CN109900194B - 一种北斗定位地表位移的监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗定位地表位移的监测装置，包括底板、铰接于底板上的天线和固定于底板上的液态平衡装置；液态平衡装置包括至少两个储液管和与各储液管一一对应设置的回正弹簧；各储液管底部相连通，内部注有液体并设有能够浮于液面上的浮塞；回正弹簧的一端与天线连接，另一端与对应储液管内的浮塞保持同步运动；底板倾斜时，浮塞随液面浮动，另一端与浮塞保持同步运动的回正弹簧带动天线转动，使天线始终保持水平状态；监测装置还包括能够测量各储液管内液位变化的液位测量机构，通过各储液管内液位变化计算底板的倾斜角和定位监测点的实际位移。本发明的结构易拆装、成本低，在通电困难的户外仍可以使用，可大范围循环使用，提高监测精确度。

Description

一种北斗定位地表位移的监测装置

技术领域

本发明涉及一种北斗定位地表位移的监测装置，属于土木工程边坡监测技术领域。

背景技术

近年来，我国经济和交通运输工程快速发展，交通运输网不断向偏远山区延伸。然而，偏远山区地质条件复杂，环境险峻，极易受道路工程的影响，产生滑坡等地质灾害，造成巨大的经济损失，威胁人们的生命财产安全。因此，对较危险的边坡进行实时监测及预警，是防灾减灾的重要举措。由于山区公路边坡地形险峻、环境恶劣、人迹罕至，采用传统的监测方法，如巡护监控、设站监控和仪表监控等，会存在效率低下、精度不高、数据量少、受自然条件限制、稳定性不高等缺点，难以实现地表变形的实时监测，无法回馈现场的动态监测结果，进而可能延误防灾减灾工作的开展。

随着北斗定位技术的不断成熟，基于北斗定位技术监测边坡地表变形已逐渐为工程所采用。但北斗监测，对监测点天线的水平度要求高，施工中保持天线水平非常困难，成本高；此外，地表变形会引起监测支架倾斜，导致天线偏转，使得天线和地表产生相对位移，同时影响天线信号的发射与接收，降低了监测精度，难以满足毫米级精度的要求。现有的边坡监测装置不易实现大范围的安装使用，在不便通电的户外环境下通电困难。为解决上述技术问题，需要发明一种更经济、成本低，可实现大范围内安装使用的满足边坡地表稳定监测的需要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中北斗边坡监测天线水准度要求高，监测支架安装困难，天线指向性较差的不足，提供了一种北斗定位地表位移的监测装置，技术方案如下：

一种北斗定位地表位移的监测装置，包括底板、铰接于底板上的天线和固定于底板上的液态平衡装置；

液态平衡装置包括至少两个储液管和与各储液管一一对应设置的回正弹簧；各储液管底部相连通，内部注有液体并设有能够浮于液面上的浮塞；

回正弹簧的一端与天线连接，另一端与对应储液管内的浮塞保持同步运动；底板倾斜时，浮塞随液面浮动，另一端与浮塞保持同步运动的回正弹簧带动天线转动，使天线始终保持水平状态；

监测装置还包括能够测量各储液管内液位变化的液位测量机构，通过各储液管内液位变化计算底板的倾斜角和定位监测点的实际位移。

进一步地，液位测量机构包括直流电源、设于储液管上的金属片和能够与浮塞保持同步运动的滑动件，滑动件连接于回正弹簧上；

直流电源的一个电极与金属片的一端电连接，另一个电极与滑动件电连接，根据电路中电流的变化计算储液管内液位变化。

进一步地，储液管上开设有开孔，滑动件通过开孔与储液管中的浮塞连接。

优选地，开孔开设高度应满足，当储液管倾斜20°时，储液管中的液体不会通过开孔流出。

进一步地，滑动件由含铁材料制成，浮塞中设有磁铁，浮塞通过磁铁的磁场效应带动滑动件同步运动。

进一步地，底板包括上底板和下底板，上底板和下底板之间连接有至少三根平衡螺母，通过旋转各平衡螺母调节上底板和下底板之间的距离，保持上底板的初始位置水平。

进一步地，监测装置还包括设于定位监测点的支撑杆，底板固定于支撑杆上，支撑杆上还设有通过双孔抱箍连接的避雷针。

优选地，监测装置还包括用于为监测装置供电的光伏板，光伏板背部设有光伏板支架，光伏板支架通过D型抱箍固定于支撑杆上。

优选地，当储液管设有两个时，天线位于两储液管连线的中点上；

当储液管设有三个或以上时，各储液管呈正多边形分布，天线位于正多边形的中心。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明的结构易拆装、成本低、可循环使用，在通电困难的户外仍可以通过光伏板来提供电能，能够较好地满足边坡地表稳定监测的需要，可以实现大范围的安装使用，提高监测数据的精确度。

附图说明

图1是本发明的监测装置的示意图；

图2是液态平衡装置的俯视图；

图3是图2中液态平衡装置的A-A向剖视图；

图4是液位测量机构的示意图；

图5是D型抱箍示意图；

图6是双孔抱箍示意图，(a)俯视图，(b)主视图；

图7是监测装置测量前后位置示意图；

图8是本发明实施例一(储液管为3个)的检测装置倾斜时侧面示意图；

图9是本发明实施例一(储液管为3个)的储液管位置示意图；

图10是本发明实施例二(储液管为4个)的液态平衡装置的俯视示意图；

图11是本发明实施例二(储液管为4个)的检测装置倾斜时侧面示意图；

图12是本发明实施例二(储液管为4个)的储液管位置示意图；

图中：1、固定桩，2、支撑杆，3、球铰，4、储液管，5、天线，6、光伏板，7、光伏板支架，8、D型抱箍，9、避雷针，10、双孔抱箍，11、上底板，12、下底板，13、防水箱，14、回正弹簧，15、平衡螺母，16、浮塞，17、滑动件，18、直流电源，19、滑槽，20、金属片。

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至图6所示，一种北斗定位地表位移的监测装置，包括底板、铰接于底板上的天线和固定于底板上的液态平衡装置；具体的，天线5的下部具有球铰3，天线5与球铰3刚接，球铰3与底板刚接。液态平衡装置通过胶等方式固定于上底板11上。

液态平衡装置包括至少两个储液管4和与各储液管4一一对应设置的回正弹簧14；各储液管4底部相连通，内部注有液体并设有能够浮于液面上的浮塞16；实际监测时，作为优选方式，储液管4为硬质透明塑料材质，便于观测储液管4内液面的变化情况；储液管4内的液体进行油封，防止液体挥发。

回正弹簧14的一端与天线5连接，另一端与对应储液管4内的浮塞16保持同步运动；底板倾斜时，浮塞16随液面浮动，另一端与浮塞16保持同步运动的回正弹簧14带动天线5转动，使天线5始终保持水平状态，从而提高天线5的指向性。在实际监测时，回正弹簧14优选为采用轻质低刚度钢丝材质的弹簧。

监测装置还包括能够测量各储液管4内液位变化的液位测量机构，通过各储液管4内液位变化计算底板的倾斜角和定位监测点的实际位移，提高了监测的精确度。

液位测量机构包括直流电源18、设于储液管4上的金属片20和能够与浮塞16保持同步运动的滑动件17，滑动件17连接于回正弹簧14上；具体的，储液管4外部设置滑槽19，用于放置金属片20。

直流电源18的一个电极与金属片20的一端电连接，另一个电极与滑动件17电连接，根据电路中电流的变化计算储液管4内液位变化。具体的，液位测量机构类似于滑动变阻器的通电装置，在储液管4外部滑槽19上贴金属片20或其他导电材料，将滑动件17与金属片20接触，并分别将滑动件17和金属片20的一端连接到电路中；当监测装置发生偏移，液柱高度发生变化时，滑动件17随浮塞16一起上下移动，随着滑动件17与金属片20的接触位置改变，电路中的电流也发生变化，通过电流大小的变化推算出液柱高度的变化。

滑动件17设置方式1：储液管4上与滑槽19相对的管壁上开设有开孔(图中未示出)，滑动件17一端与回正弹簧14连接，滑动件17另一端通过开孔与储液管4中的浮塞16连接。

具体地，开孔开设高度应满足，当储液管4倾斜20°时，储液管4中的液体不会通过开孔流出。具体地，浮塞16的长度设计为开孔长度的三倍，滑动件17穿过开孔与浮塞16的中部直接连接。

滑动件17设置方式2：滑动件17由含铁材料制成，浮塞16中设有磁铁，浮塞16通过磁铁的磁场效应带动滑动件17同步运动。浮塞16在满足浮力条件下尽量体积小一些，滑动件17设计为球状，置于滑槽19内，在磁力作用下沿滑槽19上下滑动。

底板包括上底板11和下底板12，上底板11和下底板12之间连接有至少三根平衡螺母15，通过旋转各平衡螺母15调节上底板11和下底板12之间的距离，保持上底板11的初始位置水平。

监测装置还包括设于定位监测点的支撑杆2，下底板12固定于支撑杆2上。具体地，下底板12下端与支撑杆2通过螺纹连接固定，支撑杆2上还设有通过双孔抱箍10连接有避雷针9。实际监测时，坡面上设置固定桩1，将支撑杆2置于固定桩1内固定。具体的，固定桩1为混凝土桩，支撑杆2为钢管。

具体地，监测装置还包括用于为监测装置供电的光伏板6，光伏板6背部设有光伏板支架7，光伏板支架7通过D型抱箍8固定于支撑杆2上。

具体地，支撑杆2上还固定有防水箱13，防水箱13内设有数据存储传输模块和监测点北斗通信终端(图中未示出)。实际监测时，天线5与数据存储传输模块通过无线传输连接，采集存储监测点的滑坡监测参数数据；监测点北斗通信终端与数据存储传输模块电连接，接收数据存储传输模块传来的监测点的滑坡监测参数数据，并传递给北斗卫星系统；远程监控中心北斗通信终端，接收北斗卫星转发的监测点的滑坡监测参数数据，并发送给监测预警平台，通过神经网络等方法进行数据预测及预警。

具体地，当储液管4设有两个时，天线5位于两储液管4连线的中点上；

当储液管4设有三个或以上时，各储液管4呈正多边形分布，天线5位于正多边形的中心。储液管4内初始液面高度的确定：满足回正弹簧14水平，回正弹簧14的高度与天线5水平时同高。

储液管4的初始液面高度＝回正弹簧14的高度-1/2浮塞16的高度。

实施例一

如图7所示，具体监测过程中，定位监测点的实际位移计算过程如下：

当储液管有三个时，定位监测点的实际位移计算公式为：

X_实＝X_测-ΔX＝X_测-Hsinθ

其中：θ表示监测支架与竖直方向的转角变化量；Δh₁、Δh₂、Δh₃分别表示水柱高度变化的最大值、次大值和最小值，其中，水柱高度变化以上升为正，单位mm；D表示水柱中性轴外接圆直径，单位mm；X_实表示地表位移的实际值，单位mm；X_测表示天线位移的测量值，单位mm；ΔX表示天线与地表的相对位移，单位mm；H表示天线距离地表的高度，单位mm。

公式推导过程如下：

图9中，A、B、C分别表示三根储液管。

图8为结构沿储液管OA方向倾斜时，结构侧面图。由几何关系可知：

若结构沿任一方向倾斜，如图9中的OA’方向，可看做结构沿OA方向倾斜，再逆时针旋转α角后所得。由图9可知，α角的取值范围为-60°～60°之间。旋转后，储液管A的水柱高度沿OA’方向线性变化，即储液管A的水柱高度，与OM长度成正比，得：

Δh₁＝Δhcosα

同理可得：

Δh₂＝-Δhsin(30°-α)

Δh₃＝-Δhsin(α+30°)

整理得：

则：

X_实＝X_测-ΔX＝X_测-Hsinθ

实施例二

当储液管有四个时，位于对角线上两储液管的液体高度，在一段时间内的变化绝对值相同；通过一定时间段内液体高度的变化，由几何关系算出该时间段内，监测装置支撑柱的倾斜角度，进而推算出该时间段内定位点的实际位移，定位监测点的实际位移计算公式为：

X_实＝X_测-ΔX＝X_测-Hsinθ

其中：θ表示监测支架与竖直方向的转角变化量；Δh₁、Δh₂分别表示水柱高度变化绝对值的最大值和最小值，其中，对角水柱高度变化绝对值相同，单位mm；D表示水柱中性轴外接圆直径，单位mm；X_实表示地表位移的实际值，单位mm；X_测表示天线位移的测量值，单位mm；ΔX表示天线与地表的相对位移，单位m；H表示天线距离地表的高度，单位m；

推导过程如下：

图12中，D、E分别表示三根储液管。

图11为结构沿储液管OD方向倾斜时，结构侧面图。由几何关系可知：

若结构沿任一方向倾斜，如图12中的OD’方向，可看做结构沿OD方向倾斜，再逆时针旋转α角后所得。由图12可知，α角的取值范围为-45°～45°之间。旋转后，储液管D的水柱高度沿OD’方向线性变化，即储液管D的水柱高度，与ON长度成正比，得：Δh₁＝Δhcosα

同理可得：

Δh₂＝Δhsinα

整理得：

则：

X_实＝X_测-ΔX＝X_测-Hsinθ

本发明还包括地针、避雷针9组成的避雷系统，以及光伏板6、光伏板支架7与蓄电池(位于地下的地箱内)组成的备用供电系统。用于提供在通电困难或者环境恶劣条件下的监测装置的供电需求和对监测装置进行保护。

本发明的结构易拆装、成本低、可循环使用，在通电困难的户外仍可以通过光伏板来提供电能，能够较好地满足边坡地表稳定监测的需要，可以实现大范围的安装使用，提高监测数据的精确度。

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 (9)

1.一种北斗定位监测装置，其特征在于，包括底板、铰接于底板上的天线和固定于底板上的液态平衡装置；

所述液态平衡装置包括至少两个储液管和与各储液管一一对应设置的回正弹簧；各储液管底部相连通，内部注有液体并设有能够浮于液面上的浮塞；

所述回正弹簧的一端与所述天线连接，另一端与对应储液管内的浮塞保持同步运动；底板倾斜时，浮塞随液面浮动，另一端与浮塞保持同步运动的回正弹簧带动天线转动，使天线始终保持水平状态；

所述监测装置还包括能够测量各储液管内液位变化的液位测量机构，通过各储液管内液位变化计算底板的倾斜角和定位监测点的实际位移。

2.根据权利要求1所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述液位测量机构包括直流电源、设于储液管上的金属片和能够与浮塞保持同步运动的滑动件，所述滑动件连接于回正弹簧上；

所述直流电源的一个电极与所述金属片的一端电连接，另一个电极与所述滑动件电连接，根据电路中电流的变化计算储液管内液位变化。

3.根据权利要求2所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述储液管上开设有开孔，所述滑动件通过开孔与储液管中的浮塞连接。

4.根据权利要求3所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述开孔开设高度应满足，当储液管倾斜20°时，储液管中的液体不会通过开孔流出。

5.根据权利要求2所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述滑动件由含铁材料制成，所述浮塞中设有磁铁，浮塞通过磁铁的磁场效应带动滑动件同步运动。

6.根据权利要求1所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述底板包括上底板和下底板，所述上底板和下底板之间连接有至少三根平衡螺母，通过旋转各平衡螺母调节上底板和下底板之间的距离，保持上底板的初始位置水平。

7.根据权利要求1所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括设于定位监测点的支撑杆，所述底板固定于支撑杆上，所述支撑杆上还设有通过双孔抱箍连接的避雷针。

8.根据权利要求7所述的北斗定位监测装置，其特征在于，所述监测装置还包括用于为监测装置供电的光伏板，所述光伏板背部设有光伏板支架，所述光伏板支架通过D型抱箍固定于所述支撑杆上。

9.根据权利要求1至8任一项所述的北斗定位监测装置，其特征在于，当所述储液管设有两个时，所述天线位于两储液管连线的中点上；

当所述储液管设有三个或以上时，各储液管呈正多边形分布，所述天线位于正多边形的中心。

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