CN208751504U - 一种地表区域形变监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种地表区域形变监测仪，属于地表监测技术领域，解决了现有技术或无法连续实时观测或存在安装耦合、单点测量的问题。本实用新型公开的地表区域形变监测仪，包括M×N个激光探测单元组成的M×N现场位移探测阵列、基站、太阳能供电单元。太阳能供电单元为基站运行提供电能。现场位移探测阵列均匀布设待监测地表区域，采集待监测地表区域的形变情况，并将所述形变情况以位移信息的形式通过无线网络发送至基站，由基站对待监测地表区域的形变情况进行存储和转发，远程发送给技术专家分析。本地表区域形变监测仪有利于远程对上述地表变形情况进行连续观察，及时发现采矿沉陷、滑坡、裂缝等地表变形情况。

Description

一种地表区域形变监测仪

技术领域

本实用新型涉及地表监测技术领域，尤其涉及一种地表区域形变监测仪。

背景技术

对采矿沉陷区、滑坡区、裂缝区地表的变形情况进行实时连续观察是准确预报矿区沉陷、滑坡、裂缝等地质灾害的有效途径之一。

目前，对采矿沉陷区、滑坡体、裂缝地表进行自动化监测通常采用两种方法：一种方法采用接触式现场监测仪器，如拉杆、拉绳式位移计、磁制伸缩仪等，结合远程网络传输模块，可以实现特定地表区域的实时形变监测，但该方法的缺点是一次只能测量一个单独的点，而且还存在传感器安装耦合的问题；另一种方法采用遥感技术，包括无人机摄影、激光雷达、InSAR等，定期采集特定地表区域影像数据以观察该地表区域发生的形变，这种方法属于非接触式，因此无须担心传感器安装耦合的问题，但其缺点是只能进行定期观测，而不能连续实时地进行监测，因此判断结果可能会不准确，甚至漏判。

实用新型实用新型内容

鉴于上述的分析，本实用新型旨在提供一种地表区域形变监测仪，用以解决现有技术或无法连续实时观测或存在安装耦合、单点测量的问题。

本实用新型的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种地表区域形变监测仪，包括M×N个激光探测单元组成的M×N 现场位移探测阵列、基站；

所述现场位移探测阵列均匀布设在待监测地表区域内，每个所述激光探测单元包括激光探测器和对应的目标靶，所述目标靶设置在对应的激光探测器前方的预设距离处；

所述基站设置于待监测地表区域内靠近中心位置的基站安装架的支撑板上；所述支撑板距离地面预设高度。

上述技术方案的有益效果如下：采用非接触式激光探测单元，克服了普通传感器(即接触式现场监测仪器)安装耦合问题。通过矩阵式探测单元的布设，且多个探测单元之间能够通过自组网协议栈进行无线数据传送，避免了因连线太多带来的安装困难，通过基站进行数据处理可将传统的点监测转换为面监测，为滑坡、矿区塌陷、裂缝等区域性形变监测提供更多、更可靠的数据。

在上述方案的基础上，本实用新型还做了如下改进：

进一步，所述激光探测器包括激光位移传感器、无线数据传输器；所述激光位移传感器、无线数据传输器之间通过串口RS232数据线进行电气连接；

所述激光位移传感器布设于待监测地表区域地面上，所述无线数据传输器布设于对应的激光位移传感器上方的地表支架上。

采用上述进一步方案的有益效果是：与现有技术的接触式现场监测仪器相比，上述方案采用M×N的现场位移探测阵列进行数据监测，可测量整个待监测地表区域的形变，以及形变过程，即面监测，各个探测单元获取的位移信息是相互独立的，彼此之间不存在干扰，因此无须担心传感器安装耦合问题。与现有技术的遥感技术相比，上述进一步方案可以连续实时观测整个待监测地表区域的形变、形变过程，以及形变的具体坐标，因此具有突出的技术优势。并且，采用了无线数据传输器，避免了有线数据连接带来的安装困难、各激光探测单元耦合严重的问题。

进一步，所述激光位移传感器采用YF-YJ10激光位移传感器。

所述无线数据传输器采用WLT2408无线数据传输器。

采用上述进一步方案的有益效果是：YF-YJ10激光位移传感器利用激光相位法测量技术，实现对探测单元和目标靶之间距离的测量。具有测量速度快、测量精度高等特点，并且，产品体积小，接口丰富，能够满足不同的使用环境。WLT2408无线数据传输器内部驻留ZigBee协议栈，兼容性好，程序设计方便。

进一步，各激光探测单元之间的距离小于500m，所述基站与各激光探测单元之间的距离小于1km；所述无线数据传输器的天线距地面的垂直高度不小于1m，布设基站的所述预设高度不小于1.5m；

每个激光探测单元中的所述激光探测器和对应的目标靶之间无障碍物，并分别布设于地表区域形变位置的两侧，跨越地表区域形变位置。

采用上述进一步方案的有益效果是：上述数据是经过大量试验数据总结出来的规律，直接应用可以极大减少出现采集效果差可能带来的重复试验的工作量。激光探测器和对应的目标靶之间如果有障碍物可能造成采集不到数据。激光探测器和对应的目标靶应布设于地表区域形变位置的两侧，跨越地表区域形变位置，这样有利于有效信号的采集，避免激光探测单元过多布设造成浪费。

进一步，所述基站包括无线传输网络路由、第一天线、远程网络传输单元、第二天线、数据处理设备；

所述数据处理设备包括第一数据端、第二数据端，所述第一数据端经所述无线传输网络路由与所述第一天线连接，所述第二数据端经所述远程网络传输单元与第二天线连接；

所述无线传输网络路由、远程网络传输单元、数据处理设备集成于监测箱内，所述第一天线、第二天线设置于所述监测箱上方的支架上。

采用上述进一步方案的有益效果是：第一天线、第二天线设置的位置较高，有利于增强信号传输性能。对无线传输网络路由、远程网络传输单元、数据处理设备进行集成，有利于缩小体积，并防止外界环境对设备造成损害。无线传输网络路由、远程网络传输单元分别工作于无线局域网和远程无线网络，技术人员可以无须到现场，可以在世界上任何一个具有远程无线网络的地点使用计算机获得实时监控信息。因此，极大降低了技术人员的工作强度、时间成本，有利于及时发现问题并采取措施。

进一步，所述无线传输网络路由采用WLT2408无线传输网络路由；

所述第一天线采用RP-SMA接口、50Ω、3dBi、2.4GHz天线；

所述远程网络传输单元采用ZWD-35A无线数据传输器；

所述第二天线采用CDMA 3dBi天线；

所述数据处理设备采用STM32F103数据处理器；

所述无线传输网络路由与所述无线数据传输器之间采用2.4GHz频段数据传输；

所述远程网络传输单元采用4G通信、3G通信、GPRS通信中的至少一种。

采用上述进一步方案的有益效果是：2.4GHz频段为免费开放频段，宜用于近距离或中距离传输，作为局域网无线传输比较合适。远程数据传输可根据野外安装地区网络信号强度选择采用4G通信、3G通信、GPRS 通信中的一种，适合远程传输数据。

进一步，还包括太阳能供电单元；

所述太阳能供电单元包括太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、电压转换器；

所述充放电控制器包括输入端、第一输出端和第二输出端，其中，输入端与所述太阳能电池板的输出端连接，第一输出端作为太阳能供电单元的供电端，与所述基站的供电端连接，第二输出端与所述蓄电池的输入端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：在无线激光矩阵监测系统无故障情况下，太阳能供电单元能够永久为无线激光矩阵监测系统供电。在连续观测地表区域形变时，避免了换电池带来的工作复杂度，在无线激光矩阵监测系统安装全程后，能连续实时观测待监测地表区域形变。

进一步，所述充放电控制器采用Solar CTK3A充放电控制器；

所述蓄电池采用Sail 55D23L-12V蓄电池；

所述太阳能电池板倾斜设置于所述监测箱上方的支架上，所述充放电控制器、蓄电池集成于所述监测箱内。

采用上述进一步方案的有益效果是：太阳能电池板设置于高空，有利于充分接受光照采集太阳能，倾斜设置有利于增大采光面积。设置蓄电池可以存储电能，通过充放电控制器可以控制蓄电池进行充放电，满足基站负载正常工作。

进一步，所述太阳供电单元提供3.3V、5V、9V的电源；其中，

所述3.3V电源与基站的所述数据处理单元的供电端连接；

所述5V电源与基站的所述无线传输网络路由的供电端连接；

所述9V电源与基站的所述远程网络传输单元的供电端连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：数据处理单元、无线传输网络路由、远程网络传输单元的供电需求不同，因此，太阳供电单元需要提供不同的电压供其各自独立工作。

进一步，还包括远程数据控制中心，所述远程数据控制中心包括配备无线网卡的计算机；所述无线网卡支持4G通信、3G通信、GPRS通信；

所述远程数据控制中心与所述远程网络传输单元采用同一种信号传输模式，所述信号传输模式为4G通信、3G通信、GPRS通信中的至少一种。

采用上述进一步方案的有益效果是：设置远程数据控制中心，是因为专家不可能一直呆在待监测地表区域进行研究，数据控制中心可以增加远程专家对无线激光矩阵监测系统获取的待监测地表区域的形变结果进行介入分析，避免发生采矿沉陷、滑坡、裂缝等情况的误判，增加了判断结果的准确性。

本实用新型中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本实用新型的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本实用新型实施例1无线激光矩阵监测系统组成示意图；

图2为本实用新型实施例2无线激光矩阵监测系统组成示意图；

图3为本实用新型实施例2激光探测单元组成示意图；

图4为本实用新型实施例2基站组成示意图；

图5为本实用新型实施例2太阳能供电单元组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本实用新型的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本实用新型的实施例一起用于阐释本实用新型的原理，并非用于限定本实用新型的范围。

实施例1

本实用新型的一个具体实施例，如图1所示，公开了一种地表区域形变监测仪，包括M×N个激光探测单元组成的M×N现场位移探测阵列、基站。M、N的数量根据待监测区域的面积大小确定。现场位移探测阵列和基站之间通过无线局域网络进行双向数据传输。

现场位移探测阵列均匀布设在待监测地表区域内，一般采取矩阵布设方式，用于监测该待监测地表区域内可能存在采矿沉陷、滑坡、裂缝等地表变形情况。每个所述激光探测单元包括激光探测器和对应的目标靶，该目标靶设置在对应的激光探测器前方的预设距离处，二者构成一探测节点。所有探测单元对应的预设距离相同，即每个探测单元和对应的目标靶的位置关系在初始安装时就已经确定。

基站设置于待监测地表区域内靠近中心位置的基站安装架的支撑板上，该支撑板距离地面预设高度。实际上，基站最好设置于待监测地表区域内中心位置，此处信号传输效果最好，但受地理环境限制，大多情况下不易实现。

实施时，现场位移探测阵列，获取每个所述激光探测单元与对应的目标靶的位移信息，即线性位移，并将所有所述位移信息通过无线网络发送至基站，进行数据存储、转发。专业技术人员根据所述位移信息结合每个所述激光探测单元的位置坐标可得到待监测地表区域的一个整体的形变结果。该待监测地表区域的形变结果可以以三维位移图的形式进行显示，其中，x、y为探测单元的横纵坐标，z表示探测单元测得的位移或者位移变化量。

通过对该形变结果结果进行判断，专业技术人员能够判断待监测地表区域是否发生或将发生采矿沉陷、滑坡、裂缝。具体地，例如，激光探测单元与对应的目标靶二者之间发生裂缝或裂缝扩大时，二者之间的线性位移将增加。二者之间发生采矿沉陷、滑坡时，二者之间的线性位移也会发生改变。如果位移变化大于判断阈值，可采取相关预警措施。

与现有技术相比，本实施例采用非接触式激光探测单元，克服了现有接触式现场监测仪器具有的安装耦合问题。通过矩阵式探测阵列的布设，且多个探测单元之间能够通过自组网协议栈进行无线数据传送，避免了连线太多带来的安装困难，通过基站的数据处理可将传统的点监测转换为面监测，为滑坡体、矿区塌陷、裂缝的区域性形变监测提供更多、更可靠的数据。

实施例2

在上述实施例的基础上进行优化，地表区域形变监测仪还包括太阳能供电单元、远程数据控制中心，如图2所示。太阳能供电单元的输出端与基站的供电端连接，用于为基站运行提供电源。而现场位移探测阵列内设可替换电源，由专业技术人员定期进行替换。

远程数据控制中心，包括配备无线网卡的计算机，该无线网卡支持 4G通信、3G通信、GPRS通信，用于对所有基站的处理结果进行进一步分析，并展示。数据控制中心支持4G/3G/GPRS通信。

优选地，每个激光探测器又包括独立的激光位移传感器、无线数据传输器。激光位移传感器、无线数据传输器之间通过串口RS232数据线进行电气连接，进行双向数据传输。每个探测单元中，激光位移传感器布设于待监测地表区域地面上，无线数据传输器布设于激光位移传感器上方的地表支架上。

优选地，激光位移传感器选用YF-YJ10激光位移传感器，无线数据传输器选用WLT2408无线数据传输器。

优选地，各激光探测单元之间的距离小于500m，基站与各激光探测单元之间距离小于1km；无线数据传输器的天线距地面的垂直高度不小于1m，布设基站的预设高度不小于1.5m。每个激光探测单元中的激光探测器和对应的目标靶之间无障碍物，并分别布设于地表区域形变位置的两侧，跨越地表区域形变位置。

优选地，基站包括无线传输网络路由、第一天线、远程网络传输单元、第二天线、数据处理设备。数据处理设备包括第一数据端、第二数据端，第一数据端经无线传输网络路由与第一天线连接，第二数据端经远程网络传输单元与第二天线连接。并且，无线传输网络路由、远程网络传输单元、数据处理设备集成于监测箱内，所述第一天线、第二天线设置于所述监测箱上方的支架上。

优选地，无线传输网络路由采用采用WLT2408无线传输网络路由，第一天线采用RP-SMA接口、50Ω、3dBi、2.4GHz天线，远程网络传输单元采用ZWD-35A无线数据传输器，第二天线采用CDMA 3dBi天线，数据处理设备采用STM32F103数据处理器。无线传输网络路由与无线数据传输器之间采用2.4GHz频段数据传输；远程网络传输单元采用4G通信、3G通信、GPRS通信中的至少一种与数据控制中心的远程计算机或远程设备进行数据通信。

优选地，太阳能供电单元包括太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、电压转换器。充放电控制器包括输入端、第一输出端和第二输出端，其中，输入端与太阳能电池板的输出端连接，第一输出端作为太阳能供电单元的供电端，经电压转换器与基站的供电端连接，第二输出端与蓄电池的输入端连接。

优选地，充放电控制器采用Solar CTK3A充放电控制器，蓄电池采用Sail 55D23L-12V蓄电池。太阳能电池板倾斜设置于基站支架上，充放电控制器、蓄电池集成于所述监测箱内。

优选地，太阳供电单元通过电压转换器能够提供3.3V、5V、9V的电源。3.3V电源与基站的数据处理单元的供电端连接，为其供电。5V 电源与基站的无线传输网络路由的供电端连接，为其供电。9V电源与基站的远程网络传输单元的供电端连接，为其供电。

实施时，基站定时发送驱动信号唤醒，激光位移传感器在接收到基站发送的驱动信号后启动进行数据采集，向对应的目标靶发送激光信号，并接收返回的携带二者位移信息的激光信号，对返回的所述激光信号进行解析获取所述位移信息。基站接收到该位移信息后，将所述位移信息和探测单元的坐标结合，提供一个综合的形变信息，以生成待监测地表区域的形变结果。该形变结果可以以三维图的形式进行显示，其中，x、 y为探测单元的横纵坐标，z表示探测单元测得的位移或者位移变化量。

与现有技术相比，本实施例采用非接触式激光探测单元，克服了普通传感器的安装耦合问题。通过矩阵式探测单元的布设，且多个探测单元基站之间通过无线网络进行数据传送，避免了连线太多带来的安装困难，通过基站的数据处理可将传统的点监测转换为面监测，为滑坡体、矿区塌陷、裂缝的区域性形变监测提供更多、更可靠的数据。

本领域技术人员可以理解，上述实施例中激光位移传感器所涉及的“对返回的激光信号进行解析获取位移信息”为现有技术常见的方法，如将现有文献1(陈羽.高精度脉冲激光测距仪的研究.西安工业大学硕士学位论文，2014)中的方法在激光位移传感器中运行即可，基站的数据处理器所涉及的“将非接触式激光探测单元位移信息和探测单表的坐标结合以提供一个综合的形变信息进而生成待监测地表区域的形变结果”为现有技术常见的方法，如将现有文献2(王莉莉.基于遥感影像与矢量图的土地利用图斑变化检测方法研究.长安大学硕士学位论文，2007)中的方法在数据处理器中运行即可，本实用新型不涉及任何软件方面的改进。本实用新型仅需要将各个具有相应功能的装置通过本实用新型实施例所给出的连接关系进行连接即可，其中并不涉及任何程序软件方面的改进。而至于各个相应功能的硬件装置之间的连接方式，均是本领域技术人员可以采用现有技术实现的，在此不做详细说明。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地表区域形变监测仪，其特征在于，包括M×N个激光探测单元组成的M×N现场位移探测阵列、基站；

所述现场位移探测阵列均匀布设在待监测地表区域内，每个所述激光探测单元包括激光探测器和对应的目标靶，所述目标靶设置在对应的激光探测器前方的预设距离处；

所述基站设置于待监测地表区域内靠近中心位置的基站安装架的支撑板上；所述支撑板距离地面预设高度。

2.根据权利要求1所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，所述激光探测器包括激光位移传感器、无线数据传输器；所述激光位移传感器、无线数据传输器之间通过串口RS232数据线进行电气连接；

所述激光位移传感器布设于待监测地表区域地面上，所述无线数据传输器布设于对应的激光位移传感器上方的地表支架上。

3.根据权利要求2所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，所述激光位移传感器为YF-YJ10激光位移传感器；

所述无线数据传输器为WLT2408无线数据传输器。

4.根据权利要求3所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，各激光探测单元之间的距离小于500m，所述基站与各激光探测单元之间距离小于1km；所述无线数据传输器的天线距地面的垂直高度不小于1m，布设基站的所述预设高度不小于1.5m；

每个激光探测单元中的所述激光探测器和对应的目标靶之间无障碍物，并分别布设于地表区域形变位置的两侧，跨越地表区域形变位置。

5.根据权利要求1、2、4之一所述的地表区域形变监测仪，其特征在于所述基站包括无线传输网络路由、第一天线、远程网络传输单元、第二天线、数据处理设备；

所述数据处理设备包括第一数据端、第二数据端，所述第一数据端经所述无线传输网络路由与所述第一天线连接，所述第二数据端经所述远程网络传输单元与第二天线连接；

所述无线传输网络路由、远程网络传输单元、数据处理设备集成于监测箱内，所述第一天线、第二天线设置于所述监测箱上方的支架上。

6.根据权利要求5所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，所述无线传输网络路由采用WLT2408无线传输网络路由；

所述第一天线采用RP-SMA接口、50Ω、3dBi、2.4GHz天线；

所述远程网络传输单元采用ZWD-35A无线数据传输器；

所述第二天线采用CDMA 3dBi天线；

所述数据处理设备采用STM32F103数据处理器；

所述无线传输网络路由与所述无线数据传输器之间采用2.4GHz频段数据传输；

所述远程网络传输单元采用4G通信、3G通信、GPRS通信中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，还包括太阳能供电单元；

所述太阳能供电单元包括太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、电压转换器；

所述充放电控制器包括输入端、第一输出端和第二输出端，其中，输入端与所述太阳能电池板的输出端连接，第一输出端作为太阳能供电单元的供电端，经电压转换器与所述基站的供电端连接，第二输出端与所述蓄电池的输入端连接。

8.根据权利要求7所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，所述充放电控制器采用Solar CTK3A充放电控制器；

所述蓄电池采用Sail 55D23L-12V蓄电池；

所述太阳能电池板倾斜设置于所述监测箱上方的支架上，所述充放电控制器、蓄电池集成于监测箱内。

9.根据权利要求7或8所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，所述太阳供电单元提供3.3V、5V、9V的电源；其中，

所述3.3V电源与基站的所述数据处理单元的供电端连接；

所述5V电源与基站的所述无线传输网络路由的供电端连接；

所述9V电源与基站的所述远程网络传输单元的供电端连接。

10.根据权利要求5所述的地表区域形变监测仪，其特征在于，还包括远程数据控制中心；所述远程数据控制中心包括配备无线网卡的计算机；所述无线网卡支持4G通信、3G通信、GPRS通信；

所述远程数据控制中心与所述远程网络传输单元采用同一种信号传输模式，所述信号传输模式为4G通信、3G通信、GPRS通信中的至少一种。