CN113551650A - 一种危岩体倾斜角度的测量装置及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种危岩体倾斜角度的测量装置及其监测方法，包括通过支撑杆固定于危岩体上的安装外壳，安装外壳底部开口设置，安装外壳内部设置控制单元和支撑轴，支撑轴两端与安装外壳固定连接；支撑杆顶部与U型槽固定连接，U型槽两端开孔且通过开孔与支撑轴转动连接，支撑轴上对称设置有平衡杆，平衡杆底部与平衡体固定连接；支撑杆的侧面开设有容置第一电阻的安装槽，控制单元内部的供电模块的第一电源的一极通过支撑轴外表面上的导电涂层与第一电阻的顶端电连接，控制单元内部的供电模块的第一电源的另一极与导电片的一端连接，且与第一电流计串联；本发明安装简便，结构简单，能够精确稳定的测量出危岩体的倾斜角度。

Description

一种危岩体倾斜角度的测量装置及其监测方法
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测量装置及其监测方法。
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，不易监测。
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测量装置及其监测方法，解决了危岩体倾斜角度不易监测的问题。
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测量装置，其包括通过支撑杆固定于危岩体上的安装外壳，安装外壳底部开口设置，安装外壳内部设置控制单元和支撑轴，支撑轴两端与安装外壳内壁固定连接；
支撑杆顶部与U型槽固定连接，U型槽两端开孔且通过开孔与支撑轴转动连接，支撑轴上对称设置有平衡杆，平衡杆底部与平衡体固定连接；
支撑杆的侧面开设有容置第一电阻的安装槽，控制单元内部的供电模块的第一电源的一极通过支撑轴外表面上的导电涂层与第一电阻的顶端电连接，控制单元内部的供电模块的第一电源的另一极与导电片的一端连接，且与第一电流计串联；
安装外壳底部开口处设置有安装杆，安装杆与安装外壳中心轴线所在的转动平面平行，安装杆两端与安装外壳内壁固定连接，安装杆上开设安装槽，安装槽内容置有导电片，导电片与第一电阻接触相连。
本发明安装简便，结构简单，当危岩体发生倾斜时，支撑杆会随危岩体发生偏转，安装外壳在平衡体的重力作用下则会回到平衡状态，从而使第一电阻接入电路的长度发生变化，进而通过读取第一电流计读数，测量得到危岩体的倾斜角度。
进一步地，控制单元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。
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数据传送至远程上位机。
进一步地，支撑轴上设置有用于限制U型槽位移的限位齿。
当危岩体发生倾斜时，限位齿使U型槽不会沿支撑轴发生明显位移，从而使支撑杆与安装杆之间的间隙基本不变，从而保证第一电阻和导电片始终接触良好，保证装置测量的稳定性。
进一步地，第一电阻顶端通过弹性导电片与支撑轴表面的导电涂层接触相连。
第一电阻顶端通过弹性导电片与支撑轴弹性紧密接触，使第一电阻能够通过支撑轴上的导电涂层与控制单元内部的供电模块的电源一极接通。
进一步地，第一电阻表面凸出于安装槽。
第一电阻表面凸出于安装槽保证第一电阻能够与导电片紧密接触。
进一步地，导电片呈弹性伸缩凸出于安装槽且与第一电阻紧密接触。
导电片呈弹性伸缩凸出于安装槽使支撑杆即使沿支撑轴发生小幅度的横向位移时，导电片也始终能够与第一电阻紧密接触，且不会因压力而造成第一电阻和导电片损坏。
进一步地，安装外壳内部设置有第二电阻，第二电阻与供电模块的第二电源的正极和负极连接，且第二电阻与第二电流计串联。
当本装置处于温度变化较大的环境时，安装第二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，第一电阻和第二电阻的材质相同。
第一电阻和第二电阻的材质相同是为了保证第一电阻和第二电阻在同一时刻的电阻率大小相同。
另一方面，本方案还提供一种危岩体倾斜角度的测量装置的监测方法，具体包括以下步骤：
装置安装时，测量第一电阻的初始接入长度L1；
当危岩体倾斜角度为β时，读取第一电流计的读数为I1；
根据危岩体倾斜角度为β时第一电阻的接入长度L1/cosβ和第一电流计的读数，计算危岩体倾斜角度为：
β＝arccos(ρL1I1/U1S1)；
其中，U1为第一电阻接入的电源电压，S1为第一电阻的横截面积，ρ为第一电阻的电阻率。
进一步地，当危岩体倾斜角度为β时，读取第二电流计的读数I2；
根据第二电流计的读数I2，计算出危岩体倾斜角度为β时第一电阻或第二电阻的电阻率ρ：
ρ＝U2S2/(I2L2)；
其中，U2为第二电阻接入的电源电压；S2为第二电阻的横截面积，L2为第二电阻的长度。
计算危岩体倾斜角度为：
β＝arcos[(U2/U1)(S2/S1)(L1/L2)(I1/I2)]；
当第一电阻和第二电阻的接入电压和横截面积均相等时，且第二电阻的长度等于装置安装时第一电阻的初始接入长度时，既U2＝U1，S2＝S1，L1＝L2，计算危岩体倾斜角度β：
β＝arccos(I1/I2)。
本发明的有益效果为：本发明结构简单，安装方便，能够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。
附图说明
图1为一种危岩体倾斜角度的测量装置的结构示意图。
图2为一种危岩体倾斜角度的测量装置倾斜时的装置结构示意图。
图3为一种危岩体倾斜角度的测量装置的电路连接示意图。
其中，1、支撑杆；2、安装外壳；3、支撑轴；4、限位齿；5、U型槽；6、第一电阻；7、导电片；8、安装杆；9、第二电阻；10、平衡体；11、第一电流计；12、平衡杆；13、第二电流计；14、弹性导电片。
具体实施方式
下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2所示，本方案的一种危岩体倾斜角度的测量装置及其监测方法，其包括：
安装在危岩体上的支撑杆1、与支撑杆1固定连接的U型槽5以及容置于支撑杆1侧面的安装槽内的第一电阻6、固定在安装外壳2内部的支撑轴3和控制单元。
支撑杆1与U型槽5固定连接，支撑杆1侧面开设安装槽，安装槽内容置第一电阻6，第一电阻6表面凸出于安装槽，第一电阻6顶端通过弹性导电片14与支撑轴3紧密接触，支撑轴3表面涂有导电涂层，U型槽5两端开孔与支撑轴适配，通过开孔与支撑轴3转动连接。
当支撑杆1固定安装在被测量的危岩体上时，与支撑杆1固定连接的U型槽5两端开孔与支撑轴3适配，从而使支撑杆1能绕支撑轴3转动，第一电阻6顶端通过弹性导电片14与支撑轴3弹性紧密接触，使第一电阻6能够通过支撑轴3上的导电涂层与控制单元内部的供电模块的第一电源的正极接通，第一电阻6表面凸出于安装槽保证第一电阻6能够与导电片7紧密接触。
支撑轴3上U型槽5两端分别设置有用于限制U型槽5沿支撑轴移动的限位齿4。
限位齿4的作用是当支撑杆1转动时，使U型槽5不会沿支撑轴3发生明显位移，从而使支撑杆1与安装杆8之间的间隙基本不变，从而保证第一电阻6和导电片7始终接触良好，保证装置测量的稳定性。
支撑轴3上对称设置有两个平衡杆12，两平衡杆12分别与两个平衡体10固定连接。
平衡体10通过平衡杆12与支撑轴3固定连接，平衡体10为铜、铁、不锈钢等密度较大的材质。
当支撑杆1与支撑轴3相对转动时，平衡体10在重力作用下会使安装外壳2始终能回到平衡位置。
安装外壳2底部为开口设置，安装外壳2底部开口处设置有安装杆8，安装杆8与安装外壳2的中心轴线所在的转动平面平行，安装杆8的两端固定于安装外壳2内壁，安装杆8上开设安装槽，安装槽内容置导电片7。
限位齿4使支撑杆1与安装杆8的间隙基本不变，从而使导电片7与第一电阻6始终紧密接触，保证测量的稳定性。
控制单元内部的供电模块的第一电源正极通过支撑轴3外表面上的导电涂层与第一电阻6的顶端相连通，控制单元内部的供电模块的第一电源负极连接导电片7的其中一端，并在电路中串联第一电流计11测量电流变化。
当危岩体发生倾斜时，支撑杆1会随着危岩体的倾斜而发生倾斜，安装外壳2在平衡体10重力作用下会回到平衡状态，从而使第一电阻6接入电路中的长度发生变化，导致接入电路中的电阻大小发生变化，从而根据第一电流计11的读数可求得危岩体倾斜角度。
为了使测量结果尽量精确，一方面第一电阻6的材质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。
控制单元包括供电模块、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。
本实施例装置结构简单，节省装置成本，要求第一电阻6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。
本实施例的工作原理为：
当危岩体倾斜时，支撑杆1会随着危岩体的倾斜而发生倾斜，安装外壳2在平衡体10的重力作用下始终会回到平衡状态，从而使第一电阻6接入电路中的长度发生变化，引起第一电阻6接入电路的电阻大小发生变化，根据第一电流计11的读数可求得危岩体倾斜角度。
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1、图2和图3所示，安装外壳2内部设置第二电阻9，第二电阻9分别接入供电模块第二电源的正负极，与第二电流计13串联。
第一电阻6和第二电阻9的材质相同，第一电阻6和第二电阻9在同一时刻的电阻率大小相同。
当本装置置于环境温度变化较大的地域时，在装置内部设置第二电阻9和第二电流计13，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。
本实施例的工作原理包括实施例一的全部工作原理，其相同部分不再赘述，以下为在实施例一的基础上，不同的工作原理，具体包括：
实施例一的测量结果会随第一电阻6的电阻率变化而产生一定的计算和测量误差，在实施例二中增设第二电流计13和第二电阻9，根据第二电流计13的读数计算出任一时刻第二电阻9的电阻率，由于第一电阻6和第二电阻9的材质相同，第一电阻6和第二电阻9在同一时刻的电阻率大小相同，也即是说可以根据第二电流计13的读数计算出任一时刻第一电阻6的电阻率，能有效避免第一电阻6的电阻率变化而造成的计算和测量误差。
根据本申请的实施例三，本方案的一种危岩体倾斜角度的测量装置的监测方法，包括以下步骤：
测量第一电阻6的接入长度L1；
读取第一电流计11的读数为I1；
当危岩体倾斜角度为β时，根据第一电阻6的接入长度L1/cosβ和第一电流计11的读数，计算危岩体倾斜角度为：
β＝arccos(ρL1I1/U1S1)；
其中，U为第一电阻6接入的电源电压，S1为第一电阻6的横截面积，ρ为第一电阻6的电阻率。
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内部设置第二电阻9和第二电流计13，测量第二电阻9的长度L2，第二电流计13的读数I2；
根据第二电阻9的长度L2，第二电流计13的读数I2，计算出危岩体倾斜角度为β时第一电阻6或第二电阻9的电阻率ρ：
ρ＝U2S2/(I2L2)；
其中，U2为第二电阻9接入的电源电压；
计算危岩体倾斜角度为：
β＝arcos[(U2/U1)(S2/S1)(L1/L2)(I1/I2)]；
当第一电阻6和第二电阻9的接入电压和横截面积均相等时，且第二电阻9的长度等于装置安装时第一电阻6的初始接入长度时，即U2＝U1，S2＝S1，L1＝L2，计算危岩体倾斜角度β：
β＝arccos(I1/I2)。
本发明结构简单，安装方便，能够准确测量出危岩体倾斜时的角度变化，并且能避免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 (10)

1.一种危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于，包括通过支撑杆(1)固定于危岩体上的安装外壳(2)，所述安装外壳(2)底部开口设置，所述安装外壳(2)内部设置控制单元和支撑轴(3)，所述支撑轴(3)两端与安装外壳(2)的内壁固定连接；
所述支撑杆(1)顶部与U型槽(5)固定连接，所述U型槽(5)两端开孔且通过开孔与支撑轴(3)转动连接，所述支撑轴(3)上对称设置有平衡杆(12)，所述平衡杆(12)底部与平衡体(10)固定连接；
所述支撑杆(1)的侧面开设有容置第一电阻(6)的安装槽，所述控制单元内部的供电模块的第一电源的一极通过支撑轴(3)外表面上的导电涂层与第一电阻(6)的顶端电连接，所述控制单元内部的供电模块的第一电源的另一极与导电片(7)的一端连接，且与第一电流计(11)串联；
所述安装外壳(2)底部开口处设置有安装杆(8)，所述安装杆(8)与安装外壳(2)的中心轴线所在的转动平面平行，所述安装杆(8)两端与安装外壳(2)内壁固定连接，所述安装杆(8)上开设安装槽，所述安装槽内容置有导电片(7)，所述导电片(7)与第一电阻(6)接触相连。
2.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于：所述控制单元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测量装置，其特征在于：所述支撑轴(3)上设置有用于限制U型槽(5)位移的限位齿(4)。
4.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于：所述第一电阻(6)顶端通过弹性导电片(14)与支撑轴(3)表面的导电涂层接触相连。
5.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于：所述第一电阻(6)表面凸出于安装槽。
6.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于：所述导电片(7)呈弹性伸缩凸出于安装槽且与第一电阻(6)紧密接触。
7.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于：所述安装外壳(2)内部设置有第二电阻(9)，所述第二电阻(9)与供电模块的第二电源的正极和负极连接，且第二电阻(9)与第二电流计(13)串联。
8.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置，其特征在于：所述第一电阻(6)和第二电阻(9)的材质相同。
9.根据权利要求1所述的危岩体倾斜角度的测量装置的监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
装置安装时，测量第一电阻(6)的初始接入长度L1；
当危岩体倾斜角度为β时，读取第一电流计(11)的读数为I1；
根据危岩体倾斜角度为β时第一电阻(6)的接入长度L1/cosβ和第一电流计(11)的读数，计算危岩体倾斜角度为：
β＝arccos(ρL1I1/U1S1)；
其中，U1为第一电阻(6)接入的电源电压，S1为第一电阻(6)的横截面积，ρ为第一电阻(6)的电阻率。
10.根据权利要求1、7、8和9任一所述的危岩体倾斜角度的测量装置的监测方法，其特征在于，还包括：
当危岩体倾斜角度为β时，读取第二电流计(13)的读数I2；
根据第二电流计(13)的读数I2，计算出危岩体倾斜角度为β时第一电阻(6)或第二电阻(9)的电阻率ρ：
ρ＝U2S2/(I2L2)；
其中，U2为第二电阻(9)接入的电源电压；S2为第二电阻(9)的横截面积，L2为第二电阻(9)的长度。
计算危岩体倾斜角度为：
β＝arcos[(U2/U1)(S2/S1)(L1/L2)(I1/I2)]；
当第一电阻(6)和第二电阻(9)的接入电压和横截面积均相等时，且第二电阻(9)的长度等于装置安装时第一电阻(6)的初始接入长度时，即U2＝U1，S2＝S1，L1＝L2，计算危岩体倾斜角度为：
β＝arccos(I1/I2)。
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