CN108680138A - 软土地基路基大变形沉降自动监测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及软土地基路基大变形沉降自动监测系统及其方法，系统包括传感器、数据采集处理模块、通信模块和PC机；传感器为用于测量测定点位置液体压强的硅压阻传感器；传感器接入数据采集处理模块，数据采集处理模块基于互联网、GPRS或卫星通过通信模块与PC机通信。系统中，PC机将测试传感器对应的深度与基准传感器对应的深度进行对比，得到测试传感器测定点的沉降量，具有高精度、宽温度范围、无线数字式输出、低功耗、高可靠性的特点，能满足软土地基路基大变形沉降监测要求，可多层、多点布置，能长期全天候的监测，克服现有变形监测传感器量程偏小及路面施工完成后不宜继续进行路基沉降监测的缺陷。

Description

软土地基路基大变形沉降自动监测系统及其方法

技术领域

本发明涉及道路工程技术和电子信息及自动化领域，具体涉及一种软土地基路基大变形沉降自动监测系统及其方法。

背景技术

软土地基路基沉降监测是路基稳定和工程质量控制的一项重要措施。通过系统连续的沉降观测及分析，掌握路基沉降趋势，控制填筑速率确保路基稳定性，确定超载预压强度、卸载和路面施工时间，预测地基固结度，并为沉降土方增量的计量提供依据等。

目前，国内外常采用的软土地基路基沉降监测方法是沉降板法(沉降板的形式有接杆式、套筒式、水杯式等)，该方法工艺费工、费时，观测精度不高且常与施工机械相互干扰，观测精度受人为因素影响大。市场上现使用的路基沉降监测传感器往往量程较小，大部分几十公分，满足不了软土地基路基的大变形沉降监测(达到1m以上)。最新发展的GPS技术监测路基沉降只能监测到地表的沉降量，不能测量路基内部不同分层沉降状况。综上所述，现有监测技术难以满足软土地区公路建设快速发展的要求，所以改进沉降监测方法是实际工程中一项迫切需要解决的问题。

因此，开发研制高精度、大量程、体积小、不干扰施工和交通、能实现远程监测与管理，能适用于恶劣自然环境下的软土地基路基总沉降和分层沉降实时监测的路基沉降自动监测系统，能解决目前软土地基路基沉降监测费工、费时、监测设备与施工机械相互干扰等问题，提高监测精度，减小工作量和劳动强度。

发明内容

本发明的目的是提供一种软土地基路基大变形沉降自动监测系统及其方法，解决软土地基路基沉降远程监测与管理，实现多层、多点自动监测路基沉降和实时远程显示监测信息并可利用监测信息进行路基沉降预测。。

本发明所采用的技术方案为：

软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

包括传感器、数据采集处理模块、通信模块和PC机；

传感器为用于测量测定点位置液体压强的硅压阻传感器；

传感器接入数据采集处理模块，数据采集处理模块基于互联网、GPRS或卫星通过通信模块与PC机通信。

所述传感器包括一个基准传感器和多个测试传感器，多层多点埋设。

数据采集处理模块的型号为MSP430F2013，包括A/D转换模块、微处理器和存储单元。

传感器、数据采集处理模块、通信模块均与电源模块连接。

传感器安装有电容式压力变送器。

数据采集处理模块包括U盘接口芯片。

软土地基路基大变形沉降自动监测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

基准传感器和测试传感器采集测定点位置压强的模拟电压信号；

数据采集处理模块接收模拟电压信号，转化为数字信号后存储和发送；

数字信号基于互联网、GPRS或卫星通过通信模块发送到PC机；

PC机将测试传感器对应的深度与基准传感器对应的深度进行对比，得到测试传感器测定点的沉降量。

本发明具有以下优点：

本发明具有高精度、宽温度范围、无线数字式输出、低功耗、高可靠性的特点，能满足软土地基路基大变形沉降监测要求；测量安装方便且不干扰施工和交通，测量准确，能在恶劣的自然环境下工作；可多层、多点布置，能长期全天候的监测；能实现远程监测，无须人工干预。克服现有技术存在的投入大量人力物力、干扰工程施工且受工程施工干扰的弊端；克服现有变形监测传感器量程偏小及路面施工完成后不宜继续进行路基沉降监测的缺陷。具体具有以下优势：

(1)仪器体积小、量程大、精度高、安装方便、测量准确，不干扰施工及交通；

(2)可实现多层、多点布设；

(3)长期、全天候、实时监测；

(4)自动化多点数据获取；

(5)先进的无线网络，实现远程监控与管理；

(6)实时显示监测信息，并可利用已有数据进行路基沉降预测；

(7)除了适用于普通气候下公路工程建设中对软土地基路基沉降的实时监测以外，也适合于高寒地带的公路工程建设中对路基沉降的实时监测。

附图说明

图1为监测系统沉降测量原理图。

图2为监测系统结构框图。

图3为路基沉降无线监测系统工作原理流程图。

图4为大变形沉降实验监测结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

1.监测系统工作原理：

软土地基路基大变形沉降自动监测系统基准传感器位于液体的某处深度，液体的压强致使传感器产生了输出电压值，该电压值反映了传感器所受到的压强，也反映了传感器所在位置的液体深度。当某个待测传感器在连通的液体另一处深度时，同理，它的电压值也反映了它所在处所受到的液体压强和它所在处的液体深度。待测传感器所在处的液体深度和基准传感器液体深度比较以后，便可以得到待测传感器相对于基准传感器的沉降量了。路基沉降量测量原理如图1所示。

2.监测系统组成结构：

软土地基路基大变形沉降自动监测系统的硬件部分由传感器、数据采集处理模块、通信模块、电源模块和PC机组成。图2是系统的结构示意图。

路基沉降的整个测量过程如图3所示。数据采集处理模块用来接收传感器输出的模拟电压信号，把电压信号转化为数字信号，以便于数据的存储和发送。数据的远程无线传输，使用了移动GPRS短信息服务。GPRS功能模块完成沉降数据短信息的发送。用变压器把市电转化为12/5V的直流电或使用12V蓄电池，然后通过分压电源芯片给数据采集处理模块供电。

3.监测系统硬件：

(1)传感器

采用硅压阻传感器把液位的高度转化为相应的电压量。选择了CYB系列压力0.2等级的变送器，主要参数：量程：0~50KPa；非线性、迟滞、重复性：≤0.2%FS；零点温漂：≤0.2%FS/4h。由于硅压阻式传感器输出信号较弱，需要变送器将输出信号直接转化为标准信号，该系统采用电容式压力变送器，具有独特的检测电路测电容的微小变化，并进行线性处理和温度自动补偿的功能。同时，该系统将压力变送器信号滤波、整形和放大进行自行设计，将0~5m大变形路基监测的信号转换成0~5V的电压信号输出，满足了监测软土地基路基大变形沉降的需求。

(2)数据采集处理模块

数据采集处理模块包含有A/D转换，微处理器，存储单元。存储单元把各个时段测量的数据存储起来，监测人员可隔一段时间用U盘把存储的数据取走。综合考虑成本和节能因素，选择的单片机为MSP430F2013，U盘接口芯片使用了CH376。

(3)通信模块（无线收、发模块）

数据的远程无线传输，使用了移动/联通/电信等的短信息服务，能实现GPRS功能的芯片选择的是西门子的MC35。为提高系统的精度和适应较长距离的传输，该系统采用高强度的多芯双绞屏蔽线进行传输，除了提高系统的精度和避免内部之间和外部的干扰外，还能适应长距离的传输，满足在沉降监测过程中大变形沉降拉伸的高强度要求。

(4)电源模块

电源模块考虑使用220V市电的情况。先用变压器把市电转化为12/5V的直流电，然后通过电源芯片把5V的电压分压分别给CH376和MSP430F2013供电。该系统是基于MSP430系列单片机进行开发的硬件电路，实现对大变形路基监测信息的采集。其突出特点在于实现系统的低功耗特性，使得系统能够更好的进行长期自动监测。

4.监测系统实验测试

(1)精度测试

监测系统精度测试结果见表1。结果表明，测试结果在设计的0.5%FS的范围之内，精度达到设计要求。

(2)传输线长度与信号衰减关系测试

监测系统传输线长度与信号衰减关系测试结果见表2。结果说明，传输线长度对信号衰减的影响并不明显。

(3)大变形沉降量测试

采取人工改变观测点位移传感器和基准点传感器高差的方式，使其产生大变形。测量结果见图4所示。图4中蓝色线表示人工测量沉降值，红色线为路基沉降自动监测系统测量的沉降值，灰色线为观测点传感器位移测量值，绿色线为基准点传感器位移测量值。从中可以看出，在室内对路基自动监测系统进行测试，由于环境和气象的因素都是不变的，所以沉降监测结果是十分理想的，测量点和基准点测量得到的监测沉降差值与人工手动测量的沉降值曲线几乎重合。

本发明的技术方案具有以下特点：

1、本发明硬件由传感器、数据采集处理模块、通讯模块、电源模块和PC机组成，软件包括数据采集处理、通讯和电源管理的单片机程序和监测数据处理和沉降预测程序。设备最大量程为5000mm，测量精度为1/1000，温度范围为-40~60℃，可多层、多点布设，能监测软土地基路基分层沉降和总沉降。

2、采用硅压阻传感器把液位的高度转化为相应的电压量，并安装有电容式压力变送器，能检测电路测电容的微小变化并进行线性处理和温度自动补偿，可将监测的0~5m大变形信号转换成0~5V的电压信号输出，能满足监测软土地基路基大变形沉降的需求。

3、采用高强度的多芯双绞屏蔽线进行数据的传输，有效避免内部之间和外部的干扰，能适应长距离的传输，提高监测精度，满足在沉降监测过程中大变形沉降拉伸的高强度要求。

4、基于MSP430系列单片机进行硬件电路开发，实现系统的低功耗特性，使得系统能够更好的进行长期自动监测。

经试验路使用验证，路基沉降无线监测系统同目前路基沉降监测中常用观测设施相比，具有不干扰施工和交通，长期、全天候、实时监测，自动化多点数据获取，远程监测与管理等优点，能对不同条件下的路基沉降进行实时监测，具有良好的应用价值。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

包括传感器、数据采集处理模块、通信模块和PC机；

传感器为用于测量测定点位置液体压强的硅压阻传感器；

传感器接入数据采集处理模块，数据采集处理模块基于互联网、GPRS或卫星通过通信模块与PC机通信。

2.根据权利要求1所述的软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

所述传感器包括一个基准传感器和多个测试传感器，多层多点埋设。

3.根据权利要求1所述的软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

数据采集处理模块的型号为MSP430F2013，包括A/D转换模块、微处理器和存储单元。

4.根据权利要求1所述的软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

传感器、数据采集处理模块、通信模块均与电源模块连接。

5.根据权利要求1所述的软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

传感器安装有电容式压力变送器。

6.根据权利要求1所述的软土地基路基大变形沉降自动监测系统，其特征在于：

数据采集处理模块包括U盘接口芯片。

7.软土地基路基大变形沉降自动监测方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

基准传感器和测试传感器采集测定点位置压强的模拟电压信号；

数据采集处理模块接收模拟电压信号，转化为数字信号后存储和发送；

数字信号基于互联网、GPRS或卫星通过通信模块发送到PC机；

PC机将测试传感器对应的深度与基准传感器对应的深度进行对比，得到测试传感器测定点的沉降量。