CN105004291B - 超声波式多点位巷道表面位移监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波式多点位巷道表面位移监测装置，包括装设在巷道左帮的一个分体式接收换能器R和一个发射换能器T、装设在巷道中顶位置的两个分体式发射换能器T和一个收发一体换能器RT、装设在巷道右帮的两个分体式接收换能器R，形成上三角左帮测线、中线顶底测线、上三角右帮测线和上三角水平测线；各分体收发换能器或一体换能器以四芯电缆沿巷帮敷设至监测主机，监测主机通过RS485或无线Zigbee与远程上位计算机接通；监测主机内置有与超声波发射/接收换能器连接的RT配对锁存模块、超声波测距模块、显示报警模块、数据存储与无线采集模块、远程数据传动模块和供电模块。本发明利用超声波测距原理，监测稳定。
Description
技术领域
本发明涉及井巷、隧道或硐室等岩体工程的支护效果及安全防塌监测领域，具体是一种超声波式多点位巷道表面位移监测装置，可用于井筒、矿山巷道、隧道等工程开挖空间的表面位移观测与监测。
背景技术
矿山巷道、土工隧道及硐室等工程施工中，开挖空间表面的平上、平下、中左、中右四个表面位移观测是评定支护效果优劣、预警岩体坍塌的重要指标，是规程、规范限定的必检项目。目前，该参数的常规测试方法主要为人工十字挂线法和收敛计法，二者均为接触式量测，应用中耗时费力，通车及通风干扰频繁，结果误差大，采集周期长，不能实现实时监测，严重制约着安全管理与施工技术水平的提高。亦有极少数尝试摄影测量、激光测距等技术开展巷道表面位移监测案例，但测站装设费用极高，数据分析难度大，不适用大量测站的多点位量测。综上可见，矿山井巷、隧道的施工与维护中，急需一种成本低廉、可多点位自动监测位移的装置，对巷道表面收敛变形进行实时监测，以实现可靠支护和安全施工。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，利用超声波测距原理，提出了一种成本低廉、监测稳定的超声波式多点位巷道表面位移监测装置。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种超声波式多点位巷道表面位移监测装置，包括超声波发射/接收换能器、监测主机、上位计算机；
超声波发射/接收换能器包括：装设在巷道左帮的一个分体式接收换能器R和一个发射换能器T，装设在巷道中顶位置的两个分体式发射换能器T和一个收发一体换能器RT，装设在巷道右帮的两个分体式接收换能器R，形成上三角左帮测线、中线顶底测线、上三角右帮测线和上三角水平测线；
各分体收发换能器或一体换能器以四芯电缆沿巷帮敷设至监测主机，监测主机通过RS485或无线Zigbee与远程上位计算机接通；监测主机内置系统模块，包括：与超声波发射/接收换能器连接的RT配对锁存模块，超声波测距模块，显示报警模块，数据存储与无线采集模块，远程数据传动模块和供电模块。
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，具有以下优点：
超声波发射/接收换能器与监测主机分体式安装，利于灵活设置测点；变革了监测断面的十字测线方法，左帮一发一收两个分体式换能器，中顶两个发射分体换能器、一个收发一体换能器，右帮两个接收换能器，可测量上三角边长位移变化及中线位置顶底位移变化，由几何学原理可解算出平上、平下、中左、中右四个基础位移分析参数；监测主机具有实时监测与显示、定期采集与存储等功能，可选择RS485或无线Zigbee来上传数据，采样频率可成倍增加，大幅降低了采集成本和人员变动造成的测量误差，应用范围广泛，为支护设计和安全预警提供了科学方法和重要依据。
作为优选，本发明更进一步的技术方案是：
超声波发射/接收换能器的安装组件包括：短锚杆、V型安装架、C型安装架、C型反射板，短锚杆以锚固剂固定于测量点钻孔内，V型安装架、C型安装架或C型反射板通过受压螺母与顶压螺母夹紧安装在短锚杆上，V型安装架两侧翼板上和C型安装架一端侧板上开设超声波换能器安装孔，分体式接收换能器R、发射换能器T以及一体换能器RT依次安装在V型安装架两侧翼板上或C型安装架一端侧板上。
V型及C安装架、C型反射板以2-3mm厚不锈钢板冲压而成，安装时稍稍弯折面板以调整收发的入射角与反射角，确保接收信号可靠。V型及C型安装架冲压加工容易、安装方便、成本低廉，
RT配对锁存模块包含发射端多路固态继电器T和接收端多路固态继电器R，发射端多路固态继电器T一端与分体式发射换能器T和收发一体换能器RT连接，接收端多路固态继电器R一端与分体式接收换能器R和收发一体换能器RT连接；发射端多路固态继电器T和接收端多路固态继电器R的另一端与超声波测距模块的发射接收转换电路连接。
超声波测距模块包含单片机，单片机控制多路固态继电器的通断状态，对分体式收发换能器的配对选择接入。
报警显示模块包含LCD屏和蜂鸣器，LCD屏实时显示监测数据。
数据存储与无线采集模块配置有现场手持式信号采集器PDA，集中采集批量测线数据。
报警显示模块可预定报警位移值，监测结果数据能在LCD屏实时显示，数据存储模块采用大容量SD卡缓存数据，并能以Zigbee方式与手持式信号采集器PDA现场连通上传数据，远程数据传送模块通过RS485连通远程上位计算机，实现对监测指标的在线分析。
作为改进，系统可依据采样频率在自动进入休眠节电状态或唤醒测量状态交替，利于没有电源线接入的施工现场长期可靠监测位移数据。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是监测主机系统模块框架图；
图中所示，1、短锚杆；2、受压螺母；3、V型安装架；4、接收换能器R；5、顶压螺母；6、C型安装架；7、发射换能器T；8、收发一体换能器RT；9、监测主机；10、上位计算机；11、手持式信号采集器PDA；12、C型反射板；13、上三角左帮测线；14、中线顶底测线；15、上三角右帮测线；16、上三角水平测线；17、巷道轮廓线。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
参见图1，本实施例给出的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，由超声波发射/接收换能器、监测主机9、上位计算机10三部分组成，超声波发射/接收换能器包括：装设在巷道左帮的一个分体式接收换能器R4和一个发射换能器T7，装设在巷道中顶位置的两个分体式发射换能器T7和一个收发一体换能器RT8，装设在巷道右帮的两个分体式接收换能器R4，形成上三角左帮测线13、中线顶底测线14、上三角右帮测线15和上三角水平测线16；各分体收发换能器或一体换能器以四芯电缆沿巷帮敷设至监测主机1，监测主机1通过RS485或无线Zigbee与远程上位计算机10接通。
超声波发射/接收换能器的安装组件包括：短锚杆1、V型安装架3、C型安装架6、C型反射板12，短锚杆1以锚固剂固定于测量点钻孔内，V型安装架3、C型安装架6或C型反射板12通过受压螺母2与顶压螺母5夹紧安装在短锚杆1上，V型安装架3两侧翼板上和C型安装架6一端侧板上开设超声波换能器安装孔，分体式接收换能器R4、发射换能器T7以及一体换能器RT8依次安装在V型安装架3两侧翼板上或C型安装架6一端侧板上。
安装时，事先在监测断面的预定位置打好钻孔，再以锚固剂固定4个短锚杆1，然后依次安装受压螺母2、V型安装架3、C型安装架6和顶压螺母5，V型安装架3、C型安装架6以2-3mm的不锈钢板折弯而成，中部开设锚杆孔，翼板开设超声波换能器孔，可微调安装翼板的弯折量以使保证收发信号稳定可靠。
除中线顶底测线14外，上三角左帮测线13、上三角右帮测线15和上三角水平测线16的超声波接收换能器R4直接接收发射换能器T7的入射波，但后期数据分析处理时需要将中线顶底测线14的距离除以2，由上三角左帮测线13、中线顶底测线14、上三角水平测线16理论上解算出上三角形的中左、中右、平上三个基础位移分析参数，结合中线顶底测线14进而可得出平下的一个基础位移分析参数。
参见图2，监测主机1内置系统模块，包括：与超声波发射/接收换能器连接的RT配对锁存模块，超声波测距模块，显示报警模块，数据存储与无线采集模块，远程数据传动模块和供电模块。系统具有按照设定频率自动启动和休眠功能，还有无线、有线两种结果数据传送方式，可由上位计算机10实时在线监测位移收敛信息。
上述超声波式多点位巷道表面位移监测装置的有益效果：
①利用超声波在成本上较之激光测距比较优势，实现了单主机分体循环监测多条测线的收敛位移，大部分收发换能器采用了分体安装模式，多为入射波接收，仅有中线位置因不利于换能器维护采用了反射波接收，利于阻隔造成的无效数据剔除；
②实现了4条测线的中左、中右、平上、平下4个基本位移收敛数据的测量解算，且为非接触式监测，测量与掘进进尺互不影响；
③系统具有RT配对、数据存储与传输、显示报警等功能，采样周期可大为缩短，可一次安装无人职守并在线监测；
④系统构成简单，安装便利，成本低廉。
本文中所描述具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种超声波式多点位巷道表面位移监测装置，包括超声波发射/接收换能器、监测主机、上位计算机，其特征在于：
超声波发射/接收换能器包括：装设在巷道左帮的一个分体式接收换能器R和一个发射换能器T，装设在巷道中顶位置的两个分体式发射换能器T和一个收发一体换能器RT，装设在巷道右帮的两个分体式接收换能器R，形成上三角左帮测线、中线顶底测线、上三角右帮测线和上三角水平测线；
各分体收发换能器或一体换能器以四芯电缆沿巷帮敷设至监测主机，监测主机通过RS485或无线Zigbee与远程上位计算机接通；监测主机内置系统模块，包括：与超声波发射/接收换能器连接的RT配对锁存模块，超声波测距模块，显示报警模块，数据存储与无线采集模块，远程数据传动模块和供电模块。
2.根据权利要求1所述的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，其特征在于：超声波发射/接收换能器的安装组件包括：短锚杆、V型安装架、C型安装架、C型反射板，短锚杆以锚固剂固定于测量点钻孔内，V型安装架、C型安装架和C型反射板通过受压螺母与顶压螺母夹紧安装在短锚杆上，V型安装架两侧翼板上和C型安装架一端侧板上开设超声波换能器安装孔，分体式接收换能器R安装在V型安装架两侧翼板上，发射换能器T和一体换能器RT安装在C型安装架一端侧板上。
3.根据权利要求2所述的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，其特征在于： V型及C型安装架、C型反射板以2-3mm厚不锈钢板冲压成型。
4.根据权利要求1所述的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，其特征在于： RT配对锁存模块包含发射端多路固态继电器T和接收端多路固态继电器R，发射端多路固态继电器T一端与分体式发射换能器T和收发一体换能器RT连接，接收端多路固态继电器R一端与分体式接收换能器R和收发一体换能器RT连接；发射端多路固态继电器T和接收端多路固态继电器R的另一端与超声波测距模块的发射接收转换电路连接。
5.根据权利要求1所述的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，其特征在于：超声波测距模块包含单片机，单片机控制多路固态继电器的通断状态，对分体式收发换能器的配对选择接入。
6.根据权利要求1所述的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，其特征在于：报警显示模块包含LCD屏和蜂鸣器，LCD屏实时显示监测数据。
7.根据权利要求1所述的超声波式多点位巷道表面位移监测装置，其特征在于：数据存储与无线采集模块配置有现场手持式信号采集器PDA，集中采集批量测线数据。
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