CN201903347U - 在边坡稳定性监测中使用的移动式测斜仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种在边坡稳定性监测中使用的移动式测斜仪，针对沿海陆地与多山地区由于独特的地形地貌和风化壳发育，加之降雨频繁，使得边坡稳定问题显得尤其突出。该便携式测斜仪，是由便携式读数仪、双轴测斜仪探头及电缆和上位机分析软件组成。双轴测斜仪探头所测到的数据通过电缆传输到便携式读数仪上面，便携式读数仪通过数据线与带有分析软件的上位机连接，打开PC端分析软件后，将数据下载在PC端。包括便携式读数仪(轻便、坚固，适于野外作业)、双轴测斜仪探头及电缆。因进口处理软件较贵，故读数仪数据导出后，采用Excel处理，得出位移变化。
Description
一、技术领域
本实用新型属于土木工程结构安全检测领域，适用于大中型水利水电工程，铁路，公路，桥梁，高层建筑，大型露天采矿工程，随着工程规模的加大机受场地的限制，经常需在复杂环境下，人为开挖高陡岩质边坡或土坡。这些复杂边坡工程系统在不同部位，不同施工时间的稳定性是动态变化的，并存在着稳定性相对薄弱的部位，而这些稳定性薄弱的部位制约着整个边坡系统的稳定性。整套系统包括便携式读数仪双轴测斜仪探头及电缆与上位机分析软件。
二、背景技术
从岩土力学的角度来看，边坡处治是通过某种结构人为给边坡岩土体施加一个外力作用或者通过人为改善原有边坡的环境，最终使其达到一定的力学平衡状态。但由于边坡内部岩土力学作用的复杂性，从地质勘察到处治设计均不可能完全考虑边坡内部的真实力学效应，我们的设计都是在很大程度的简化计算上进行的。为了反映边坡岩土真实力学效应、检验设计施工的可靠性和处治后的边坡的稳定状态，边坡工程防治监测具有极其重要的意义。
边坡处治监测的主要任务就是检验设计施工、确保安全，通过监测数据反演分析边坡的内部力学作用，同时积累丰富的资料作为其他边坡设计和施工的参考资料。边坡工程监测的作用在于：
(1)为边坡设计提供必要的岩土工程和水文地质等技术资料。
(2)边坡监测可获得更充分的地质资料(应用测斜仪进行监测和无线边坡监测系统监测等)和边坡发展的动态，从而圈定可疑边坡的不稳定区段。
(3)通过边坡监测，确定不稳定边坡的滑落模式，确定不稳定边坡滑移方向 和速度，掌握边坡发展变化规律，为采取必要的防护措施提供重要的依据。
(4)通过对边坡加固工程的监测，评价治理措施的质量和效果。
(5)为边坡的稳定性分析、提供重要依据。
边坡工程监测是边坡研究工作中的一项重要内容，随着科学技术的发展，各种先进的监测仪器设备、监测方法和监测手段的不断更新，使边坡监测工作的水平正在不断地提高。
三、发明内容
在边坡监测中使用的移动式测斜仪，是由便携式读数仪、双轴测斜仪探头及电缆和上位机分析软件组成。双轴测斜仪探头所测到的数据通过电缆传输到便携式读数仪上面，便携式读数仪通过数据线与带有分析软件的上位机连接，打开PC端分析软件后，将数据下载在PC端。
施工方法为，将电缆测头从箱中取出，把电缆测头和测杆槽口对齐连接，然后拧紧紧固螺丝，然后再把电缆和读数计连接。将读数仪的开关打开，如正常将测头竖起并沿四个导轮平面正反方向倾斜，数显有正负变化。将测头导轮卡置在测斜管的导槽内，将测头放入测斜管中，放松电缆，使测头滑至孔底。测头在孔底停置10分钟，以便在孔内温度稳定。将测头拉起至最近深度标志为测读起点，每0.5m测一个数，利用电缆标志测读，使测头升至测斜管顶端为止。每次测读时都应将电缆标志对准。将测头旋转180°，重新放入测斜管中，重复上述步骤在相同的标志测读。在测孔中将探头放置在测斜管底并开始读数，探头每提升0.5米读数记录，直到测斜管顶部这组读数称为Uout1，旋转180°按同样方法测量，这组数据数称为Uout2。数据处理：将最初测量的数值称为初测值，它是以后该测孔的基准，以后的测值称为新测值，那么变化值为：
变化值＝新测值-初测值
变形位移是从测斜管底端开始，将变化值的代数和累加到测斜管顶端，这样就可以观查该测孔任一深度水平变化的位移。
本系统测斜仪探头部分使用芬兰VTI公司生产的高精度倾角仪芯片SAC100T，输出精度达到0.0025弧度，即9弧秒。并且将信号调理电路和采集电路也做在了探头内部，将SCA100T的输出信号直接经过信号调理电路送入采集电路。这样做与将采集电路做在便携式读数仪上的最大优点是：避免了信号的衰减误差，大幅度的提升了系统性能。因为一般移动式测斜仪的电缆长度在20米到50米左右，这样对于秒级的角度信号来说很容易受到外界信号的干扰以及本身的衰减，这样造成的误差将会大大增加。本系统将采集电路做在探头内部，避免了上述的干扰，并且采用ADI公司生产的高性能混合信号处理器AuDC845，内部含有两个高分辨率的24位的Δ-∑ADC，极大地提高了系统精度。传感器探头输出信号为标准RS485信号，理论传输距离1200米，足够满足该系统的需求了。探头部分的供电范围为5V到10V，供电范围宽，便于现场使用，对于本套设备电源直接由便携式读数仪提供，由于探头内部采用低功耗的LDO电源芯片，极大地减少了系统功耗，延长了系统的现场连续工作时间。
便携式读数仪通过菜单选择给探头发送相应的采集命令，并且接收传感器探头返回的数据，将探头返回的数据处理显示在液晶屏上，同时数据也会存在读数仪的内存中去。
上位机分析软件：便携式读数仪通过数据线与上位机连接，打开PC端软件后，将数据下载在PC端。上位机分析软件会对下载下来的数据进行各种处理，包括txt文本，excel表格，自动计算各个测点的平均位移量与累计位移量，平均角度，能够用图形显示出来某测点在一定时间内的曲线变化。
(一)便携式读数仪
采集仪部分包括RS485收发器、LCD、键盘、存储、电源和控制他们的MCU。采集仪部分实现通过RS485收发器接收来自探头部分的数字信息。并对这个信息进行处理：显示、排列、链表存储和支持PC端的数据下载等一系列人性化的功能。
MSP430系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。
强大的处理能力MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
在运算速度方面，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)。
MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us。
超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。
首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8～3.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200～400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。
其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环(FLL和FLL+)时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器(32768Hz)，有的使用两个晶体振荡器)。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。
由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式(AM)和五种低功耗模式(LPM0～LPM4)。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。
适应工业级运行环境MSP430系列器件均为工业级的，运行环境温度为-40～+85摄氏度，所设计的产品适合用于工业环境下。
(二)双轴测斜仪探头
1)敏感元件倾角传感器SCA100T特点：
1.双轴倾角传感器；
2.测量范围0.5g(±30度)；
3.单极5V供电，比例电压输出；
4.高分辨率双轴倾角传感器；
5.数字SPI或模拟输出；
6.内置温度传感器；
7.长期稳定性非常好；
8.高分辨率，低噪声，工作温度范围宽；
2)高性能模拟信号处理器ADuC845
ADuC845是ADI公司新推出的高性能24位数据采集与处理系统，它内部集 成有两个高分辨率的Δ-∑ADC、10/8通道输入多路复用器、一个8位MCU和程序/数据闪速/电擦除存储器。同时可提供62k字节的闪速/电擦除程序存储器，4k字节闪速/电擦除数据存储器和2304字节的数据RAM。
ADuC845可通过一个片内锁存环PLL产生一个12.58MHz的高频时钟，以使之运行于32kHz外部晶振。该时钟可通过一个从MCU核心时钟工作频率分离的可编程时钟发送。片内微控制器是一个优化的单指令周期8052闪存MCU。该MCU在保持与8051指令系统兼容的同时，具有12.58MIPS的性能。该芯片的两个独立的ADC(主ADC和辅助ADC)由一个输入多路复用器，一个温度传感器和一个可直接测量低幅度信号的可编程增益放大器PGA组成。主、辅ADC都采用高频“斩波”技术来提供优良的直流(DC)失调和失调漂移指标，因而非常适合用于低温漂且对噪声抑制和抗电磁干扰能力要求较高的应用场合。
四、附图说明
下面结合附图对专利实施和技术做进一步说明：
图1在边坡监测中使用的移动式测斜仪系统框图。
图2移动式测斜仪探头部分结构图。
图3便携式测斜读数仪部分结构图。
图4倾斜仪探头结构图。
五、具体实施方案
仪器连接：将电缆测头从箱中取出，把电缆测头和测杆槽口对齐连接，然后拧紧紧固螺丝，然后再把电缆和读数计连接。仪器检查。将读数仪的开关打开，如正常将测头竖起并沿四个导轮平面正反方向倾斜，数显有正负变化。测量：将测头导轮卡置在测斜管的导槽内，将测头放入测斜管中，放松电缆，使测头滑至孔底。测头在孔底停置10分钟，以便在孔内温度稳定。将测头拉起 至最近深度标志为测读起点，每0.5m测一个数，利用电缆标志测读，使测头升至测斜管顶端为止。每次测读时都应将电缆标志对准，以防读数不准确。将测头旋转180°，重新放入测斜管中，重复上述步骤在相同的标志测读。现场数据观测记录：在测孔中将探头放置在测斜管底并开始读数，探头每提升0.5米读数记录，直到测斜管顶部这组读数称为Uout1，旋转180°按同样方法测量，这组数据数称为Uout2。数据处理：将最初测量的数值称为初测值，它是以后该测孔的基准，以后的测值称为新测值，那么变化值为：
变化值＝新测值-初测值
变形位移是从测斜管底端开始，将变化值的代数和累加到测斜管顶端，这样就可以观查该测孔任一深度水平变化的位移。
Claims (1)
1.一种在边坡稳定性监测中使用的移动式测斜仪，其特征在于：由便携式读数仪、双轴测斜仪探头及电缆和上位机分析软件组成，双轴测斜仪探头所测到的数据通过电缆传输到便携式读数仪上面，便携式读数仪通过数据线与带有分析软件的上位机连接，打开PC端软件后，将数据下载在PC端。
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Cited By (2)
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| CN104596479A (zh) * | 2014-12-26 | 2015-05-06 | 上海建工集团股份有限公司 | 用于测量地下水平形变的测斜装置 |
| CN107796366A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-03-13 | 华南理工大学 | 一种自动测斜仪装置及其测量方法 |
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2010
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| CN104596479B (zh) * | 2014-12-26 | 2017-01-11 | 上海建工集团股份有限公司 | 用于测量地下水平形变的测斜装置 |
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