CN113551649B - 一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置及其测量方法，包括通过安装杆固定于危岩体上的安装外壳，安装外壳内部设置模块区域和支撑杆，支撑杆与平衡杆转动连接；平衡杆两端分别开设有第一空槽和第二空槽，第二空槽的两个侧壁分别设置有第一电阻和第二电阻；安装外壳顶部开设第一环形导轨槽和第二环形导轨槽，第一环形导轨槽和第二环形导轨槽分别与第一拉线的一端和第二拉线的一端滚动连接，第一拉线的另一端和第二拉线的另一端穿过第二空槽分别与第一锤摆和第二锤摆连接；第一拉线和第二拉线接入的电阻与电源和第一电流计串联。本发明安装简便，结构简单，能够精确稳定的测量出危岩体沿任意方向的倾斜角度。

Description

一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及角度测量领域，特别是涉及一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置及其测量方法。

背景技术

危岩体是指一些岩体虽然还没有发生崩塌，但具备发生崩塌的主要地质条件，有些岩体已经出现了崩塌前兆现象，因此预示不久可能发生崩塌的岩体。危岩体是潜在的崩塌体。我国是一个山体地貌形态复杂的国家，危岩体崩落是山区常见的一种地质灾害；危岩体崩落具有突发性极强、破坏力大等特点，严重威胁着交通要道、山区居民正常生产生活；在我国，每年由于危岩体崩落而造成大量人员伤亡及重大经济损失。

危岩体在实际防治过程中，由于其具有很强的突发性，防治难度极大。由于危岩体的位移变形较小，通过传统的滑坡位移变形监测手段，对危岩体难以发挥较好的作用。因此测量危岩体倾斜角度比测量危岩体的位移变形量具有更广泛的实用性，通过其倾斜角度的变化，可以判断危岩体的变形趋势，从而更及时的撤离受威胁群众和财产，确保人民群众生命财产安全，危岩体在实际防治过程中，由于其具有一定的突发性，倾斜角度与滑坡相比较小，不易测量。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置和测量方法，解决了现有危岩体倾斜角度不易测量的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本方案提供一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置，其包括通过安装杆固定于危岩体上的安装外壳，安装外壳内部设置模块区域和支撑杆，支撑杆与平衡杆转动连接；

平衡杆两端分别开设有第一空槽和第二空槽，第二空槽的两个侧壁分别设置有第一电阻和第二电阻；

安装外壳顶部开设第一环形导轨槽和第二环形导轨槽，第一环形导轨槽和第二环形导轨槽具有相同的圆心，第一环形导轨槽和第二环形导轨槽分别与第一拉线的一端和第二拉线的一端滚动连接，第一拉线的另一端和第二拉线的另一端穿过第二空槽分别与第一锤摆和第二锤摆连接；

第一拉线和第二拉线分别与供电模块的电源正极和负极连接，且第一拉线和第二拉线接入的电阻与电源和第一电流计串联。

本发明安装简便，结构简单，两个空槽保持平衡杆两端平衡，两个电阻用于为测量危岩体倾斜角度提供具体数据，两根拉线与两个锤摆连接始终保持竖直状态，能够在温度变化不大的环境中精确稳定的测量出危岩体的倾斜角度。

进一步地，模块区域包括用于为解算模块、控制模块和通信模块提供电源的供电模块；用于计算危岩体倾斜角度的解算模块；用于对数据采集电路和通讯模块进行开关控制的控制模块；用于将解算模块计算得到的倾斜角度传送至远程上位机的通信模块。

控制模块对数字采集电路和通讯模块开关进行控制，可下达数据采集的频率调整指令，并根据该指令实时接通数据采集电路、通讯模块开关，解算模块可接收电流计的测量数据，并根据预先植入的计算公式和输入的已知参数进行自动计算，供电模块用于提供电源，通信模块用于将解算模块计算得到的倾斜角度传送至远程上位机。

进一步地，安装外壳内部设置有第三电阻，所述第三电阻与供电模块的电源正极和负极连接，且第三电阻与电源和第二电流计串联。

第三电阻用于消除环境温度变化造成电阻率变化所引起的误差。

进一步地，第一拉线和第二拉线材质为不计电阻的导线，第一电阻、第二电阻和第三电阻的材质相同，第一电阻和第二电阻的横截面积相同。

第一拉线和第二拉线起导线作用，电阻率忽略不计，第一电阻、第二电阻和第三电阻在任一时刻的电阻率均相同。

另一方面，本方案还提供一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：

测量第一拉线和第二拉线顶部安装位置的距离L₀；

读取第一电流计的读数为I₁；

根据第一电阻或第二电阻接入的长度为L₀·cosβ，计算危岩体倾斜角度β：

β＝arccos[US₁/(I₁·ρ·L₀)]；

其中，U为第一电阻(14)和第二电阻(15)接入的电源电压，S₁为第一电阻(14)或第二电阻(15)的横截面积，ρ为电阻率。

进一步地，在安装外壳内部设置第三电阻和第二电流计，测量第三电阻的长度L，第二电流计的读数I₂；

根据第三电阻的长度L，第二电流计的读数I₂，计算出任一时刻第一电阻(14)、第二电阻(15)和第三电阻(17)电阻率ρ：

ρ＝U＇·S₂/(I₂·L)；

其中，U＇为第三电阻(17)接入的电源电压，S₂为第三电阻(17)的横截面积。

根据第三电阻(17)接入的电源电压U＇、第一电阻(14)或第二电阻(15)接入的电源电压U、第一电阻(14)或第二电阻(15)的横截面积S₁、第三电阻(17)的横截面积S₂、读数I₁、读数I₂、距离L₀、长度L，计算出危岩体倾斜角度β：

β＝arccos[(U/U＇)·(S₁/S₂)·(I₂/I₁)·(L/L₀)]；

当U＝U＇，S₁＝S₂时，有：

β＝arccos[(I₂/I₁)·(L/L₀)]。

本发明的有益效果为：本发明结构简单，安装方便，能够及时有效的准确测量出危岩体沿任意方向倾斜时的角度变化，并且大大减小环境温度变化造成电阻率变化所引起的误差。

附图说明

图1为一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置的结构示意图。

图2为一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置倾斜结构示意图。

图3为一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置平衡杆内部结构示意图。

图4为一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置导轨槽的结构示意图。

其中，1、安装杆；2、安装外壳；3、支撑杆；4、转动轴；5、平衡杆；6、第一锤摆；7、第二锤摆；8、第一环形导轨槽；9、第二环形导轨槽；10、第一拉线；11、第二拉线；12、第一空槽；13、第二空槽；14、第一电阻；15、第二电阻；16、第一电流计；17、第三电阻；18、第二电流计。

具体实施方式

面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的实施例一，如图1、图3和图4所示，本方案的一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置及其测量方法，其包括：

通过安装杆1固定于危岩体上的安装外壳2，安装外壳2内部包括支撑杆3、转动轴4和平衡杆5和模块区域。

支撑杆3固定于安装外壳2底部，并且用于支撑平衡杆5。

安装杆1、安装外壳2和支撑杆3在装置初始安装时应为竖直状态。

转动轴4固定在支撑杆3上，转动轴4与平衡杆5转动接触，平衡杆5绕转动轴4向两侧转动时，均有一定的阻力，但阻力较小，使转动轴4根据平衡杆5受力而发生转动，从而保证第一拉线10和第二拉线11与第一电阻14或第二电阻15的紧密接触，保证导电良好，且第一拉线10和第二拉线11只能与第一电阻14和第二电阻15的其中一个接触。

另外，也可以采用下面的方案：转动轴4固定在支撑杆3上，转动轴4与平衡杆5转动接触，转动轴4采用发条动力装置，平衡杆5固定在转动轴4的发条动力输出轴上，使转动轴4能带动平衡杆5受力朝一个方向转动，但发条的输出动力有限，使平衡杆5遇到第一拉线10和第二拉线11时能停止转动，从而保证第一拉线10和第二拉线11与第一电阻14或第二电阻15的其中一个紧密接触，保证接触处导电良好。

第一拉线10和第二拉线11材质为银、铜、铝等电阻率较小的金属。

平衡杆5两端分别开设有第一空槽12和第二空槽13，第一空槽12和第二空槽13分别用于平衡平衡杆5两端的受力，平衡杆5依靠转动轴4连接在支撑杆3上方，平衡杆5在自身重力作用下，始终能保持水平状态，不会随着装置倾斜而发生倾斜。

第二空槽13的两个侧壁分别设置有第一电阻14和第二电阻15，第一电阻14和第二电阻15的材质和横截面积相同，第一电阻14和第二电阻15的长度能满足该装置倾斜时，第一拉线10和第二拉线11始终能与第一电阻14或第二电阻15接触。

为了使第一电阻14和第二电阻15的电阻率ρ近似为恒定值，一方面选用对温度变化不敏感的材质，另一方面本装置应尽可能安装在温度变化不大的环境中。

安装外壳2顶部开设第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9，第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9具有共同的圆心，该圆心位于支撑杆在安装外壳顶部的投影方向上，第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9分别与第一拉线10的一端和第二拉线11的一端滚动连接，所述第一拉线10的另一端和第二拉线11的另一端穿过第二空槽13分别与第一锤摆6和第二锤摆7连接。

第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9开设的目的为不论危岩体往哪个方向倾斜，第一拉线10和第二拉线11均会滚动到危岩体真实的倾斜方向上，从而测量出危岩体沿任意方向倾斜时的倾斜角度。

第一锤摆6和第二锤摆7的材质为铅、铜等具有一定稳定质量金属。

安装时，可以在第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9上布设导线或第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9为导电轨，第一拉线10和第二拉线11也为导线，滚动连接处有导线接触的连接头，通过电源正负极接到第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9的导线上，即可实现将第一拉线10和第二拉线11接入电路，第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9采用滚动连接是用于提高装置灵敏度，使之能感受较小的倾斜角度。

装置安装时，第一拉线10和第二拉线11的顶部安装位置所在直线通过第一环形导轨槽8和第二环形导轨槽9的圆心。

由于第一锤摆6和第二锤摆7的重力作用，不论装置如何倾斜，第一拉线10和第二拉线11在第一锤摆6和第二锤摆7重力的作用下，始终会保持竖直状态。

并且平衡杆5可以在第一拉线10和第二拉线11的带动下沿水平方向发生转动，但平衡杆5沿转动轴4水平转动有一定的阻力，从而使第一铅锤摆6和第二铅锤摆7带动平衡杆5转动时，能使第一电阻14或第二电阻15与第一拉线10和第二拉线11紧密接触。

第一电阻14和第二电阻15开设的目的是不论第一拉线10和第二拉线11带动平衡杆5往哪一侧转动，均会使第一拉线10和第二拉线11紧贴第一电阻14或第二电阻15。

模块区域包括供电模块、解算模块、控制模块和通信模块，供电模块分别与解算模块、控制模块和通信模块电连接。

控制模块对数字采集电路和通讯模块开关进行控制，可下达数据采集的频率调整指令，并根据该指令实时接通数据采集电路、通讯模块开关，解算模块可接受电流计的测量数据，并根据预先植入的计算公式和输入的已经参数进行自动计算，供电模块用于提供电源，通信模块用于将解算模块计算得到的倾斜角度传送至远程上位机。

本实施例装置结构更为简单，节省装置的成本，要求第一电阻14和第二电阻15为电阻率随环境温度变化不大的材质或者环境温度变化幅度较小，测量结果存在一定误差。

根据本申请的实施例二，本实施例包括实施例一全部方案。

如图2所示，安装外壳底部设置第三电阻17，第三电阻17分别接入供电模块的电源正负极，与第二电流计18串联。

第三电阻17与第一电阻14和第二电阻15的材质相同。

第一电阻14、第二电阻15接入的电源电压相同。

第三电阻17和第二电流计18用于消除环境温度变化造成电阻率变化所引起的误差。

本实施例使得该装置能在环境温度变化时、材质电阻率变化的条件下，精确地测量危岩体倾斜的角度。

本方案一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置，其工作原理为：

当危岩体倾斜时，会带动该装置和支撑杆5发生偏转，从而使第一拉线10和第二拉线11之间的距离发生变化，进而造成第一电阻14或第二电阻15接入的长度发生变化，从而根据第一电流计16的读数可求得危岩体倾斜角度。第三电阻17和第二电流计18的作用主要是用于消除环境温度变化造成电阻率变化所引起的误差。

根据本申请的实施例三，本方案的一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

测量第一拉线10和第二拉线11顶部安装位置的距离L₀；

读取第一电流计16的读数为I₁；

根据第一电阻14和第二电阻15接入的长度为L₀·cosβ，计算危岩体倾斜角度β：

β＝arccos[US₁/(I₁·ρ·L₀)]；

其中，U为第一电阻14和第二电阻15接入的电源电压，S₁为第一电阻(14)或第二电阻15的横截面积，ρ为电阻率。

根据本申请的实施例四，本实施例包括实施例三的全部方案。

在安装外壳2内部设置第三电阻17和第二电流计18，测量第三电阻17的长度L，第二电流计18的读数I₂；

根据第三电阻17的长度L，第二电流计18的读数I₂，计算出任一时刻第一电阻14、第二电阻15和第三电阻17的电阻率ρ：

ρ＝U＇·S₂/(I₂·L)；

其中，U＇为第三电阻17接入的电源电压，S₂为第三电阻17的横截面积。

根据第三电阻17接入的电源电压U＇、第一电阻14或第二电阻15接入的电源电压U、第一电阻14或第二电阻15的横截面积S₁、第三电阻17的横截面积S₂、读数I₁、读数I₂、距离L₀、长度L，计算出危岩体倾斜角度β：

β＝arccos[(U/U＇)·(S₁/S₂)·(I₂/I₁)·(L/L₀)]；

当U＝U＇，S₁＝S₂时，有：

β＝arccos[(I₂/I₁)·(L/L₀)]。

本发明结构简单，安装方便，能够及时有效的准确测量出危岩体倾斜时的角度变化，并且大大减小环境温度变化造成电阻率变化所引起的误差。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置，其特征在于，包括通过安装杆（1）固定于危岩体上的安装外壳（2），所述安装外壳（2）内部设置模块区域和支撑杆（3），所述支撑杆（3）与平衡杆（5）转动连接；

所述平衡杆（5）两端分别开设有第一空槽（12）和第二空槽（13），所述第二空槽（13）的两个侧壁分别设置有第一电阻（14）和第二电阻（15）；

所述安装外壳(2)顶部开设第一环形导轨槽（8）和第二环形导轨槽（9），所述第一环形导轨槽（8）和第二环形导轨槽（9）具有相同的圆心，所述第一环形导轨槽（8）和第二环形导轨槽（9）分别与第一拉线（10）的一端和第二拉线（11）的一端滚动连接，所述第一拉线（10）的另一端和第二拉线（11）的另一端穿过第二空槽（13）分别与第一锤摆（6）和第二锤摆（7）连接；

所述第一拉线（10）和第二拉线（11）分别与供电模块的电源正极和负极连接，且第一拉线（10）和第二拉线（11）接入的电阻与电源和第一电流计串联。

2.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置，其特征在于：所述模块区域包括用于为解算模块、控制模块和通信模块提供电源的供电模块；用于计算危岩体倾斜角度的解算模块；用于对数据采集电路和通讯模块进行开关控制的控制模块；用于将解算模块计算得到的倾斜角度数据传送至远程上位机的通信模块。

3.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置，其特征在于：所述安装外壳(2)内部设置有第三电阻（17），所述第三电阻（17）与供电模块的电源正极和负极连接，且第三电阻（17）与电源和第二电流计串联。

4.根据权利要求3所述的危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置，其特征在于：所述第一拉线（10）和第二拉线（11）材质为不计电阻的导线，所述第一电阻（14）、第二电阻（15）和第三电阻（17）的材质相同，所述第一电阻（14）和第二电阻（15）的横截面积相同。

5.根据权利要求1-4任一所述的危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

测量第一拉线（10）和第二拉线（11）顶部安装位置的距离L₀；

读取第一电流计的读数为I₁；

根据第一电阻（14）或第二电阻（15）接入的长度为L₀·cosβ，计算危岩体倾斜角度β：

β=arccos[US₁/( I₁·ρ·L₀)]；

其中，U为第一电阻（14）和第二电阻（15）接入的电源电压，S₁为第一电阻（14）或第二电阻（15）的横截面积，ρ为电阻率。

6.根据权利要求5所述的危岩体倾斜角度的实时自动化测量装置的测量方法，其特征在于，还包括：

在安装外壳(2)内部设置第三电阻（17）和第二电流计，测量第三电阻（17）的长度L，第二电流计的读数I₂；

根据第三电阻（17）的长度L，第二电流计的读数I₂，计算出任一时刻第一电阻（14）、第二电阻（15）和第三电阻（17）的电阻率ρ：

ρ=U＇·S₂/(I₂·L)；

其中，U＇为第三电阻（17）接入的电源电压，S₂为第三电阻（17）的横截面积；

根据第三电阻（17）接入的电源电压U＇、第一电阻（14）或第二电阻（15）接入的电源电压U、第一电阻（14）或第二电阻（15）的横截面积S₁、第三电阻（17）的横截面积S₂、读数I₁、读数I₂、距离L₀、长度L，计算出危岩体倾斜角度β：

β=arccos[（U/ U＇）·（S₁/ S₂）·(I₂/I₁)·( L/L₀)]；

当U=U＇，S₁=S₂时，有：

β=arccos[(I₂/I₁)·( L/L₀)]。