CN114059518B - 一体化多参数工程监测装置和矩阵式监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化多参数工程监测装置和矩阵式监测系统，包括测管以及布置在测管内的孔口采集单元、深部水平位移传感器、沉降传感器和水位传感器，所述测管沿竖向埋入工程结构体内部，所述孔口采集单元定位安装在测管顶部开口处，所述深部水平位移传感器、沉降传感器和水位传感器通过孔口采集单元串联吊装在测管内部；所述孔口采集单元集成包括无线传输模组和孔口采集模块，所述孔口采集模块通过多路下行单线总线与同一测管内的所有传感器接入，所述无线传输模组将同一测管内的传感器采集的数据上传至数据中心。本发明实现多参数监测，并且具有施工周期短、施工简单，节省工程成本的优点，可以在各类土木工程检测中进行广泛实施和推广。

Description

一体化多参数工程监测装置和矩阵式监测系统

技术领域

本发明涉及一种一体化多参数工程监测装置和矩阵式监测系统，属于土建工程监测技术。

背景技术

为确保路基、边坡、基坑和大坝等大型工程结构体安全施工和正常运行，需要对结构体的深部位移、表面位移、沉降、地下水位、温度等参数进行长期的自动化监测，通过对监测参数的数据进行系统的分析和处理，实现对结构体安全评估和预警，保障人民生命和财产的安全和维护社会的稳定。

目前，国内外针对工程检测与工程结构体健康监测的测试方法和产品种类繁多，但是设备集成度不高，多是采用不同的检测设备进行相应数据的单独检测，测量深部位移的自动化监测设备有管内固定式测斜仪、柔性测斜仪等，测量结构体沉降的有分层沉降计，单点沉降计等设备，测量地下水位的设备有水压计和压力变送器等设备。每一类的监测设备都需要单独钻孔和安装测管才能实现安装和测量，施工周期长、难度大，浪费了大量的人力和物力，严重制约了此类监测设备的实施和推广。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有工程监测存在的功能单一，多数据检测施工难度大的问题，提供一种一体化多参数工程监测装置和矩阵式监测系统。

本发明采用如下技术方案实现：

一体化多参数工程监测装置，包括测管以及布置在测管5内的孔口采集单元1、深部水平位移传感器3、沉降传感器4和水位传感器7，所述测管5沿竖向埋入工程结构体内部，所述孔口采集单元1定位安装在测管顶部开口处，所述深部水平位移传感器3、沉降传感器4和水位传感器7通过孔口采集单元1串联吊装在测管内部；所述孔口采集单元1集成包括无线传输模组12和孔口采集模块14，所述孔口采集模块14通过多路下行单线总线与同一测管内的所有传感器接入，所述无线传输模组12将同一测管内的传感器采集的数据上传至数据中心，一个测孔内的一套监测装置同时实现对深部水平位移变化、分层磁环沉降、地下水位和温度的一体化综合监测。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述孔口采集单元1内部集成电源模块，或通过外接电源供电。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述孔口采集单元1的外壳顶部设置外径大于测管开口内径的顶盖11，所述孔口采集单元1的壳体通过顶盖11定位在测管开口处，孔口采集单元安装完成后固定于测管开口内侧，降低安装空间需求，便于保护。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述孔口采集单元1的外壳底部设有用于吊装传感器的挂扣15，所述测管内串联的传感器通过钢丝绳与挂扣15连接。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述深部水平位移传感器3包括固定支板31、扭矩弹簧32、摆杆导轮33和倾角采集器34，所述固定支板31用于深部水平位移传感器的机械吊装，所述摆杆导轮33通过扭矩弹簧32摆动装配在固定支板31上，并与测管内壁接触，所述倾角采集器34固定封装在固定支板31上采集扭转弹簧32的扭转角度变化。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述倾角传感器34采用MEMS倾角传感器，基于3D-MEMS加速度传感器原理设计。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述沉降传感器4包括磁环41、发射采集器42、止动块43、磁环爪片44和波导管45，所述磁环41活动套装在测管5外壁，并通过磁环爪片44锚固在测管周边的工程结构体内，所述磁环41上方的测管外壁固定设置止动块43，所述发射采集器42与波导管45连接并一同集成在作为万向连接杆的空心杆体内，所述发射采集器42通过波导管45传送检测磁环位置的电磁波信号，结构体沉降导致磁环相对测管移动，通过磁致伸缩原理来检测磁环发生沉降移动的信号，同时，沉降传感器的空心杆体同时做为深部水平位移传感器之间的连接杆使用。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述水位传感器7包括器体71、压力采集器72、压力芯体73和压力感应膜片74，所述压力采集器72设置在器体71内部，所述压力感应膜片74紧贴压力芯体73从底部对器体71进行封装，所述压力采集器72通过压力芯体73采集压力感应膜片74产生的压力信号换算成对应的液位深度值，通过扩散硅压力变送器来确认测管内的液位。

本发明的一体化多参数工程监测装置中，进一步的，所述深部水平位移传感器3和沉降传感器4均在测管5内部布置两组以上，其中，所述深部水平位移传感器3沿测管5长度均匀分布，所述沉降传感器4间隔分布在深部水平位移传感器3之间，所述深部水平位移传感器3之间通过万向连接杆6或沉降传感器4串联挂接，所有传感器均内置电子罗盘和温度芯片，实现不同深度的温度测量。

本发明还公开了一种矩阵式监测系统，包括工程结构体内部插装的若干组测管，每组测管内部设置一套本发明上述的一体化多参数工程监测装置，所有测管内的传感器在工程结构体内部呈矩阵式分布，不同组测管的传感器总线与数据中心之间独立通信连接，矩阵中的每行传感器独立通讯，互不干扰。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用高度集成方案，集成了多种类型的多个传感器，实现了通过一个测孔同时监测结构体的深部位移、分层沉降、地下水位和温度等监测参数，大大降低了施工周期和难度，大幅度的节约了监测成本。

2、本发明采用一体化设计、生产和安装，所有的传感器结构通过万向连接杆连接，电信号通过一根多芯线缆串接，并接入到孔口采集单元，可根据具体项目监测要求灵活配置，现场安装简单快捷，节省了用户的安装和调试时间。

3、本发明包含的所有传感器均采用灌胶和注塑双重防水设计和生产，确保所有传感器结构和导线在深孔内的防水性能。

4、本发明将所有的传感器通过单线通讯方式，矩阵式监测系统通过线缆的线芯将通讯链路按矩阵式分布，实现多个单线链路独立通讯，互不干扰和影响，在保证稳定测量和通讯的同时，避免了由一个传感器故障导致整个监测装置故障的风险。

5、本发明基于低功耗设计，孔口采集单元只有在进行数据测量的时候才对传感器供电，测量完成立即断电，保证监测装置在使用电池或者太阳能电池供电的条件下也能长期稳定的正常工作。

综上所述，本发明公开的一体化多参数工程监测装置和矩阵式监测系统检测功能多，实现深层水平位移，分层沉降、地下水位和温度等参数一体化综合测量，施工周期短、施工简单，节省了工程监测的成本，广泛应用于基坑，边坡，大坝、尾矿等结构体的工程检测与健康监测，可以在各类土木工程检测中进行广泛实施和推广。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例一的一体化多参数工程监测装置整体示意图。

图2为实施例一中的孔口采集单元结构示意图。

图3为实施例一中的深部水平位于传感器结构示意图。

图4为实施例一中的沉降传感器结构示意图。

图5为实施例一中的水位传感器结构示意图。

图6为实施例二的矩阵式监测系统示意图。

图中标号：

1、孔口采集单元，11、顶盖，12、无线传输模组，13、锂电池，14、孔口采集模块，15、挂扣；

2、钢丝绳和线缆，

3、深部水平位移传感器，31、固定支板，32、扭矩弹簧，33、摆杆导轮，34、倾角采集器；

4、沉降传感器，41、磁环，42、发射采集器，43、止动块，44、磁环爪片，45、波导管；

5、测管；

6、万向连接杆；

7、水位传感器，71、器体，72、压力采集器，73、压力芯体，74、压力感应膜片。

具体实施方式

实施例一

参见图1，图示中的一体化多参数工程监测装置为本发明的一种具体实施方案，具体包括孔口采集单元1、钢丝绳和线缆2、深部水平位移传感器3、沉降传感器4、测管5、万向连接杆6和水位传感器7，其中测管5沿竖向埋入工程结构体内部，孔口采集单元1定位安装在测管顶部开口处，深部水平位移传感器3、沉降传感器4和水位传感器7通过孔口采集单元1串联吊装在测管内部。深部水平位移传感器3和沉降传感器4根据工程结构体的检测深度选择多组，孔口采集单元1和水位传感器7只设置一组，其中孔口采集单元1布置在测管开口处，而水位传感器7则设置在所有传感器的末端，检测测孔底部水位。

测管5内的所有传感器通过万向连接杆6串联连接，弯向连接杆7保证在测管内连成一串的深部水平位移传感器3能够与测管5一起变化，真实准确的反应工程结构体的深部水平位移变化。

结合参见图2，本实施例中的孔口采集单元1包括集成设置在同一壳体内的无线传输模组12、锂电池13和孔口采集模块14，其中孔口采集模块14通过多路下行单线总线与同一测管内的所有传感器接入，无线传输模组12将同一测管内的传感器采集的数据上传至数据中心，一个测孔内的一套监测装置同时实现对深部水平位移变化、分层磁环沉降、地下水位和温度的一体化综合监测。

孔口采集单元1内置的无线传输模组12与数据中心进行数据交互，实现对所有传感器的数据采集、存储和数据传输，根据用户需求可在孔口采集单元内置锂电池13进行供电，实际应用中还可外接太阳能电池板或者直流电源供电。孔口采集单元1内置孔口采集模块14，支持多路下行单线总线数字信号数据传输，支持同时接入最多100个不同类型的传感器，孔口采集模块14只有在测量数据时才将传感器的供电电源打开，采集到每个传感器的数据后通过无线传输模组12统一上传至数据中心并关闭传感器供电，控制整个监测装置处于一个低功耗的工作模式。无线传输模组12采用无线DTU或者LORA无线模块。

孔口采集单元1的外壳顶部设置外径大于测管开口内径的顶盖11，孔口采集单元1的外壳通过突出顶盖11卡在测管5的管壁顶端，孔口采集单元1的壳体通过顶盖11定位在测管开口处，装置机身完全保护在测管5内，孔口采集单元安装完成后固定于测管开口内侧，降低安装空间需求，便于保护，有效避免施工的损坏和安装的空间需求。

孔口采集单元1的外壳底部设有用于吊装传感器的挂扣15，串接后的传感器通过钢丝绳2连接到悬挂挂扣15后并紧固。

结合参见图3，深部水平位移传感器3包括固定支板31、扭矩弹簧32、摆杆导轮33和倾角采集器34，固定支板31用于深部水平位移传感器的机械吊装，摆杆导轮33通过扭矩弹簧32摆动装配在固定支板31上，并与测管内壁接触，倾角采集器34固定封装在固定支板31上采集扭转弹簧32的扭转角度变化。

深部水平位移传感器3基于3D-MEMS倾角传感器原理设计，通过对埋入工程结构体的测管5在不同深度下倾斜变化进行数据处理计算出结构体每个深度的工程结构体内部水平位移。

深部水平位移传感器3的具体工作原理如下：倾角采集器34和四个摆杆导轮33均安装在固定支板31上，摆杆导轮33的摆杆利用扭矩弹簧32的弹力始终与测管5的内槽紧密贴合，测管5受到结构体水平位移挤压变形后，摆杆导轮33发生的倾角变化被倾角采集器34监测到。摆杆导轮33采用耐磨陶瓷材料加工制作，受力和滑动时不易磨损和变形。倾角采集器34采用灌胶和注塑双重防水设计，内置MEMS倾角传感器、MCU控制电路、电源和通讯电路等功能电路。用户根据需求确定深部水平位移传感器3的个数和间隔，安装时，深部水平位移传感器3通过摆杆导轮33沿着测管5的凹槽滑动到监测的深度位置，摆杆导轮33始终与测管5紧密贴合，此时倾角采集器34记录到的摆杆导轮33的角度值为初始值，当测管5发生变形时，摆杆导轮33的产生偏转摆动，倾角采集器34监测到摆杆导轮33的倾角发生变化，将变化的倾角变化通过计算即得出的测管周围结构体内部横向位移距离。深部水平位移传感器3内置电子罗盘和温度芯片，通过电子罗盘测量传感器的方位数据从而得知测管5的扭曲情况，通过测到的扭矩和温度数据对水平位移数据进行智能修正，同时获取结构体不同深度的温度数据。

结合参见图4，沉降传感器4包括磁环41、发射采集器42、止动块43、磁环爪片44和波导管45，若干磁环41活动套装在测管5外壁，并通过磁环爪片44锚固在测管周边的工程结构体内，每个磁环41上方的测管外壁固定设置止动块43，发射采集器42与波导管45连接并一同集成在作为万向连接杆的空心杆体内，波导管45和发射采集器42设计为一体，与发生沉降的磁环41之间采用非接触式的感应方式，便于传感器的密封设计。发射采集器42通过波导管45传送检测磁环位置的电磁波信号，结构体沉降导致磁环相对测管移动，通过磁致伸缩原理来检测磁环发生沉降移动的信号，同时，沉降传感器的空心杆体同时做为深部水平位移传感器之间的连接杆使用。

沉降传感器4基于磁致伸缩原理设计，通过感应不同深度磁环4的位置数据计算出该深度位置的结构体沉降数据。发射采集器42包括激励发射源、检波电路、MCU控制电路、电源电路和通讯电路等功能电路，内置于空心杆体内，通过密封圈、螺纹紧固和灌胶的方式实现高规格的防水密封性能。

磁环的安装方式如下：用户根据需求确定磁环41和沉降传感器4的个数和安装深度，通过钻孔后安装的方式，先将磁环4和磁环爪片44扎紧后通过一根插销锁紧并连接绳索后套在测管5外侧，将止动块43固定到磁环41需要安装位置的上方，测管安装完成后，通过拉动绳索将磁环41拉到止动块43位置，再用力将插销拉出，磁环爪片44为弹性金属片，磁环爪片44张开挂到测孔内侧壁，保证磁环41到达预定深度，磁环41都安装完成后再对测管5外的孔隙进行泥沙填充。

沉降传感器4设计为与万向连接杆6相同样式，波导管45在连接杆7的内部，同时兼有磁环41位置检测和万向连接杆6的功能，并且有满足沉降变化的足够量程，当磁环41跟随工程结构体发生沉降时，沉降传感器4的发射采集器42感应到磁环41的位置也发生变化，通过采集电路可计算出沉降变化值。

结合参见图5，水位传感器7包括器体71、压力采集器72、压力芯体73和压力感应膜片74，压力采集器72设置在器体71内部，压力感应膜片74紧贴压力芯体73从底部对器体71进行封装，压力采集器72通过压力芯体73采集压力感应膜片74产生的压力信号换算成对应的液位深度值，通过扩散硅压力变送器来确认测管内的液位。

水位传感器7基于扩散硅压力变送器原理设计，将液体的压力转换为电信号输出并换算为水位。压力芯体73和压力采集器72均固定于器体的内部，采用密封头、密封圈、紧定螺钉和密封防水胶实现传感器的高等级和高可靠防水性能。压力感应膜片74和紧贴的压力芯体73将测管内部的液体压力转换为差分电压信号输出，压力采集器72采集电压值并将电压值换算为压力至和对应的液位深度值。

水位传感器7布置在孔的最底部，感应探头部分采用细网结构，安装时再在探头处包裹土工布，防止淤泥、细沙等杂质的侵入。

在本实施例的一体化多参数工程监测装置中，深部水平位移传感器3和沉降传感器4均在测管5内部布置两组以上，其中，深部水平位移传感器3沿测管5长度均匀分布，沉降传感器4间隔分布在深部水平位移传感器3之间，深部水平位移传感器3之间通过万向连接杆6或沉降传感器4串联挂接，所有传感器均内置电子罗盘和温度芯片，实现不同深度的温度测量。

在本实施例的一体化多参数工程监测装置采用一体化设计、生产和安装，传感器的结构部件、万向连接杆6等均采用不锈钢材质，保证本发明装置的整体的美观、耐腐蚀性和使用寿命。孔口采集单元1和所有传感器在出厂时按用户需求生产并装好连接杆和钢丝绳和线缆2等配件，用户现场直接放入对应的测管5内开启电源就可以测量数据。

实施例二

结合参见图1和图2，图示中的多组一体化多参数工程监测装置组成的矩阵式监测系统为本发明的一种具体实施方案，包括工程结构体内部插装的若干组测管，每组测管内部设置一套本发明上述的一体化多参数工程监测装置，所有测管内的传感器在工程结构体内部呈矩阵式分布，实现工程结构体大范围监控。

矩阵式监测系统中的所有传感器通过线缆的线芯将通讯链路按矩阵式分布，实现多个单线链路独立通讯，互不干扰和影响，在保证稳定测量和通讯的同时，避免了由一个传感器故障导致整个监测装置故障的风险。

本实施例将所有的传感器通过四路单线总线分为四列，矩阵的行数与监测传感器的个数有关，所有的监测传感器按结构连接从上到下依次按S1、S2、S3......的顺序排列，列与列之间的传感器之间通讯独立，互不影响，实现了每一列的监测传感器均匀的分布在测孔的不同深度，即使一列监测传感器出现异常也能保证剩余的监测传感器的测量数据具有反映整个测孔的情况的有效性。

本发明装置所有的传感器均内置编号、型号和标定参数等信息，实现了智能识别与自动计算，方便接入物联网系统后的管理和维护。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一体化多参数工程监测装置，其特征在于：包括测管以及布置在测管（5）内的孔口采集单元（1）、深部水平位移传感器（3）、沉降传感器（4）和水位传感器（7），所述测管（5）沿竖向埋入工程结构体内部，所述孔口采集单元（1）定位安装在测管顶部开口处，所述深部水平位移传感器（3）、沉降传感器（4）和水位传感器（7）通过孔口采集单元（1）串联吊装在测管内部，所述深部水平位移传感器（3）和沉降传感器（4）均在测管（5）内部布置两组以上，其中，所述深部水平位移传感器（3）沿测管（5）长度均匀分布，所述沉降传感器（4）间隔分布在深部水平位移传感器（3）之间，所述深部水平位移传感器（3）之间通过万向连接杆（6）或沉降传感器（4）串联挂接，所有传感器均内置电子罗盘和温度芯片；

所述深部水平位移传感器（3）包括固定支板（31）、扭矩弹簧（32）、摆杆导轮（33）和倾角采集器（34），所述固定支板（31）用于深部水平位移传感器的机械吊装，所述摆杆导轮（33）通过扭矩弹簧（32）摆动装配在固定支板（31）上，并与测管内壁接触，所述倾角采集器（34）固定封装在固定支板（31）上采集扭转弹簧（32）的扭转角度变化；

所述沉降传感器（4）包括磁环（41）、发射采集器（42）、止动块（43）、磁环爪片（44）和波导管（45），所述磁环（41）活动套装在测管（5）外壁，并通过磁环爪片（44）锚固在测管周边的工程结构体内，所述磁环（41）上方的测管外壁固定设置止动块（43），所述发射采集器（42）与波导管（45）连接并一同集成在作为万向连接杆的空心杆体内，所述发射采集器（42）通过波导管（45）传送检测磁环位置的电磁波信号；

所述孔口采集单元（1）集成包括无线传输模组（12）和孔口采集模块（14），所述孔口采集模块（14）通过多路下行单线总线与同一测管内的所有传感器接入，所述无线传输模组（12）将同一测管内的传感器采集的数据上传至数据中心。

2.根据权利要求1所述的一体化多参数工程监测装置，其特征在于：所述孔口采集单元（1）内部集成电源模块，或通过外接电源供电。

3.根据权利要求1所述的一体化多参数工程监测装置，其特征在于：所述孔口采集单元（1）的外壳顶部设置外径大于测管开口内径的顶盖（11），所述孔口采集单元（1）的壳体通过顶盖（11）定位在测管开口处。

4.根据权利要求3所述的一体化多参数工程监测装置，其特征在于：所述孔口采集单元（1）的外壳底部设有用于吊装传感器的挂扣（15），所述测管内串联的传感器通过钢丝绳与挂扣（15）连接。

5.根据权利要求1所述的一体化多参数工程监测装置，其特征在于：所述倾角采集器（34）采用MEMS倾角传感器。

6.根据权利要求1所述的一体化多参数工程监测装置，其特征在于：所述水位传感器（7）包括器体（71）、压力采集器（72）、压力芯体（73）和压力感应膜片（74），所述压力采集器（72）设置在器体（71）内部，所述压力感应膜片（74）紧贴压力芯体（73）从底部对器体（71）进行封装，所述压力采集器（72）通过压力芯体（73）采集压力感应膜片（74）产生的压力信号换算成对应的液位深度值。

7.矩阵式监测系统，其特征在于：包括工程结构体内部插装的若干组测管，每组测管内部设置一套权利要求1-6中任一项的一体化多参数工程监测装置，所有测管内的传感器在工程结构体内部呈矩阵式分布，不同组测管的传感器总线与数据中心之间独立通信连接。

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