CN107478196B - 岩土分层沉降测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土分层沉降测量方法及测量系统。包括无线通信连接的现场测量仪器和远方测量仪器，现场测量仪器主要由沉降磁环、岩土分层沉降信号汇集器和岩土分层沉降沉降信号采集单元组成，远方测量仪器主要由远程接收装置和PC上位机组成；将多个霍尔集成传感器阵列组成岩土分层沉降沉降信号采集单元，将沉降磁环分布在土体中，土体沉降带动沉降磁环跟随沉降，通过霍尔集成传感器检测磁场并转化为电信号，将电信号实时传送据处理再发送到远程上位机。本发明可实现对地下岩土分层沉降在线远程测量；可以很好的为现场土地基、堤坝等岩土地基的施工给予正确及时的指导，从而有力的保证施工进度、施工质量和施工效率。

Description

岩土分层沉降测量方法及测量系统

技术领域

本发明设计一种沉降测量方法及装置，具体的说是土地基、堤坝等处应用的一种岩土分层沉降测量方法及测量系统。

背景技术

土路基地质条件、路堤载荷条件和施工条件都具有一定的复杂性，一般难以对每种处理方法进行严密的理论分析，因此无法在设计时就做出精确的计算，所以往往只能通过施工过程中的监测和施工完成后的质量检验来保证工程质量。现场大量使用的沉降检测仪主要还是对地面沉降的监测，例如红外监测仪、激光监测仪。但是这些监测方法还是仅仅停留在沉降的总合测量，具体针对地下岩土分层沉降在线测量的仪器和方法是非常少的。

对与岩土分层沉降的监测，目前现场使用的测量仪器主要是由沉降磁环、电磁感应探头、测尺等部分组成。这种电磁式测量仪的测量原理大致是首先将沉降磁环埋于土中，然后手动利用测尺将电磁感应探头顺着沉降管往下送，当电磁感应探头遇到沉降磁环的时候，系统会发出提示铃声，然后人工肉眼观测此时手上刻度测尺的示数并记录。这样两次测量得到的示数便可以计算出沉降磁环的沉降位移和沉降速度。

这种测量方法的缺点和不足是测量精度不高，监测数据量非常少，而且人为一个个测量数据误差较大，测尺、信号电缆线易疲劳折断，机械结构的损耗较大成本较高，无法实现智能化在线监测。

目前还有一种测量方法，测量原理大致跟电磁式沉降仪类似，有一点不同的是它用电机将电磁感应探头缓慢送到沉降管内部，并且电磁感应探头监测开关状态发生变化的信号采用无线通讯方式上传给地面无线接收模块，当地面接收到这个信号的时候利用电机的转速和对应时间关系求出沉降磁环下放的深度。这种监测方法虽然实现了不需要人为肉眼读取测尺示数，但是依然无法摆脱机械化的损耗，电机长时间运行也会带来较大的转速误差，无法实现精确测量。而且采用无线的通讯方式必然会有数据丢包的现象发生，数据量较少而且处理难度较大，这会导致测量的准确性大大降低。

上述两种测量方法都无法实现对岩土分层沉降精确测量，无法实现智能化在线测量。

发明内容

本发明的目的在于解决目前我国对土沉降测量的自动化程度低、精度不高、无法实现实时在线测量等问题，设计提出了一种岩土分层沉降高度的测量方法及测量系统。

本发明采用的技术方案是：

一、一种岩土分层沉降测量方法：

将多个霍尔集成传感器阵列组成岩土分层沉降沉降信号采集单元，将沉降磁环分布在土体中，土体沉降带动沉降磁环跟随沉降，会引起信号采集传感单元周围磁场强度发生对应的变化，利用霍尔效应通过霍尔集成传感器检测周围磁场强弱并转化为电信号，采用RS-485总线通讯方式将电信号实时传送至岩土分层沉降信号汇集器，岩土分层沉降信号汇集器对电信号进行数据处理；

首先由已知沉降磁环的垂直沉降位移与对应霍尔集成传感器采集的电信号作为实验数据进行处理建立数学模型，获得沉降磁环的垂直沉降位移与霍尔集成传感器采集的电信号之间的数据关系，利用得到的数据关系对现场待测土体中霍尔集成传感器采集的电信号进行检测，获得现场待测土体中放置的沉降磁环的垂直沉降位移并作为现场测量结果(即地下岩土分层沉降的测量信息)，实现对土沉降实时在线监测；并将现场测量结果通过GPRS或GSM发送到远程的PC机，在PC机上描绘出测量区域内的岩土分层沉降变化情况和具体的坐标值，实现从地面到地下岩土分层沉降的高精度在线测量。

所述的岩土分层沉降沉降信号采集单元传输电信号是用RS485总线进行传输。这种传输方式有别于采用人为耳朵聆听提示铃声和地下的无线发送模块对开关信号进行无线发送这两种方式。这种方式既可以提高数据信号传输的可靠性，又可以保证信号传输的及时性。

RS485通讯方式能够本质上的改变现有传输的准确性和实时性。现在现场用的测量仪第一是采用人为的耳朵听到提示铃声，另外一个是地下的无线发送模块对开关信号进行无线发送。这种通讯方式会出现数据丢包的现象，必然会导致数据量不精确的问题。而本发明采用的是RS485总线对实验数据进行传输，传输效率高、可靠性强、准确性较大、及时性远比无线要好。

所述的沉降磁环是环形永磁体结构。本发明采用环形永磁体结构，相比较与目前施工现场三颗粒小型圆柱永磁体组成正三角形，具有结构简单、安装操作便宜的优势，可以很好的保证沉降磁环内部中心点磁感应强度的稳定性；可以保证即使沉降磁环与沉降管之间发生相对扭转位移也不会对中心点的磁感应强度产生任何影响。

本发明通过各个霍尔集成传感器所采集的电信号进行判断确定与沉降磁环最近的霍尔集成传感器，然后分段再以与沉降磁环最近的霍尔集成传感器自身采集电压范围内所采集的电信号数据作为建立数学模型的实验数据。

所述的数学模型是由与沉降磁环相邻的多个霍尔集成传感器所采集的电信号分段拼接而成。具体将沉降磁环在土体中的沉降垂直位移根据相邻霍尔集成传感器的数量以及沉降磁环预先放置处与相邻霍尔集成传感器之间的距离分为多段，每段沉降垂直位移的模型数据关系是依据与沉降磁环最近的霍尔集成传感器自身采集电压范围内所采集的电信号而建立。

具体实施中可分为两段，两段的数学模型的数据关系分别由位于沉降磁环原预先放置处上下方的两个霍尔集成传感器所采集的电信号密集段数据建立。

二、一种地下岩土分层沉降测量系统：

包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接，其中：

所述的现场测量仪器主要由沉降磁环、岩土分层沉降信号汇集器和岩土分层沉降沉降信号采集单元组成，岩土分层沉降沉降信号采集单元是由1～n个结构相同的霍尔集成传感器串连接而成，所有霍尔集成传感器均固定在标杆上并置于沉降管中，沉降磁环套装在沉降管外，沉降管和沉降磁环一起垂直置于土体中，沿沉降管间隔均布地套装有多个沉降磁环；每相邻的两个霍尔集成传感器之间的间距相等的；每个霍尔集成传感器均是通过RS-485总线连接到岩土分层沉降信号汇集器，由岩土分层沉降信号汇集器对霍尔集成传感器进行通讯控制；

所述的远方测量仪器主要由远程接收装置和PC上位机组成，远程接收装置的一端与接收天线连接，另一端与PC上位机连接。

所述的岩土分层沉降沉降信号采集单元包括霍尔集成传感器、信号滤波电路、信号放大电路、总线通信模块、A/D转换电路和MCU模块；霍尔集成传感器依次经信号放大电路、信号滤波电路、总线通信模块、A/D转换电路后连接到MCU模块，MCU模块与总线通信模块连接，

所述的岩土分层沉降信号汇集器包括MCU模块、总线通信模块、存储模块、显示模块、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU模块分别与GPS测量模块、远程通讯模块、总线通信模块和存储模块连接，MCU模块经自身连接的总线通信模块通过RS-485总线向岩土分层沉降沉降信号采集单元的总线通信模块发出控制信号，通过远程通讯模块向PC机发送实时测量信息。

所述的岩土分层沉降沉降信号采集单元与岩土分层沉降信号汇集器之间的信息传输方式是用RS485总线进行传输。

所述的沉降磁环是环形永磁体结构。

本发明是综合运用霍尔效应、电磁互感等物理机理，结合RS-485总线传输方式和GPS远程数据共享技术而提出的方法。通过测量岩土分层沉降信号采集集成单元的输出信号，进而利用RS-485总线进行有效传输。岩土分层沉降信号汇集器利用采集得来的信号进行科学建模处理，在获取所有岩土分层沉降信号采集集成单元信号的基础之上，实现对地下岩土分层沉降的测量。

本发明采用的技术不再是仅仅利用电磁感应探头接近沉降磁环的接近原理，这种监测电磁感应探头感应距离非常小，只能监测到很小的距离。本发明是利用霍尔效应原理，只要沉降磁环发生一点点沉降位移，那么霍尔器件周围的磁感应强度就一定会发生变化，所以霍尔采集器输出信号就会发生改变，这样的话就可以对沉降磁环进行精确的定位。

本发明采用完整的沉降磁环代替现有的三角磁体形式。目前通常都采用塑料环内装的三颗小的永磁体，排列成正三角形，但是这种排列必然会存在不精确的可能。而本发明采用的沉降磁环是专门定做的一个完整的环状圆柱永磁体，这样可以很好的保证沉降磁环内部的磁感应强度在中心点是均匀的，这样就可以很好的解决因为沉降管与沉降磁环发生相对旋转位移而引起霍尔采集信号发生变化对测量的影响，测量效果远比现有三角磁体要好的多，精确地多。

本发明结构中在沉降管内没有任何运动部件，仅仅只有沉降环和沉降管之间存在相对运动关系，而解决了现有其他系统或者装置采用了运动结构而导致的测量不精确的问题，避免了运动部件带来的干扰和误差。

本发明具有的有益效果是：

本发明可以实现对地下岩土分层沉降精确测量，可以实现目前用其他方法无法实现的对岩土分层沉降在线连续测量，从而可以很好地为大坝、道路等土地基的施工提供有效施工指导，可很好地保证施工效率和质量。

本发明可以实现网络化在线测量，可以大大地提高了测量精度、效率和质量，改善测量环境，提高测量的技术水平。

附图说明

图1是本发明测量系统总体结构图；

图2是岩土分层沉降信号采集集成单元的结构框图；

图3是岩土分层沉降信号汇集器的结构框图；

图4是实施例测试示意图；

图5是实施例实验数据的曲线图；

图6是实施例分段有效数据汇总图。

图中：1：沉降管、2：岩土分层沉降沉降信号采集单元、3：标杆、4：不发生位移沉降的基岩、5：沉降磁环、6：测试沉降磁环、7和8：霍尔集成传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接。

如图1所示，现场测量仪器主要由沉降磁环5、岩土分层沉降信号汇集器和岩土分层沉降沉降信号采集单元组成，沉降磁环5是环形永磁体结构，岩土分层沉降沉降信号采集单元2是由1～n个结构相同的霍尔集成传感器串连接而成，所有霍尔集成传感器均固定在标杆3上并置于沉降管1中，沉降磁环5套装在沉降管1外，沉降管1和沉降磁环5一起垂直置于土体中，沿沉降管1间隔均布地套装有多个沉降磁环5。在实际应用现场，沉降磁环的数量可以按照需要来分配并不仅仅局限于图1中的三个。沉降磁环分布的越多，对岩土分层沉降的测量就会越细化，对整个土层的沉降测量就会越准确。

每相邻的两个霍尔集成传感器之间的间距相等的，霍尔集成传感器用于测量沉降磁环沉降特定位移；每个霍尔集成传感器均是通过RS-485总线连接到岩土分层沉降信号汇集器，由岩土分层沉降信号汇集器对霍尔集成传感器进行通讯控制，岩土分层沉降信号汇集器与发射天线相连接；

远方测量仪器主要由远程接收装置和PC上位机组成，远程接收装置的一端与接收天线连接，另一端与PC上位机连接。

如图2所示，岩土分层沉降沉降信号采集单元包括霍尔集成传感器、信号滤波电路、信号放大电路、总线通信模块、A/D转换电路和MCU模块；霍尔集成传感器的输出端口连接到信号放大电路，信号放大电路的输出端口与信号滤波电路的输入端口相连，信号放大电路的输出端口与A/D驱动模块的输入端口相连接，A/D驱动模块的输出端口与MCU控制器连接，MCU控制器与总线通信模块连接；霍尔集成传感器依次经信号放大电路、信号滤波电路、总线通信模块、A/D转换电路后连接到MCU模块，MCU模块与总线通信模块连接，

如图3所示，岩土分层沉降信号汇集器包括MCU模块、总线通信模块、存储模块、显示模块、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU模块分别与GPS测量模块、远程通讯模块、总线通信模块和存储模块连接，MCU模块经自身连接的总线通信模块通过RS-485总线向岩土分层沉降沉降信号采集单元的总线通信模块发出控制信号，通过远程通讯模块向PC机发送实时测量信息。

当岩土分层沉降信号汇集器获得PC机的采集控制信号后，通过RS-485总线向岩土分层沉降沉降信号采集单元发出用于采集的控制信号，对应的岩土分层沉降沉降信号采集单元就会得到响应，沉降磁环5与岩土分层沉降沉降信号采集单元中的霍尔集成传感器发生沿土体垂直方向的相对位移时，传感器内部的MCU将会测量沉降磁环沿沉降管轴向方向即土体垂直方向的垂直沉降位移x。

岩土分层沉降沉降信号采集单元2与岩土分层沉降信号汇集器之间的信息传输方式是用RS485总线进行传输。

本发明实施例及其实施过程如下：

系统测试首先是搭建测试平台，测试平台首先固定沉降管和固定桩，分别将岩土分层沉降信号采集集成单元安装在固定桩上。目前是用电机带动沉降磁环的上下移动来模拟土体沉降。图4是实验测试平台示意图。

如图4所示，本发明具体实施是采用多个岩土分层沉降信号采集集成单元和沉降磁环，将信号采集集成单元等间距固定在已经固定好的沉降管内，沉降管是固定在假设不随着土沉降发生沉降位移的基岩4上，将测试沉降磁环6埋在土中。

利用土沉降带动测试沉降磁环6，从而使岩土分层沉降信号采集集成单元与沉降磁环发生垂直方向的相对位移，因此岩土分层沉降信号采集集成单元周围的磁场分布将会发生变化，于是由于霍尔效应的存在所以采集单元将会输出特定的电信号。利用RS-485总线方式将所有采集单元的数据信号上传至岩土分层沉降信号汇集器。数据汇集器对采集数据进行处理和建模分析并显示，设计监测管理平台以实现对土沉降实时测量。并且将现场测量结果通过GPS或GSM发送到远方的PC机，在PC机上可描绘出测量区域内的岩土分层沉降变化情况和具体的坐标值，实现从地面到地下岩土分层沉降的测量。

实验测试是首先固定岩土分层沉降此号采集单元，将每个单元之间的距离固定在8cm，控制电机使沉降磁环从0开始沿x方向往下发生沉降，分别记录沉降到100cm处的实验数据。如图5给出第一个采集单元和第二个采集单元节点的监测数据。

从实验数据来看，沉降位移在0-8cm采集单元的1输出是不断增加的，之后采集单元1的输出会有一个到0mv的突变过程。随后输出信号上升到峰值，随着沉降位移增加而不断减小的过程。这个过程当中的突变是因为沉降磁环是一个具有一定尺寸的圆柱体而不是一个永磁体点，会有一段距离是磁场强度为负方向饱和，又因为处理器的采集电压范围是0～3300mv，对于负方向的饱和采集单元输出直接默认为0，所以会出现采集单元输出信号为0mv的突变过程。这个实验结果曲线和理论上是一致的。

实验过程当中为了减小实验误差，现采用选取第一个采集单元的前八个有效数据进行拟合利用，当沉降磁环沉降到8cm以后立即选取第二个采集单元的实验数据进行利用。对于第二个采集单元的实验数据前八个直接舍弃不用，因为采集信号数据变化量较小，分辨率较低，如果利用进行拟合会引起较大实验误差，所以只利用第二个采集单元的第九个到第十六个有效数据进行拟合，这样可以有效的减小实验误差，大大增大了监测的精度。如图6给出选取的有效数据汇总。

在图6有效数据中可以发现，利用两个采集单元的有效数据进行曲线拟合可以实现对沉降位移在0-16cm内精确监测。以此类推利用第三个第四个等多个岩土分层沉降采集集成单元便可以实现对更大沉降位移的精确测量。从有效实验测试数据走势可以看出采集单元输出信号是随着沉降位移不断变化的，按图6的实验数据采用分段分别进行数学模型的建立，能够实现对沉降位移的高精度测量。

Claims (7)

1.一种岩土分层沉降测量方法，其特征在于：将多个霍尔集成传感器阵列组成岩土分层沉降沉降信号采集单元(2)，将沉降磁环(5)分布在土体中，土体沉降带动沉降磁环(5)跟随沉降，通过霍尔集成传感器检测周围磁场强弱并转化为电信号，将电信号实时传送进行数据处理；

由已知沉降磁环(5)的垂直沉降位移与对应霍尔集成传感器采集的电信号作为实验数据进行处理建立数学模型，获得沉降磁环(5)的垂直沉降位移与霍尔集成传感器采集的电信号之间的数据关系，利用得到的数据关系对现场待测土体中霍尔集成传感器采集的电信号进行检测，获得现场待测土体中放置的沉降磁环(5)的垂直沉降位移并作为现场测量结果，并将现场测量结果通过GPRS或GSM发送到远程的PC机；

所述的数学模型是由与沉降磁环相邻的多个霍尔集成传感器所采集的电信号分段拼接而成；

具体将沉降磁环在土体中的沉降垂直位移根据相邻霍尔集成传感器的数量以及沉降磁环预先放置处与相邻霍尔集成传感器之间的距离分为多段，每段沉降垂直位移的模型数据关系是依据与沉降磁环最近的霍尔集成传感器自身采集电压范围内所采集的电信号而建立。

2.根据权利要求1所述的一种岩土分层沉降测量方法，其特征在于：所述的岩土分层沉降沉降信号采集单元(2)传输电信号是用RS485总线进行传输。

3.根据权利要求1所述的一种岩土分层沉降测量方法，其特征在于：所述的沉降磁环(5)是环形永磁体结构。

4.应用于权利要求1所述方法的一种地下岩土分层沉降测量系统，其特征在于：包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接，其中：

所述的现场测量仪器主要由沉降磁环(5)、岩土分层沉降信号汇集器和岩土分层沉降沉降信号采集单元组成，岩土分层沉降沉降信号采集单元(2)主要由1～n个结构相同的霍尔集成传感器串连接而成，所有霍尔集成传感器均固定在标杆(3)上并置于沉降管(1)中，沉降磁环(5)套装在沉降管(1)外，沉降管(1)和沉降磁环(5)一起垂直置于土体中，沿沉降管(1)间隔均布地套装有多个沉降磁环(5)；每相邻的两个霍尔集成传感器之间的间距相等的；每个霍尔集成传感器均是通过RS-485总线连接到岩土分层沉降信号汇集器，由岩土分层沉降信号汇集器对霍尔集成传感器进行通讯控制；所述的远方测量仪器主要由远程接收装置和PC上位机组成，远程接收装置的一端与接收天线连接，另一端与PC上位机连接。

5.根据权利要求4所述的一种地下岩土分层沉降测量系统，其特征在于：所述的岩土分层沉降沉降信号采集单元包括霍尔集成传感器、信号滤波电路、信号放大电路、总线通信模块、A/D转换电路和MCU模块；霍尔集成传感器依次经信号放大电路、信号滤波电路、总线通信模块、A/D转换电路后连接到MCU模块，MCU模块与总线通信模块连接；

所述的岩土分层沉降信号汇集器包括MCU模块、总线通信模块、存储模块、显示模块、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU模块分别与GPS测量模块、远程通讯模块、总线通信模块和存储模块连接，MCU模块经自身连接的总线通信模块通过RS-485总线向岩土分层沉降沉降信号采集单元的总线通信模块发出控制信号，通过远程通讯模块向PC机发送实时测量信息。

6.根据权利要求4所述的一种地下岩土分层沉降测量系统，其特征在于：

所述的岩土分层沉降沉降信号采集单元(2)与岩土分层沉降信号汇集器之间的信息传输方式是用RS485总线进行传输。

7.根据权利要求4所述的一种地下岩土分层沉降测量系统，其特征在于：所述的沉降磁环(5)是环形永磁体结构。