CN109883395B - 一种自动测斜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自动测斜装置。所述装置包括：竖直安装的测斜管，固定在测斜管上端口的防水罩内的数据传输单元，贯穿测斜管且上端固定的钢丝绳，以钢丝绳为轴心的小滑车。数据传输单元包括第一微处理器、无线通信模块及天线、供电模块和第一I/O连接件。小滑车包括第二I/O连接件、第一导轮机构、爬行机构、电池模块、测量单元和第二导轮机构。爬行机构用于驱动小滑车沿钢丝绳运动。测量单元主要包括第二微处理器、存储器和加速度传感器。本发明能够实现自动测斜，而且可以任意选择测点，通过减小测点之间的距离增加测点数量，可以提高测斜精度；解决了现有技术采用电缆进行数据传输存在的布线难度大、信号衰减严重等问题。
Description
技术领域
本发明涉及自然斜坡、人工边坡等岩土体内倾斜位移监测技术领域，以及大坝、码头、桥基、桥台、挡土墙等建(构)物内部斜度监测技术领域，具体涉及一种自动测斜装置。
背景技术
对于岩土体/建(构)筑物倾斜位移监测，传统的测量方法常采用滑动式测斜仪和固定式测斜仪来监测边坡深部变形。滑动式测斜仪则是在钻孔内沉入测斜管，利用手拉滑动式测斜仪在测斜管导轨上下定长定点测量钻孔内部倾斜位移。固定式测斜仪将测斜传感器沿导向槽固定布设于测斜管不同高程部位，根据各传感器测量到的倾斜角度以及传感器之间的标距长度，累加计算被测区域倾斜位移沿深度的变化曲线。然而，滑动式测斜仪和固定式测斜仪都有自身的缺陷：滑动式测斜仪需要测量人员现场采集数据，不能实施自动化遥测，实效性差；固定式测斜仪因测斜传感器价格不菲，同一钻孔安装数量有限，从而无法精确获得被测区域倾斜位移-深度曲线。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种自动测斜装置。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自动测斜装置，包括：竖直安装的测斜管，固定在测斜管上端口的防水罩内的数据传输单元，贯穿测斜管且上端固定的钢丝绳，以钢丝绳为轴心的小滑车。数据传输单元包括第一微处理器以及与第一微处理器电连接的无线通信模块及天线、供电模块和第一I/O连接件。小滑车包括自上而下排列的第二I/O连接件、其滚轮卡在测斜管导槽内的第一导轮机构、爬行机构、电池模块、测量单元和其滚轮卡在测斜管导槽内的第二导轮机构。爬行机构主要包括第一步进电机和第一齿轮机构，用于驱动小滑车沿钢丝绳运动。测量单元主要包括第二微处理器、存储器和加速度传感器，存储器、加速度传感器、第一步进电机和第二I/O连接件均与第二微处理器电连接。第二I/O连接件的一端固定在第一导轮机构的上端，进行测量时小滑车下行，第二I/O连接件与第一I/O连接件分开；测量完毕，小滑车上行至第二I/O连接件与第一I/O连接件可靠对接，第二微处理器将加速度传感器的测量数据发送给第一微处理器，并由无线通信模块上传。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过设置能够在测斜管内上下滑动的小滑车、数据传输单元、安装在小滑车上的测量单元，能够实现自动测斜，而且可以任意选择测点，相对现有的测点距离固定的测量方法，通过减小测点之间的距离、增加测点数量，可以提高测斜精度；通过在数据传输单元和测量单元分别设置第一I/O连接件和第二I/O连接件，能够实现无线测量，解决了现有技术采用电缆进行数据传输存在的布线难度大、信号衰减严重等问题。
附图说明
图1为自动测斜装置的总体结构示意图；
图2为小滑车的结构示意图；
图3为爬行机构的结构示意图；
图4为旋转机构的结构示意图；
图5为障碍物感知模块的结构示意图；
图6为数据传输单元的组成框图；
图7为测量单元的组成框图。
图中：1-测斜管，11-钢丝绳，2-防水罩，21-数据传输单元，211-第一微处理器，212-无线通信模块，213-天线，214-供电模块，215-第一I/O连接件，3-小滑车，31-第二I/O连接件，32-第一导轮机构，33-爬行机构，331-第一步进电机，332-第一齿轮机构，34-电池模块，35-测量单元，351-第二微处理器，352-加速度传感器，353-罗盘，36-第二导轮机构，37-障碍物感知模块，371-探头，372-导柱，373-弹簧，374-磁铁，375-磁敏开关，4-旋转机构，41-第二步进电机，42-电机架，43-第二齿轮机构，44-导向管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例一种的自动测斜装置，如图1～7所示，包括：竖直安装的测斜管1，固定在测斜管1上端口的防水罩2内的数据传输单元21，贯穿测斜管1且上端固定的钢丝绳11，以钢丝绳11为轴心的小滑车3。数据传输单元21包括第一微处理器211以及与第一微处理器211电连接的无线通信模块212及天线213、供电模块214和第一I/O连接件215。小滑车3包括自上而下排列的第二I/O连接件31、其滚轮卡在测斜管1导槽内的第一导轮机构32、爬行机构33、电池模块34、测量单元35和其滚轮卡在测斜管1导槽内的第二导轮机构36。爬行机构33主要包括第一步进电机331和第一齿轮机构332，用于驱动小滑车3沿钢丝绳11运动。测量单元35主要包括第二微处理器351、存储器和加速度传感器352，存储器、加速度传感器352、第一步进电机331和第二I/O连接件31均与第二微处理器351电连接。第二I/O连接件31的一端固定在第一导轮机构32的上端，进行测量时小滑车3下行，第二I/O连接件31与第一I/O连接件215分开；测量完毕，小滑车3上行至第二I/O连接件31与第一I/O连接件215可靠对接，第二微处理器351将加速度传感器352的测量数据发送给第一微处理器211，并由无线通信模块212上传。
在本实施例中，所述装置主要由能够在测斜管1内自动滑动的小滑车3、数据传输单元21和安装在小滑车3上的测量单元35组成。如图1所示。测斜管1的内部空腔为测斜装置提供一个自由的测量空间。在多数应用场景测斜管1竖直安装，本实施例就是如此，测量时小滑车3可在测斜管1内上下运动。小滑车3主要由第一导轮机构32、爬行机构33、电池模块34、测量单元35和第二导轮机构36组成。如图2所示。小滑车3运动时，两个导轮机构的滚轮均在测斜管1导槽内滚动。爬行机构33为小滑车3提供动力，主要由第一步进电机331和第一齿轮机构332组成。如图3所示。第一步进电机331转动时带动第一齿轮机构332使夹滚压紧贯穿测斜管1的钢丝绳11，使小滑车3沿钢丝绳11运动。图2中虽然只画了一个爬行机构33，但并不限于一个爬行机构33，爬行机构33的数量视应用场景的具体需求而定。比如，当测斜管1水平安装时(用于测量沉降)，就要设置两个爬行机构33，分别提供两个不同方向的驱动力。本实施例小滑车3下行时可以自身重量为动力，因此可以只设置一个爬行机构33。电池模块34用于为爬行机构33和测量单元35提供电源。测量单元35是所述装置的核心部件，主要由第二微处理器351、存储器和加速度传感器352组成，当然也应该包括第二I/O连接件31。如图7所示。加速度传感器352用于测量不同方向的加速度分量，根据不同方向的加速度分量可以计算位移偏量从而得到被测物的倾斜程度。存储器用于存储测量数据。第二微处理器351用于进行数据处理和控制爬行机构33中的第一步进电机331。爬行机构33采用步进电机提供动力而不采用一般的交直流电机，主要是为了提高位移测量精度，也就是精确控制测点位置。步进电机中设有编码器(如光栅编码器)，每转动一个步距输出一个脉冲，根据输出的脉冲个数可以精确计算小滑车3的位移。因此，本申请可以在软件控制下自由选择测点，相邻测点的距离可以很小，相对现有的测点距离固定(一般为50厘米或100厘米)的测量方法，可以大大提高测量精度。数据传输单元21主要由第一微处理器211、无线通信模块212及天线213、供电模块214和第一I/O连接件215组成。如图6所示。第一I/O连接件215和第二I/O等效于一组插头/座套件，借助机械力对接和分离。第一I/O连接件215通过与测量单元35的第二I/O连接件31配合，实现测量单元35与数据传输单元21之间的数据传输。开始测量后，小滑车3下行，第二I/O连接件31与第一I/O连接件215分开；测量完毕，小滑车3上行至第二I/O连接件31与第一I/O连接件215可靠对接，在第二微处理器351控制下，将保存在存储器中的测量数据传输至第一微处理器211，并由无线通信模块212无线上传至远程终端。这种结构设计，可以使测量单元35不必采用电缆进行数据传输，能够解决现有技术采用电缆进行数据传输存在的布线难度大、信号衰减严重(电缆越长信号衰减越严重)等问题。
作为一种可选实施例，所述测量单元35还包括与第二微处理器351电连接的罗盘353，用于测量测斜管1导槽因扭曲引起的角度偏差，所述角度偏差用于对加速度传感器352的测量数据进行校准。
在测斜管1的安装和使用过程中，有可能因外力作用使测斜管1导槽扭曲变形，这样就会使沿导槽滑动的小滑车3的方向改变，从而影响测量精度。为了消除因测斜管1导槽扭曲变形造成的误差，本实施例在测量单元35设置一个用于测量导槽偏角的罗盘353，根据导槽偏角对测量数据进行校准。例如，如果罗盘353测得的角度为α，测量单元35测得的角度为β，则校准后的角度为tan-1{sinβ/(cosβ*cosα)}。
作为一种可选实施例，所述装置还包括带动小滑车3使测量单元35旋转180度的旋转机构4。
在本实施例中，设置一个能够带动小滑车3旋转180度的旋转机构4，目的是使测量单元35在每个测点可以同时进行正反两个方向的测量，通过对正反两个方向的测量数据取平均值作为该点测量数据，可以消除测量单元35的零点偏置误差。
作为一种可选实施例，所述旋转机构4包括与防水罩2一体的导向管44、电机架42、与第一微处理器211电连接的第二步进电机41、第二齿轮机构43。
本实施例给出了实现旋转机构4的一种技术方案。如图4所示。旋转机构4主要由与防水罩2一体的导向管44、电机架42、第二步进电机41及第二齿轮机构43组成。第二步进电机41在第一微处理器211的控制下，通过第二齿轮机构43带动导向管44和小滑车3转过180度。
作为一种可选实施例，所述装置还包括安装在第二导轮机构36下端主要由探头371、导柱372、弹簧373、磁铁374和磁敏开关375组成的障碍物感知模块37。磁敏开关375与第二微处理器351电连接。
在测斜管1的安装过程或测量过程中，测斜管1中有可能会进入杂物从而阻碍小滑车3的正常运动。为此，本实施例在第二导轮机构36下端设置了一个障碍物感知模块37，能够自动探测进入测斜管1中的障碍物。如图5所示。障碍物感知模块37主要由探头371、导柱372、弹簧373、磁铁374和磁敏开关375组成。当小滑车3接近障碍物时，探头371被障碍物挤压使导柱372推动磁铁374接近磁敏开关375，磁敏开关375闭合向第二微处理器351发出(报警)信号。第二微处理器351收到所述信号后，控制爬行机构33带动小滑车3离开障碍物；探头371离开障碍物后，在弹簧373作用下磁铁374远离磁敏开关375，磁敏开关375断开。
作为一种可选实施例，所述装置还包括安装在第一导轮机构32上端与第二微处理器351电连接的零点开关。
在本实施例中，为了避免位移误差积累(通过统计第一步进电机331编码器的输出脉冲个数测量位移)，在机械零点位置设置一个零点开关。机械零点就在第一I/O连接件215与第二I/O连接件31对接的位置，小滑车3到达机械零点时，零点开关被触发、闭合，向第二微处理器351发出信号；第二微处理器351对位移数据进行清零。
作为一种可选实施例，所述加速度传感器352为三轴加速度传感器352，第二微处理器351按照下式计算每个测点X、Y方向的倾斜位移：
式中，分别为第j个测点在X、Y方向的位移，L1为第1个测点与零点的距离，Li为第i个测点与第i-1个测点的距离，/>和/>分别为加速度传感器352在第i个测点测得的X、Y、Z方向的加速度值，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，N为测点数量。
在本实施例中，加速度传感器352为三轴加速度传感器352，可以同时测量X、Y、Z三个方向的加速度值。与传统的单轴或两轴倾角传感器解算倾斜位移方式不同，本实施例不仅可以解算水平面X、Y两个方向的倾斜位移(由倾斜引起的位移)，而且能够准确确定倾斜方向。求解X、Y两个方向的倾斜位移的公式如上式，根据该公式可知，倾斜位移测量误差的大小与相邻两个测点之间的距离Li密切相关，Li越大，误差也越大。因此，通过减小相邻两个测点之间的距离可以提高测量精度。
上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所做出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种自动测斜装置，其特征在于，包括：竖直安装的测斜管，固定在测斜管上端口的防水罩内的数据传输单元，贯穿测斜管且上端固定的钢丝绳，以钢丝绳为轴心的小滑车；数据传输单元包括第一微处理器以及与第一微处理器电连接的无线通信模块及天线、供电模块和第一I/O连接件；小滑车包括自上而下排列的第二I/O连接件、其滚轮卡在测斜管导槽内的第一导轮机构、爬行机构、电池模块、测量单元和其滚轮卡在测斜管导槽内的第二导轮机构；爬行机构主要包括第一步进电机和第一齿轮机构，用于驱动小滑车沿钢丝绳运动；测量单元主要包括第二微处理器、存储器和加速度传感器，存储器、加速度传感器、第一步进电机和第二I/O连接件均与第二微处理器电连接；第二I/O连接件的一端固定在第一导轮机构的上端，进行测量时小滑车下行，第二I/O连接件与第一I/O连接件分开；测量完毕，小滑车上行至第二I/O连接件与第一I/O连接件可靠对接，第二微处理器将加速度传感器的测量数据发送给第一微处理器，并由无线通信模块上传；所述加速度传感器为三轴加速度传感器，第二微处理器基于三轴加速度传感器输出的三个方向的加速度计算每个测点在X、Y方向的倾斜位移，公式如下：
式中，分别为第j个测点在X、Y方向的位移，L1为第1个测点与零点的距离，Li为第i个测点与第i-1个测点的距离，/>和/>分别为加速度传感器在第i个测点测得的X、Y、Z方向的加速度值，i＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，N为测点数量。
2.根据权利要求1所述的自动测斜装置，其特征在于，所述测量单元还包括与第二微处理器电连接的罗盘，用于测量测斜管导槽因扭曲引起的角度偏差，所述角度偏差用于对加速度传感器的测量数据进行校准，校准后的角度为：
β′＝tan-1{(sinβ/(cosβ*cosα)}
式中，α为罗盘测得的角度，β为测量单元测得的角度，β′为校准后的角度。
3.根据权利要求1所述的自动测斜装置，其特征在于，所述装置还包括带动小滑车使测量单元旋转180度的旋转机构，用于使测量单元通过在每个测点同时进行相差180度的正反两个方向的测量，并对正反两个方向的测量数据取平均值作为测点的测量数据，来消除零点偏置误差。
4.根据权利要求3所述的自动测斜装置，其特征在于，所述旋转机构包括与防水罩一体的导向管、电机架、与第一微处理器电连接的第二步进电机、第二齿轮机构。
5.根据权利要求1所述的自动测斜装置，其特征在于，所述装置还包括安装在第二导轮机构下端主要由探头、导柱、弹簧、磁铁和磁敏开关组成的障碍物感知模块；磁敏开关与第二微处理器电连接。
6.根据权利要求1所述的自动测斜装置，其特征在于，所述装置还包括安装在第一导轮机构上端与第二微处理器电连接的零点开关，小滑车到达机械零点时零点开关被触发、闭合，向第二微处理器发出信号，第二微处理器对位移数据进行清零。
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