感器5和十字板3依次同轴连接，步进电机6和扭矩传感器5之间、扭矩传感器5和十字板3均通过联轴器4连接，步进电机6和扭矩传感器5位于安装箱9内，十字板3位于安装箱9外伸入到土体12中。
步进电机6和扭矩传感器5分别经步进电机驱动控制电路和扭矩信号采集处理电路与微控制器(MCU)连接，微控制器通过远程发送电路连接天线7发送无线信号，无线信号经天线7接收后经远程接收电路传送到上位计算机8；具体来说，扭矩传感器5采集最大扭矩信号，最大扭矩信号经扭矩信号采集处理电路传送到微控制器中转化为土体剪切强度信号，土体剪切强度信号通过远程发送电路连接天线7发送无线信号，无线信号经天线7接收后由远程接收电路将土体剪切强度的信息传送到上位计算机8，微控制器经步进电机驱动控制电路连接步进电机6进行控制。
上述各个器件均由蓄电池11供电，蓄电池11与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电。
步进电机6、扭矩传感器5均通过支架14固定在安装箱9内壁，支架14可采用铝质或不锈钢质，保证步进电机、扭矩传感器、十字板同轴联接，步进电机驱动控制电路、扭矩信号采集处理电路、微控制器和远程发送电路均安装在安装箱9的仪器盒内。
太阳能供电装置包括光伏电池板16和支撑钢管15；光伏电池板16固定在支撑钢管15顶部，支撑钢管15底部通过混凝土墩17固定在土体12上，光伏电池板16通过支撑钢管15内部的太阳能电池电能馈线18与蓄电池11连接。太阳能供电装置安装在安装箱9附近，太阳能电池电能馈线18可经过土体12连接到安装箱9的蓄电池11。
如图1所示，安装箱9和太阳能供电装置构成现场部分1，远程接收电路和上位计算机8构成远程部分，其之间的无线信号采用GSM移动通讯方式传输，远程部分在手机信号能到达的地方。
本发明安装在滑坡、泥石流隐患点现场的测量仪器，即现场部分1，其实施安装及组成结构如图2所示。现场部分1完成现场剪切过程的控制和最大扭矩信号采集、根据扭矩信号算出土体剪切强度，通过GSM方式向远程的上位计算机发送土体剪切强度。
远程部分2可通过GSM移动通讯公网接收土体剪切强度的信息，将由上位计算机的软件实施保存、显示、根据该隐患点地形地貌的综合分析；在条件允许能获取隐患点的其他参数(如地表位移、地下位移、地下水位、土壤含水量、振动等)的情况下，可建立相关模型，综合分析隐患点的稳定性和灾变的预报。
扭矩传感器5可优选采用应变式扭矩传感器。
因测量系统的现场测量仪器部分是在野外，本发明的供电方式采用白天由光伏(太阳能)电池向仪器供电(并同时向蓄电池充电)，夜晚由蓄电池向仪器供电，供电示意如图3所示。
本发明的具体实施工作过程如下：
在实际的每一次测量时，由微控制器(MCU＝Microcontrol Unit)发出步进电机的驱动信号，经步进电机驱动控制电路驱动步进电机，从图2可见，步进电机与扭矩传感器、十字板是经联轴器实现了同轴转动；测量的间隔时间在MCU的运行程序中设定，也可根据需要由远程的上位计算机控制进行更改。
图4所示的是十字板的结构。在步进电机转矩的作用下，十字板的土体与其周围土体产生相对扭剪，十字板会从静止状态开始到发生转动，使土体剪切发生破坏，此时的扭矩最大。在扭矩从零到最大的过程，扭矩传感器输出的电压信号与扭矩成正比，测得扭矩传感器输出的电压即测得扭矩。
扭矩传感器的输出电压经扭矩信号采集处理电路的滤波、放大处理送至MCU的A/D转换输入口，MCU高速采集扭矩电压信号，MCU采集到最大扭矩信号时则发出步进电机停止转动的指令，将最大的扭矩电压信号转成扭矩M，根据以下公式1算出土体的抗剪强度Cu，然后将Cu送至远程发送电路，由远程发送电路利用移动通讯公网，以GSM方式发送到远方(只要有移动通讯公网覆盖的地方)。
其中，十字板的长度为D，高度为H，十字板在土中发生剪切破坏时所施加的扭矩为M。
远方的远程信号接收电路(GSM接收电路)接收到信号后，传送给上位计算机或服务器，上位计算机或服务器的将土体抗剪强度Cu值保存、显示。并可根据隐患点的地形地貌和可能得到的其他参数(如地表位移、地下位移、地下水位、土壤含水量、振动等)进行综合分析，得出滑坡、泥石流灾害发生的预报或稳定性提示。
MCU控制步进电机间隔时间进行转动，从而控制本发明的扭矩传感器长期进行采集，使得本发明能进行长期、远程、不间断的工作。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统，其特征在于：包括十字板（3）、扭矩传感器（5）、步进电机（6）和上位计算机（8），步进电机（6）、扭矩传感器（5）和十字板（3）依次同轴连接，步进电机（6）和扭矩传感器（5）之间、扭矩传感器（5）和十字板（3）均通过联轴器（4）连接，步进电机（6）和扭矩传感器（5）位于安装箱（9）内，十字板（3）位于安装箱（9）外伸入到土体（12）中；
扭矩传感器（5）采集最大扭矩信号，最大扭矩信号经扭矩信号采集处理电路传送到微控制器中转化为土体剪切强度信号，土体剪切强度信号通过远程发送电路连接天线发送无线信号，无线信号经天线接收后由远程接收电路将土体剪切强度的信息传送到上位计算机（8），微控制器经步进电机驱动控制电路连接步进电机（6）进行控制，微控制器采集扭矩电压信号，微控制器采集到最大扭矩信号时则发出所述步进电机（6）停止转动的指令，并且微控制器控制所述步进电机（6）间隔时间进行转动；上述各个器件均由蓄电池（11）供电，蓄电池（11）与太阳能供电装置连接，在白天进行充电储备电能，在晚上向各器件供电；
所述十字板（3）、步进电机（6）、扭矩传感器（5）、远程发送电路和太阳能供电装置构成现场部分（1），所述远程接收电路和上位计算机（8）构成远程部分（2），现场部分（1）完成现场剪切过程的控制和最大扭矩信号采集、根据扭矩信号算出土体剪切强度，通过GSM方式向远程的上位计算机发送土体剪切强度，远程部分（2）通过GSM移动通讯公网接收土体剪切强度的信息，将由上位计算机的软件实施保存、显示以及根据该隐患点地形地貌的综合分析，并结合获取隐患点的地表位移、地下位移、地下水位、土壤含水量、振动等参数建立模型，综合分析隐患点的稳定性和灾变的预报。
2.根据权利要求1所述的一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统，其特征在于：所述的步进电机（6）、扭矩传感器（5）均通过支架（14）固定在安装箱（9）内壁，步进电机驱动控制电路、扭矩信号采集处理电路、微控制器和远程发送电路均安装在安装箱（9）的仪器盒内。
3.根据权利要求1所述的一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统，其特征在于：所述的太阳能供电装置包括光伏电池板（16）和支撑钢管（15）；光伏电池板（16）固定在支撑钢管（15）顶部，支撑钢管（15）底部通过混凝土墩（17）固定在土体（12）上，光伏电池板（16）经太阳能电池电能馈线（18）与蓄电池（11）连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于十字板的土体抗剪强度原位实时远程测量系统，其特征在于：所述的无线信号采用GSM移动通讯方式传输。
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