CN104406559A - 一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成及使用方法，传感器总成包括手持终端、引出的防水信号线、测量单元、变形耦合PCB电路板及支撑防护结构，手持终端为一个MCU系统，测量单元为单个测点上实现姿态测量的完整功能电路，变形耦合PCB电路板上设贯穿的布线与板两端焊盘连通，且电路板中间压制有波纹；测量单元与变形耦合PCB电路板通过焊盘相焊接。本传感器总成由若干个测量单元通过结构串联、电气并联组成，各单元独立编码，通过CAN总线与手持终端交换数据，当其中测量单元出现故障时不影响其他测量单元工作。使用方法是采集数据时只需将防水信号线连接手持终端便可自动完成数据采集，操作简单，数据采集效率高，重复性好。

Description

一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成及使用方法

技术领域

本发明涉及一种与滑坡水平变形垂向分布监测相关的传感器总成及使用方法，具体地说是一种能够与岩土体变形精确耦合且能承受较大变形的滑坡水平位移垂向分布传感器总成及使用方法，属于地质灾害监测与防治领域。

背景技术

滑坡是一种全球范围内危害严重的地质灾害，随着人类工程活动的日趋频繁，滑坡地质灾害也变得越来越频发，造成的损失也越来越大。为了有效防治滑坡，国内外学者及工程人员对滑坡进行了大量的试验研究，并试图对其进行预测预报，其中滑坡位移的监测就是一项重要的监测内容和实施手段。

针对滑坡位移的测量，现有常用的测量手段为地表GPS位移测量、测斜孔位移测量和光纤光栅埋设测量。GPS位移测量只能针对地表单点的变形测量，不能完成地面以下局部变形的测量。测斜孔位移测量是现有测量手段中广受认可且能较为真实反应滑坡变形的测量方法，不过该测量方法需要人工每次把测斜仪搬运到现场进行测量，测量过程复杂且耗费时间，测量结果也会因不同操作人员的操作差异产生较大随机误差，而且在滑坡临滑状态时因测斜管变形较大而无法下放测斜仪器，更不能保证测量人员的安全。光纤光栅埋设测量是一种新兴的滑坡位移测量方法，该方法在测量上能够实现实时测量，但由于应用技术的不完善，其测量结果受埋设方法影响较大，同时因为其是基于基准板、柱、管甚至是线的应变来测量换算位移量的，这从原理上使得光纤光栅在埋设时必须为拉紧状态，从而导致变形时光纤光栅容易被拉断，当岩土体较为松软时，岩土体的变形可能会被基准板、柱、管或线给剪切而无法反映滑坡体的真实变形情况。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术存在的问题，而提供一种滑坡水平变形垂向分布监测相关的传感器总成及使用方法，使本发明的传感器总成能够在滑坡位移监测过程中，满足岩土体变形精确耦合及能承受较大变形测量监测的要求，且传感器总成使用方法简单，操作方便。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成，包括手持终端、引出的防水信号线、测量单元、变形耦合PCB电路板及支撑防护结构，所述的手持终端为一个MCU系统，配备有操作按键、显示器、通信接口、传感器接口、充电电池；通过传感器接口同时引出电源线和CAN总线，由充电电池通过电源线给传感器总成供电，通过CAN协议与各个测量单元交换数据；手持终端的显示器用于显示传感器总成监测的信息，及通过操作按键和通信接口对PC机上传数据；

所述引出的防水信号线设在传感器总成的端部，防水信号线包括电源正极和负极引出线，CAN总线正引出线和CAN总线负引出线，所述的电源正极和负极引出线用于与手持终端的充电电池连接时为传感器总成电路供电，所述的CAN总线正引出线和CAN总线负引出线用于各个测量单元通过CAN协议与手持终端交换数据；

所述的测量单元为单个测点上实现姿态测量的完整功能电路，设有测量单元PCB电路板和测量元件，测量元件集成在测量单元PCB电路板上，所述的测量元件为基于加速度感应的重力加速度感应芯片，测量元件包括重力加速度感应芯片、MCU、AD转换器、CAN总线管理芯片；通过重力加速度感应芯片感应重力加速度在感应轴上的分量来换算出所需测量的姿态角；测量元件以自身的MCU与手持终端的MCU系统构建一个从机，通过自身的MCU控制AD转换、采样及CAN协议通信传输测量数据；

所述的变形耦合PCB电路板上有贯穿板的布线，板两端布置焊接盘，布线与两端焊接盘连通，沿电路板中间轴线上压制出细密的波纹；所述的贯穿板的布线是后续测量单元的供电线路和CAN通信线路；变形耦合PCB电路板两端的焊接盘用于与测量单元相焊接，中间压制的变形耦合波纹用于对岩土体变形的缓冲与耦合，即存在大变形时，线路不致于被拉断，同时也保证测量单元能真实地反映局部的变形情况；

所述的支撑防护结构包括基准板和正反面防护密封层，基准板用于传感器总成在安装时各个变形测量点上的定位和定向，当传感器总成用于测量后，基准板允许被抽出或拉断；防护密封层为涂在PCB电路板上的一层耐酸碱腐蚀且具有防水性质的保护层。

所述的测量单元PCB电路板、变形耦合PCB电路板均为0.1—0.5mm厚的PCB板，用于承受岩土体变形中引起的弯折或扭曲。

所述的测量单元通过重力分量感应获取到各个变形测量点的姿态角后，以最下端变形测量点为原点，以各变形测量点间距为步长对角度数据积分得到整个测量轴线上的位移分布数据。

所述的测量单元在总成组装时采用结构串联、电气并联的方式，每个测量单元独立编码。

通过使用一块或连续焊接多块变形耦合PCB板实现调整变形测量点的间距。

所述的基准板为铝质材料。铝质材料具有延展性，且屈服强度相对较弱，在岩土体产生较大变形时被拉断，从而消除基准板对变形耦合的影响。

本发明还提供一种使用上述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成的方法，按如下步骤操作：

步骤⑴、传感器总成装配：根据所需测量滑坡体的实际深度尺寸，在装配传感器总成时需要把测量单元布置在各个变形测量点上；由所需测量的变形测量点计算所需的测量单元个数，把集成有测量元件的测量单元PCB电路板布置在基准板上，并对测量单元进行编码；根据变形测量点的间隔，在各个测量单元PCB电路板之间焊接上相应长度的变形耦合PCB电路板，形成变形耦合段，并在PCB板的正面、反面涂上密封防护层；

步骤⑵、传感器总成现场布置：现场布置采用三种方式，或是安装在原有测斜孔里，则直接把传感器总成塞入原有测斜管的卡槽中；或是在新的测量位置布置，则先在测量位置打好测量孔，把传感器总成按设计方位插入；或是测量回填土的变形，则把传感器总成固定，然后回填土掩埋；若所需测量点的深度较深时，传感器总成很长，则将传感器总成装配成若干段方便运输，现场布置时再连接成整体；

步骤⑶、水平位移垂向分布测量：把传感器总成引出的防水信号线插入手持终端的传感器接口上，手持终端自动完成数据采集操作；数据采集完毕后拔下引出的防水信号线并对线头进行雨水防护；

步骤⑷、测量数据导出：当同一区域有多个测量位置时，对每个测量位置依次进行步骤⑴～⑶的操作，当所有测量位置的数据采集完成后，一起通过USB数据线连接手持终端，向PC机导出所测量的数据。

本发明的滑坡水平位移垂向分布传感器总成，是在现有广受认可的位移测量手段——测斜管位移测量的原理上，设计了一种能够满足实时测量、能够真实耦合滑坡体变形以及能够承受较大变形测量的传感器总成，本发明的传感器总成及使用方法将具有很重要的工程应用价值。

本发明的传感器总成及使用方法与现有技术相比具有的有益效果是：

⑴、本发明的传感器总成由若干个测量单元通过结构串联、电气并联组成，各个测量单元独立编码，通过CAN总线与手持终端交换数据，当其中的某些测量单元出现故障时不影响其他测量单元的正常工作。

⑵、本发明的传感器总成充分考虑了滑坡岩土体的变形特性，所设计的变形耦合PCB电路板，通过压制波纹实现变形的缓冲与耦合，一方面较为真实地反映了岩土体局部变形的实际情况，另一方面能够实现较大变形的测量，在岩土体发生较大变形时保证传感器总成不被破坏。

⑶、本发明的传感器总成在使用中，在较大深度测量位置的现场布置时，运输中可分成若干段，到现场拼接，方便传感器总成的搬运。

⑷、本发明的传感器总成只需一次埋入便可长期使用，维护成本低，同时其位置相对固定，不会产生动态测量中存在的误差。

⑸、本发明的传感器总成使用方法简单，在采集数据时只需将传感器总成引出的防水信号线连接手持终端便可自动完成数据采集，操作方便，没有人工操作误差，数据采集效率高，重复精度好；当配置固定的数据采集终端时，可以实现实时测量。

附图说明

图1为本发明传感器总成结构示意图。

图2为本发明传感器总成的测量单元PCB电路板结构示意图。

图3为本发明传感器总成的变形耦合PCB电路板结构示意图。

图4为本发明传感器总成的变形耦合PCB板压制波纹示意图。

图5为本发明传感器总成的变形耦合PCB电路板正向变形耦合示意图。

图6为本发明传感器总成的变形耦合PCB电路板侧向变形耦合示意图。

图7为本发明传感器总成应用示意图。

上述图中：1—基准板，2—防水信号线，3—电源正极引出线，4—电源负极引出线，5—CAN总线正引出线，6—CAN总线负引出线，7—焊接盘，8—电子元件，9—正面防护密封层，10—反面防护密封层，11—测量单元PCB电路板，12—变形耦合PCB电路板，13—滑坡体，14—手持终端，15—变形耦合段，16—变形测量点，17—滑坡基岩，18—PCB电路板布线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成，其结构如图1至图7所示，本发明是一种与滑坡水平变形垂向分布监测相关的传感器总成。本传感器总成包括图7中的手持终端14、图1中的传感器总成引出的防水信号线2及支撑防护结构，图2所示的测量单元、图3至图6所示的变形耦合PCB电路板12。所述的手持终端14为一个MCU系统，配备有操作按键、显示器、通信接口、传感器接口、充电电池；手持终端的显示器用于显示传感器监测的信息，通过操作按键及通信接口对PC机上传数据。

如图1所示，所述传感器总成引出的防水信号线2设在传感器总成的端部，防水信号线2包括电源正极引出线3和电源负极引出线4，CAN总线正引出线5和CAN总线负引出线6，所述的电源正极引出线3和负极引出线4用于与手持终端的充电电池连接时为传感器总成电路供电，所述的CAN总线正引出线5和CAN总线负引出线6用于各个测量单元通过CAN协议与手持终端交换数据。

从实现功能上看，图2所示测量单元包含测量单元PCB电路板11、电路板两端布置的焊盘7、电子元件8和PCB电路板布线18；测量单元利用由重力加速度感应芯片、MCU、AD转换器、CAN总线管理芯片等组成的电子元器件8完成感应各个测点的姿态角，并利用CAN总线与地面的手持终端通信交换数据，对姿态角数据积分处理后得到水平位移在整个垂线轴上的分布。电路板两端布置的焊接盘7用于与图3所示的变形耦合PCB电路板12上的焊接盘7相焊接。实际应用时，测量单元的个数和间隔可以任意布置，以满足不同深度和测量精度的滑坡体变形测量要求。本发明中测量单元采用结构串联、电气并联的方式组装成传感器总成，每个测量单元独立编码，使得在手持终端能够识别每一组数据所对应的测点，并具有一定的容错能力，在某些测量单元出现故障后不影响其他测量单元的正常工作。

图3至图6所示变形耦合PCB电路板12，图3所示变形耦合PCB电路板12包含焊接盘7和PCB电路布线18，变形耦合PCB电路板12既是电路的一部分，又是一个变形缓冲与耦合的机构。变形耦合PCB电路板12上的PCB电路板布线18作为与测量单元间的连接线路，通过电路板两端的焊接盘7与测量单元焊接相连，测量单元间焊接不同块数的变形耦合PCB电路板12可以满足不同测试点间隔的测量要求；图4所示为变形耦合PCB电路板12上的压制波纹，压制的波纹能够缓冲和耦合图5所示的正向变形和图6所示的侧向变形，通过图3至图6所示变形耦合PCB电路板耦合滑坡岩土的变形。

支撑防护结构如图1所示，支撑防护结构包括基准板1、正面防护密封层9和反面防护密封层10。基准板1用于安装固定每个测量单元，当传感器总成投入使用时，基准板1允许被拉断或抽出，以消除基准板对变形耦合的影响；本发明中基准板1采用铝质材料。本发明中正反面防护密封层9和10为涂在PCB电路板上的耐酸碱腐蚀且防水的涂层。

采用本实施例1提供一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成进行滑坡体水平变形垂向分布监测测量，其工作步骤为：

步骤⑴、传感器总成装配：如图7所示。所需测量滑坡体13的底部有滑坡基岩17，传感器总成布置在滑坡基岩17上部，根据所需测量滑坡体13的实际深度尺寸，在装配传感器总成时需要把测量单元布置在各个变形测量点16上；由所需测量的变形测量点计算所需的测量单元个数，把集成有测量元件的测量单元PCB电路板11布置在基准板1上，并对测量单元进行编码；根据变形测量点的间隔，在各个测量单元PCB电路板11之间焊接上相应长度的变形耦合PCB电路板12，形成变形耦合段15，并在PCB板的正面、反面涂上密封防护层9和10。

步骤⑵、传感器总成现场布置：现场布置采用在原有测斜孔里安装传感器总成，直接把传感器总成沿着原有测斜管的卡槽塞入即可。

步骤⑶、水平位移垂向分布测量：把传感器总成引出的防水信号线2插入手持终端14的传感器接口上，手持终端14自动完成数据采集操作。数据采集完毕后拔下引出防水信号线2并对线头进行雨水防护。

步骤⑷、测量数据导出：当同一区域有多个测量位置时，对每个位置依次进行前3步骤的操作，等所有测量位置的数据采集完成后，一起通过USB数据线连接手持终端14，向PC机导出所测量的数据。

实施例2：本发明采用实施例1提供的一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成进行滑坡体水平变形垂向分布监测测量，其结构与工作步骤与实施例1基本相同，不同的只是步骤⑵中现场布置采用在新的测量位置布置传感器总成，先在新的测量位置打好测量孔，把传感器总成按设计方位插入。其余同实施例1。

实施例3：本发明采用实施例1提供的一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成进行滑坡体水平变形垂向分布监测测量，其结构与工作步骤与实施例1基本相同，不同的只是步骤⑵中现场布置采用测量回填土的变形，先把传感器总成固定，然后回填土掩埋；当所需测量的深度较深时，传感器总成可装配成若干小段，以方便运输，现场布置时再连接成整体。其余同实施例1。

Claims (7)

1.一种滑坡水平位移垂向分布传感器总成，包括手持终端、引出的防水信号线、测量单元、变形耦合PCB电路板及支撑防护结构，其特征在于：所述的手持终端为一个MCU系统，配备有操作按键、显示器、通信接口、传感器接口、充电电池；通过传感器接口同时引出电源线和CAN总线，由充电电池通过电源线给传感器总成供电，通过CAN协议与各个测量单元交换数据；手持终端的显示器用于显示传感器总成监测的信息，及通过操作按键和通信接口对PC机上传数据；

所述引出的防水信号线设在传感器总成的端部，防水信号线包括电源正极和负极引出线，CAN总线正引出线和CAN总线负引出线，所述的电源正极和负极引出线用于与手持终端的充电电池连接时为传感器总成电路供电，所述的CAN总线正引出线和CAN总线负引出线用于各个测量单元通过CAN协议与手持终端交换数据；

所述的测量单元为单个测点上实现姿态测量的完整功能电路，设有测量单元PCB电路板和测量元件，测量元件集成在测量单元PCB电路板上，所述的测量元件为基于加速度感应的重力加速度感应芯片，测量元件包括重力加速度感应芯片、MCU、AD转换器、CAN总线管理芯片；通过重力加速度感应芯片感应重力加速度在感应轴上的分量来换算出所需测量的姿态角；测量元件以自身的MCU与手持终端的MCU系统构建一个从机，通过自身的MCU控制AD转换、采样及CAN协议通信传输测量数据；

所述的变形耦合PCB电路板上有贯穿板的布线，板两端布置焊接盘，布线与两端焊接盘连通，沿电路板中间轴线上压制出细密的波纹；所述的贯穿板的布线是后续测量单元的供电线路和CAN通信线路；变形耦合PCB电路板两端的焊接盘用于与测量单元相焊接，中间压制的变形耦合波纹用于对岩土体变形的缓冲与耦合，即存在大变形时，线路不致于被拉断，同时也保证测量单元能真实地反映局部的变形情况；

所述的支撑防护结构包括基准板和正反面防护密封层，基准板用于传感器总成在安装时各个变形测量点上的定位和定向，当传感器总成用于测量后，基准板允许被抽出或拉断；防护密封层为涂在PCB电路板上的一层耐酸碱腐蚀且具有防水性质的保护层。

2.根据权利要求1所述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成，其特征在于：所述的测量单元PCB电路板、变形耦合PCB电路板均为0.1—0.5mm厚的PCB板，用于承受岩土体变形中引起的弯折或扭曲。

3.根据权利要求1所述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成，其特征在于：所述的测量单元通过重力分量感应获取到各个变形测量点的姿态角后，以最下端变形测量点为原点，以各变形测量点间距为步长对角度数据积分得到整个测量轴线上的位移分布数据。

4.根据权利要求1所述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成，其特征在于：所述的测量单元在总成组装时采用结构串联、电气并联的方式，每个测量单元独立编码。

5.根据权利要求1所述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成，其特征在于：通过使用一块或连续焊接多块变形耦合PCB板实现调整变形测量点的间距。

6.根据权利要求1所述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成，其特征在于：所述的基准板为铝质材料。

7.一种使用权利要求1所述的滑坡水平位移垂向分布传感器总成的方法，其特征在于，按如下步骤操作：

步骤⑴、传感器总成装配：根据所需测量滑坡体的实际深度尺寸，在装配传感器总成时需要把测量单元布置在各个变形测量点上；由所需测量的变形测量点计算所需的测量单元个数，把集成有测量元件的测量单元PCB电路板布置在基准板上，并对测量单元进行编码；根据变形测量点的间隔，在各个测量单元PCB电路板之间焊接上相应长度的变形耦合PCB电路板，形成变形耦合段，并在PCB板的正面、反面涂上密封防护层；

步骤⑵、传感器总成现场布置：现场布置采用三种方式，或是安装在原有测斜孔里，则直接把传感器总成塞入原有测斜管的卡槽中；或是在新的测量位置布置，则先在测量位置打好测量孔，把传感器总成按设计方位插入；或是测量回填土的变形，则把传感器总成固定，然后回填土掩埋；若所需测量点的深度较深时，传感器总成很长，则将传感器总成装配成若干段方便运输，现场布置时再连接成整体；

步骤⑶、水平位移垂向分布测量：把传感器总成引出的防水信号线插入手持终端的传感器接口上，手持终端自动完成数据采集操作；数据采集完毕后拔下引出的防水信号线并对线头进行雨水防护；

步骤⑷、测量数据导出：当同一区域有多个测量位置时，对每个测量位置依次进行步骤⑴～⑶的操作，当所有测量位置的数据采集完成后，一起通过USB数据线连接手持终端，向PC机导出所测量的数据。