CN111649661A - 用于危岩监测的拉线传感器及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于危岩监测的拉线传感器及监测系统，它包括绕线轮和拉线转辊；绕线轮可转动的支承在壳体内，绕线轮用于卷绕拉线，绕线轮与弹性装置连接，以使绕线轮将拉线向一个方向张紧；拉线转辊可转动的支承在壳体内，从绕线轮引出的拉线在拉线转辊上卷绕多圈，并引出壳体，还设有用于检测拉线转辊的转角的读取装置。监测系统，它包括拉线传感器和锚固杆，拉线传感器固设在危岩的基础侧，锚固杆固设在危岩的滑移侧；拉线传感器与锚固杆之间设有开挖槽，保护管设置在开挖槽内，连接钢丝绳和拉线穿入到保护管内。通过采用绕线轮与拉线转辊分离的方案，克服了现有技术中拉线卷绕直径的误差。采用开槽布置的方案，施工更加快捷。

Description

用于危岩监测的拉线传感器及监测系统

技术领域

本发明涉及拉线传感器领域，特别是一种用于危岩监测的拉线传感器及监测系统。

背景技术

我国幅员辽阔，有三分之二的国土属于山地地貌，是世界上遭受山体崩塌灾害最严重的国家之一，而危岩崩塌会给人民的财产造成重大损失、人身安全受到威胁。根据地质环境分析，危岩的形成包括内部条件和外部条件两类，内部条件包括地层岩性、坡体结构、高陡临空面；外部条件包括降雨、风化、地震、温度、植被、人类工程活动等。常用的监测方式包括1、建设基准点和监测点，通过全站仪对基准点与监测点之间的相对位置进行监测。2、采用激光位移监测系统。3、设置自动化应力监测点。4、设置自动化拉线式位移监测系统。其中自动化拉线式位移监测系统由于成本低廉，便于实现无人值守的监测而被作为危岩监测必不可少的监测手段。常用的拉线式位移传感器如中国专利文献CN 109655022 A、CN110631614 A的结构类似。采用该类结构的拉线式位移传感器存在的较大问题在于精度不够，具体表现为，为实现较大的测量量程，因此需要采用较大直径的绕线轮，而拉线位移的检测通常检测绕线轮的转角，而实际上卷绕在绕线轮上的每层拉线因为卷绕直径不同，由转角计算得到的拉线长度存在误差，而卷绕顺序较乱的状态下，拉线的长度更不可控。更进一步的，现有的拉线式位移传感器的所需的能耗较高，通常需要配置独立的太阳能电池系统来供电，导致成本高昂，或者持续使用时间较短，而在危岩区域更换电池的危险性较高。现有技术的岩土监测均采用了预埋式方案，例如中国专利文献CN 102162234 A或CN109115168 A的方案，但是预埋式方案的施工方法需要开挖足够的深度，用于危岩监测的施工较为困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于危岩监测的拉线传感器及监测系统，能够确保位移监测的精度；优选的方案中，能够大幅降低拉线传感器的能耗，以大幅延长拉线传感器的继航时间；还便于在危岩监测的现场布置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于危岩监测的拉线传感器，它包括绕线轮和拉线转辊；

绕线轮可转动的支承在壳体内，绕线轮用于卷绕拉线，绕线轮与弹性装置连接，以使绕线轮将拉线向一个方向张紧；

拉线转辊可转动的支承在壳体内，从绕线轮引出的拉线在拉线转辊上卷绕多圈，并引出壳体，还设有用于检测拉线转辊的转角的读取装置。

优选的方案中，所述的弹性装置为盘簧，弹性装置的一端与壳体固定连接，另一端与绕线轮固定连接。

优选的方案中，所述的弹性装置为弹性体，弹性体的一端与绕线轮固定连接，弹性体的另一端与壳体固定连接。

优选的方案中，壳体的一侧或两侧设有延伸臂，延伸臂与壳体连通，弹性体设置在壳体内，绕线轮的转轴与弹性体的一端连接，延伸臂的自由端设有固定端头，固定端头与弹性体的另一端连接。

优选的方案中，绕线轮与拉线转辊之间设有第一导管，第一导管位于靠近拉线转辊一端的位置；

还设有第二导管，第二导管用于将拉线转辊上的拉线引出，第二导管位于靠近拉线转辊另一端的位置。

优选的方案中，所述的读取装置中，编码盘与拉线转辊固定连接，采集装置与壳体固定连接，采集装置用于读取编码盘上的编码；

采集装置与主控装置电连接，用于将读取的数据发送至主控装置。

优选的方案中，所述的读取装置中，编码盘与拉线转辊固定连接，编码盘上设有多个沿圆周均布的磁铁；

采集装置与壳体固定连接，在采集装置设有至少两个电磁线圈，两个电磁线圈之间的角度相距为除180°以外的角度。

优选的方案中，拉线转辊通过增速器与电磁线圈与编码盘连接，电磁线圈与主控装置的INT引脚电连接，以在出现位移的时候通过电磁线圈产生的电流唤醒主控装置；

电磁线圈与数模转换装置电连接，数模转换装置与主控装置电连接。

一种采用上述的用于危岩监测的拉线传感器的监测系统，它包括拉线传感器和锚固杆，拉线传感器固设在危岩的基础侧，锚固杆固设在危岩的滑移侧；

连接钢丝绳的一端与锚固杆固定连接，连接钢丝绳的另一端与拉线传感器的连接头固定连接；

拉线传感器与锚固杆之间设有开挖槽，保护管设置在开挖槽内，连接钢丝绳和拉线穿入到保护管内。

优选的方案中，拉线与危岩上的裂隙大致垂直；

拉线传感器通过无线收发装置与基站电连接，基站用于收集各个拉线传感器采集的数据发送至终端或服务器。

本发明提供的一种用于危岩监测的拉线传感器及监测系统，通过采用绕线轮与拉线转辊分离的方案，克服了现有技术中拉线卷绕直径的误差。经测试，采用有机材质的拉线在拉线转辊上卷绕3圈即能够确保拉线与拉线转辊之间没有相对滑移。通过采用弹性体预张紧的方案，大幅增加了拉线传感器的量程，本例中的量程能够达到50m以上。设置的电磁线圈检测方案，能够大幅增加拉线传感器的继航时间，经测算2节18650标准锂电池，能够继航超过6年，便于实现对危岩的长期监测。通过采用近场通讯集中发送到基站的方案，也大幅缩小了拉线传感器的体积，延长了继航时间。采用开槽布置的方案，与造孔埋设的方案相比，施工更加快捷。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明在危岩的现场布置示意图。

图2为本发明的单个拉线传感器现场布置的示意图。

图3为本发明的拉线传感器的结构示意图。

图4为本发明的读取装置的结构示意图。

图5为本发明的另一优选的读取装置的结构示意图。

图6为本发明的控制电路结构框图。

图中：拉线传感器1，连接头101，壳体102，绕线轮103，延伸臂104，弹性体105，固定端头106，第一导管107，拉线转辊108，第二导管109，管体110，第三导管111，采集装置112，光电传感器1121，电磁线圈1122，主控装置1123，无线收发装置1124，数模转换装置1125，编码盘113，编码1131，磁铁1132，连接头114，基站2，危岩3，裂隙4，拉线5，锚固杆6，连接钢丝绳61，锚固头62，开挖槽7，保护管8。

具体实施方式

实施例1：

如图1~6中，一种用于危岩监测的拉线传感器，它包括绕线轮103和拉线转辊108；

如图3中所示，绕线轮103可转动的支承在壳体102内，绕线轮103用于卷绕拉线5，绕线轮103与弹性装置连接，以使绕线轮103将拉线5向一个方向张紧；

拉线转辊108可转动的支承在壳体102内，从绕线轮103引出的拉线5在拉线转辊108上卷绕多圈，并引出壳体102，还设有用于检测拉线转辊108的转角的读取装置。由此结构，通过采用将绕线轮103和拉线转辊108单独设置的方案，使拉线在拉线转辊108始终只会卷绕一层，从而克服了现有技术中，因拉线在拉线转辊108表面卷绕多层导致的测量精度误差的问题。经测试，通常拉线5在拉线转辊108表面卷绕超过3圈，即可确保拉线5与拉线转辊108之间没有相对滑移，即拉线的拉出距离与拉线转辊108的转角精确对应，且没有因为相对滑移而产生精度误差。本例中，通常使用时，拉线在拉线转辊108表面卷绕为7圈。由此结构，也大幅延长了拉线传感器1的量程，通过更换不同的绕线轮103即可获得不同的量程。

优选的方案中，所述的弹性装置为盘簧，弹性装置的一端与壳体102固定连接，另一端与绕线轮103固定连接。拉线传感器1的量程即为盘簧从最松到最紧之间的行程。

优选的方案如图3中，所述的弹性装置为弹性体105，弹性体105的一端与绕线轮103固定连接，弹性体105的另一端与壳体102固定连接。弹性体105优选采用多股硅胶管，通过对硅胶管的绞合产生足够的张紧力。

优选的方案如图3中，壳体102的一侧或两侧设有延伸臂104，延伸臂104与壳体102连通，弹性体105设置在壳体内，绕线轮103的转轴与弹性体105的一端连接，延伸臂104的自由端设有固定端头106，固定端头106与弹性体105的另一端连接。通常延伸臂104越长，则相应的弹性体105越长，量程也相应越长。

优选的方案如图3中，绕线轮103与拉线转辊108之间设有第一导管107，第一导管107位于靠近拉线转辊108一端的位置；

还设有第二导管109，第二导管109用于将拉线转辊108上的拉线5引出，第二导管109位于靠近拉线转辊108另一端的位置。由此结构，使拉线5始终从预设的位置卷绕到拉线转辊108上，并在预设的位置从拉线转辊108离开，从而确保拉线5在拉线转辊108上不会互相交叠。优选的，第二导管109的下部还设有管体110，在管体110的底部侧壁还设有第三导管111，用于将拉线5从管体110的底部侧壁横向引出，引出的拉线5端头固设有连接头101。在管体的底部还设有连接端头，用于连接锚杆，在使用时将锚杆打入地下，连接端头通过螺纹与锚杆的顶部固定连接。在使用完毕后将拉线传感器1拧下，拉线传感器1即可重复使用。

优选的方案如图3~4中，所述的读取装置中，编码盘113与拉线转辊108固定连接，采集装置112与壳体102固定连接，采集装置112用于读取编码盘113上的编码1131；

采集装置112与主控装置1123电连接，用于将读取的数据发送至主控装置1123。主控装置1123通常选用单片机，例如STF32M系列单片机。采用编码盘113的方案较为成熟，适用于获取电能较为容易的场景。

优选的方案如图3~5中，所述的读取装置中，编码盘113与拉线转辊108固定连接，编码盘113上设有多个沿圆周均布的磁铁1132；

采集装置112与壳体102固定连接，在采集装置112设有至少两个电磁线圈1122，两个电磁线圈1122之间的角度相距为除180°以外的角度。当磁铁1132经过电磁线圈1122时，会导致电磁线圈1122切割磁力线从而产生一个正弦形态的电脉冲，由此电脉冲即可感知到编码盘113的转角。通过对正弦形态的电脉冲进行微分，即可进一步提高测量精度。

优选的方案如图6中，拉线转辊108通过增速器与电磁线圈1122与编码盘113连接，电磁线圈1122与主控装置1123的INT引脚电连接，以在出现位移的时候通过电磁线圈1122产生的电流唤醒主控装置1123；电磁线圈1122与数模转换装置1125电连接，数模转换装置1125与主控装置1123电连接。设置的增速器使拉线转辊108一个较小的旋转，拉线5的位移，通过增速器即可使编码盘113转动较大的转角，从而进一步提高监测精度。采用该方案适于维护不易，取电也较为困难的场景。由电磁线圈1122产生的电脉冲对主控装置1123的INT引脚供电，即可使主控装置1123启动，由此方案，能够大幅降低整个拉线传感器1的能耗，当拉线传感器1未监测到位移产生时，则拉线传感器1仅需保持数模转换装置1125的耗电，而数模转换装置1125通常功耗极低。当位移产生后，主控装置1123能够在自动休眠后不断被重新唤醒，从而确保不会影响监控效果和精度。用于唤醒主控装置1123的电脉冲也被送入到数模转换装置1125计数，因此休眠不会影响到监测的精度。经测算2节18650型号的锂电池，采用BL8505-3.3芯片输出3.3V稳定电压，能够实现拉线传感器16年以上的继航，即便连续使用也足够使用1年以上。由此结构，能够大幅减少人工维护的成本，也避免使用太阳能电池等高成本部件。

实施例2：

如图1、2中，一种采用上述的用于危岩监测的拉线传感器的监测系统，它包括拉线传感器1和锚固杆6，拉线传感器1固设在危岩3的基础侧，锚固杆6固设在危岩3的滑移侧；

连接钢丝绳61的一端与锚固杆6固定连接，连接钢丝绳61的另一端与拉线传感器1的连接头101固定连接；

拉线传感器1与锚固杆6之间设有开挖槽7，保护管8设置在开挖槽7内，连接钢丝绳61和拉线5穿入到保护管8内。某处危岩3主要为石灰岩，属硬质岩石，岩溶作用较强烈，二级陡崖下软弱基座为茅口组二段页岩夹石灰岩，岩石软硬相间，因差异风化，页岩逐渐风化剥蚀，局部形成凹腔，页岩段在危岩底部形成斜坡；在上覆岩体的自重作用下，页岩基座的近临空部位发生压剪破坏，为上部危岩的变形提供了一定的力学和位移条件。监测区域由于岩性差异形成了特殊的上部陡立下部斜坡的地貌形态，即两级陡崖，陡崖近乎直立，高度80～250m；而上硬下软的岩性强度差异也为卸荷裂隙的产生和发展提供了条件。卸荷裂隙沿陡崖呈带状分布，具有平面发育密度小，但是规模大，延伸长，贯通性好的特点，裂隙延伸长度达数十米，张开度通常达到1～200cm，多无充填，局部充填少量的碎石。在此结构下采用开挖槽7的方案将拉线传感器1和锚固杆6分别布置在裂隙4两侧，既能够确保监测精度，也能够避免对施工造成干扰。考虑到重复使用的问题，将拉线传感器1设置在危岩3较为稳定的基础侧，而将锚固杆6设置在危岩3易脱落的滑移侧，当滑移侧发生位移时，即锚固杆6带动拉线5移动，拉线5带动拉线转辊108转动，采集装置112检测到编码盘113的转动，从而检测到锚固杆6的位移，即滑移侧的位移。该方案大幅降低了施工难度，减少了施工风险。进一步优选的，在锚固杆6的底部灌浆，采用单孔灌浆锚杆，在锚固杆6的底部形成锚固头62，以进一步确保监测精度。优选的，所述的保护管8采用半圆管，在施工时，仅需将保护管8盖在拉线5和连接钢丝绳61上，进一步简化了施工。

优选的方案如图2中，拉线5与危岩3上的裂隙4大致垂直；由此结构，以进一步提高监测精度。

拉线传感器1通过无线收发装置1124与基站2电连接，基站2用于收集各个拉线传感器1采集的数据发送至终端或服务器。由此结构，采用集中转发的方案，能够进一步节省拉线传感器1的能耗，而仅需对基站2采用较复杂的供电方案，例如太阳能或风能持续供电。本例中的无线收发装置1124优选采用WIFI、、蓝牙、Zigbee或LoRa方案。基站2则采用2G、3G、4G或5G等通讯方案，以实现远程数据传输。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明中记载的技术特征，在不冲突的前提下，能够互相组合使用，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：它包括绕线轮（103）和拉线转辊（108）；

绕线轮（103）可转动的支承在壳体（102）内，绕线轮（103）用于卷绕拉线（5），绕线轮（103）与弹性装置连接，以使绕线轮（103）将拉线（5）向一个方向张紧；

拉线转辊（108）可转动的支承在壳体（102）内，从绕线轮（103）引出的拉线（5）在拉线转辊（108）上卷绕多圈，并引出壳体（102），还设有用于检测拉线转辊（108）的转角的读取装置。

2.根据权利要求1所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：所述的弹性装置为盘簧，弹性装置的一端与壳体（102）固定连接，另一端与绕线轮（103）固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：所述的弹性装置为弹性体（105），弹性体（105）的一端与绕线轮（103）固定连接，弹性体（105）的另一端与壳体（102）固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：壳体（102）的一侧或两侧设有延伸臂（104），延伸臂（104）与壳体（102）连通，弹性体（105）设置在壳体内，绕线轮（103）的转轴与弹性体（105）的一端连接，延伸臂（104）的自由端设有固定端头（106），固定端头（106）与弹性体（105）的另一端连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：绕线轮（103）与拉线转辊（108）之间设有第一导管（107），第一导管（107）位于靠近拉线转辊（108）一端的位置；

还设有第二导管（109），第二导管（109）用于将拉线转辊（108）上的拉线（5）引出，第二导管（109）位于靠近拉线转辊（108）另一端的位置。

6.根据权利要求1所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：所述的读取装置中，编码盘（113）与拉线转辊（108）固定连接，采集装置（112）与壳体（102）固定连接，采集装置（112）用于读取编码盘（113）上的编码（1131）；

采集装置（112）与主控装置（1123）电连接，用于将读取的数据发送至主控装置（1123）。

7.根据权利要求1所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：所述的读取装置中，编码盘（113）与拉线转辊（108）固定连接，编码盘（113）上设有多个沿圆周均布的磁铁（1132）；

采集装置（112）与壳体（102）固定连接，在采集装置（112）设有至少两个电磁线圈（1122），两个电磁线圈（1122）之间的角度相距为除180°以外的角度。

8.根据权利要求7所述的一种用于危岩监测的拉线传感器，其特征是：拉线转辊（108）通过增速器与电磁线圈（1122）与编码盘（113）连接，电磁线圈（1122）与主控装置（1123）的INT引脚电连接，以在出现位移的时候通过电磁线圈（1122）产生的电流唤醒主控装置（1123）；

电磁线圈（1122）与数模转换装置（1125）电连接，数模转换装置（1125）与主控装置（1123）电连接。

9.一种采用权利要求1~8任一项所述的用于危岩监测的拉线传感器的监测系统，其特征是：它包括拉线传感器（1）和锚固杆（6），拉线传感器（1）固设在危岩（3）的基础侧，锚固杆（6）固设在危岩（3）的滑移侧；

连接钢丝绳（61）的一端与锚固杆（6）固定连接，连接钢丝绳（61）的另一端与拉线传感器（1）的连接头（101）固定连接；

拉线传感器（1）与锚固杆（6）之间设有开挖槽（7），保护管（8）设置在开挖槽（7）内，连接钢丝绳（61）和拉线（5）穿入到保护管（8）内。

10.根据权利要求9所述的监测系统，其特征是：拉线（5）与危岩（3）上的裂隙（4）大致垂直；

拉线传感器（1）通过无线收发装置（1124）与基站（2）电连接，基站（2）用于收集各个拉线传感器（1）采集的数据发送至终端或服务器。

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