CN105547246B - 一种连通管式沉降及变形监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连通管式沉降及变形监测装置，包括信号处理系统和沉降及变形感知机构，信号处理系统包括信号处理机构A和信号处理机构B，沉降及变形感知机构包括基准管体机构、测试管体机构和连通软管，基准管体机构包括基准管、机械式沉降及变形放大器A和光电传感器A，测试管体机构包括测试管、机械式沉降及变形放大器B和光电传感器B，机械式沉降及变形放大器A(B)用于放大基准管(测试管)中的液面位置信息，放大后的液面位置信息由光电传感器A(B)感知，光电传感器A(B)将液面位置状态信息由光信号变为电信号传送信号处理机构A(B)进行处理和显示。该装置结构简单，可用于工程结构较小沉降及变形的高精度自动实时监测。

Description

一种连通管式沉降及变形监测装置

技术领域

本发明涉及工程监测技术领域，具体涉及一种连通管式沉降及变形监测装置。

背景技术

沉降及变形作为工程结构的运行状况和工作性能的一个重要参数，已在结构健康监测与安全评估、温度效应评估等领域得到了广泛应用。

目前常用的沉降及变形监测方法主要有人工监测和自动监测两种。其中，人工监测主要采用精密水准仪、全站仪、百分表等。以上3种方法虽然监测精度较高,但均采用人工观测,对监测人员要求较高,在进行多点监测时需要移动水准尺、反射棱镜或者百分表,操作很不方便，且仪表成本、人工费用高。自动监测主要采用倾角仪、激光光斑法、光电成像法、GPS等方法监测精度较低，主要针对大跨度结构变形及大沉降监测。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种连通管式沉降及变形监测装置，该装置结构简单，制作成本低，可用于工程结构较小沉降及变形的自动实时监测，而且测量精度高。

实现本发明上述目的所采样的技术方案为：

一种连通管式沉降及变形监测装置，包括信号处理系统和沉降及变形感知机构；

信号处理系统包括信号处理机构A和信号处理机构B，信号处理机构A包括控制模块A、编码器A、显示模块A和外部接口A，编码器A、显示模块A和外部接口A分别与控制模块A电气连接，信号处理机构B包括控制模块B、编码器B、显示模块B和外部接口B，编码器B、显示模块B和外部接口B分别与控制模块B电气连接；

沉降及变形感知机构包括基准管体机构、测试管体机构和连通软管；

基准管体机构包括基准管、机械式沉降及变形放大器A、光电传感器A和支撑架A，基准管侧壁底部设有进水口，支撑架A固定于基准管底部内壁上；

光电传感器A包括光纤位移标尺A、光敏元器件A和光纤A，光敏元器件A和光纤位移标尺A通过光纤A连接，光纤位移标尺A固定于支撑架A上，且光纤位移标尺A沿长度方向竖直设置；

机械式沉降及变形放大器A包括支撑杆A、U形杠杆A和浮板A，U形杠杆A由长杆A、短杆A和中间连接杆A构成，中间连接杆A的两端分别与长杆A和短杆A的一端连接，且长杆A和短杆A均垂直于中间连接杆A，支撑杆A固定于支撑架A的一 侧上，中间连接杆A和长杆A连接的一端与支撑杆A的上端活动连接，以使U形杠杆A能够绕支撑杆A的上端在U形杠杆A所在的平面内旋转，浮板A浮在基准管的液面上，短杆A的另一端部活动安装于浮板A的中央，以使短杆A能够沿其轴向滑动，长杆的另一端部位于光纤位移标尺A的一侧上；

测试管体机构包括测试管、支撑架B、机械式沉降及变形放大器B和光电传感器B，支撑架B固定于基准管底部内壁上；

光电传感器B包括光纤位移标尺B、光敏元器件B和光纤B，光敏元器件B和光纤位移标尺B通过光纤B连接，光纤位移标尺B固定于支撑架B上，且光纤位移标尺B沿长度方向竖直设置；

机械式沉降及变形放大器B包括支撑杆B、U形杠杆B和浮板B，U形杠杆B由长杆B、短杆B和中间连接杆B构成，中间连接杆B的两端分别与长杆B和短杆B的一端连接，且长杆B和短杆B均垂直于中间连接杆B，支撑杆B固定于支撑架B的一侧上，中间连接杆B和长杆B连接的一端与支撑杆B的上端活动连接，以使U形杠杆B能够绕支撑杆B的上端在U形杠杆B所在的平面内旋转，浮板B浮在基准管的液面上，短杆B的另一端部活动安装于浮板B的中央，以使短杆B能够沿其轴向滑动，长杆的另一端部位于光纤位移标尺B的一侧上；

基准管底部和测试管底部通过连通软管连通，光敏元器件A与编码器A电气连接，光敏元器件B与编码器B电气连接。

浮板A的中央固定有水位变化传递顶针A，水位变化传递顶针A的上端固定在浮板A上，下端固定有圆环A，短杆A为圆形杆，短杆A穿过圆环A，且短杆A与圆环A间隙配合，浮板B的中央固定有水位变化传递顶针B，水位变化传递顶针B的上端固定在浮板B上，下端固定有圆环B，短杆B为圆形杆，短杆B穿过圆环B，且短杆B与圆环B间隙配合。

基准管的上部设有溢流口。

基准管底部外壁中央设有固定连接件A，测试管底部外壁中央设有固定连接件B，固定连接件A和固定连接件B均为螺栓。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点在于：

1)该装置的机械式沉降及变形放大器利用倒U形杠杆放大原理对微小管体液面位置变化进行高精度有效放大，再利用光电传感器能够实时感知经机械式沉降及变形放大器放大后的管体液面位置变化信息，从而实现工程结构较小沉降及变形的长期高精度自 动实时监测。

2)该装置制作成本低，经济效益高，适合大面积推广应用。

3)该装置的机械式沉降及变形放大器充分利用U形杠杆的特殊结构和原理，使机械式沉降及变形放大器整体位于液面以下，合理利用空间，不仅节省了空间，大幅度减小了测试管机构或基准管机构的体积，从而减小整个装置的制作成本，而且使得整个装置方便携带，可以用于比较偏远地区的工程监测。

总之，本发明对于生产过程中的工程结构物的沉降及变形信息能够进行实时监测，对于安全生产监测预警具有重大意义。

附图说明

图1为本发明提供的连通管式沉降及变形监测装置的结构示意图。

图2为图1中I的局部放大图。

图3为机械式沉降及变形放大器B(以机械式沉降及变形放大器B为例)的放大原理示意图。

其中，1-控制模块B、2-编码器B、3-显示模块B、4-外部接口B、5-测试管、6-支撑架B、7-支撑杆B、8-U形杠杆B、9-浮板B、10-长杆B、11-短杆B、12-中间连接杆B、13-光纤位移标尺B、14-光敏元器件B、15-光纤B、16-固定连接件B、17-基准管、18-进水口、19-溢流口、20-立杆E、21-立杆F、22-横杆D、23-水位变化传递顶针B、24-圆环B、25-连通软管。

备注：由于基准管体机构和测试管体机构的结构大致相同，以及信号处理机构A和信号处理机构B完全相同，所以只对测试管体机构、信号处理机构B的部件以及基准管体机构的一些部件进行标记，避免累赘重复。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明提供的连通管式沉降及变形监测装置的结构如图1所示，包括信号处理系统和沉降及变形感知机构。

信号处理系统包括信号处理机构A和信号处理机构B，信号处理机构A包括控制模块A、编码器A、显示模块A和外部接口A，编码器A、显示模块A和外部接口A分别与控制模块A电气连接，信号处理机构B包括控制模块B1、编码器B2、显示模块B3和外部接口B4，编码器B2、显示模块B3和外部接口B4分别与控制模块B1电气连接。信号处理机构的工作原理具体参见中国专利“一种安全状态监测预警式有源电子标 签”(专利号ZL201520683284.9)。

沉降及变形感知机构包括基准管体机构、测试管体机构和连通软管。

基准管体机构包括基准管17、机械式沉降及变形放大器A、光电传感器A和支撑架A。

基准管上部设有一个以上的溢流口19，底部设有进水口18，溢流口实现基准管液面维持，进水口实现对基准管注液。基准管底部外壁中央设有固定连接件A，此处的固定连接件A为螺栓，通过固定连接件A将基准管固定在基准点上(人为确定)，为将基准管牢靠地固定在基准点上，可以在基准管的侧壁上设置其他的固定连接件C(本实施例中也为螺栓)，基准管可通过固定连接件C进一步固定。

支撑架A包括立杆C、立杆D和若干横杆C，立杆C和立杆D通过若干横杆固定连接，为进一步加固支撑架A，可以在立杆C和立杆D之间设置若干斜梁，立杆C和立杆D固定于基准管底部内壁上，且立杆C和立杆D均垂直于基准管底部。

光电传感器A包括光纤位移标尺A、光敏元器件A和光纤A，光纤位移标尺A沿其长度方向固定于立杆C上，且光纤位移标尺A与立杆C平行，光敏元器件A和光纤位移标尺A通过光纤A连接。

机械式沉降及变形放大器A包括支撑杆A和U形杠杆A、浮板A和水位变化传递顶针A。

支撑杆A固定于基准管底部内壁上且支撑杆A位于立杆D的一侧，且支撑杆A平行于立杆D，支撑杆A与立杆D之间的距离大于支撑杆A与立杆C之间的距离。为进一步加固支撑杆A，在支撑杆A与立杆D之间加设若干横梁，在支撑杆A与立柱C之间加设若干斜梁。

U形杠杆A由长杆A、短杆A和中间连接杆A构成，中间连接杆A的两端分别与长杆A和短杆A的一端连接，且长杆A和短杆A均垂直于中间连接杆A。中间连接杆A和长杆A连接的一端与支撑杆A的上端(U形杠杆A支点，即U形杠杆A的旋转中心)铰接，以使U形杠杆A能够绕支撑杆A的上端在U形杠杆A所在的平面内(忽略U形杠杆A厚度的情况下)旋转。

浮板A浮在基准管的液面上，水位变化传递顶针A的上端固定于浮板A的中央，下端固定有圆环A，短杆A的另一端部穿过圆环A，且短杆A与圆环A为间隙配合。长杆A的另一端部位于光纤位移标尺A的一侧，且长杆A与光纤位移标尺A接触。为方便测量，水位变化传递顶针A、U形杠杆A和支撑杆A在同一个竖直平面上(忽略 厚度的情况下，如果算上厚度的话，就是水位变化传递顶针A、U形杠杆A和支撑杆A的重心在同一竖直平面上)，且水位变化传递顶针A、U形杠杆A、支撑杆A所在的平面平行于支撑架所在的平面(忽略厚度的情况下，如果算上厚度的话，就是支撑架A的重心所在的平面)，避免U形杠杆A在旋转的同时产生一定的偏移角度，给测量带来一些麻烦。

测试管体机构包括测试管5、机械式沉降及变形放大器B、光电传感器B和支撑架B6。

测试管底部外壁中央设有固定连接件B，此处的固定连接件B为螺栓，通过固定连接件B将测试管固定在测试点上(人为确定)，为将测试管牢靠地固定在测试点上，可以在测试管的侧壁上设置其他的固定连接件D(本实施例中也为螺栓)，测试管可通过固定连接件D进一步固定。

支撑架B6包括立杆E20、立杆F21和若干横杆D22，立杆E20和立杆F21通过若干横杆D22固定连接，为进一步加固支撑架B6，可以在立杆E20和立杆F21之间设置若干斜梁，立杆E20和立杆F21固定于测试管5底部内壁上，且立杆E20和立杆F21均垂直于测试管5底部。

光电传感器B包括光纤位移标尺B13、光敏元器件B14和光纤B13，光纤位移标尺B13沿其长度方向固定于立杆F21上，且光纤位移标尺B13与立杆F21平行，光敏元器件B14和光纤位移标尺B13通过光纤B15连接。

机械式沉降及变形放大器B包括支撑杆B7和U形杠杆B8、浮板B9和水位变化传递顶针B23。

支撑杆B7固定于测试管5底部内壁上且支撑杆B7位于立杆F21的一侧，且支撑杆B7平行于立杆E20，支撑杆B7与立杆F21之间的距离大于支撑杆B7与立杆E20之间的距离。为进一步加固支撑杆B7，在支撑杆B7与立杆E20之间加设若干横梁，在支撑杆B7与立柱F之间加设若干斜梁。

U形杠杆B8由长杆B10、短杆B11和中间连接杆B12构成，中间连接杆B12的两端分别与长杆B10和短杆B11的一端连接，且长杆B10和短杆B11均垂直于中间连接杆B12。中间连接杆B12和长杆B10连接的一端与支撑杆B7的上端(U形杠杆B支点，即U形杠杆B的旋转中心)铰接，以使U形杠杆B能够绕支撑杆B的上端在U形杠杆B所在的平面内旋转。

浮板B9浮在测试管5的液面上，水位变化传递顶针B23的上端固定于浮板B9的中央，下端故定有圆环B24，短杆B的另一端部穿过圆环B24，且短杆B11与圆环B24为间隙配合，如图2所示。长杆B10的另一端部位于光纤位移标尺B13的一侧，且长杆B10与光纤位移标尺B13接触。为方便测量，水位变化传递顶针B、U形杠杆B和支撑杆B在同一个竖直平面上，且水位变化传递顶针B、U形杠杆B、支撑杆B所在的平面平行于支撑架所在的平面，避免U形杠杆B在旋转的同时产生一定的偏移角度，给测量带来一些麻烦。

基准管底部和测试管底部通过连通软管25连通，光敏元器件A与编码器A电气连接，光敏元器件B14与编码器B2电气连接。

机械式沉降及变形放大器B的放大原理如图3所示，当测试管中液面位置发生变化时，H1为液面变化位移，L1为短臂长，H2为放大的液面变化位移，L2为长臂长。短臂长是指U形杠杆B支点(即U形杠杆B的旋转中心)到水位变化传递顶针B竖向轴线的距离，长臂长是指U形杠杆支点B(即U形杠杆B的旋转中心)到光纤位移标尺竖向轴线的距离。根据相似直角三角的性质定理可知H1/H2＝L1/L2，则H1＝L1*H2/L2，通过光电传感器状态即可感知到长杆端输出放大的信息，根据放大倍数(放大倍数为：长臂长/短臂长)可得到短杆端输入的信息，最终得到液面变化位移与液面位置。

需要说明的是，机械式沉降及变形放大器本发明中采用的是一级放大，当一级放大不足时，可以多个U形杠杆连用进行两级或三级连续放大。

机械式沉降及变形放大器用于放大基准管或测试管中的液面位置信息，放大后的液面位置信息由光电传感器感知，光电传感器将液面位置状态信息由光信号变为电信号传送至编码器，编码器将电信号变为数字信号传送到控制模块(如单片机)；控制模块用于接收编码器传输的数据，并处理(即利用接收的数据除以放大倍数，计算出实际的液面变化位移)后传输至外部接口，同时/或传输至显示模块显示。外部接口用于信息的传输，如采用RFID实现无线传输，显示模块可以在装置上直接显示。

本发明中只描述了一个测试管机构，实际操作过程中，可以多个测试管机构联用，即将多个测试管机构依次连通后再与基准管机构连通，多个测试管机构联用可以测量多个测试点的微小沉降和变形。

该装置监测工程结构沉降及变形的方法如下：

将基准管和测试管分别固定在基准点和测试点上，记录基准管中液面离基准管顶端的距离为h1，测试管中液面离测试管顶端的距离为h2；基准管通过进水口和溢水口进排液体，以此来保持基准管体中液面位置不变，即h1不变；根据连通器原理，h2会因 为测试点相对于基准点竖向位置的变化而变化，h2和h1之间的差值即为测试点相对于基准点的沉降及变形，精确的监测h1和h2即可精确得到测试点相对于基准点的沉降及变形。

现以h2变化为例来说明精确监测过程。h2变化时，测试管中液面变化带动浮板B上下移动，浮板B上下移动带动水位变化传递顶针B上下移动，水位变化传递顶针B移动时带动短杆B在圆环B上沿短杆B轴向滑动，短杆B带动U形杠杆绕U形杠杆支点B转动，U形杠杆转动使长杆B在竖直方向位移的发生变化，而光纤位移标尺B能够感知长杆B竖直方向位移的变化，且能通过光纤将光信号传至光敏元器件，光敏元器件将光信号转换为电信号传至编码器，编码器将电信号转换为数字信号传至控制模块，控制模块负责处理数字信号，在显示模块显示h2，并可配合RFID接口实现监测信息无线传感。

Claims (4)

1.一种连通管式沉降及变形监测装置，其特征在于：包括信号处理系统和沉降及变形感知机构；

信号处理系统包括信号处理机构A和信号处理机构B，信号处理机构A包括控制模块A、编码器A、显示模块A和外部接口A，编码器A、显示模块A和外部接口A分别与控制模块A电气连接，信号处理机构B包括控制模块B、编码器B、显示模块B和外部接口B，编码器B、显示模块B和外部接口B分别与控制模块B电气连接；

沉降及变形感知机构包括基准管体机构、测试管体机构和连通软管；

基准管体机构包括基准管、机械式沉降及变形放大器A、光电传感器A和支撑架A，基准管侧壁底部设有进水口，支撑架A固定于基准管底部内壁上；

光电传感器A包括光纤位移标尺A、光敏元器件A和光纤A，光敏元器件A和光纤位移标尺A通过光纤A连接，光纤位移标尺A固定于支撑架A上，且光纤位移标尺A沿长度方向竖直设置；

机械式沉降及变形放大器A包括支撑杆A、U形杠杆A和浮板A，U形杠杆A由长杆A、短杆A和中间连接杆A构成，中间连接杆A的两端分别与长杆A和短杆A的一端连接，且长杆A和短杆A均垂直于中间连接杆A，支撑杆A固定于支撑架A的一侧上，中间连接杆A和长杆A连接的一端与支撑杆A的上端活动连接，以使U形杠杆A能够绕支撑杆A的上端在U形杠杆A所在的平面内旋转，浮板A浮在基准管的液面上，短杆A的另一端部活动安装于浮板A的中央，以使短杆A能够沿其轴向滑动，长杆的另一端部位于光纤位移标尺A的一侧上；

测试管体机构包括测试管、支撑架B、机械式沉降及变形放大器B和光电传感器B，支撑架B固定于基准管底部内壁上；

光电传感器B包括光纤位移标尺B、光敏元器件B和光纤B，光敏元器件B和光纤位移标尺B通过光纤B连接，光纤位移标尺B固定于支撑架B上，且光纤位移标尺B沿长度方向竖直设置；

机械式沉降及变形放大器B包括支撑杆B、U形杠杆B和浮板B，U形杠杆B由长杆B、短杆B和中间连接杆B构成，中间连接杆B的两端分别与长杆B和短杆B的一端连接，且长杆B和短杆B均垂直于中间连接杆B，支撑杆B固定于支撑架B的一侧上，中间连接杆B和长杆B连接的一端与支撑杆B的上端活动连接，以使U形杠杆B能够绕支撑杆B的上端在U形杠杆B所在的平面内旋转，浮板B浮在基准管的液面上，短杆B的另一端部活动安装于浮板B的中央，以使短杆B能够沿其轴向滑动，长杆的另一端部位于光纤位移标尺B的一侧上；

基准管底部和测试管底部通过连通软管连通，光敏元器件A与编码器A电气连接，光敏元器件B与编码器B电气连接。

2.根据权利要求1所述的连通管式沉降及变形监测装置，其特征在于：浮板A的中央固定有水位变化传递顶针A，水位变化传递顶针A的上端固定在浮板A上，下端固定有圆环A，短杆A为圆形杆，短杆A穿过圆环A，且短杆A与圆环A间隙配合，浮板B的中央固定有水位变化传递顶针B，水位变化传递顶针B的上端固定在浮板B上，下端固定有圆环B，短杆B为圆形杆，短杆B穿过圆环B，且短杆B与圆环B间隙配合。

3.根据权利要求1所述的连通管式沉降及变形监测装置，其特征在于：基准管的上部设有溢流口。

4.根据权利要求1所述的连通管式沉降及变形监测装置，其特征在于：基准管底部外壁中央设有固定连接件A，测试管底部外壁中央设有固定连接件B，固定连接件A和固定连接件B均为螺栓。