CN203785651U - 一种连续位移变化监测装置和系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种连续位移变化监测装置和系统，该装置包括若干个测量节点和柔性万向节，各测量节点均包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的电路板，各刚性连接杆根据被测断面的型面特点通过柔性万向节串联连接，电路板包括电源管理电路以及分别与电源管理电路相连的CPU电路、AD转换电路、存储电路、通信电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，各角度传感器电路与AD转换电路相连，所述CPU电路分别与AD转换电路、存储电路以及通信电路相连。本实用新型所述装置能够根据型面特性实现连续位移测量，具有型面定制、角度测量范围大、整体式结构等优点。

Description

一种连续位移变化监测装置和系统

技术领域

本实用新型涉及岩土工程的安全监测技术领域，特别涉及一种连续位移变化监测装置和系统，用于岩土工程安全监测中如土坝、土石坝、堆石坝、边坡及回填土体等的连续位移变化监测。

背景技术

在岩土工程安全监测领域，测斜仪是一种非常重要的位移监测仪器，通过测量安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内的测斜管轴线和铅垂线之间的夹角变化量，实现岩土工程建筑物的侧向位移监测。目前在岩土工程的监测领域内，该类仪器主要用于观测分层水平位移、深层水平位移、斜向位移和混凝土面板的挠度、不稳定边坡的滑动面的移动情况等。

目前的岩土工程安全监测领域采用的测斜仪主要是固定式测斜仪和活动式测斜仪，它们均存在技术局限性。固定式测斜仪是把若干支测斜传感器固定在测斜管的特定部位，进行连续、自动的局部位置的倾斜角变化。由于受空间限制，一根测斜管内的测斜传感器的数量受限制，各测斜传感器之间的间距也较长，以有限的测点来推演整根管线的位移情况，无法实现连续位移变化的测量，误差较大，而且会因为位置关系调整而需要进行零点修正等率定工作，施工工序及安装步骤比较繁琐。带有导向滑动轮的活动式测斜仪在测斜管内能够连续、逐段测出测斜管轴线与铅垂线之间的夹角。通过计算可获得分段的水平位移，经累加计算后获得总的位移量及沿管轴线整个孔深的位移变化情况。其主要缺点是测量过程非常麻烦，基本上无法实现自动化测量。此外，目前常用的测斜仪主要存在的局限性还包括：a.)必须由测斜管确保直线度和导向。b.)只能按直线布置传感器，无法实现曲线型面的位移监测；c.)无法实现真正意义的连续角度、位移变化测量。d.)分段或分散式结构，无法形成整体式结构。

实用新型内容

本实用新型针对目前的测斜仪存在技术局限性的问题，提供一种新型的连续位移变化监测装置，能够根据型面特性实现连续位移测量，具有型面定制、角度测量范围大、整体式结构等优点。本实用新型还涉及一种连续位移变化监测系统。

本实用新型的技术方案如下：

一种连续位移变化监测装置，其特征在于，包括若干个测量节点和柔性万向节，所述各测量节点均包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的电路板，所述各刚性连接杆根据被测断面的型面特点通过柔性万向节串联连接，所述电路板包括电源管理电路以及分别与电源管理电路相连的CPU电路、AD转换电路、存储电路、通信电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，所述各角度传感器电路与AD转换电路相连，所述CPU电路分别与AD转换电路、存储电路以及通信电路相连。

所述测量节点包括一个父节点以及一个或一个以上的子节点，所述父节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的父节点电路板，所述父节点电路板包括电源管理电路以及分别与电源管理电路相连的CPU电路、AD转换电路、存储电路、通信电路、通道切换电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，所述各角度传感器电路通过通道切换电路与AD转换电路相连，所述CPU电路分别与AD转换电路、存储电路、通道切换电路以及通信电路相连；所述各子节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的子节点电路板，所述各子节点电路板包括相互连接的通道切换电路、电源管理电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路。

所述柔性万向节为中空波纹管，通过单根通信电缆在各刚性连接杆内通过中空波纹管依次传递且单根通信电缆与各通信电路相连。

所述角度传感器电路包括MEMS加速度传感器。

所述父节点电路板内还包括电子罗盘芯片，所述电子罗盘芯片分别与CPU电路以及电源管理电路相连。

所述刚性连接杆的长度相等，所述各测量节点包括一个父节点和N个子节点，且1≤N≤7。

一种连续位移变化监测系统，其特征在于，包括数据采集装置、上位机以及上述的连续位移变化监测装置，所述上位机、数据采集装置和连续位移变化监测装置依次连接。

所述上位机与数据采集装置通过RS232通信电缆有线连接或通过蓝牙无线连接，所述数据采集装置与测量节点的通信电路通过RS485通信电缆有线连接。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型涉及的连续位移变化监测装置，包括若干个测量节点和柔性万向节，各测量节点均包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的电路板，各刚性连接杆根据被测断面的型面特点通过柔性万向节串联连接。本实用新型所述的装置可理解为是一种柔性固定式测斜仪，采用的柔性万向节具有较大幅度的角度旋转能力，能充分地匹配被测断面的型面变化的要求，实现型面定制。由于具有型面匹配功能的结构特点，本实用新型的监测装置所采用的方案突破了现有技术只能测量直线型位移变化的技术限制，各测量节点均设置有两个角度传感器电路实现该测量节点的三维测量，通过逐段测量各测量节点相对于初始安装位置的角度变化值，就可以通过数据处理得到整个被测断面的位移变化规律，在岩土工程安全监测领域内实现不同被测型面的岩土工程建筑物连续的角度或位移变化的自动化监测，避免了现有的测斜仪无法实现连续位移变化的测量以及无法实现曲面型面的位移监测的问题。本实用新型所述监测装置可以直接放置于已经安装好或待安装的测斜管内，该监测装置和测斜管是相互独立安装施工的部件，无需要求测斜管保持直线度，也不需要依赖测斜管的导向，故本实用新型的技术打破了必须与测斜管配合使用的工程施工限制，避免了现有的测斜仪安装施工复杂而且需要又测斜管保持直线度和导向的问题。本实用新型的监测装置的各测量节点通过柔性万向节串联连接，形成整体式结构，通过在测量节点内设置包括实现三维测量的两个角度传感器电路、CPU电路、AD转换电路、存储电路和通信电路等部件的电路板设计，实现连续位移变化的自动化监测。

设置测量节点包括一个父节点以及一个或多个的子节点，父节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的父节点电路板，各子节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的子节点电路板，是根据土层/石层/坡层的实际岩土工程环境，将若干个测量节点进行分类分层，各测量节点之间理解为是并列层级关系，各测量节点内的父节点和子节点之间可以理解为是分类层级关系，每个父节点和子节点直接通过自身的电路板中的角度传感器电路得到三维测量角度值，统一发送至自己层级的父节点电路板，由父节点的CPU电路控制数据的获取，由AD转换电路进行数据的模数转换、通过存储电路进行所有数据的存储以及由通信电路向外发送数据，简化了子节点电路板的结构，降低了成本，提高了整体装置的集成度和可靠性。

优选设置柔性万向节为中空波纹管，具有较大幅度的角度旋转能力，能够更充分地匹配被测型面的变化要求，通过单根通信电缆在各刚性连接杆内通过中空波纹管依次传递并将单根通信电缆与各通信电路相连，使得整个装置从头至尾始终保持单根通信电缆出线形式，简化了装置的结构，提高了连续位移变化监测的工作效率。

优选在父节点电路板内设置电子罗盘芯片，该电子罗盘芯片分别与CPU电路以及电源管理电路相连，电子罗盘芯片理解为是数字指南针，由此对父节点所在位置实现三维定点，实现父节点的地理位置的准确感知，提高父节点连续位移变化监测的准确性，也进一步提高了其相应的子节点的角度和位移变化监测的准确性。此外，电子罗盘芯片还可以理解为是在测量节点内置的修正电路，由于测量节点内的父节点和子节点之间存在确定的方位关系，通过内置该修正电路，可以确保本实用新型所述装置在各种情况下的一致性，实现了直接监测无需现场率定的功能。

本实用新型还涉及一种连续位移变化监测系统，包括数据采集装置、上位机以及本实用新型的连续位移变化监测装置，可以通过数据采集装置实现对测量节点的实时数据采集后传输至上位机，由上位机对该数据进行进一步分析和处理，最终实现获取被测对象位移变化规律的监测目标。

附图说明

图1为本实用新型连续位移变化监测装置的优选结构框图。

图2为本实用新型连续位移变化监测装置中的测量节点的优选结构示意图。

图3为本实用新型连续位移变化监测装置中的父节点电路板的优选结构示意图。

图4为本实用新型连续位移变化监测装置中的子节点电路板的结构示意图。

图5为本实用新型连续位移变化监测系统的优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－测量节点；2－中空波纹管；3－父节点；4－子节点；5－单根通信电缆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型公开了一种连续位移变化监测装置，包括若干个测量节点和柔性万向节，各测量节点均包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的电路板，所述各刚性连接杆根据被测断面的物理长度及型面特点通过柔性万向节串联连接。电路板包括电源管理电路以及分别与电源管理电路相连的CPU电路、AD转换电路、存储电路、通信电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，所述各角度传感器电路与AD转换电路相连，所述CPU电路分别与AD转换电路、存储电路以及通信电路相连。该装置具有型面定制的特点，改变了现有技术只能直线测量的模式，能够适应曲线型面的测量，增加了测量应用领域。

图1为本实用新型连续位移变化监测装置的优选结构框图，包括若干个测量节点和柔性万向节，各测量节点如标号1所示的测量节点1、测量节点2、测量节点3……测量节点n，各测量节点均包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的电路板，刚性连接杆可以采用紫铜管，柔性万向节优选采用标号2所示的中空波纹管。本实用新型所述装置可理解为是一种柔性固定式测斜仪，按照被测断面的型面特点组成一个整体式的传感器线阵，该柔性固定式测斜仪以测量节点作为基本组成单元，各测量节点之间采用中空波纹管2连接，具有较大幅度的角度旋转能力，可以具有-90°～+90°的角度变化范围，能够充分匹配型面变化要求，传感器线阵的形状与被测断面的形状可以充分吻合。具体是各刚性连接杆根据被测断面的型面特点通过中空波纹管2串联连接，各测量节点的测量是用单根通信电缆5在各刚性连接杆内穿过中空波纹管2逐级依次传递，从头至尾始终保持单根通信电缆5出线形式。

各测量节点的优选结构如图2所示，优选每个测量节点包括一个父节点（如标号3所示）以及一个或一个以上的子节点（如标号4所示），子节点数≤7，优选为7，如图2所示的子节点1、子节点2、子节点3…….子节点7。子节点的长度尺寸可以视现场情况而定，一般不超过1m，优选值为0.5m。各测量节点的长度可以相等或不等，测量节点的长度即为刚性连接杆的长度，该实施例优选刚性连接杆的长度相等，父节点和各子节点形成的一个测量节点的长度为4m。

父节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的父节点电路板，该父节点电路板的优选结构如图3所示，包括电源管理电路、通道切换电路、通信电路、CPU电路、AD转换电路、存储电路、电子罗盘芯片和两个角度传感器电路。设置两个角度传感器电路能够实现x、y、z轴上的三维测量，角度传感器电路优选采用高精度的MEMS加速度传感器，即相互垂直的设置两个MEMS加速度传感器来实现三维测量，通过三维测量实现对父节点所在位置的角度变化的感知并以电压量形式输出。电源管理电路与其它组成电路相连，MEMS加速度传感器通过通道切换电路与AD转换电路相连，CPU电路分别与通道切换电路、AD转换电路、存储电路、电子罗盘芯片以及通信电路相连。其中电源管理电路用于为父节点提供工作电源；AD转换电路实现对MEMS加速度传感器输出信号的模数转换功能；CPU电路实现父节点所有控制与管理功能，例如控制采集读取数字信号的速度，对由于环境干扰、热噪声数据引起的离散型随机变量通过取平均值等方式实现数字滤波等；存储电路实现对重要配置参数的保存和测量结果的保存功能；通道切换电路在CPU电路的控制管理下实现对测量节点所有MEMS加速度传感器输出信号的任意切换控制，可采用逻辑译码电路实现；通信电路以RS485（MODBUS总线协议）有线通信方式实现与其它外设（如数据采集装置）的数据和命令的交互功能；电子罗盘芯片优选Honeywell公司的HM5883L高精度电子罗盘芯片，可以实现父节点所在地理位置的准确感知并以数字量形式输出，提高测量节点连续位移变化监测的准确性。

各子节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的子节点电路板，该子节点电路板的结构如图4所示，包括相互连接的通道切换电路、电源管理电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，同样优选两个角度传感器电路采用两个高精度的MEMS加速度传感器实现三维测量。其中通道切换电路在父节点电路板的CPU电路的控制管理下实现对本子节点所有MEMS加速度传感器输出信号的任意切换控制。MEMS加速度传感器实现对本子节点所在位置的角度变化的感知并以电压量形式输出。

图3和图4所示实施例中的父节点电路板和子节点电路板中优选采用了大量程高精度MEMS加速度传感器，当然，还可以采用其它不同的角度敏感器件来实现。父节点和子节点应能测量单轴、双轴或三轴的角度变化，视现场测量要求而定，一般优选为x、y、z三轴实现三维测量。在安装施工前，对本实用新型所述监测装置进行密封，具体如下：父节点和子节点均由紫铜管封装，并形成密封，耐水压在1.0Mpa以上，其中父节点的单根通信电缆5出线端由密封胶实现密封；子节点7（最末端的子节点）的末端由密封胶实现密封。父节点与子节点1，子节点1与子节点2，子节点2与子节点3，子节点3与子节点4，子节点4与子节点5，子节点5与子节点6，子节点6与子节点7之间均通过中空波纹管连接，在所有接头处也应该以密封胶实现密封，确保测量节点的全程密封。在工程中使用时，本实用新型所述的监测装置可以直接放置于已经安装好或待安装的测斜管内，并且可以采用任意角度的埋设安装方式，该监测装置和测斜管是相互独立安装施工的部件，通过逐段测量各测量节点相对于初始安装位置的角度变化值，就可以解算出整个被测断面的位移变化规律。以垂直安装方式举例，逐段测出父节点/子节点轴线与铅垂线之间的夹角值，通过已知的计算公式可获得各父节点/子节点的水平位移，并据此获得相对于铅垂线方向的位移变化规律，也可以经累加计算方法获得总位移量，实现连续角度或位移变化监测功能。

本实用新型还涉及一种连续位移变化监测系统，如图5所示结构，包括依次连接的上位机、数据采集装置以及上述的连续位移变化监测装置。单根通信电缆在各刚性连接杆内通过中空波纹管依次传递，优选采用四芯通信电缆，该单根通信电缆与各通信电路相连，使得整个连续位移变化监测装置从头至尾始终保持单根通信电缆出线形式，通信电路通过单根通信电缆连接数据采集装置，通信电路与数据采集装置可以通过RS485（MODBUS总线协议）有线通信方式连接，此时的单根通信电缆为RS485通信电缆。数据采集装置通过单根通信电缆实现对测量节点的供电管理、通信功能和数据采集管理。上位机与数据采集装置之间通过RS232通信电缆建立有线连接或通过蓝牙建立无线连接（优选蓝牙无线连接），通过对上位机进行操作，向数据采集装置发出指令，由数据采集装置实现对测量节点的实时数据采集，具体是各测量节点中的父节点的存储电路存储的父节点以及相应子节点的所有角度变化所转化的数字信息在CPU电路的控制下通过通信电路由单根通信电缆传输至数据采集装置，数据采集装置在数据采集后传输至上位机，再由上位机对该数据进行进一步分析和处理，可以输出测量节点所在位置的角度变化或位移变化过程线，最终实现获取被测对象位移变化规律的监测目标。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (8)

1.一种连续位移变化监测装置，其特征在于，包括若干个测量节点和柔性万向节，所述各测量节点均包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的电路板，所述各刚性连接杆根据被测断面的型面特点通过柔性万向节串联连接，所述电路板包括电源管理电路以及分别与电源管理电路相连的CPU电路、AD转换电路、存储电路、通信电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，所述各角度传感器电路与AD转换电路相连，所述CPU电路分别与AD转换电路、存储电路以及通信电路相连。

2.根据权利要求1所述的连续位移变化监测装置，其特征在于，所述测量节点包括一个父节点以及一个或一个以上的子节点，所述父节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的父节点电路板，所述父节点电路板包括电源管理电路以及分别与电源管理电路相连的CPU电路、AD转换电路、存储电路、通信电路、通道切换电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路，所述各角度传感器电路通过通道切换电路与AD转换电路相连，所述CPU电路分别与AD转换电路、存储电路、通道切换电路以及通信电路相连；所述各子节点包括刚性连接杆以及刚性连接杆内设置的子节点电路板，所述各子节点电路板包括相互连接的通道切换电路、电源管理电路以及实现三维测量的两个角度传感器电路。

3.根据权利要求1或2所述的连续位移变化监测装置，其特征在于，所述柔性万向节为中空波纹管，通过单根通信电缆在各刚性连接杆内通过中空波纹管依次传递且单根通信电缆与各通信电路相连。

4.根据权利要求1或2所述的连续位移变化监测装置，其特征在于，所述角度传感器电路包括MEMS加速度传感器。

5.根据权利要求2所述的连续位移变化监测装置，其特征在于，所述父节点电路板内还包括电子罗盘芯片，所述电子罗盘芯片分别与CPU电路以及电源管理电路相连。

6.根据权利要求2所述的连续位移变化监测装置，其特征在于，所述刚性连接杆的长度相等，所述各测量节点包括一个父节点和N个子节点，且1≤N≤7。

7.一种连续位移变化监测系统，其特征在于，包括数据采集装置、上位机以及权利要求1至6之一所述的连续位移变化监测装置，所述上位机、数据采集装置和连续位移变化监测装置依次连接。

8.根据权利要求7所述的连续位移变化监测系统，其特征在于，所述上位机与数据采集装置通过RS232通信电缆有线连接或通过蓝牙无线连接，所述数据采集装置与测量节点的通信电路通过RS485通信电缆有线连接。