CN107830837B - 一种分层沉降自动化测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分层沉降自动化测量装置及其测量方法，包括沉降管、位于沉降管外侧的若干电磁感应磁环、线缆测尺、位于线缆测尺头部的电磁感应测头，其特征在于，还包括测量控制箱、同步电机、通过联轴器与同步电机连接的变速箱、与变速箱连接的绕线盘，线缆测尺盘绕在绕线盘上，绕线盘下侧安装有导向轮，导向轮上连接旋转编码器；所述测量控制箱包括测量控制模块、电机控制模块和电源。本发明能够实现高频次定时自动化测量、测量精度高、能够实现无人操作自动化测量，大幅减少人力资源的投入，结构简单，运动机构数量较少，投入成本较低，经济性较好。

Description

一种分层沉降自动化测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及沉降测量技术领域，具体涉及一种分层沉降自动化测量装置及其测量方法。

背景技术

近二十年来，我国水电工程作为国民经济的基础建设有了很大的发展。随着锦屏、二滩、三峡、糯扎渡、小湾等一批高坝大库水电站和一些高水头抽水蓄能电站高坝的兴建，对建设过程中土层沉降监测需求日益增多。

目前常规使用的分层沉降测量装置是人工式电磁沉降仪，主要包括：绕线盘、电磁探头，钢卷尺、沉降管、预先埋设在管外的磁环。通过人工操作连接在电磁探头上的内有电缆导线的带刻度的钢卷尺，当电磁探头下降到预先埋设在管外的磁环位置，电磁沉降仪内蜂鸣器会发出鸣声，此时由钢卷尺的刻度值可以确定磁环沿沉降管轴向的变形，从而计算出各个监测土层的沉降变化情况。

目前常规使用的人工式电磁沉降仪主要存在以下缺点：

1.当观测点数量多、观测孔深度深时，观测人员劳动强度大：在工程施工当观测点数量较多时，观测人员需要在各测点间往返奔波进行工作；当观测孔深度较深时，电磁沉降仪的测量电缆长度也相应增加，导致测量仪器本身重量增加，操作难度增大；电磁探头由人工转动摇把上下升降进行测量，孔深较深时操作强度也随之增大，以上情况都会造成观测人员工作劳动强度增大；

2.测量数据获得及时性较差：在工程施工中当观测点数量较多，观测孔深度较深时，各个测点的测量时间需求较长，在单位时间内可能出现无法及时完成测量的情况，从而导致数据获得及时性较差；

3.无法较好的实现高频次测量：在一些工程土体施工时期，由于施工不确定变化因素较多，对沉降监测的频次要求比较高，需要在单位时间内实现多次测量，而目前的人工测量方式由于人工、时间等因素无法较好的实现高频次测量，从而不能很好的满足工程需求；

4.无法实现长期无人值守、同时定时测量：目前的测量方式，由于主要依赖于人工操作，测量过程需要操作人员参与；不同测量点往往距离较远，需要分批、分时测量，无法各个测量点做到同时定时测量；

5.人工测量方式测量误差较大、精度较低：目前电磁沉降仪的测量方式为电磁探头感应到磁环时，蜂鸣器会发出声音，再由人工读取卷尺的刻度来确定各测点沉降环的深度。读数的准确性决定于判定发声的起始位置，测量精度与操作者的熟练程度有很大关系，以上情况会造成测量误差较大、精度较低。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种分层沉降自动化测量装置及其测量方法，解决了观测人员劳动强度大、测量数据获得及时性较差、无法较好的实现高频次测量、无法实现长期无人值守、同时定时测量、人工测量方式测量误差较大、精度较低的问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种分层沉降自动化测量装置，包括沉降管、位于沉降管外侧的若干电磁感应磁环、线缆测尺、位于线缆测尺头部的电磁感应测头，其特征在于，还包括测量控制箱、同步电机、通过联轴器与同步电机连接的变速箱、与变速箱连接的绕线盘，线缆测尺盘绕在绕线盘上，绕线盘下侧安装有导向轮，导向轮上连接旋转编码器；所述测量控制箱包括电源和与电源分别连接的测量控制模块、电机控制模块；所述测量控制模块分别连接电机控制模块、旋转编码器、线缆测尺。

前述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述沉降管的上下端各设有上限位开关和下限位开关，所述上限位开关和下限位开关分别与测量控制模块连接。

前述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述上限位开关和下限位开关为接近传感器。

前述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述测量控制模块为单片机。

前述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述旋转编码器为增量型旋转编码器。

一种分层沉降自动化测量方法，其特征是：包括步骤：

1)测量控制模块发送控制信号给电机控制模块驱动同步电机作用，通过联轴器、变速箱、线缆盘带动线缆测尺向下移动；位于线缆测尺头部的电磁感应测头下行，下限位开关检测电磁感应测头是否到达沉降管底部位置，如果已经到达底部位置，则电机停止运动；

2)电磁感应测头在底部停止一段时间稳定后，电机带动电磁感应测头上行；电磁感应测头上行起始，测量控制模块对旋转编码器的输出脉冲从0开始计数，电磁感应测头遇到电磁感应磁环后向测量控制模块送出开关信号，测量控制模块在接收到该电磁感应测头开关信号时，记录旋转编码器的脉冲数P；

3)通过测量旋转编码器输出的脉冲信号确定导向轮转动的圈数来获得磁环沉降位移的测量。

前述的一种分层沉降自动化测量方法，其特征是：所述步骤3)中磁环沉降位移的测量方法为：

设第i个磁环的坐标为：Si＝L×Pi/R，i＝1～n，n为电磁感应磁环的总数；

其中，L为导向轮周长，R为导向轮旋转一周编码器所输出的脉冲数，Pi为第i个磁环的测点处测量到的脉冲数；

则第i个磁环处沉降量为：ΔS＝Si－Siˊ；

Si为当前测量所得的第i个磁环的坐标；

Siˊ为前次测量所得的第iˊ个磁环的坐标。

本发明所达到的有益效果：

1.本发明能够实现高频次定时自动化测量：可实现即刻测量、定时测量，周期测量以及单位时间内的测量次数等，不受任何外界因素干扰，可实现测量次数、测量时间和测量数据的查询与记录，可有效实现长期测量数据的保存与记录；

2.本发明测量精度高：本发明测量方式是由测尺带动导向轮转动，导向轮转动同时带动编码器开始计数，通过测量编码器输出的脉冲信号确定导向轮转动的圈数来计算磁环的位置，该测量方式能够完全反应电磁探头的位移变化量，采用高精度增量型旋转编码器进行测量，能够保证本装置具有很高的测量精度；

3.本发明能够实现无人操作自动化测量，大幅减少人力资源的投入：本装置只需要在沉降管孔口，即可实现长期自动化测量，整个测量过程无需人工操作，可大幅减少人力资源的投入，降低工程运行成本；

4.本发明结构简单，运动机构数量较少，投入成本较低，经济性较好。

附图说明

图1是分层沉降自动化测量装置结构示意图；

图中标记的含义：1-沉降管，2-电磁感应磁环，3-电磁感应侧头，4-线缆测尺，5-绕线盘，6-导向轮，7-旋转编码器，8-变速箱，9-同步电机，10-联轴器，11-测量控制模块，12-电机控制模块，13-测量控制箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种分层沉降自动化测量装置，包括沉降管1、位于沉降管1外侧的若干电磁感应磁环2、线缆测尺4、位于线缆测尺4头部的电磁感应测头3，还包括用于发送测量控制指令的测量控制箱13、同步电机9、通过联轴器10与同步电机9连接的变速箱8、与变速箱8连接的绕线盘5，线缆测尺4盘绕在绕线盘5上，绕线盘5下侧安装有导向轮6，导向轮6上连接旋转编码器7；沉降管1的上下端各设有上限位开关和下限位开关(图中未示出)，所述上限位开关和下限位开关分别与测量控制模块11连接，用于向测量控制模块11传输限位信号。

测量控制箱13包括电源，与电源分别连接的测量控制模块11、电机控制模块12。

测量控制模块11连接电机控制模块12，用于向电机控制模块12发送启闭指令，从而启闭电机运动；测量控制模块11连接旋转编码器7，用于接收旋转编码器7的输出脉冲，对旋转编码器脉冲信号进行测量；测量控制模块11连接线缆测尺的尾部，用于接收电磁感应测头3的返回信号。

测量控制模块11采用单片机MCU作为中央处理器，外围晶体振荡器的频率为24MHz，单片机内部采用了6时钟模式，单片机选用台湾宏晶科技STC公司的ST89C516RD单片机。它内置了64K字节的FLASH存储器，可用于存储程序，1280字节的RAM，内置看门狗，有双倍速功能，4个通用的并行口，具有ISP、IAP功能。

电机控制模块12，通过信号线连接到测量模块11上，用于接收测量控制模块11发送的启闭命令从而控制同步电机运动，从而为电磁感应测头3沿沉降管1上下移动提供动力；

变速箱8，减缓机械结构运动速度，增大牵引转矩，使电磁探头能在沉降管内按要求运动。

旋转编码器7，是一种采用光电或磁电方法将轴的机械转角转换成数字或模拟电讯号输出的传感器件；利用它可以实现角度、直线位移、转速等以及其它模拟物理量的测量，当编码器轴带动光栅盘旋转时，发光元器件发出的光经光栅、狭缝后光电转换形成具有一定规律的图样，该图样经光电元件接收后形成模拟信号，再经后继电路处理后，输出电讯号。优选的，可采用高精度增量型旋转编码器，如欧姆龙的增量型E6C2-CWZ6C 1000旋转编码器，它具有以下特点：

1)防护等级为IP64，轴承罩采用橡胶制成的防水结构，可防滴、防油、在有水滴和油雾的场合也能使用；

2)增强耐轴负载特性，轴承上的径向与轴向的负载承受能力都得到了加强；

3)尺寸更加小型化；

4)采用了输出短路保护技术；

绕线盘5，同步电机9将动力传送给绕线盘5，使其能正反转动，带动测尺4及电磁感应测头3运动。

上限位开关和下限位开关：提供电磁探头到达沉降管1的上、下极限位置的信号，限位开关可以选用型号为日本欧姆龙E2E-X18ME1-Z接近传感器。

线缆测尺4：线缆测尺为特殊定制，内置电缆导线，一端与电磁感应测头3相连，另一端连接到测量控制模块11。通过线缆测尺可使电磁探头实现上下运动，同时能够向测量控制模块11传输测量信号。

导向轮6：在线缆测尺4带动下，导向轮6和旋转编码器7转动，用于沉降位移测量，并保证线缆测尺单层顺利地盘绕在绕线盘5上。

实施时，首先在工程施工期进行沉降管的埋设，在各个测量高层沉降管的外侧固定沉降感应磁环，同时在沉降管最底层和最顶层安装下、上限位检测开关。

一种分层沉降自动化测量方法，测量控制模块11发送控制信号(可定时发送进行测量)给电机控制模块12驱动同步电机9作用，通过联轴器10、变速箱8、线缆盘5带动线缆测尺4向下移动；位于线缆测尺4头部的电磁感应测头3下行，下限位开关检测电磁感应测头3是否到达沉降管底部位置，如果已经到达底部位置，则电机9停止运动。电磁感应测头3在底部停止一段时间稳定后，电机9带动电磁感应测头3上行。电磁感应测头3上行起始，测量控制模块11对旋转编码器7的输出脉冲从0开始计数，电磁感应测头3遇到电磁感应磁环2后向测量控制模块11送出开关信号，测量控制模块11在接收到该电磁探头开关信号时，统计旋转编码器的脉冲数P。

通过测量编码器输出的脉冲信号确定导向轮转动的圈数来获得磁环沉降位移的测量，具体计算过程为：

第i个磁环的坐标为：Si＝L×Pi/R，i＝1～n，n为电磁感应磁环2的总数。

其中，L为导向轮周长，R为导向轮旋转一周编码器所输出的脉冲数，Pi为第i个磁环的测点处测量到的脉冲数。

则第i个磁环处沉降量为：ΔS＝Si－Siˊ；

Si：本次测量所得的第i个磁环的坐标；

Siˊ：前次测量所得的第iˊ个磁环的坐标；

当电磁探头检测到设定数量的感应磁环或旋转编码器检测传感器上行距离达到设定值，或上限位开关检测到电磁探头后，电机停止运动，完成沉降测量过程。测量控制器保存本次沉降测量数据，根据不同时期的测量结果进行比对，即可计算出各个测点沉降位移变化。

本发明具有如下优点：

1.本发明能够实现高频次定时自动化测量：可实现即刻测量、定时测量，周期测量以及单位时间内的测量次数等，不受任何外界因素干扰，可实现测量次数、测量时间和测量数据的查询与记录，可有效实现长期测量数据的保存与记录；

2.本发明测量精度高：本发明测量方式是由测尺带动导向轮转动，导向轮转动同时带动编码器开始计数，通过测量编码器输出的脉冲信号确定导向轮转动的圈数来计算磁环的位置，该测量方式能够完全反应电磁探头的位移变化量，采用高精度光电式旋转编码器进行测量，能够保证本装置具有很高的测量精度；

3.本发明能够实现无人操作自动化测量，大幅减少人力资源的投入：本装置只需要在沉降管孔口，即可实现长期自动化测量，整个测量过程无需人工操作，可大幅减少人力资源的投入，降低工程运行成本；

4.本发明结构简单，运动机构数量较少，投入成本较低，经济性较好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分层沉降自动化测量装置，包括沉降管、位于沉降管外侧的若干电磁感应磁环、线缆测尺、位于线缆测尺头部的电磁感应测头，其特征在于，还包括测量控制箱、同步电机、通过联轴器与同步电机连接的变速箱、与变速箱连接的绕线盘，线缆测尺盘绕在绕线盘上，绕线盘下侧安装有导向轮，导向轮上连接旋转编码器；所述测量控制箱包括电源和与电源分别连接的测量控制模块、电机控制模块；所述测量控制模块分别连接电机控制模块、旋转编码器、线缆测尺；

所述沉降管的上下端各设有上限位开关和下限位开关，所述上限位开关和下限位开关分别与测量控制模块连接；

分层沉降自动化测量装置的测量方法包括步骤：

1)测量控制模块发送控制信号给电机控制模块驱动同步电机作用，通过联轴器、变速箱、线缆盘带动线缆测尺向下移动；位于线缆测尺头部的电磁感应测头下行，下限位开关检测电磁感应测头是否到达沉降管底部位置，如果已经到达底部位置，则电机停止运动；

2)电磁感应测头在底部停止一段时间稳定后，电机带动电磁感应测头上行；电磁感应测头上行起始，测量控制模块对旋转编码器的输出脉冲从0开始计数，电磁感应测头遇到电磁感应磁环后向测量控制模块送出开关信号，测量控制模块在接收到该电磁感应测头开关信号时，记录旋转编码器的脉冲数P；

3)通过测量旋转编码器输出的脉冲信号确定导向轮转动的圈数来获得磁环沉降位移的测量；

所述步骤3)中磁环沉降位移的测量方法为：

设第i个磁环的坐标为：Si＝L×Pi/R，i＝1～n，n为电磁感应磁环的总数；

其中，L为导向轮周长，R为导向轮旋转一周编码器所输出的脉冲数，Pi为第i个磁环的测点处测量到的脉冲数；

则第i个磁环处沉降量为：ΔS＝Si－Siˊ；

Si为当前测量所得的第i个磁环的坐标；

Siˊ为前次测量所得的第i个磁环的坐标。

2.根据权利要求1所述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述上限位开关和下限位开关为接近传感器。

3.根据权利要求1所述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述测量控制模块为单片机。

4.根据权利要求1所述的一种分层沉降自动化测量装置，其特征是：所述旋转编码器为增量型旋转编码器。

5.一种分层沉降自动化测量方法，其特征是：包括步骤：

1)测量控制模块发送控制信号给电机控制模块驱动同步电机作用，通过联轴器、变速箱、线缆盘带动线缆测尺向下移动；位于线缆测尺头部的电磁感应测头下行，下限位开关检测电磁感应测头是否到达沉降管底部位置，如果已经到达底部位置，则电机停止运动；

2)电磁感应测头在底部停止一段时间稳定后，电机带动电磁感应测头上行；电磁感应测头上行起始，测量控制模块对旋转编码器的输出脉冲从0开始计数，电磁感应测头遇到电磁感应磁环后向测量控制模块送出开关信号，测量控制模块在接收到该电磁感应测头开关信号时，记录旋转编码器的脉冲数P；

3)通过测量旋转编码器输出的脉冲信号确定导向轮转动的圈数来获得磁环沉降位移的测量；

所述步骤3)中磁环沉降位移的测量方法为：

设第i个磁环的坐标为：Si＝L×Pi/R，i＝1～n，n为电磁感应磁环的总数；

其中，L为导向轮周长，R为导向轮旋转一周编码器所输出的脉冲数，Pi为第i个磁环的测点处测量到的脉冲数；

则第i个磁环处沉降量为：ΔS＝Si－Siˊ；

Si为当前测量所得的第i个磁环的坐标；

Siˊ为前次测量所得的第i个磁环的坐标。

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