CN107543515A - 双轴倾角定位深层位移监测装置及其使用方法 - Google Patents

双轴倾角定位深层位移监测装置及其使用方法 Download PDF

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廖孟光
李羲
李朝奎
卜璞
李杨
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本发明公开了一种双轴倾角定位深层位移监测装置及其使用方法，所要解决的问题是提高深层位移测量效率和测量准确度。该装置包括折线杆、若干倾角传感器或测斜仪、接收器，折线杆由若干短杆通过铰链首尾连接而成，铰链为万向铰链，每一短杆上均安装倾角传感器或测斜仪，倾角传感器或测斜仪与接收器通过有线或无线的方式相连；该装置的使用方法如下：(1).测量测斜管的初始位置；(2).测量测斜管的当前位置；(3).计算测斜管的倾斜程度。该装置有益效果如下：1.测量效率高，将折线杆打开插入测斜管底部读取每一短杆的倾斜角度即可一次计算测定测斜管的位置；2.各短杆通过铰链相连，测点严格连续，测量准确度高；3.可实时监测。

Description

双轴倾角定位深层位移监测装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及工程监测技术领域，尤其是深层位移监测技术领域。
背景技术
深层位移监测是指利用仪器设备监测大地内部水平运动，如不稳固的边坡或挖土工程周围的测向运动，软土地基处理，堤坝，芯墙稳定性，钻孔设置的偏差，打桩引起的土体位移，以及回填筑堤和地下工程的土体沉陷，也可用于沿海、江边重力存放物场的土层变化等。
仪器设备
测斜仪。一般测斜仪由探头、电缆、数据采集仪(读数仪)组成。探头的传感器型式有伺服加速度计式、电阻应变片式、钢弦式、差动电阻式等多种型式，目前使用最多的是伺服加速度式。国内有航天部33 所生产的CX 系列，国外有美国SINCO 公司的数字测斜仪，瑞士的PRIVEC 等。
内壁有导槽的测斜管，由测斜管、连接管、管座、管盖组成。测斜管是用聚氯乙烯、ABS 塑料、铝合金等材料制成，管内有互成90 度四个导向槽，国产塑料测斜管尺寸多为：内径Φ58mm，径Φ70mm、长度分2m，3m，4m 三种。塑料连接管多采用市场上出售的聚氯乙烯塑料管制成，还可用软的万能接头相连。连接管的尺寸为内径Φ70mm，外径Φ82mm，长度分300，400mm两种。在管壁的两端铣制有滑动槽各4 条或仅一端铣制滑动槽4 条，各槽相隔90 度。管座位于测斜管底端，与管外径匹配，防止泥砂从管底端进入管内的一个安全护盖。管盖用于保护测斜管管口，防止杂物从管口掉入管内影响正常观测工作也由聚氯乙烯制成，其外形尺寸同管座。
监测仪器工作原理
测斜仪的工作原理是测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化量，从而计算出土层各点的水平位移大小。通常在坝内埋设一垂直并互成90°四个导槽的管子，当管子受力发生变形时，将测斜仪探头放入测斜管导槽内，逐段(一般50cm 一个测点) 量测变形后管子的轴线与垂直线之间的夹角，并按测点的分段长度，分别求出不同高程处的水平位移增量，然后由测斜管底部测点开始逐段累加，可得任一高程处的实际位移，最后求出管口累积水平位移。
现有深层位移监测装置存在以下问题。
1. 测量效率低，测量过程费时费力。每次只能测量一个方向的角度，且花费时间较长，如一个深20m的测斜监测点需正测、反测共80个读数（每隔0.5m读数一次），每次读数一定要等候电压值稳定才能读数，确保读数准确性，一个监测点需要2个熟练的技术员测量半个小时左右，一天只能观测测斜监测点20个左右。
2. 不能保证测点间隔一定。首先，仅依靠视觉识别绳上的标识，工人拉绳的间距存在误差；其次，及时拉绳每次间隔一定，由于测斜管具有一定的曲度，不能保证测斜管内部的测角仪器上升与间隔相等的高度。
发明内容
本发明所要解决的问题是提高深层位移测量效率和测量准确度。
双轴倾角定位深层位移监测装置，包括折线杆、若干倾角传感器或测斜仪、接收器，折线杆由若干短杆通过铰链首尾连接而成，铰链为万向铰链，每一短杆上均安装倾角传感器或测斜仪，倾角传感器或测斜仪与接收器通过有线或无线的方式相连。
优选地，短杆上长度方向的垂直截面为圆形。
优选地，各短杆尺寸相同，长度、截面直径依次为490-1010mm、40-68mm。
优选地，每一短杆上均安装一倾角传感器。
优选地，倾角传感器为双轴倾角传感器。
优选地，所有倾角传感器在安装在短杆上之前均已水平调零。
优选地，倾角传感器安装时其水平调平平面与短杆长度方向垂直。
优选地，短杆上安装有两对滑轮。
优选地，当倾角传感器与接收器通过无线的方式相连时，倾角传感器内置有无线信号发射模块，接收器内置有无线信号接收模块。
该装置的使用方法如下：
(1). 测量测斜管的初始位置，包括如下步骤：
a. 将折线杆插入测斜管底部；b. 在接收器上读取各倾角传感器的倾角值；c. 以测斜管底部为基点，结合折线杆上相邻两铰链之间的距离、倾角值，计算确定测斜管位置；
(2). 测量测斜管的当前位置，步骤同(1)；
(3). 根据上述测得的测斜管的当前位置和初始位置，计算测斜管的倾斜程度。
该装置有益效果如下：1. 测量效率高，将折线杆打开插入测斜管底部读取每一短杆的倾斜角度即可一次计算测定测斜管的位置；2. 各短杆通过铰链相连，测点严格连续，测量准确度高；3. 将装置固定在测斜管内，可实时监测测斜管各点的位置和倾斜程度；4. 由于转球可各向转动，可同时测量水平两轴方向的位移。
附图说明
图1是双轴倾角定位深层位移监测装置的整体结构示意图。
图2是双轴倾角定位深层位移监测装置的短杆和接收器部分结构示意图。
图3是双轴倾角定位深层位移监测装置的测量原理图。
图4是双轴倾角定位深层位移监测装置无线连接时结构示意图。
图中：1. 折线杆、2. 倾角传感器、3. 接收器、4. 短杆、5. 铰链、6. 转球、7. 滑轮、8. 倾角传感器底面、9. 测斜管底端的短杆上两铰链的连线。
具体实施方式
实施例1
如图1-3所示，双轴倾角定位深层位移监测装置，包括折线杆、若干倾角传感器或测斜仪、接收器，折线杆由若干短杆通过铰链首尾连接而成，铰链为万向铰链，每一短杆上均安装倾角传感器或测斜仪，倾角传感器或测斜仪与接收器通过有线的方式相连。
短杆上长度方向的垂直截面为圆形。铰链为万向铰链时，短杆上长度方向的垂直截面尺寸保持一定。
各短杆尺寸相同，长度、截面直径依次为490-1010mm、40-68mm。该直径范围是为了保证短杆横截面稍小于测斜管内径，短杆可在测斜管内自由滑动，又不至于间隔太宽，过于松弛。
每一短杆上均安装一倾角传感器。由于默认短杆是不会产生弯曲形变的，短杆可看成是一条线段，只要一个倾斜角就可确定短杆位置，因此每一短杆上均安装一倾角传感器即可满足要求。
倾角传感器为双轴倾角传感器。由于铰链能各向转动，倾角传感器为双轴倾角传感器较好。
所有倾角传感器在安装在短杆上之前均已水平调零。这样，倾角传感器在测量过程所显示的角度即是其与水平方向的夹角，便于计算和数据处理。
倾角传感器安装时其水平调平平面与短杆长度方向垂直。这样，倾角传感器在测量过程所显示的角度既是其与水平方向的夹角，又是短杆的倾斜角度，便于计算和数据处理。
短杆上安装有两对滑轮。滑轮结构如图1所示，图2为了简洁清楚，省略了滑轮。该滑轮与测斜管内壁的凹槽匹配，便于短杆在测斜管内的滑动。
该装置的使用方法如下：
(1). 测量测斜管的初始位置，包括如下步骤：
a. 将折线杆插入测斜管底部；b. 在接收器上读取各倾角传感器的倾角值；c. 以测斜管底部为基点，结合折线杆上相邻两铰链之间的距离、倾角值，计算确定测斜管位置；
具体计算原理如图3所示，设OA为测斜管底端的短杆上两铰链的连线，长度为s，O为位置已知且默认不变的基点，为了便于便于数据处理，初始位置设为折线杆被拉直且竖直放置、倾角传感器调平平面垂直于OA，
旋转角<α，β>后，确定A1（x,y,z,）的位置：
右图可知，DC=x，bc=y，CA1=z，
根据三角关系，在直角三角形A1CD和A1CB中，
A1C =xcotα=ycotβ
在直角三角形A1BO中，
x2+(y/sinα)2=s2
根据上述两式，将α、β、s代入可求出x和y，在直角三角形A1CD中，
z= xcotα
至此，A1（x,y,z,）的位置已确定，
然后在以A1为基点，确定A2，再以A2为基点，确定A3，依次以下一个求出点为基点计算上一个点，直至折线杆上所有点的位置都计算确定，测斜管的位置也就确定了。
(2). 测量测斜管的当前位置，步骤同(1)；
(3). 根据上述测得的测斜管的当前位置和初始位置，计算测斜管的倾斜程度。
实施例2
如图4所示，双轴倾角定位深层位移监测装置，包括折线杆、若干倾角传感器、接收器，折线杆由若干短杆通过铰链首尾连接而成，铰链为万向铰链，每一短杆上均安装倾角传感器，倾角传感器与接收器通过无线的方式相连。
当倾角传感器与接收器通过无线的方式相连时，倾角传感器内置有无线信号发射模块，接收器内置有无线信号接收模块。优选地，接收器外置有无线信号接收天线。无线的连接方式免去了连线的麻烦，但无线模块会相应增加装置的生产成本。
其它装置结构和测量步骤同实施例1。

Claims (10)

1. 双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为包括折线杆、若干倾角传感器或测斜仪、接收器，折线杆由若干短杆通过铰链首尾连接而成，铰链为万向铰链，每一短杆上均安装倾角传感器或测斜仪，倾角传感器或测斜仪与接收器通过有线或无线的方式相连。
2. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为短杆上长度方向的垂直截面为圆形。
3. 根据权利要求2中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为各短杆尺寸相同，长度、截面直径依次为490-1010mm、40-68mm。
4. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为每一短杆上均安装一倾角传感器。
5. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为倾角传感器为双轴倾角传感器。
6. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为所有倾角传感器在安装在短杆上之前均已水平调零。
7. 根据权利要求6中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为倾角传感器安装时其水平调平平面与短杆长度方向垂直。
8. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为短杆上安装有两对滑轮。
9. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为当倾角传感器与接收器通过无线的方式相连时，倾角传感器内置有无线信号发射模块，接收器内置有无线信号接收模块。
10. 根据权利要求1中的双轴倾角定位深层位移监测装置，其特征为该装置的使用方法如下：
(1)，测量测斜管的初始位置，包括如下步骤：
a. 将折线杆插入测斜管底部；b. 在接收器上读取各倾角传感器的倾角值；c. 以测斜管底部为基点，结合折线杆上相邻两铰链之间的距离、倾角值，计算确定测斜管位置；
(2)，测量测斜管的当前位置，步骤同(1)；
(3)，根据上述测得的测斜管的当前位置和初始位置，计算测斜管的倾斜程度。
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