CN110345909A - 一种全自动机械式智能分层沉降仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动机械式智能分层沉降仪，包括测量装置、提升装置、数据采集装置及数据传输装置；其中,测量装置包括连接管、沉降管、沉降环和探头，其中所述沉降环随沉降管一起埋入预先完成的钻孔内,所述沉降环套在沉降管外侧,所述连接管竖直方向放置，所述连接管中空腔内的顶部沿中轴线通过电缆连接探头，所述探头使用磁敏传感器为核心元件，所述探头通过提升装置沿连接管及沉降管的中轴线下放至钻孔底部，所述探头在所述连接管的中空腔内做升降运动来探测沉降环的位置，深度测量编码器记录信号输出位置，数据采集盒将采集到的数据通过数据传输装置发送到终端。本发明数据误差小，不受测量深度的限制，远程监控。

Description

一种全自动机械式智能分层沉降仪

技术领域

本发明涉及土木工程质量监测仪器领域，具体涉及一种全自动机械式智能分层沉降仪。

背景技术

软土地基和厚层回填地基工程中，地基的沉降总量虽表现在地面，但其下不同深度和不同土质产生的压缩大小各不相同，因此及时了解土体各层的沉降变化趋势，查明地下各深度土层产生的压缩对于预测地基沉降和制定相应的预防措施有着重要的作用。已有的分层沉降观测方法中，分为人工分层沉降监测及自动化分层沉降监测。

常规的人工分层沉降监测主要使用电磁式分层沉降仪，电磁式分层沉降仪所用传感器是根据电磁感应原理设计，将磁感应沉降环预先通过钻孔方式埋入地下待测的各点位，当传感器通过磁感应环时，产生电磁感应信号送至地面仪表显示，同时发出声光警报。读取孔口标记点上对应钢尺的刻度数值，即为沉降环的深度。每次测量值与前次测值相减即为该测点的沉降量。其探头结构牢固，密封性好，钢尺电缆一体化，整机重量轻，适合各种野外环境，但需要大量人力物力，采用人工操作，精度偏低，测量数据及时性差。

自动化分层沉降监测中有自动式分层沉降仪和基于FBG技术的土体分层沉降仪。例如发明CN201310022322.1的自动巡检式分层沉降仪，通过步进电机驱动探头在沉降管内自上而下进行巡检，沉降管外面有沉降环，当探头探测到沉降环时发出电信号，记录该点的角位移量来换算成该沉降环的位置的。测量装置的正上方设置提升装置，为一个圆柱形绕线轮。细电缆在从圆柱形绕线轮上放出或回收时并排缠绕，由于沉降量需要通过公式换算，需要固定的圆柱形绕线轮的周长，而当测量深度足够深，所需电缆长度也会更长，虽然该现有技术采用的细电缆，但是容易断裂，而缠绕圈数足够多，会造成圆柱形绕线轮的周长的变化，使得测量误差增大。由于圆柱形绕线轮能缠绕的电缆周数有限，测量深度也受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供全自动机械式智能分层沉降仪，不但深度测量测量误差小，而且不受测量深度的限制。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于，包括测量装置、提升装置、数据采集装置、数据传输装置；

其中，所述测量装置包括连接管、沉降管、沉降环和探头，其中所述沉降环随沉降管一起埋在预先完成的钻孔内,所述沉降环套在所述沉降管外壁,所述连接管竖直方向放置，所述连接管套在所述沉降管外壁,将连接管与沉降管连接，以适应沉降管的高度并进行调整，所述探头使用传感器为核心元件，所述探头通过提升装置沿连接管及沉降管的中轴线在所述连接管空腔内做升降运动，通过所述探头的传感器来探测沉降环的位置；

所述提升装置包括电缆、电缆绞车、电缆盘电机和上滑轮装置，所述上滑轮装置悬挂在所述连接管的正上方，所述电缆绞车和所述电缆盘电机置于所述上滑轮装置的下方，所述电缆的一端连接着所述探头从所述电缆绞车上引出并绕过所述上滑轮装置放置在所述连接管空腔中，所述电缆盘电机控制电缆绞车的转动使电缆提升和下放；

在所述上滑轮装置设置有深度检测编码器，所述深度测量编码器记录磁信号输出时沉降环的位置，所述电缆绞车正上方的电箱内设置数据采集盒和数据传输装置，所述数据采集盒将采集到的数据通过所述数据传输装置发送到远程端口。

优选的，所述上滑轮装置两侧斜上方设置压紧轮，所述压紧轮使通过所述上滑轮装置的传动电缆处于绷紧状态。

以防电缆打滑。

优选的，所述数据传输装置为内置在数据采集盒中的无线WIFI或SIM卡传输模块，根据现场条件通过WIFI传输方式或SIM通讯方式将数据实时传输至远程端口。

优选的，所述数据采集盒上设置有外接接口，与外接电脑连接，在使用现场实时输出数据。获得实时现场测量。

优选的，所述沉降管位于底部稳定地层的外侧设置第一沉降环和第二沉降环，所述第一沉降环作为分层沉降的基准点，通过所述第一沉降环和所述第二沉降环之间的高度差值测定稳定地层的稳定性。

优选的，在沉降管顶部设置基准沉降环，通过所述基准沉降环和所述第一沉降环之间的高度差值校核整个沉降孔的深度。

若相差较大，则现场测定表层土体是否有发生沉降。

优选的，还包括限位传感器感应片，所述限位传感器感应片设置在所述探头上方的电缆上。

进一步，还包括极限位传感器，所述连接管的横向方向设置连接管支持架，所述连接管支持架上设置有置于所述连接管上方的极限位传感器支架，所述极限位传感器固定于极限位传感器支架的顶端并设置于连接管上部与轴向方向电缆的一侧的平行位置。

当所述探头被提升至顶部时，限位传感器感应片与极限位传感器的下端同样的高度时，极限位传感器正好感应到此限位传感器感应片，所述限位传感器感应片触发所述极限位传感器后发出电信号至PLC系统，由内置的PLC系统控制程序控制提升电机停止提升，并停顿几秒后开始下放。

更进一步，还包括超极限位传感器，所述连接管支持架上设置有置于所述连接管上方的超极限位传感器支架，所述超极限位传感器固定于所述超极限位传感器支架的顶端并设置于连接管上部与轴向方向电缆的同一侧的平行位置，所述超极限位传感器高于所述极限位传感器，使得所述超极限位传感器的底部正好与所述极限位传感器的顶端齐平。

当极限位传感器发生故障失效时，探头将被继续提升，提升到与超极限位传感器的下端齐平时，被超极限位传感器感应，从而触发所述超限位传感器，发出电信号至PLC系统，由内置的PLC系统控制程序控制提升电机停止提升，并发出警告信息至所述数据采集及传输装置，从而超限位传感器对系统进行断电保护以防极限位传感器故障，由技术人员远程接收后进行故障排查。

更甚者，还包括触底下放故障传感器，所述触底下放故障传感器设置于所述上滑轮装置轴向一侧。

受探头和电缆拉力的影响使弹簧处于受力状态，当探头触底或在沉降管中遇到障碍物时，拉力消失，上滑轮装置在弹簧的拉伸作用下往上提升，触发到触底下放故障传感器后，限位传感器感应片被触底下放故障传感器感应，发出电信号至PLC系统，由内置的PLC系统控制程序控制提升电机停止下放，并停顿几秒后开始提升。因此，触底下放故障传感器用来检测沉降仪是否下放到管的底部并检测沉降仪下放过程中是否存有管道损坏或电机故障。

相对于现有技术，本发明取得了有益的技术效果：本发明由于沉降量需要通过公式换算，需要固定的圆柱形绕线轮的周长，而当测量深度足够深，所需电缆长度也会更长，不会像现有技术出现缠绕圈数足够多，造成圆柱形绕线轮的周长的变化，使得测量数据误差增大的情况；上滑轮装置的直径小于电缆绞车的直径，上滑轮装置上的电缆只是用来绕过，而电缆绞车可以缠绕不限长度的电缆，不受测量深度的限制。此外，本沉降仪的数据在读取完毕后，数据将立即存储在存储介质内并通过无线传输设备远程传输给远程控制系统，远程控制系统可以对同一或不同施工地的所有沉降仪进行统一远程监控，从而可以直接实时准确的读取当前各沉降环所在土层的沉降量，监控过程中发现有数据异常或需要集中监测时，可使用控制系统进行远程设定，如开始时间、速率及频率等。

附图说明

图1为分层沉降仪的主视图；

图2为分层沉降仪的右视图；

附图标记：

1电缆绞车；2上滑轮装置；3连接管支持架；4连接管；5沉降管；6压紧轮；7限位传感感应片；8极限位传感器；10超极限位传感器；11超极限位传感器支架；12触底下放故障传感器；13深度检测编码器；14探头；15电箱。

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：

如图1所示，本发明提供一种全自动机械式智能分层沉降仪，包括测量装置、提升装置、数据采集装置及数据传输装置，测量装置包括连接管4、沉降管5、沉降环和探头14，其中沉降环随沉降管5一起埋在预先完成的钻孔内,沉降环套在沉降管5外壁,连接管4竖直方向放置，连接管4套在沉降管5外壁,将连接管4与沉降管5连接，以适应沉降管5的高度并进行调整，探头14使用磁敏传感器或霍尔传感器为核心元件，探头通过提升装置沿连接管4及沉降管5的中轴线下放至钻孔底部，然后在连接管4空腔内做升降运动，通过探头14的传感器磁感应来探测沉降环的位置，从而得到相应土层的沉降量，在深孔中工作时，仅使用一个探头14，通过与探头电缆传递数据，维护方便，维护成本较低，且安全性较高；

提升装置包括电缆、电缆绞车1、电缆盘电机和上滑轮装置2，上滑轮装置2通过弹簧悬挂在连接管4的正上方，使得上滑轮装置2的切线与连接管4的中轴线保持在同一条铅垂线上，电缆绞车1和电缆盘电机置于上滑轮装置2的下方，优选斜下方，电缆的一端连接着探头14从电缆绞车1上引出并绕过上滑轮装置2放置在连接管4空腔中，通过PLC控制系统可以精准地控制电缆绞车的转动使电缆提升和下放，上滑轮装置2的直径小于电缆绞车1的直径，上滑轮装置2上的电缆只是用来绕过，而电缆绞车1可以缠绕不限长度的电缆，不受测量深度的限制，电缆盘电机控制电缆绞车1的转动使电缆提升和下放，将探头14从下端提升到连接管4的上端，通过电缆盘电机驱动电缆绞车1的转动使电缆带动探头在连接管4内上下进行自动测量，其中电缆绞车1由钢板制作，并使用钢结构的电缆盘支架进行固定，动力电机为常用的伺服电机，用于驱动电缆绞车的转动自动提升、下放沉降仪；

进一步地，上滑轮装置2两侧斜上方有压紧轮6以使得传动电缆处于绷紧状态，以防电缆打滑。

在上滑轮装置2的圆心处设置有深度检测编码器12，深度测量编码器12为增量型编码器，可将上滑轮装置2角位移量直接转化成数字信号，从而可记录磁信号输出时沉降环的位置；

在电缆与上滑轮装置2连接的竖直方向的端点设置有深度检测编码器12，以测量数据，电缆走过的距离或上滑轮转过的转数为沉降量，即土体沉降量，电缆绞车1正上方的电箱15内设置PLC控制系统、数据采集盒和数据传输装置，数据采集盒将采集到的数据通过数据传输装置无线通信的方式发送到远程端口。

进一步地，远程端口可为手机端，也可为电脑端。

进一步地，电箱15内的电力提供装置可使用蓄电池、太阳能或交流电源提供电力。

进一步地，数据传输装置为内置在数据采集盒中的无线WIFI或SIM卡传输模块，根据现场条件通过WIFI传输方式或SIM通讯方式将数据实时传输至远程端口。

另外，数据除了远程传输，也可以在使用现场实时输出数据，通过与数据采集盒上设置有外接接口，与外接电脑连接。

进一步地，在沉降管位于底部稳定地层的外侧设置第一沉降环和第二沉降环，第一沉降环位于稳定地层中的基准面，第二沉降环位于稳定地层中的下方，第一沉降环距离地表面的深度小于第二沉降环距离地表面的深度，探头感应第一沉降环，并通过电缆下放的长度测定第一沉降环的高程，第一沉降环作为分层沉降的基准点，通过第一沉降环和第二沉降环之间的高度差值测定稳定地层的稳定性。其中高程是沉降环距离地面的的深度。稳定地层就是变形比较小的地层，也就是硬土层或者基岩层，根据测量需要进入硬土层或者基岩层。

进一步地，在沉降管顶部设置基准沉降环，通过基准沉降环和第一沉降环之间的高度差值校核整个沉降孔的深度。其中基准沉降环位于地表面。

此外，设置的深度检测编码器12还可防止触底传感器13失效放缆过长。

本沉降仪的数据在读取完毕后，数据将立即存储在存储介质内并通过无线传输设备远程传输给远程控制系统，远程控制系统可以对同一或不同施工地的所有沉降仪进行统一远程监控，从而可以直接实时准确的读取当前各沉降环所在土层的沉降量，监控过程中发现有数据异常或需要集中监测时，可使用控制系统进行远程设定，如开始时间、速率及频率等。

限位传感器感应片7设置在探头14上方的电缆上，连接管4的横向方向设置有若干个连接管支持架3，用于连接和支撑连接管4，其中连接管支持架3上设置有置于连接管4上方的极限位传感器支架9，极限位传感器8固定于极限位传感器支架9的顶端并设置于连接管4上部与轴向方向电缆的一侧的平行位置。

当探头14被提升至顶部时，限位传感器感应片7到达与极限位传感器8的下端同样的高度时，极限位传感器8正好感应到此限位传感器感应片7，限位传感器感应片触发极限位传感器7后发出电信号至PLC系统，由内置的PLC系统控制程序控制提升电机停止提升，并停顿几秒后开始下放。

更进一步地，连接管支持架3上设置有置于连接管4上方的超极限位传感器支架11，超极限位传感器10固定于超极限位传感器支架11的顶端并设置于连接管4上部与轴向方向电缆的另一侧的平行位置，超极限位传感器10高于极限位传感器8，使得超极限位传感器10的底部正好与极限位传感器8的顶端齐平。

当极限位传感器发生故障失效时，探头将被继续提升，提升到与超极限位传感器10的下端齐平时，被超极限位传感器10感应，从而触发超限位传感器，发出电信号至PLC系统，由内置的PLC系统控制程序控制提升电机停止提升，并发出警告信息至数据采集及传输装置，从而超限位传感器10对系统进行断电保护以防极限位传感器故障，由技术人员远程接收后进行故障排查；

进一步地，上滑轮装置2的轴向一侧设置一个触底下放故障传感器12，上滑轮装置2通过弹簧悬挂在连接管4的正上方，受探头14和电缆拉力的影响使弹簧处于受力状态，当探头14触底或在沉降管5中遇到障碍物时，拉力消失，上滑轮装置2在弹簧的拉伸作用下往上提升，触发的触底下放故障传感器12后，限位传感器感应片7被触底下放故障传感器12感应，发出电信号至PLC系统，由内置的PLC系统控制程序控制提升电机停止下放，并停顿几秒后开始提升。因此，触底下放故障传感器12用来检测沉降仪是否下放到管的底部并检测沉降仪下放过程中是否存有管道损坏或电机故障。

本装置的使用过程是：

钻孔后，在沉降管5的外侧根据土层和测量需要设沉降环，每个沉降环是事先标记好序号的，在顶部土层位置设置基准沉降环，底部稳定地层设置第一沉降环和第二沉降环，当探头14下放经过每个沉降环时会发出闭合信号输出(过了沉降环探头上的传感器又会打开，这个信号可以不予过问)，同时通过深度检测编码器12记录该信号输出位置，当探头14传感器提升经过每个沉降环时也会发出闭合信号输出，每个沉降环的准确位置为下放和提升两次信号输出位置的平均值。对于每个沉降管5，沉降环的数量是已知的，探头14上的传感器下放测量一次，提升测量一次为一个测试过程。

(1)通过电箱15内的可编程逻辑控制器(PLC)设定分层沉降仪相关基本设备参数，如孔深、电机转速、孔顶和孔底静置数据处理时间等；

(2)远程控制平台发布测量命令，分层沉降仪从睡眠状态激活，检测分层沉降仪各个元件状态是否正常；

(3)检测完毕后，分层沉降仪处于最高点位置，电机启动并运转电缆，在重力的作用下，以设定的下放速度将探头14送入沉降管5的下端。测量过程中，探头14上的传感器经过顶部基准沉降环，记录当时深度W0，在顶部基准沉降环和第一沉降环之间设置若干个其他沉降环，当沉降仪继续下放触发其他沉降环时依次记录Wi,Wii,Wiii……，直到探头14上的传感器检测到第一沉降环和第二沉降环位置时停止下放，同时标记该位置深度W1、W2；

(4)电缆盘电机启动控制电缆绞车的转动提升电缆，将分层沉降仪传感器从下端提升到连接管的上端，探头14上的传感器提升过程中每个沉降环处闭合发出信号，深度检测编码器12记录该信号输出位置，每个沉降环的准确位置为下放和提升两次信号输出位置的平均值。记为Wi’,Wii’,Wiii’……；

在沉降管顶部设置基准沉降环，每次测量时通过测定基准沉降环和第一沉降环之间的差值校核沉降孔的孔深，整个孔孔深为：H＝W1’-W0’，通过孔深变化判断是否表层发生沉降若相差较大，则现场测定表层土体是否有发生沉降。

稳定地层稳定段长度为：H_1-2＝W2’-W1’,通过其变化判断第一沉降环是否固定在稳定地层上，通过第一沉降环和第二沉降环之间的高度差值测定稳定地层的稳定性。

每个沉降环的位置深度为Wi’,Wii’,Wiii’……，则各沉降环的相应的土层沉降量可通过与初始值计算得到。

在沉降管底部稳定地层设置第一沉降环和第二沉降环，沉降环间隔2-3m，初始测量时，测定第一沉降环的高程，作为分层沉降的基准点，每次试验过程中可使用第一沉降环和第二沉降环之间的差值校核沉降管的稳定性。

(5)采集完毕后，该点的一次测量流程结束，系统再次进行各元件状态检查并传输至远程平台上供人工判断，判断正常后，远程平台输出命令，系统进入睡眠状态。

本全自动机械式智能分层沉降仪在沉降观测过程中使用了机械自动化设备，监测频率高且固定，减少了人工误差及外界条件的影响，对于测量站点多的工地，降低人员成本，受天气变化影响较小，可实现定时测量和随机多次测量完成，尤其可完成在险情出现的前期进行实时监测。

Claims (10)

1.一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于，包括测量装置、提升装置、数据采集装置、数据传输装置；

其中，所述测量装置包括连接管、沉降管、沉降环和探头，其中所述沉降环随沉降管一起埋在预先完成的钻孔内,所述沉降环套在所述沉降管外壁,所述连接管竖直方向放置，所述连接管套在所述沉降管外壁,将连接管与沉降管连接，以适应沉降管的高度并进行调整，所述探头使用传感器为核心元件，所述探头通过提升装置沿连接管及沉降管的中轴线在所述连接管空腔内做升降运动，通过所述探头的传感器来探测沉降环的位置；

所述提升装置包括电缆、电缆绞车、电缆盘电机和上滑轮装置，所述上滑轮装置悬挂在所述连接管的正上方，所述电缆绞车和所述电缆盘电机置于所述上滑轮装置的下方，所述电缆的一端连接着所述探头从所述电缆绞车上引出并绕过所述上滑轮装置放置在所述连接管空腔中，所述电缆盘电机控制电缆绞车的转动使电缆提升和下放；

在所述上滑轮装置上设置有深度检测编码器，所述深度测量编码器记录磁信号输出时沉降环的位置；

所述电缆绞车正上方的电箱内设置数据采集盒和数据传输装置，所述数据采集盒将采集到的数据通过所述数据传输装置发送到远程端口。

2.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：所述上滑轮装置两侧斜上方设置压紧轮，所述电缆从所述上滑轮和所述压紧轮之间穿过，所述压紧轮压在所述上滑轮上使通过所述上滑轮装置的电缆处于绷紧状态。

3.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：所述数据传输装置为内置在数据采集盒中的无线WIFI或SIM卡传输模块，根据现场条件通过WIFI传输方式或SIM通讯方式将数据实时传输至远程端口。

4.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：所述数据采集盒上设置有外接接口，可与外接电脑连接，实现数据在现场的实时输出。

5.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：所述沉降管位于稳定地层中的外侧设置第一沉降环和第二沉降环，所述第一沉降环作为分层沉降的基准点，通过所述第一沉降环和所述第二沉降环之间的高度差值测定稳定地层的稳定性。

6.如权利要求5所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：在沉降管顶部设置基准沉降环，通过所述基准沉降环和所述第一沉降环之间的高度差值校核整个沉降孔的深度。

7.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：还包括触底下放故障传感器，所述触底下放故障传感器固定在所述上滑轮装置轴向一侧。

8.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：还包括限位传感器感应片，所述限位传感器感应片设置在所述探头上方的电缆上。

9.如权利要求1所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：还包括极限位传感器，所述连接管的横向方向设置连接管支持架，所述连接管支持架上设置有置于所述连接管上方的极限位传感器支架，所述极限位传感器固定于极限位传感器支架的顶端并设置于连接管上部与轴向方向电缆的一侧的平行位置。

10.如权利要求9所述的一种全自动机械式智能分层沉降仪，其特征在于：还包括超极限位传感器，所述连接管支持架上设置有置于所述连接管上方的超极限位传感器支架，所述超极限位传感器固定于所述超极限位传感器支架的顶端并设置于连接管上部与轴向方向电缆的同一侧的平行位置，所述超极限位传感器高于所述极限位传感器，使得所述超极限位传感器的底部正好与所述极限位传感器的顶端齐平。