CN111562283B - 一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及测量安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及其测量安装方法，该仪器以基准桩为不动点，通过自动测量平铺于渠道全断面的测量模块读数，实现对渠道整个断面冻胀变形的实时测量，通过实测的数据，基于各测量模块的几何关系，即可算出渠道全断面的冻胀变化量；本发明的仪器不破坏被测土体的原始状态，利用测量模块直接量测原状土体表面的冻胀变形，并将测量数据实时地记录到控制系统中，可保证监测的准确性、实时性，克服间接测量带来的误差。本发明设计合理、工艺简单、易于加工、主要配件价格低廉，从而使得该全断面冻胀变形仪器具备较高的成本优势，该全断面冻胀变形仪器适用性广，数据传输方式灵活多样，安装简便。

Description

一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及测量安装方法

技术领域

本发明涉及一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及其测量安装方法，属于水利工程安全监测技术领域。本专利依托国家重点研发计划“高寒区长距离供水渠道监测预警与健康诊断技术（2017YFC0405104）”完成。

背景技术

随着我国南水北调中线工程、新疆引额济乌一期工程等一大批输水工程的投入使用，极大地缓解了我国水资源分布不均所引起的局部地区水资源短缺的问题，但是很大一批输水工程都处于冬季冻融循环区域，随着这些输水工程陆续投入使用，渠道管理和设计部门迫切希望了解工程的实际冻胀危害和工程防冻胀措施的效果，从而为积累设计经验，指导管理部门进行渠道维护作业提供基础数据支持。

传统的冻胀变形计受限于测量方式，为得到总体的冻胀变形常常需要安装到渠道表面，渠道通水过流时，往往受到水面漂浮物的破坏。而且冻胀计受限于安装环境，其基准点（不动点）常选在渠道的渠顶位置，而根据常规的冻胀变形计算结果，当渠道的渠基土发生冻胀变形时，渠顶依然有不小的冻胀变形量，这将导致测量出的冻胀变形量过小，无法有效反应出实际的冻胀破坏情况。最为关键的是，传统的冻胀变形计只能测量渠道上某一点的冻胀变形大小，选点随机性比较大，很难安装埋设在冻胀变形最大的区域，并且无法整体反映渠道的冻胀变形情况，所以如何根据实测的冻胀变形数据，推测渠道总体冻胀变形的情况，一直是困扰渠道设计和管理部门的难题。

近年来随着国家和行业对输水工程多年运行安全性认识的逐渐深入，工程界迫切需要一种安装简便，适用性广，成本低廉，可自动化测量的渠道冻胀变形的监测系统。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及其测量安装方法，实现自动化测量的渠道冻胀变形。

为解决上述技术问题，本发明的一方面提出一种自动量测渠道全断面冻胀变形仪器，由锚固部分、量测部分和中控部分组成；所述锚固部分包括若干锚固杆，所述锚固杆由锚头、锚杆和连接装置组成，所述锚头最前端为尖锥状，锚头主体部分开有凹槽，其内安装有弹簧片，锚头后部带有螺纹；所述锚杆两端设有连接螺纹；所述连接装置包括万向节和短连接螺杆，用于连接锚杆和所述量测部分；所述量测部分包括若干测量杆，角度测量模块和位移测量模块内置于测量杆内；所述若干测量杆通过所述若干锚固杆连接在一起，并固定于渠道中所述中控部分控制角度测量模块和位移测量模块进行信号采集。

作为优选方案，所述弹簧片为弧形，锚头向下压入土体的时候，由于侧向土压力的作用，弹簧片被紧紧压在锚头上，当锚头被向上拔动时，弹簧片则会慢慢向外部张开，并嵌入到土体内，提高锚头的抗拔力，保证在设计量程内锚头不会松动；该锚头分为两个尺寸，作为基准桩的，其直径为6寸，作为一般固定的，其直径为1.5cm。

作为优选方案，所述连接螺杆通过公母头与连接装置链接。

作为优选方案，所述不锈钢杆由一粗一细两根杆子组成，粗杆直径3.5cm，长40cm，一端加工有螺纹方便与连接装置相连，在该端通过内嵌的方式安装有高精度伺服加速度测角器，粗杆另一端加工有内径为1.5cm的内孔，内孔深20cm，在内孔的尽头，通过内嵌的方式安装有振弦式压力传感器配合高精度弹簧，在内孔壁上，开有3个环形凹槽，内嵌O型圈，用于防水防尘；细不锈钢杆外径1.5cm，一端与高精度弹簧相连，另一端加工有螺纹，方便与连接装置相连，细杆初始状态时，入粗杆内15cm，最终每根由一粗一细两根杆子组成的不锈钢杆初始长度为50cm。

作为优选方案，连接装置为有三个接头的万向节，其中两个与不锈钢杆相连，一个与固定锚杆相连。

作为优选方案，连接螺杆分两种尺寸，作为基准桩的采用6寸的不锈钢圆管，圆管两头加工公母螺纹，方便连接，为运输和安装方便起见，每根连接螺杆长1m；作为一般固定的，直径为1.5cm，长10cm一根。

作为优选方案，所述仪器中控中的低功耗芯片机、中控芯片机、读数器、锂电池供电模块、太阳能和风能供电模块、可视化显示模块、通讯接口模块、连接线路等配件集中布置在防水的中控系统保护箱内部。太阳能、风能发电装置安装在信息采集保护箱外部。

作为优选方案，所述的锂电池供电模块，安装在防水保温的电池仓内，现场通过挖坑的方式将电池仓安装在冬季冻胀区以下，以保证锂电池的工作效能，电池仓通过电源和数据线与信息采集保护箱相连。

进一步，所述信息传输单元包括USB接口的存储介质通道和485、232、GPRS、无线电台和北斗短报文等远程通信通道，分别用于人工收集数据和远程自动通信。

进一步，所述信息传输单元可以和外部电脑或远程控制系统进行通信传输，仪器可根据初始参数设置进行工作，也可以根据外部电脑或远程控制系统的指令进行工作。

进一步，所述仪器外部电源，可以采用外部市电供电，也可以采用太阳能或风能供电，实现长期无人值守测量。

进一步，所述角度测量模块，采用高精度伺服加速度测角器，当渠基土体发生冻胀时，通过角度测量模块可以测量各个部位土体的表面变形情况。

进一步，所述位移测量模块，采用振弦式压力传感器配合高精度弹簧，实现对位移量大小的测量，即仪器由两根一粗一细的测量杆组成，在较粗的测量杆内安装有振弦式压力传感器，压力传感器的压力膜与高精度弹簧的一头相连，高精度弹簧的另一头与较细的测量杆一端相连；较粗的测量杆杆内加工有空洞，其内径刚好是较细的测量杆的外径，较细的测量杆安装在加工好的空洞内。测量时，将仪器的两端固定于待测土体内，当土体发生冻胀变形时，将会带动两根测量杆拉长或者压缩，通过测量振弦式压力传感器的数值，结合弹簧的压缩系数，既可算出土体的变化量。在位移测量模块中内嵌高精度温度传感器，用于量测环境温度，为了解冻胀变形的变化趋势提供基础的测量数据。

进一步，所述低功耗芯片机，采用低功耗芯片为核心的微控制单元，只具有基本的自动化控制功能，设计简单，可以实现长时间无人值守，其成本低廉，损坏后，更换成本低。

进一步，所述中控芯片机，采用64位单片机为核心的微控制单元，具备高容错、长命令处理等功能，能够实现复杂的程序和硬件控制。

本发明的第二方面提出一种自动量测渠道全断面冻胀变形仪器的测量方法，包含以下步骤：

所述仪器在安装调试好后，由工作人员设置初始参数，包括：测量的间隔时间、单个数据重复测量的遍数、测量的精度、测量不合格时重复测量的次数、各个量测点的编号等。

仪器到达设定的测量时间或收到测量命令后，为了防止雷击等异常状况导致整个系统被破坏，低功耗芯片机先断开外部电源，切换成内部供电单元供电，接通中控芯片机电源，唤醒中控芯片机，低功耗芯片机进入休眠模式；在中控芯片机控制下，仪器开始整体自检；在中控芯片机控制下读数模块按照设定顺序，逐个读取角度测量模块和位移测量模块中的数据；数据传输至中控芯片机进行精度评判，符合设定要求的数据将传输至存储模块存放，精度不合格的数据中控系统控制读数模块重新测读，多次测读均不能满足精度要求时，生成错误信息，并跳过该角度测量模块和位移测量模块，对下一个角度测量模块和位移测量模块进行测量；以同样的方式逐个读取每只角度测量模块和位移测量模块的测值后，按照设定的格式生成一条包括测量开始时间、测量用时、各模块的测量精度、内部电池开始测量和测量结束时的电压等信息的测量日志；中控芯片机通过信息传输单元将本次测量的测值和测量日志等文件传输至上位机；中控芯片机在规定时间内收到上位机接收成功的反馈信号后，将本次数据和测量日志标记为已发送，否则将其标记为未发送，下次通讯模块发送数据时，该数据和测量日志将再次发送，直至发送成功为止；中控芯片机唤醒低功耗芯片机，中控芯片机自动关机；低功耗芯片机启动后，根据时钟模块的计时，在设定的时间间隔后，断开中控芯片机等其他功能模块的电源，只保留信息传输单元等极少必要模块的电源，接通外部电源，对内部供电单元进行充电，并为整套系统供电；到达规定的测量时间或信息传输单元收到指令后，低功耗芯片机再次切断外部电源，接通中控芯片机电源，唤醒中控芯片机，自身进入休眠状态，开始下一次自动化测量。

基本原理是：输水渠道是典型的长距离水工建筑物，其冻胀问题可以视为平面应变问题，当渠道的地质条件和尺寸未发生较大变化时，可以通过测量某一断面的平面冻胀变化量来了解该区域整个渠道的冻胀变形情况；而渠道断面的对称结构，可以进一步简化成研究渠道半边断面的冻胀变化量问题。故而，通过在渠道底部布设一根基准桩作为整套系统的基准点（即不动点），通过量测左半部分或者右半部分渠道表面相对基准点的角度和位移变化量，根据三角函数和渠道表面几何尺寸，即可算出渠道表面的冻胀量的大小和方向。包括以下步骤：在渠道底部布设一根基准桩，作为整套系统的不动点使用，桩长要超过当地冻胀变形深度1米以上，将测角和位移模块沿渠道的表面从渠道底部一只接一只一直布设到渠道顶部，在渠底将测角和位移模块与基准桩相连；自动测量仪器安装完毕后，仪器依据控制指令对各个测角和位移模块进行测量，并将测量数据自动存储到仪器自带的存储模块中，该仪器与外部存储介质之间设有信息传输通道，自动测量仪器由该信息传输通道将采集的数据传输至外部存储介质中；通过得到的渠道表面各部位冻胀时的角度和位移变化量，根据三角函数和渠道的表面几何尺寸，即可计算得到所测区域的冻胀变形的大小和方向。

本发明的第三方面提出一种自动量测渠道全断面冻胀变形仪器安装方法，包括如下步骤：

步骤一：采用人工或者机械的方式将仪器安装位置的地面整平，在渠道左侧或右侧较为有利的位置采用人工或机械的方式开挖出深5~10cm，从渠顶到渠底半侧区域的浅槽，浅槽中心线与渠道水流方向垂直，浅槽宽20cm，浅槽表面人工或机械压实、整平；

步骤二：在浅槽的中心线和渠道的底部中心线处，采用人工或者机械的方式将作为基准桩的带弹簧片的锚头部分和锚杆逐根压入待测量的土体中，锚头入土深度要超过冻胀区1米以上，锚头到达安装位置后，将锚杆向外拔出3~5cm左右，保证锚头处的弹簧片全部张开，起到固定锚杆的作用；

步骤三：将1号测量杆的一头通过连接装置与基准桩连接，另一头通过连接装置与2号测量杆连接。在1、2测量杆连接处，人工压入一般固定锚头，锚头压入23cm后，再拔出3cm，其头部与连接装置相连；

步骤四：重复步骤三，将作为测量模块的测量杆一根根的连接好，直至连接到渠道的渠顶附近；

步骤五：选取一处地势较高，通讯信号好的位置，开挖0.5米见方，深度超过60cm的坑，坑内浇筑混凝土，并埋设一根长2m左右刷过防锈漆的钢管。在坑的附近再开挖一个深度超过冻胀区的深坑，并将锂电池仓埋设到坑底，做好防护措施后，将电源线经过穿线管保护后引出，回填原状土，并人工压实；

步骤六：待混凝土凝固后，将中控系统保护箱固定在钢管上，将太阳能板调整好位置固定在钢管的顶部；

步骤七：通过电缆线将采集发布装置、冻胀变形测量装置和电池仓连接起来；

步骤八：通过信息输入显示单元或配套的控制软件设置初始工作参数，并启动仪器工作，进行试验性读数，查看仪器是否工作正常；

步骤九：采用人工的方式回填浅槽，并人工压实，压实过程中要不间断读数，密切观察各个测量模块的工作状态。

有益效果：本发明提供一种自动量测渠道全断面冻胀变形仪器及其测量安装方法，本仪器能有效量测出渠道发生冻胀时，全断面土体的二维冻胀变形情况，为工程管理提供详实的测量数据，并为以后的工程设计提供了借鉴，是具有巨大推广潜力的自动化量测仪器。

本发明具有以下优点：设计合理、工艺简单、易于加工、主要配件价格低廉，从而使得该自动化量测仪器具备较高的成本优势，该自动化量测仪器适用性广，数据传输方式灵活多样，安装简便。该自动化量测仪器采用表层安装的形式，避免了传统仪器在渠道通水后的仪器保护问题，同时不对渠道原状土进行破坏，保证了测量的准确性。该自动化量测仪器不依赖于外部电源和通信线路，对安装的地点没有特殊的要求，特别适合我国北部少人或无人，基础建设薄弱的地区，该自动化采集仪器具有广泛的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明自动量测渠道全断面冻胀变形仪器的布置图；

图2是本发明自动量测渠道全断面冻胀变形仪器的测量装置图；

图3是本发明自动量测渠道全断面冻胀变形仪器的锚头装置图；

图4是自动量测渠道全断面冻胀变形仪器及其数据传输线路示意图；

图5是自动量测渠道全断面冻胀变形仪器内部模块连接示意图；

图6是自动量测渠道全断面冻胀变形仪器启动测量工作的总体流程示意图。

图7是自动量测渠道全断面冻胀变形仪器测量流程图

图8是自动量测渠道全断面冻胀变形仪器控制系统软件程序框图。

图中：量测部分1，锚固部分2，锚头3，锚杆4，锂电池仓5，电源线6，钢管7，中控保护箱8，太阳能板9，连接装置10，粗不锈钢杆11，伺服加速度测角器12，振弦式压力传感器13，弹簧14，细不锈钢杆15，渠道中心线16，弹簧片31。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图1、3所示，一种能自动量测渠道全断面冻胀变形仪器，该仪器分为锚固部分2、量测部分1和中控部分，锚固部分2包括第一锚固杆2a到第六锚固杆2f。锚固杆2a、2b……2f由锚头3、锚杆4和连接装置10组成，锚头3最前端为尖锥状，锚头主体部分开有凹槽，其内安装有弹簧片31，锚头主体后部带有螺纹；锚杆4两端设有连接螺纹。连接装置10包括万向节10a和短连接螺杆10b，用于连接锚杆4和量测部分1。

如图2所示，量测部分1包括：粗不锈钢杆11和细不锈钢杆15。粗不锈钢杆11的一端设有与连接装置10连接的螺纹，该端内嵌伺服加速度测角器12，粗不锈钢杆11另一端设有内孔，内孔的尽头处内嵌振弦式压力传感器12，细不锈钢杆15的首端插入内孔，尾端上设有螺纹并伸出内孔外，在振弦式压力传感器13和细不锈钢杆15的首端之间连接有弹簧14。内孔壁上，开有3个环形凹槽，内嵌O型密封圈。

其中伺服加速度测角器12和振弦式压力传感器13采用内嵌的方式，安装在粗不锈钢杆11内部，通过电源信号线与中控部分相连；高精度弹簧14一端与振弦式压力传感器13的压力膜相连，另一端与细不锈钢杆15相连。

中控部分包括：低功耗芯片机、中控芯片机、读数器、电源控制器、锂电池及其控制模块、太阳能、风能发电机及其控制模块、液晶信息输入输出模块、通讯接口模块、它们之间的连接线路和最外部的中控保护箱。

常规的输水渠道可以近似成平面应变问题进行研究，故只要渠道尺寸和地质条件不发生较大的变化，渠道冻胀变形的趋势变化不大，而渠道的对称性结构使得我们只要测量一半的区域，就能通过对称法则，得到整个断面的冻胀变形。

故而更优化和更具体地说，本发明的一种能自动量测渠道全断面冻胀变形仪器的结构是：

（1）采用人工或者机械的方式将仪器安装位置的地面整平，在渠道左侧或右侧较为有利的位置采用人工或机械的方式开挖出深5~10cm，从渠顶到渠底半侧区域的浅槽，浅槽的中心线与渠道水流方向垂直，浅槽宽20cm，浅槽表面人工或机械压实、整平；

（2）在浅槽的中心线和渠道的底部中心16处，采用人工或者机械的方式将作为基准桩1的带弹簧片的锚头部分和锚杆逐根压入待测量的土体中，锚头1入土深度要超过冻胀区1米以上，锚头1到达安装位置后，将锚杆1向外拔出3~5cm左右，保证锚头处的弹簧片全部张开，起到固定锚杆的作用；

（3）将第一不锈钢杆11a的一头通过连接装置10与作为基准桩的第一锚固杆2a连接，另一头通过连接装置10与第二不锈钢杆11b连接。在第一和第二不锈钢杆11a，11b连接处，人工压入一般固定锚固杆2b的锚头，固定锚固杆2b压入23cm后，再拔出3cm，其头部与连接装置5相连；

（4）重复步骤（3），将作为测量模块的不锈钢杆2一根根的连接好，直至连接到渠道的渠顶附近；

（5）选取一处地势较高，通讯信号好的位置，开挖0.5米见方，深度超过60cm的坑，坑内浇筑混凝土，并埋设一根长2m左右刷过防锈漆的钢管7。在坑的附近再开挖一个深度超过冻胀区的深坑，并将锂电池仓5埋设到坑底，做好防护措施后，将电源线6经过穿线管保护后引出，回填原状土，并人工压实；

（6）待混凝土凝固后，将中控保护箱8固定在钢管7上，将太阳能板9调整好位置固定在钢管7的顶部；

（7）通过电缆线6将采集发布装置、冻胀变形测量装置和电池仓连接起来；

（8）通过信息输入显示单元或配套的控制软件设置初始工作参数，并启动仪器工作，进行试验性读数，查看仪器是否工作正常；

（9）采用人工的方式回填浅槽，并人工压实，压实过程中要不间断读数，密切观察各个测量模块2的工作状态；

（10）连续测量7~10天的数据，待所有测量模块数据稳定后，将最近一期数据稳定的值作为测量系统的初值，带入系统计算中。

通过冻胀变形测量装置，可以测量不同时期渠道冻胀变形数值的大小，通过计算每次各个测量模块的角度、位移模块的变化量，根据三角关系并结合各个测量模块的初值，即可算出测量区域该时期的冻胀变形情况，根据对称关系，即可算出全断面的冻胀变化量，根据平面应变问题的分析方法，可直观的了解到渠道的冻胀变化情况，发现哪些部位冻胀变化量最大，为后续养护和设计，提供了详实的实测数据。

自动化测量仪器结构如图4、5所示，仪器电路包括内部供电单元、控制单元、工作单元、外部供电单元、信息输入显示单元、信息传输单元等，以下一一进行说明。

（1）控制单元，用于控制测量仪器执行具体的操作。该控制单元集成有低功耗芯片机、中控芯片机、设备接口模块、存储模块、时钟模块和通信模块。低功耗芯片机是辅助控制单元，采用低功耗芯片为核心的微控制单元，只具有基本的指令处理、通信传输等自动化控制功能，设计简单，抗电流浪涌稳定性好，可以实现长时间无人值守。中控芯片机是控制单元的核心部件，采用采用64位单片机为核心的微控制单元，具备高容错、长命令处理等功能，能够实现包括命令处理功能、数据采集控制、通信传输和电路切换等功能的复杂程序和硬件控制。中控芯片机通过设备接口模块与工作单元、信息传输单元、内部供电单元、信息输入显示单元和外部供电单元等连接，主要执行的控制工作有：自动测量、接收上位机命令、参数设置、存储数据、上传数据和信息、系统的整体控制等。控制单元的存储模块包括非易失性的大容量存储器，例如SD存储卡、固态硬盘等，可以由其他设备直接读取数据内容。

（2）工作单元，用于执行对渠道冻胀变形的测量操作，包括用于测量冻胀变形的模块和用于读取冻胀变形模块的读数模块。

仪器测量时，通过读数模块逐个读取冻胀变形测量模块中角度、位移和温度等数据，并保存数据至存储模块，当与外部电脑或上位机连接时，会将数据自动发送给外部系统。

（3）信息传输单元，用于仪器与外部系统之间交互数据信息。为提高数据传输的速度和效率，仪器与外部系统之间包括两个独立的数据传输通道，即USB通信通道和485通信通道，保证数据信息传输迅速、可靠。工作人员可以定期通过USB通道获取监测数据，或者外部系统通过485通信通道发送给仪器各种命令、参数，仪器通过该数据传输通道上传给外部系统的各项测量数据和信息等。

（4）内部供电单元，用于提供仪器的供电和电源管理。在本实施例中，内部供电单元包括锂电池和电源管理模块。锂电池采用内置或可拆卸的方式安装在电池仓内，例如采用大容量锂电池供电，充电一次可以满足测量仪器正常工作1个月以上。电源管理模块根据仪器各个功能单元工作电压、电流进行合理分配，并且对仪器的各个功能单元的工作电流、电压、温度进行监控，对发生过流、过压情况进行报警并自动保护，并且对锂电池充放电电流、电压、温度进行自动监控和管理，对欠压、过流、过温度等情况进行报警和保护，延长电池工作寿命，保证设备正常工作。

（5）外部供电单元，用于提供外部电源供仪器待机和锂电池充电使用，包括太阳能电池板、小型风力发电机和充电器。充电器用于将太阳能电池板和风力发电机的输出电流整流和变压供仪器使用，并具备外部220V电源接口，满足多类型供电需求，提高了供电的安全性。

（6）信息输入显示单元，用于输入控制命令，显示仪器工作状态等功能，包括液晶屏和屏幕控制模块。该单元为仪器安装人员提供了现场调试的界面，在仪器现场安装和日常维护修理时，可以设置仪器工作参数，查看仪器工作状态，处理仪器工作故障等。

下面参考图6并结合图7所示的流程图，详细说明本发明的自动量测渠道冻胀变形的仪器对渠道冻胀变形量进行测量的方法。

如图6所示，设定好初始参数后系统进入待机状态，当到达开机时间或收到外部通信命令后，低功耗芯片机关闭外部供电单元，唤醒中控芯片机，并进入休眠状态。中控芯片机开始工作，测量仪器执行测量准备，进行开机检查，包括连接线缆、连接控制装置通信、启动控制程序、系统状态检查、电池容量检查、通信连接测试、工作模式设置等工作，其中：

工作模式设置：测量模块数量、测量模块编号、测量的顺序等；

参考图7所示，测量仪器完成准备工作以后，可以进行渠道冻胀力的测量工作。其具体工作步骤如下：

步骤1启动测量工作模块；

步骤2根据预设的测量顺序，开始逐个对测量模块读数；

步骤3对冻胀变形模块连续测量三次角度量、位移量和土体温度，并计算三次的测量误差；

步骤4满足预设的测量精度时，进行下一个测量模块读数，否则重新开始步骤3测量，并在测量日志中进行记录；

步骤5如果连续3次测量该测量模块读数均不能满足测量精度要求，则进行下一个测量模块读数，并在测量日志中进行记录；

步骤6在下一个测量模块开始步骤3的工作，直至所有测量模块全部测完；

步骤7每次读数完毕后均自动储存数据；

步骤8仪器自动将本次测量的所有信息写成一条测量记录，并自动保存，然后进入步骤9（即进入工作结束步骤）；

步骤9中控芯片机通过信息传输单元，将本次测量数据发送至上位机，如收到上位机数据接收的回复，则进入步骤10，如果在规定的时间内，没有收到上位机的回复，则自动对该条数据进行标注，下次测量时继续传输，并进入步骤10。

步骤10中控芯片机唤醒低功耗芯片机后，进入关机状态。

步骤11低功耗芯片机在等待设定好的时间间隔后，断开中控芯片机电源，并开启外部供电单元，为内部供电单元充电和为整个系统供电，整套系统进入待命状态。

仪器监控系统软件

本实例中在低功耗芯片机和中控芯片机中安装有仪器监控软件，采用采用高级语言编写的可视化、人机交互的计算机程序，通过液晶触摸屏，操作人员能控制仪器进行测量操作，并实时监测仪器的运行状态。

低功耗芯片机和中控芯片机内运行的仪器监控软件包括系统管理程序、运行控制程序和数据处理程序，参见图8所示，其中：

1）系统管理程序：

系统管理程序包括项目管理、系统安全管理和操作日志等内容。

2）运行控制程序：

运行控制程序包括系统设置、系统自检、测量控制等内容。

3）数据处理程序：

数据处理程序包括数据传输、数据整理和数据库管理等工作。

本发明一种能自动量测渠道全断面冻胀变形仪器，通过测量模块自动读数测量数据，该数值与初始读数相减，再通过三角函数即可算出渠道的冻胀变形量。该值可以通过有线、无线电台、无线网桥、GPRS或北斗通信等手段传输到上位机内，并通过配套的软件将其数值展现出来。该仪器可以采用有线或者太阳能、风能供电两种方式，当采用太阳能风能供电时，蓄电池需要放置在冻胀区以下。

配合该自动化量测仪器的安装方法，步骤如下：

一种能自动量测渠道全断面冻胀变形仪器安装方法。

（1）仪器到场后，先开箱检查，查看外表有无破损等情况；

（2）采用人工或者机械的方式将仪器安装位置的地面整平，在渠道左侧或右侧较为有利的位置采用人工或机械的方式开挖出深5~10cm，从渠顶到渠底半侧区域的浅槽，浅槽的中心线与渠道水流方向垂直，浅槽宽20cm，浅槽表面人工或机械压实、整平；

（3）在浅槽的中心线和渠道的底部中心线处，采用人工或者机械的方式将作为基准桩的带弹簧片的锚头部分和锚杆逐根压入待测量的土体中，锚头入土深度要超过冻胀区1米以上，锚头到达安装位置后，将锚杆向外拔出3~5cm左右，保证锚头处的弹簧片全部张开，起到固定锚杆的作用；

（4）将1号不锈钢杆的一头通过连接装置与基准桩连接，另一头通过连接装置与2号不锈钢杆连接。在1、2不锈钢杆连接处，人工压入一般固定锚头，锚头压入23cm后，在拔出3cm，其头部与连接装置相连；

（5）重复步骤3、4，将作为测量模块的不锈钢杆一根根的连接好，直至连接到渠道的渠顶附近；

（6）选取一处地势较高，通讯信号好的位置，开挖0.5米见方，深度超过60cm的坑，坑内浇筑混凝土，并埋设一根长2m左右刷过防锈漆的钢管。在坑的附近再开挖一个深度超过冻胀区的深坑，并将锂电池仓埋设到坑底，做好防护措施后，将电源线经过穿线管保护后引出，回填原状土，并人工压实；

（7）待混凝土凝固后，将中控保护箱固定在钢管上，将太阳能板调整好位置固定在钢管的顶部；

（8）通过电缆线将中控系统、冻胀变形测量装置和电池仓连接起来；

（9）通过信息输入显示单元或配套的控制软件设置初始工作参数，并启动仪器工作，进行试验性读数，查看仪器是否工作正常；

（10）采用人工的方式回填浅槽，并人工压实，压实过程中要不间断读数，密切观察各个测量模块的工作状态；

（11）通过一个星期的连续定时采集，待读数稳定后，将稳定后的读数设置为初始读数，作为后期冻胀变形计算的初值。

本发明针对渠道冻胀变形现场测量方式的不足，发明了一种能自动量测渠道冻胀变形的仪器，具有以下特点：

（1）该自动化量测仪器，在安装过程中不会对原状土体产生较大的干扰，保证了所测量土体的原始状态，仪器测量精度高；

（2）该自动化量测仪器，以基准桩为不动点，采用逐段测量的方式，逐段量测渠道的冻胀变形，有效的避免了传统仪器测量基准点不稳，只能测量单个点的弊端，并巧妙根据输水渠道自身的特点采用平面应变的简化研究方法和对称性的简化方式，实现了在最小的测量区域内，有效的量测渠道整个断面的冻胀变形数据的目的；

（3）该自动化量测仪器可以采用有线、无线等方式进行数据传输，并能够根据现场情况采用有线和太阳能、风能蓄电池等多种供电方式，其配套功能灵活多样，可广泛适用各种现场环境；

（4）该自动化量测仪器采用模块化设计，结构简单，能有效的降低生产成本，便于日常维护。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：其由锚固部分、量测部分和中控部分组成；

所述锚固部分包括若干锚固杆，所述锚固杆由锚头、锚杆和连接装置组成，所述锚头最前端为尖锥状，锚头主体部分开有凹槽，其内安装有弹簧片，锚头后部带有螺纹；所述锚杆两端设有连接螺纹；所述连接装置包括万向节和短连接螺杆，用于连接锚杆和所述量测部分；

所述量测部分包括若干测量杆，角度测量模块和位移测量模块内置于测量杆内；测量杆由一粗一细两根杆子组成，角度测量模块采用伺服加速度测角器，位移测量模块采用振弦式压力传感器；粗杆的一端设有与所述连接装置连接的螺纹，该端内嵌所述伺服加速度测角器，粗杆另一端设有内孔，内孔的尽头处内嵌振弦式压力传感器，细杆的首端插入内孔，尾端上设有螺纹并伸出内孔外，在内嵌振弦式压力传感器和细杆的首端之间连接有弹簧；

所述若干测量杆通过所述若干锚固杆连接在一起，并固定于渠道中；

所述中控部分控制角度测量模块和位移测量模块进行信号采集。

2.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述弹簧片为弧形。

3.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：在内孔壁上，开有3个环形凹槽，内嵌O型密封圈。

4.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：连接装置为有三个接头的万向节，其中两个与测量杆相连，一个与锚杆相连。

5.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述锚杆包括作为基准桩的锚杆和普通锚杆，基准桩的锚杆采用6寸的不锈钢圆管，长1m；普通锚杆直径为1.5cm，长10cm。

6.根据权利要求1所述的一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述中控部分由控制单元和分别与控制单元连接的内部供电单元、信息输入显示单元、信息传输单元和外部供电单元组成，所述量测部分包括工作单元，所述内部供电单元用于给工作单元供电，外部供电单元用于给内部供电单元补充能源。

7.根据权利要求6所述的一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述控制单元、信息输入显示单元和信息传输单元设置在密封的镀锌信息采集保护箱内，太阳能板安装在信息采集保护箱外部，所述内部供电单元包括锂电池，锂电池安装在防水保温的电池仓内，电池仓安装在冬季冻胀区以下的坑内，电池仓安装电池仓通过电源和数据线与信息采集保护箱相连。

8.根据权利要求1所述的仪器的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：仪器安装调试后，设置初始参数，包括：测量的顺序、各测量模块的编号、每次测量次数、重复测量的遍数、精度、测量的间隔时间；

步骤二：仪器收到测量命令或到达预设时间后，低功耗芯片机关闭外部供电单元，唤醒中控芯片机，进入休眠状态；中控芯片机开始工作，测量仪器执行测量准备，进行开机检查，包括连接线缆、连接控制装置通信、启动控制程序、系统状态检查、电池容量检查、通信连接测试和工作模式设置工作；

步骤三：根据预设的测量顺序，开始逐个对测量模块读数；当读数满足预设的测量精度时，进行下一个测量模块读数，否则重复测量，直至满足精度要求或达到预设的重复次数为止；以同样方法依次读取后续测量模块；

步骤四：测量结束后仪器自动生成一条包括时间、测量用时、测量数值的测量日志，并通过信息传输单元向外传输；中控芯片机唤醒低功耗芯片机后，进入关机状态；低功耗芯片机在规定的等待时间后，断开中控芯片机电源，开启外部供电单元，为内部供电单元充电，并为整个系统供电，整套系统进入待命状态。

9.根据权利要求1所述的仪器的安装方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：采用人工或者机械的方式将仪器安装位置的地面整平，在渠道左侧或右侧较为有利的位置采用人工或机械的方式开挖出深5~10cm，从渠顶到渠底半侧区域的浅槽，浅槽的方向与渠水流方向垂直，浅槽宽20cm，浅槽表面人工或机械压实、整平；

步骤二：在浅槽的中心线以及渠道的底部中心线处，采用人工或者机械的方式将作为基准桩的带弹簧片的锚头和锚杆逐根压入待测量的土体中，锚头入土深度要超过当地冻胀深度1米，锚头到达安装位置后，将锚杆向外拔出3~5cm，保证锚头处的弹簧片全部张开，起到固定锚杆的作用；

步骤三：将第一测量杆的一头通过连接装置与基准桩连接，另一头通过连接装置与第二测量杆连接，在第一和第二测量杆连接处，人工压入普通固定锚头，锚头压入23cm后，在拔出3cm，其头部与连接装置相连；

步骤四：重复步骤三，将作为测量模块的测量杆一根根的连接好，直至连接到渠道的渠顶附近；

步骤五：选取一处地势较高，通讯信号好的位置，开挖0.5米见方，深度超过60cm的坑，坑内浇筑混凝土，并埋设一根长2m左右刷过防锈漆的钢管；在坑的附近再开挖一个深度超过冻胀区的深坑，并将锂电池仓埋设到坑底，做好防护措施后，将电源线经过穿线管保护后引出，回填原状土，并人工压实；

步骤六：待混凝土凝固后，将采集发布的中控系统保护箱固定在钢管上，将太阳能板调整好位置固定在钢管的顶部；

步骤七：通过电缆线将采集发布装置、冻胀变形测量装置和电池仓连接起来；

步骤八：通过信息输入显示单元或配套的控制软件设置初始工作参数，并启动仪器工作，进行试验性读数，查看仪器是否工作正常；

步骤九：采用人工的方式回填浅槽，并人工压实，压实过程中要不间断读数，密切观察各个测量模块的工作状态；

步骤十：通过一个星期的连续定时采集，待读数稳定后，将稳定后的读数设置为初始读数，作为后期冻胀变形计算的初值。

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