CN104613934A - 一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统，它是由地面监测网络、数据远程实时传输系统和远端监测系统三部分构成，地面监测网络的沉降信息传递给光纤解调仪，该光纤解调仪对沉降信息进行解调，解调完毕将解调信息传递给数据远程实时传输系统的数据采集无线传输器，利用GPRS进行无线传输，最终由远端监测系统的数据接收机接到信息，并传递给计算机进行数据处理并实时显示。本发明能够实现大面积表层沉降自动化实时远程监测，可推广应用于机场、大型建筑群、高速铁路、隧道等需要大面积表层沉降监测的区域。

Description

一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统，尤其是涉及能远程实时自动化监测大面积地表沉降的系统，属于地表沉降监测技术领域。

背景技术

现有的表面沉降监测方法中常规的监测方法有沉降板法，沉降水杯法，铁环分层沉降仪法，剖面沉降仪法等，在施工中沉降板法应用广泛，成本低，但是需要人工监测，影响施工；沉降水杯法成本低，不影响施工，但是操作复杂；铁环分层沉降仪法成本低，而且能一次测同一断面不同层点的沉降，但是干扰施工，容易遭到破坏；剖面沉降仪法不影响地表以上施工，精度好，可连续测得地表沉降量，并且测量原理简单，但是成本高，操作复杂，仪器笨重，测试人员多。常规的监测方法多需要人工检测，只能监测小面积局部区域某几个点的沉降。新型的位移监测方法有GPS位移监测方法和InSAR监测方法。GPS位移监测能实现自动化远程实时监测，但是价格昂贵，只能对局部重要的点进行监测，无法实现大面积监测。InSAR监测方法虽然能实现大面积远程监测，但是目前无法实现实时自动化监测。

发明内容

本发明专利要解决的技术问题：

为了克服现有的地表沉降监测的不足,本发明提供一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统，它是一种大面积、自动化实时和远程监测的监测系统。该监测系统原理简单，不仅可以监测高填方土路基，机场跑道，还可以监测居民住宅楼、工厂厂房、办公大楼等基础设施的大面积地表形变，采用光纤进行信号的传输提高了了监测数据的精确度，这种系统为监测场地的安全性和地表沉降的科学研究提供了可靠数据。

本发明专利解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

本发明一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统，它是由地面监测网络、数据远程实时传输系统和远端监测系统三部分构成。三者之间的关系是：地面监测网络的沉降信息传递给光纤解调仪，该光纤解调仪对沉降信息进行解调，解调完毕将解调信息传递给数据远程实时传输系统的数据采集无线传输器，利用GPRS进行无线传输，最终由远端监测系统的数据接收机接到信息，并传递给计算机进行数据处理并实时显示。

所述的地面监测网络由基准水箱、监测水箱、连通水管、保护管、升降仪、GPS接收机、内含光纤传感器的橡皮塞、光纤解调仪、光纤及光纤保护管组成。其之间的关系是：基准水箱由升降仪的支架固定，并由升降仪控制升降，并且用连通水管与其他监测水箱相连。基准水箱端部成倒锥形开口，并由支架固定，支架一端与垂直方向步进马达控制的丝杆同步移动，该升降仪内含步进电机、驱动器和步进电机控制器，步进电机控制器接收到位移信号并向驱动器传达指令，驱动器控制步进马达，步进马达转动带动丝杆，丝杆与支架同步移动，从而调整基准水箱液面的高度。光纤解调仪放置在升降仪左侧，基准水箱与监测水箱由可伸缩的水管连接，内含有光纤传感器的橡皮塞堵住监测水箱端部，从监测点到基准站光纤处理器的光纤放置在光纤保护管中，保护管不仅保护连通水管而且连通基准点和监测点之间大气。基准水箱与其他监测水箱之间用连通水管串联连接，布拉格光纤将监测站的光纤液压传感器串联，最后在基准站的光纤解调仪上进行解调，从而形成一个地面监测网络。

所述的数据远程实时传输系统主要有光纤解调仪、数据采集无线传输器。光纤解调仪上有以太网口，可与数据采集无线传输器的数据采集端连接，并由数据采集端对接收到的数据进行GPRS无线传输。

本发明的远端监控系统主要由数据接收机、数据处理系统和计算机终端显示组成。数据接收机接收远程传输过来的原始信息，数据处理系统进行相应的数据处理，再由计算机终端显示最终处理的实时沉降变形结果。

本发明的原理及工况简介如下：

1)沉降测量原理。

在监测前，基准水箱端部高度要高于监测水箱端部液面某值，基准站与监测站通过连接水管连接，通气管将基准站与监测站之间的大气连通。基准站和监测站在相同的大气压下，从基准水箱端部注水，使监测水箱端部液体溢出，排出水管中的气体，然后塞紧监测水箱端部，从监测水箱端部的光纤液压传感器中测出此时第i个监测水箱监测的液压，记为p_0i。监测水箱所在监测区域发生垂直方向沉降时，监测水箱随监测地面一同发生沉降，此时监测水箱端部液面高度与初始位置产生高度差，此时第i个监测水箱端部的光纤传感器中测得水压，记为p_1i。由连通器的原理，此时第i个监测水箱端部水压与沉降的高度差(即监测区域的沉降变形)有如下函数关系：

Δp_i＝p_1i-p_0i＝ρ_液gΔh_i(i＝1,2…n)

Δp_i表示第i个监测水箱端部液体表面压力差(单位：Pa)；ρ_液表示监测水箱端部液体的密度(单位：kg/m³)；g表示当地重力加速度(单位：N/kg)Δh_i表示第i个监测点随地表沉降的位移(单位：m)。

从而得到地表第i个监测点的沉降位移:

光纤液压传感器可以将液压转换为光纤信号，光纤信号与液压之间存在某一函数关系。由函数关系可以得到液压，再由液压差可以反推出沉降变形。这一过程中有温度补偿措施，以消除温度对测量结果的影响。

光纤信号通过光纤将信息传递给位于基准站的光纤解调仪，解调仪含有以太网接口，可与数据采集无线传输系统连接，光纤液压传感器就可以将信息远程无线传递给千里之外的监测室，在监测室内含有数据处理器，并且将处理后的数据按照监测需要实时显示在计算机上。

2)基准水箱的自动化控制。

基准水箱端部采用锥形管口，固定在升降仪的支架中，支架与升降仪中的步进电机导轨上的导柱用支架刚性连接，支架随导柱同步运动。在基准站上方设有GPS监测点，GPS信号接收器收到基准点沉降位移的信号后，通过数据线将信号传递给GPS信号处理系统，由GPS信号处理系统将沉降信息处理成升降仪可接收的沉降信息，并传递给升降仪中步进电机控制器。步进电机控制器进行反向的调整，升降仪控制器收到基准点的绝对沉降信号并且发出均匀电脉冲信号，电脉冲信号进入步进电机驱动器后，将电脉冲转化为角位移，即步进电机接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，从而通过控制脉冲的个数来控制角位移量。步进电机导轨上的导柱与基准水箱依靠支架刚性连接，步进电机的转动带动基准水箱在垂直方向上下移动，从而使GPS测得基准点垂直位移改变多少，升降仪自动补偿该改变量，例如GPS测得基准点下沉5cm，升降仪控制基准水箱端部抬高5cm，反之亦然。从而保证基准水箱端部液面高度始终保持不变。

3)大面积监测网络。

布拉格光纤可以使用波分复用技术在一根光纤中串联多个传感器，即使用一根光纤可同时监测多个传感器，同时，各个监测站中的监测水箱也可以串联连接。由一个基准站控制，光纤串联多个传感器，监测水箱互相串联，就可以形成一个完整的大面积监测网络，由数据远程实时传输系统可以将沉降信息传输至远端的监控室，从而可以实现大面积表层沉降自动化远程实时监测。

其中，本发明的关键技术特征在于：

1)监测水箱橡皮塞内安装光纤传感器，巧妙地将监测水管管头的液面压力这一物理量转化为光纤信号，再由光纤信号与液压之间的函数关系，得到液压，最终由液压差得到监测点的沉降变形。

2)利用布拉格光纤波分复用技术以及连通水管的串联连接实现大面积监测网络。

3)基准水箱液面高度的自动化控制。利用GPS监测系统对基准站的沉降变形进行监测并且将沉降信息反馈到升降仪，用升降仪调节基准水箱的液面高度，保证基准水箱的液面高度绝对不变，这样的设计不仅使得监测点直接得到沉降变形，提高数据精度和处理效率，而且保证监测点处的液压在整个监测过程中均为正压。

4)利用光纤解调仪、数据采集无线传输终端、数据接收器、数据处理系统和计算机终端实现沉降信息的远程实时传输与显示。

本发明的有益效果：

能够实现大面积表层沉降自动化实时远程监测，可推广应用于机场、大型建筑群、高速铁路、隧道等需要大面积表层沉降监测的区域。

附图说明

图1大面积自动化实时远程监测系统示意图

图2监测原理示意图

图3本发明结构示意图

图4数据远程实时传输示意图。

图1中1.基准站，7.监测站

图2中4.基准水箱，9.监测水箱，8.橡皮塞(内含光纤液压传感器)，10.光纤，H_i为监测水箱与基准水箱之间液面高度，i＝1,2,3,…,n

图3中1.基准站，2.升降仪，3.GPS接收机，4.基准水箱，5.连通水管，6.通气管，7.监测站，8.橡皮塞(内含光纤液压传感器)，9.监测水箱，10.光纤。

具体实施方式

见图1-4，本发明一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统，它是由地面监测网络、数据远程实时传输系统和远端监测系统三部分构成。三者之间的关系是：地面监测网络的沉降信息传递给光纤解调仪，该光纤解调仪对沉降信息进行解调，解调完毕将解调信息传递给数据远程实时传输系统的数据采集无线传输器，利用GPRS进行无线传输，最终由远端监测系统的数据接收机接到信息，并传递给计算机进行数据处理并实时显示。

本发明的监测网络如图1所示，1是基准站，7是监测站，基准站1与监测站7之间有连通水管5、通气管6连接，监测站7随相应地面同步沉降，光纤10将各个监测站7的光纤液压传感器8测得的信号传送到基准站1的光纤解调仪。光纤解调仪将解调信息传递给数据采集无线传输器，通过GPRS远程传输，由远端的数据接收机接受信息传递给计算机进行信息处理并实时显示。基准站1的垂直位移调整，首先由GPS接收机3接受GPS卫星信号，然后由GPS接收机3将沉降信号传递给升降仪2，最后由升降仪1对基准水箱4的液面高度进行调整，使得液面高度保持不变。图2是本发明专利监测原理图。H_i为监测水箱与基准水箱之间液面高度，i＝1,2,3,…,n。

本发明的结构(以1个基准站和1个监测站为例)如图3所示，主要包括基准站1和监测站7，其中基准站1中包括升降仪2(内含步进电机控制器，驱动器和步进电机)、基准水箱4、连通水管5，基准站1上面安装GPS接收机3，GPS接收机3与升降仪2之间由数据线连接，监测站7包括内含光纤传感器的橡皮塞8、监测水箱9和光纤10，光纤外有保护管。

在图3中，GPS接收机3接收基准站1垂直沉降变形的GPS信号，并且通过数据线将信息传递给升降仪2，升降仪2将位移信号传递给升降仪2的垂直方向步进马达，马达的转动可对基准水箱4管头在垂直方向进行调整，使得基准水箱4的水位高度保持不变，监测站7中的监测水箱9和基准水箱4之间用连通水管5连接，通气管6不仅使站与站之间大气相通，而且可以保护连通管，监测水箱9端部的橡皮塞8内含光纤传感器，并且利用光纤10将信号回传给基准站1内的光纤解调仪，从监测站7到基准站1的光纤外套有光纤保护管，光纤信号解调仪可将解调信号传输给数据采集无线传输器进行远程传输。远端监测室接受信息，使用数据处理器进行数据处理，并且将处理后的结果按照监测要求实时显示在计算机上。

Claims (1)

1.一种基于连通器原理的远程实时地表沉降监测系统，其特征在于：它是由地面监测网络、数据远程实时传输系统和远端监测系统三部分构成，地面监测网络的沉降信息传递给光纤解调仪，该光纤解调仪对沉降信息进行解调，解调完毕将解调信息传递给数据远程实时传输系统的数据采集无线传输器，利用GPRS进行无线传输，最终由远端监测系统的数据接收机接到信息，并传递给计算机进行数据处理并实时显示；

所述的地面监测网络由基准水箱、监测水箱、连通水管、保护管、升降仪、GPS接收机、内含光纤传感器的橡皮塞、光纤解调仪、光纤及光纤保护管组成；基准水箱由升降仪的支架固定，并由升降仪控制升降，并且用连通水管与其他监测水箱相连，基准水箱端部成倒锥形开口，并由支架固定，支架一端与垂直方向步进马达控制的丝杆同步移动；该升降仪内含步进电机、驱动器和步进电机控制器，步进电机控制器接收到位移信号并向驱动器传达指令，驱动器控制步进马达，步进马达转动带动丝杆，丝杆与支架同步移动，从而调整基准水箱液面的高度；光纤解调仪放置在升降仪左侧，基准水箱与监测水箱由能伸缩的水管连接，内含有光纤传感器的橡皮塞堵住监测水箱端部，从监测点到基准站光纤处理器的光纤放置在光纤保护管中，保护管不仅保护连通水管而且连通基准点和监测点之间大气；基准水箱与其他监测水箱之间用连通水管串联连接，布拉格光纤将监测站的光纤液压传感器串联，最后在基准站的光纤解调仪上进行解调，从而形成一个地面监测网络；

所述的数据远程实时传输系统有光纤解调仪、数据采集无线传输器；光纤解调仪上有以太网口，与数据采集无线传输器的数据采集端连接，并由数据采集端对接收到的数据进行GPRS无线传输；

所述的远端监控系统由数据接收机、数据处理系统和计算机终端显示组成；数据接收机接收远程传输过来的原始信息，数据处理系统进行相应的数据处理，再由计算机终端显示最终处理的实时沉降变形结果。