CN104807430A - 一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，包括编码传感单元、钢丝绳绷紧恒力装置、盘丝轮装置、其中，编码传感单元与钢丝绳绷紧恒力装置固定连接，钢丝绳绷紧恒力装置与盘丝轮装置固定连接，盘丝轮装置上设置的钢丝绳外端与被测岩土体固定连接，钢丝绳绷紧恒力装置使钢丝绳处于绷紧状态，随着被测岩土体的拉伸、收缩，钢丝绳随之拉伸收缩，其拉伸收缩量依次通过盘丝轮装置、钢丝绳绷紧恒力装置传输至编码传感单元，通过编码传感单元的转动量测量出岩土体的位移变形量。本发明能够快速安装，快速测量，满足快速变形测量，大量程变形测量，测量精度高且结构工艺简单。

Description

一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计

技术领域

本发明涉及一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计。

背景技术

目前，滑坡表面位移变形的监测方法有许多种，主要有GPS全球定位监测系统、全站仪监测系统、还有就是测量机器人监测系统。这些测量系统虽然能够高效准确的把握被测体的变形状况，但是，其测量方法都有难以克服的缺点，那就是在雾天或雨天等恶劣天气条件下，无法实施准确的精度测量，甚至不能进行正常的测量。而近些年来逐渐兴起的雷达微波干涉测量技术，虽然能够在恶劣的自然环境下对整个边坡的面域实现位移变形测量，但是其高昂的设备价格，对于边坡数量众多，边坡特性复杂的我国边坡地质灾害来说，又显得遥不可及，并且雷达微波干涉测量技术在测量一些高植被覆盖率边坡的时候，不能正常的完成测量任务。

对于一些常规的测量手段，如直线位移计，该测量方法虽然在价格适合推广，且在恶劣天气条件下能够完成测量，但是其测量量程及布设范围又不能满足一些特殊边坡的需求。而国内其他单位研发的拉线式位移计，其测量方法价格适合推广，也适合在恶劣环境下使用，但是该设备笨拙的结构以及笨拙的安装工艺，使得其测量准确性和及时性存在问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，该地表变形伸缩计能够在各种恶劣工况及外部自然环境因素下使用，在达到大量程高精度的前提下，实现成本的低廉，安装的快速便捷。

为实现上述目的，本发明一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，包括编码传感单元、钢丝绳绷紧恒力装置、盘丝轮装置、其中，编码传感单元与钢丝绳绷紧恒力装置固定连接，钢丝绳绷紧恒力装置与盘丝轮装置固定连接，盘丝轮装置上设置的钢丝绳外端与被测岩土体固定连接，钢丝绳绷紧恒力装置使钢丝绳处于绷紧状态，随着被测岩土体的拉伸、收缩，钢丝绳随之拉伸收缩，其拉伸收缩量依次通过盘丝轮装置、钢丝绳绷紧恒力装置传输至编码传感单元，通过编码传感单元的转动量测量出岩土体的位移变形量。

进一步，所述钢丝绳绷紧恒力装置包括恒力弹簧、弹簧座、弹簧座外盖和轴承，恒力弹簧固定在弹簧座内并通过弹簧座外盖封装，恒力弹簧通过轴承连接有传动轴。

进一步，所述编码传感单元包括编码器、编码器固定支架、以及柔性联轴器或比例齿轮组，编码器固定安装在编码器固定支架上，编码器通过柔性连轴器与所述传动轴进行连接；或者将比例齿轮组中的大齿轮与编码器上的主轴固定，小齿轮安装在编码器固定支架上并与所述传动轴连接。

进一步，所述盘丝轮装置包括盘丝轮及钢丝绳，所述传动轴与盘丝轮的中孔对接固定，钢丝绳平整的按照线序盘绕在盘丝轮上，并将钢丝绳内端头固定。

进一步，所述钢丝绳绷紧恒力装置、编码传感单元、盘丝轮装置组装后整体固定于设备外壳底板上，并且加装设备外壳，整体固定后形成地表位移测量装置；所述钢丝绳的外端通过设备外壳上的线序孔导出。

进一步，所述地表位移测量装置固定安装在固定杆的顶部，固定杆固定于岩土体不动的物体上或基岩体上，所述钢丝绳的外端导出后牵引至测量杆上固定，测量杆固定于被测岩土体上。

进一步，所述固定杆上设置有太阳能供电系统、数据采集发射装置和避雷针，太阳能供电系统配置有蓄电池，数据采集发射装置采用无线功能传输数据。

进一步，所述编码器为14位高精度角位移编码器。

进一步，所述比例齿轮组中大齿轮与小齿轮直径比为4:1。

进一步，所述钢丝绳为铟钢丝，所述弹簧座为铝合金构件。

本发明能够快速安装，快速测量，满足快速变形测量，大量程变形测量，测量精度高且结构工艺简单。

附图说明

图1为钢丝绳绷紧恒力装置、编码传感单元、盘丝轮装置整体结构示意图；

图2为钢丝绳绷紧恒力装置、编码传感单元、盘丝轮装置组装结构示意图；

图3为地表位移测量装置组装结构示意图；

图4为地表位移测量装置总装结构俯视示意图；

图5为利用本发明地表变形伸缩计进行测量的结构示意图；

其中附图标记为：编码器1、编码器固定支架2、柔性联轴器3、恒力弹簧4、弹簧座5、弹簧座外盖6、轴承7、传动轴8、盘丝轮9、铟钢丝10、设备外壳底板11、设备外壳12、太阳能供电系统13、固定杆14、测量杆15、数据采集发射装置16、避雷针17、线序孔18、蓄电池19、密封圈20。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1至图5所示，本发明一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，基本原理是将铟钢丝绳的一端固定在被测岩土体上，另一端固定在不动的物体上或基岩体上，根据测量钢丝绳的拉伸收缩情况，来判断被监测体的地表位移变形。

本发明一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，结构组成为：

1) 将恒力弹簧4、弹簧座5、弹簧座外盖6、轴承7、组装成为测量装置的钢丝绳绷紧恒力装置;

2) 将编码器1、编码器固定支架2、柔性联轴器3或比例齿轮组组装成为编码传感单元；

3) 将钢丝绳绷紧恒力装置与编码传感单元进行连接；

4) 将盘丝轮9与钢丝绳绷紧恒力装置进行连接，并且将铟钢丝10在盘丝轮9上按照一定的线序进行整齐排列缠绕；

5) 完成连接后将设备固定于设备外壳底板11上，并且加装设备外壳12，且将铟钢丝10外端穿过设备外壳12上的线序孔18，固定于设备外壳12之上；

6) 完成了整个地表位移测量装置的组装之后，将测量地表位移测量装置安装于固定杆14顶部，并且将固定杆14埋设于不动的物体上或基岩体上；

7) 固定杆14上设置有太阳能供电系统13，以及数据采集发射装置16；

8) 再将测量杆15埋设于被测岩土体上，并且将固定在测量装置外壳上的铟钢丝10外端部引至测量杆15的顶部并且固定，钢丝绳绷紧恒力装置会将铟钢丝10处于紧绷状态；

9) 随着被测岩土体的拉伸以及收缩，铟钢丝10也随之拉伸收缩，铟钢丝10带动盘丝轮9旋转、盘丝轮9通过传动轴8带动柔性联轴器3或比例齿轮组转动，柔性联轴器3或比例齿轮组带动编码器1主轴转动，从而通过编码器1的转动量测量出岩土体的位移变形量；

10)      将编码器1的数据线与数据采集发射装置16连接，将现场测量到的数据量远程发送至服务器终端。

本发明一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，具体结构关系为：

将恒力弹簧4固定在弹簧座5内部，弹簧座5选择强度高质量轻的铝合金构件，将恒力弹簧4固定在弹簧座5内部后，再将传动轴8通过轴承7与恒力弹簧4进行连接，连接好后将弹簧座5的弹簧座外盖6通过螺钉封盖。此时转动传动轴8，其上有固定5KG的扭力，整个组装好的结构装置称为钢丝绳绷紧恒力装置，其主要的构件包含：弹簧座5，弹簧座外盖6，恒力弹簧4，传动轴8及轴承7。

钢丝绳绷紧恒力装置作为本发明中的钢丝绳绷紧结构对于测量的有效性起着至关重要的作用，在地表变形测量过程中，随着测量时间的不断增加，测量装置的结构稳定性要求很高。

将组装好的钢丝绳绷紧恒力装置首先与编码传感单元进行连接。编码传感单元包含编码器1、编码器固定支架2、柔性联轴器3或者比例齿轮组（比例齿轮组根据被测量体的测量精度来确定是否使用）。编码器1采用14位高精度角位移编码器，编码器1固定安装在编码器固定支架2上，如果需要比例齿轮组，则将比例齿轮组直径比为1:4的大齿轮与编码器1上的主轴固定，小齿轮则安装在编码器固定支架2上，这时候整个编码传感单元就组装完成了。

将组装完成后的编码传感单元，通过柔性连轴器3将编码器主轴与传动轴8进行连接，并且将柔性联轴器3进行紧固。编码传感单元作为该整套装置的数据测量输出单元。而其中比例齿轮组的作用为通过不同比例的齿轮比将数据变化信息进行有效的放大，对于测量精度要求相对较高的岩土体有着特殊的意义。

连接完成以上单元后，将盘丝轮装置与钢丝绳绷紧恒力装置连接，盘丝轮装置包含盘丝轮9及钢丝绳，本实施例中钢丝绳为铟钢丝10，将钢丝绳绷紧恒力装置的传动轴8与盘丝轮9的中孔对接，通过顶丝将盘丝轮9与传动轴8紧固。再将铟钢丝10平整的按照线序盘绕在盘丝轮9上，并将铟钢丝10的内端头固定，以防松紧后线序错乱。

完成以上结构单元后，将组装好的以上测量单元固定于设备外壳圆形底板上，并且将设备外壳12扣紧，设备外壳12组装时还设置有密封圈20，扣紧的同时通过设备外12壳上的线序孔18引出铟钢丝10的端部，且将铟钢丝10端部固定在设备外壳12上，防止铟钢丝10松紧线序错乱，此装置为地表位移测量装置。

实际测量过程中，将地表位移测量装置安装固定于固定杆14的顶部，固定杆14固定于岩土体不动的物体上或基岩体上，固定杆14上安装有太阳能供电系统13、避雷针17，同时装有数据采集发射装置16，编码传感单元的数据线引出至数据采集发射装置16内并与其连接来传输数据。再将测量杆15固定于被测岩土体上，同时将铟钢丝10的外端引至测量杆15上，此时恒力弹簧4会将铟钢丝10绷紧。数据采集发射装置16采用无线形式来传输数据。太阳能供电系统13配置有蓄电池19，其产生的电能储备在蓄电池9中。

当岩土体发生拉伸或者收缩变形的时候，铟钢丝10会带动盘丝轮9旋转，盘丝轮9带动传动轴8旋转，传动轴8带动柔性联轴器3或比例齿轮组旋转，柔性联轴器3或比例齿轮组带动14位高精度角位移编码器旋转，最终将铟钢丝10的拉伸收缩变形转化为14位高精度角位移编码器的旋转角度，由于14位高精度角位移编码器可多圈旋转，每圈将360度转化为2的14次方，即测量的精度在360/16386=0.02°，如果采用比例齿轮组，经过1:4的齿轮比的转化又将精度提高4倍，即0.02°/4=0.005°，大的盘丝轮9的结构设计有使更多的铟钢丝10能够尽可能多的盘绕在盘丝轮9上，使得测量的量程又能够达到米量级。

本发明的优点是：通过合理的恒力弹簧机构绷紧铟钢丝，使铟钢丝无论在热胀冷缩的情况下始终保持恒力状态，防止了由于热胀冷缩风吹雨打等外部环境因素带来的误差；通过高精度齿轮比结构再结合高精度编码器装置，增加岩土体的测量精度；使用同轴大盘线轴结构，增加了测量量程，解决了传统传感测量装置中的量程与精度不可以并存的现状。

Claims (10)

1.一种恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，包括编码传感单元、钢丝绳绷紧恒力装置、盘丝轮装置、其中，编码传感单元与钢丝绳绷紧恒力装置固定连接，钢丝绳绷紧恒力装置与盘丝轮装置固定连接，盘丝轮装置上设置的钢丝绳外端与被测岩土体固定连接，钢丝绳绷紧恒力装置使钢丝绳处于绷紧状态，随着被测岩土体的拉伸、收缩，钢丝绳随之拉伸收缩，其拉伸收缩量依次通过盘丝轮装置、钢丝绳绷紧恒力装置传输至编码传感单元，通过编码传感单元的转动量测量出岩土体的位移变形量。

2.如权利要求1所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述钢丝绳绷紧恒力装置包括恒力弹簧、弹簧座、弹簧座外盖和轴承，恒力弹簧固定在弹簧座内并通过弹簧座外盖封装，恒力弹簧通过轴承连接有传动轴。

3.如权利要求2所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述编码传感单元包括编码器、编码器固定支架、以及柔性联轴器或比例齿轮组，编码器固定安装在编码器固定支架上，编码器通过柔性连轴器与所述传动轴进行连接；或者将比例齿轮组中的大齿轮与编码器上的主轴固定，小齿轮安装在编码器固定支架上并与所述传动轴连接。

4.如权利要求2所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述盘丝轮装置包括盘丝轮及钢丝绳，所述传动轴与盘丝轮的中孔对接固定，钢丝绳平整的按照线序盘绕在盘丝轮上，并将钢丝绳内端头固定。

5.如权利要求1所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述钢丝绳绷紧恒力装置、编码传感单元、盘丝轮装置组装后整体固定于设备外壳底板上，并且加装设备外壳，整体固定后形成地表位移测量装置。

6.如权利要求5所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述地表位移测量装置固定安装在固定杆的顶部，固定杆固定于岩土体不动的物体上或基岩体上，所述钢丝绳的外端通过设备外壳上的线序孔导出后牵引至测量杆上固定，测量杆固定于被测岩土体上。

7.如权利要求6所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述固定杆上设置有太阳能供电系统、数据采集发射装置和避雷针，太阳能供电系统配置有蓄电池，数据采集发射装置采用无线功能传输数据。

8.如权利要求1所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述编码器为14位高精度角位移编码器。

9.如权利要求3所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述比例齿轮组中大齿轮与小齿轮直径比为4:1。

10.如权利要求2所述的恒力弹簧式大量程地表变形伸缩计，其特征在于，所述钢丝绳为铟钢丝，所述弹簧座为铝合金构件。