CN107677249A - 一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法，该系统包括有第一、第二固定极板、动极板、固定点和电源模块；动极板可以以固定点作为枢轴点往复摆动；该测斜系统竖直放置时，所述动极板平行设置于第一、第二固定极板的中间位置且垂直于水平面；所述电源模块分别在动极板与第一、第二固定极板之间施加相同的电压。本发明通过三个电容极板相对间距随倾角的改变得到倾斜角度的具体值，系统结构简单，测量精度高；同时还可通过对动极板的软线吊装减少动极板摆动的阻力对测量精度的影响，将极板浸入绝缘液体减少震动误差、增加测量的灵敏度。本发明作为一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法可广泛应用于工程检测领域。

Description

一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法
技术领域
本发明涉及工程检测领域，尤其是一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统和方法。
背景技术
深层水平位移监测是二级及以上监测安全等级工程必测项目，广泛应用与基坑、隧道、边坡、地基、轨道交通、尾矿、大坝工程的安全监测中。就建筑基坑而言，根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)表4.2.1，一、二级建筑基坑，深层水平位为应测，三级建筑基坑为宜测；根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911-2013)表4.2.1，监测安全等级为一、二级，深层水平位为应测项目，监测安全等级三级为选测。因此，深层水平位移的应用广泛，是工程监测不可或缺的监测项目之一。
现有深层水平位移的测量方法分为活动式和固定式。所有的测量原理均为测量单点倾角变化，通过假定或测量某点的水平位移量，累加得到整体的水平位移，如图1，左侧竖直的为基准线，右侧的曲线为变形后曲线，阴影部分为测斜仪，计算公式为：ΔSi＝(θi-θi-1).L，其中ΔSi为深度i处水平位移变化量，θ为深度i处重复测量的倾角变化量，L为量测间隔。
因此，各类测量设备主要差别在于倾斜角度测量方法不同，现有解决方案主要有以下几种：
A倾角传感器：利用倾角传感器直接测量单点倾角变化；
B加速度计测量：测斜仪探头采用两个受力平衡的伺服加速度计测量倾斜，1个加速度计测量测斜仪测轮所在平面的倾斜，为正倾斜；另一个加速计测量与测斜仪测轮所在平面相垂直的平面的倾斜。加速度计的测斜是根据重力场投影原理进行倾角测量。
现有深层水平位移的实现，主要依靠倾角传感器及加速度计测量，倾角传感器在活动式测斜系统中，精度及稳定性受温度、振动等因素影响较大；而加速度计测量原理装置大部门为进口设备，使用成本较高。例如一种平面差分电容倾角传感器探头(CN204064291U)、一种差动液态电容倾角传感器(CN203704919U)，其技术方案中均采用多个电极和导电液实现，通过传感器倾斜时导电液流动保持液面水平的特性计算差分电容，进而计算得到倾角数据；但其技术方案在实际应用中存在严重问题，由于倾角传感器通常用于工程现场中用于监测基坑、隧道、边坡、地基等的变形程度，当出现变形时通常也可能同时对倾角传感器产生压力，可能导致导电液泄漏，另外也可能由于密封性不佳导致导电液挥发，对液位、浓度都造成一定影响，例如液位降低时倾角传感器倾斜，则一侧减小的电容与另一侧增大的电容并非线性关系，造成测量结果出现误差，降低检测精度。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种用于监测的低成本、高精度摆锤电容式测斜系统。
为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种用于监测的低成本、高精度摆锤电容式测斜方法。
本发明所采用的技术方案是：一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，包括有第一固定极板、第二固定极板、动极板、固定点和电源模块；所述动极板的顶部连接至固定点，所述动极板可以以固定点作为枢轴点往复摆动；该测斜系统竖直放置时，所述第一固定极板、第二固定极板、动极板均垂直于水平面，所述动极板在第一固定极板与第二固定极板的中间位置；所述电源模块分别在动极板与第一固定极板之间、动极板与第二固定极板之间施加相同的电压。
进一步，所述第一固定极板、第二固定极板和动极板均浸入绝缘液体中。
进一步，所述动极板的顶部通过软线连接至固定点。
进一步，所述电源模块包括有第一电源和第二电源，所述第一电源的正极与第二电源的正极均连接至动极板，所述第一电源的负极连接至第一固定极板，所述第二电源的负极连接至第二固定极板，所述第一电源和第二电源的电源电压相同。
进一步，还包括有采样电路，所述采样电路包括有第一采样模块和第二采样模块，所述第一采样模块用于采样第一固定极板与动极板之间的电容，所述第二采样模块用于采样第二固定极板与动极板之间的电容。
进一步，还包括有通信电路，所述第一采样模块的信号输出端连接至通信电路的第一信号输入端，所述第二采样模块的信号输出端连接至通信电路的第二信号输入端。
进一步，所述通信电路采用有线通信电路或无线通信电路。
本发明所采用的另一技术方案是：一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜方法，包括有以下步骤：
将第一固定极板和第二固定极板平行放置，且垂直于水平面；
将动极板顶端与一固定点连接，动极板设置于第一固定极板和第二固定极板的中间位置且平行于第一固定极板和第二固定极板，动极板可以以固定点作为枢轴点往复摆动；
分别在动极板与第一固定极板之间、动极板与第二固定极板之间施加相同的电压；
测量动极板与第一固定极板之间的电容E1以及动极板与第二固定极板之间的电容E2；
根据E1与E2的比值和倾角的关系计算得到倾角数据。
进一步，所述根据E1与E2的比值和倾角的比例关系计算得到倾角数据这一步骤，具体为：R＝K*E1/E2，其中R为倾角数据，K为校准系数。
进一步，所述动极板顶端与一固定点之间采用软线连接。
本发明的有益效果是：本发明系统通过三个电容极板相对间距随倾角的改变得到倾斜角度的具体值，系统结构简单，测量精度高；同时还可通过对动极板的软线吊装减少动极板摆动的阻力对测量精度的影响，将极板浸入绝缘液体减少震动误差、增加测量的灵敏度。
本发明的另一有益效果是：本发明方法通过三个电容极板相对间距随倾角的改变得到倾斜角度的具体值，实现方法简单，测量精度高；同时还可通过对动极板的软线吊装减少动极板摆动的阻力对测量精度的影响。
附图说明
图1为测斜原理图；
图2为本发明系统的结构示意图；
图3为本发明系统测量状态示意图；
图4为本发明方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图2，一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，包括有第一固定极板1、第二固定极板2、动极板3、固定点和电源模块；所述动极板3的顶部连接至固定点，所述动极板3可以以固定点作为枢轴点往复摆动；该测斜系统竖直放置时，所述第一固定极板1、第二固定极板2、动极板3均垂直于水平面，所述动极板3在第一固定极板1与第二固定极板2的中间位置；所述电源模块分别在动极板3与第一固定极板1之间、动极板3与第二固定极板2之间施加相同的电压。
当系统倾斜时第一固定极板1、第二固定极板2也随之倾斜，此时动极板3以固定点作为枢轴点向第二固定极板2摆动，并最终在重力作用下保持竖直，如图3所示。此时由于动极板3相对于第一固定极板1、第二固定极板2的距离不同，因此动极板3与第一固定极板1之间的电容E1、动极板3与第二固定极板2之间的电容E2不同，通过E1、E2的比例值以及倾斜角度的比例关系即可计算出倾斜角度的具体数值。
通常在批量元件中，元件之间的参数会存在一定误差，而使用高精度元件的成本又相对较高；本发明中采用摆动的电容极板，即使是轻微摆动也能造成电容极板上电荷分布的变化，从而精准取得输出电压变化并计算倾斜角度。
进一步作为优选的实施方式，所述第一固定极板1、第二固定极板2和动极板3均浸入绝缘液体中。
系统在测量过程中，可能由于动极板3的摆动造成振动误差，对测量精度造成影响，因此将第一固定极板1、第二固定极板2和动极板3均浸入绝缘液体中，通过液体阻尼减少系统中部件的振动，提高测量精度，且绝缘液体不导电，各极板均能正常工作。
进一步作为优选的实施方式，所述绝缘液体为高纯度的煤油、酒精的混合液体。
将高纯度的煤油、酒精按照一定比例混合，不仅起到绝缘作用、增加阻尼，同时由于该混合液体的介电常数较大，因此极板之间的电容值也更大，测量误差相对更小，测量精度提高。
进一步作为优选的实施方式，所述动极板的顶部通过软线连接至固定点。
首先，采用软线悬挂动极板，较少了阻力，使测量误差更小；其次，软线可采用导电材料制成，避免动极板3上设置多余的导线用于连接电源，而是直接通过导电的软线与固定点的连接处接入电源，排除另设电源线对动极板3摆动造成的影响。
参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述电源模块包括有第一电源41和第二电源42，所述第一电源41的正极与第二电源42的正极均连接至动极板3，所述第一电源41的负极连接至第一固定极板1，所述第二电源42的负极连接至第二固定极板2，所述第一电源41和第二电源42的电源电压相同。
进一步作为优选的实施方式，还包括有采样电路，所述采样电路包括有第一采样模块和第二采样模块，所述第一采样模块用于采样第一固定极板与动极板之间的电容，所述第二采样模块用于采样第二固定极板与动极板之间的电容；直接在装置中内置采样电路，从装置外部可直接获取采样数据，无需再设置额外的采样模块。
进一步作为优选的实施方式，还包括有通信电路，所述第一采样模块的信号输出端连接至通信电路的第一信号输入端，所述第二采样模块的信号输出端连接至通信电路的第二信号输入端；由于设置了通信电路，无需使用者手动处理，利于设备自动化运行。
进一步作为优选的实施方式，所述通信电路采用有线通信电路或无线通信电路；例如通过RS485总线传输数据或通过GPRS通信模块传输数据，适用于大批量使用，布置监测网。
参照图4，一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜方法，包括有以下步骤：
将第一固定极板和第二固定极板平行放置，且垂直于水平面；
将动极板顶端与一固定点连接，动极板设置于第一固定极板和第二固定极板的中间位置且平行于第一固定极板和第二固定极板，动极板可以以固定点作为枢轴点往复摆动；
分别在动极板与第一固定极板之间、动极板与第二固定极板之间施加相同的电压；
测量动极板与第一固定极板之间的电容E1以及动极板与第二固定极板之间的电容E2；
根据E1与E2的比值和倾角的关系计算得到倾角数据。
初始状态时，调整倾斜角度为零，此时动极板3位于第一固定极板1和第二固定极板2的正中间位置，E1与E2的比值为1，此时状态如图2所示。如图3所示，当发生倾斜时，第一固定极板1和第二固定极板2同时倾斜，而动极板3在重力作用下保持竖直。电容容量计算公式为：
E＝εS/4πkd，
其中，ε为介电常数，S为电容极板面积，k为静电力常量，d为电容极板之间的距离。因此如图3倾斜时，E1减小而E2增大。
进一步作为优选的实施方式，所述根据E1与E2的比值和倾角的比例关系计算得到倾角数据这一步骤，具体为：R＝K*E1/E2，其中R为倾角数据，K为校准系数。
进一步作为优选的实施方式，所述动极板顶端与一固定点之间采用软线连接。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：包括有第一固定极板、第二固定极板、动极板、固定点和电源模块；所述动极板的顶部连接至固定点，所述动极板可以以固定点作为枢轴点往复摆动；该测斜系统竖直放置时，所述第一固定极板、第二固定极板、动极板均垂直于水平面，所述动极板在第一固定极板与第二固定极板的中间位置；所述电源模块分别在动极板与第一固定极板之间、动极板与第二固定极板之间施加相同的电压。
2.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：所述第一固定极板、第二固定极板和动极板均浸入绝缘液体中。
3.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：所述动极板的顶部通过软线连接至固定点。
4.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：所述电源模块包括有第一电源和第二电源，所述第一电源的正极与第二电源的正极均连接至动极板，所述第一电源的负极连接至第一固定极板，所述第二电源的负极连接至第二固定极板，所述第一电源和第二电源的电源电压相同。
5.根据权利要求1所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：还包括有采样电路，所述采样电路包括有第一采样模块和第二采样模块，所述第一采样模块用于采样第一固定极板与动极板之间的电容，所述第二采样模块用于采样第二固定极板与动极板之间的电容。
6.根据权利要求5所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：还包括有通信电路，所述第一采样模块的信号输出端连接至通信电路的第一信号输入端，所述第二采样模块的信号输出端连接至通信电路的第二信号输入端。
7.根据权利要求6所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜系统，其特征在于：所述通信电路采用有线通信电路或无线通信电路。
8.一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜方法，其特征在于，包括有以下步骤：
将第一固定极板和第二固定极板平行放置，且垂直于水平面；
将动极板顶端与一固定点连接，动极板设置于第一固定极板和第二固定极板的中间位置且平行于第一固定极板和第二固定极板，动极板可以以固定点作为枢轴点往复摆动；
分别在动极板与第一固定极板之间、动极板与第二固定极板之间施加相同的电压；
测量动极板与第一固定极板之间的电容E1以及动极板与第二固定极板之间的电容E2；
根据E1与E2的比值和倾角的关系计算得到倾角数据。
9.根据权利要求8所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜方法，其特征在于：所述根据E1与E2的比值和倾角的比例关系计算得到倾角数据这一步骤，具体为：R＝K*E1/E2，其中R为倾角数据，K为校准系数。
10.根据权利要求8所述的一种用于监测的高精度摆锤电容式测斜方法，其特征在于：所述动极板顶端与一固定点之间采用软线连接。
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