CN212158576U - 一种自动测斜仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自动测斜仪，包括底座，所述底座上固设有智能控制器，所述智能控制器包括嵌入式PC，所述嵌入式PC连接电源管理模块、通讯模块、电机驱动模块，所述电源管理模块连接蓄电池，所述通讯模块连接通讯天线，所述电机驱动模块连接直流电机，所述直流电机连接减速机，所述减速机连接卷扬滚筒，所述卷扬滚筒通过信号线连接定滑轮，所述定滑轮下端设有限位开关，所述定滑轮设置在称重传感器承台上，所述称重传感器承台上设有称重传感器，所述称重传感器连接所述智能控制器；所述定滑轮通过所述信号线还连接有测试仪探头。本实用新型提供一种自动测斜仪，这种测斜仪加入了智能收放测量功能，可以实现自动测量，使用方便，维护成本低。

Description

一种自动测斜仪

技术领域

本实用新型涉及基坑测量技术领域，具体来说，涉及一种自动测斜仪。

背景技术

随着现在城市高楼、地铁的快速修建，基坑的深度不断增加，再加上很多地基工程的地质条件又非常复杂，因此越来越多的需要对基坑、边坡等水平位移以及地面沉降进行实时监测以方便施工计划的制定。而测斜仪主要是应用在这一领域的装置，它主要是通过伸入到预先钻好的深坑中，利用测斜仪上下两对带弹簧的收缩轮产生的挤压变形导致测斜仪主轴线与铅垂线夹角的变化量，通过公式计算得出基坑中各个点的水平位移量。

目前市场上常见的测斜仪装置为导轮式测斜仪，在导轮式测斜仪中，测斜管通常安装在穿过不稳定土层至下部稳定地层的垂直钻孔内。使用数字垂直活动测斜仪探头，控制电缆、滑轮装置、读数仪来观测测斜管的变形。第一次观测可以建立起测斜管位移的初始断面，其后的观测会显示当地面发生运动时断面位移的变化。观测时，探头从测斜管底部向顶部移动，在半米间距处暂停并进行测量倾斜工作。探头的倾斜度由两支受力平衡的伺服加速度计测量所得，一支加速度计测量测斜管凹槽纵向位置，即测斜仪探头上测轮所在平面的倾斜度，另一支加速度计测量垂直于测轮平面的倾斜度，倾斜度可以转换成侧向位移。对比当前与初始的观测数据，可以确定侧向偏移的变化量，显示出地层所发生的运动位移。绘制偏移的变化量可以得到一个高分辨率的位移断面图。此断面图有助于确定地面运动位移的大小、深度，方向和速率，简而言之就是测量孔内不同深度的倾斜角度，从而获取孔内的变形情况。

导轮式测斜仪一般分为固定式测斜仪和便携式测斜仪。

固定式测斜仪一般采用多个为一组，分别按不同的深度固定安装在一个测斜管中，用以检测测斜管所在孔洞的变形情况。缺点：由于每一个监测点需要多台测斜仪进行测量，且应为测斜管一般较深，通常在20-30米，而受限于基建成本和安装难度的原因，不可能在同一个测斜管内安装过多的测斜仪，所以一般每组测斜仪中个体之间的距离会被拉的比较开（测量间距较大），测量数据不能很精确的对被测点位的形变做出反映。优点：固定式的测量，能有效降低长期测量所消耗的人工成本，且测量速度很快，在人员不易到达的复杂地质环境中还可以采用远程采集的方式进行测量，数据可靠性高，在外接远程测量装置的时候容易实现高频次测量。

便携式测斜仪一般用于人工测量，在测量过程中由测量人员携带设备，对一片区域内的多个测斜点位（测斜管所在孔洞）分别测量记录数据。在测斜仪连接导线上按一定长度做好标记（一般为0.5米），将测斜仪完全放入测斜管中后，在每一个标记处进行测量记录，然后继续向上拉出，直到所有标记长度位置的测量数据全部记录后再进行下一个点位的测量。缺点：单次测量人工成本较高，在地质环境较为复杂，人员难以到达的区域，测量难度大，人为因素影响较大，其测量频次和数据可靠性完全取决于测量人员。优点：基建成本很低，测量间距比固定式密集，安装难度小（只用打孔后安放测斜管）。

目前，现有的测斜仪测量精度不高，测量数据不能很精确的对被测点位的形变做出反映；另外测量不方便，测量难度大，单次测量人工成本较高，人为因素影响较大，其测量频次和数据可靠性完全取决于测量人员。

实用新型内容

针对相关技术中的问题，本实用新型提出一种自动测斜仪，解决现有测斜仪测量不方便、测量精度较低的问题。

为了实现上述技术目的，本实用新型的技术方案是这样的：

设计一种自动测斜仪，包括底座，所述底座上固设有智能控制器，所述智能控制器包括嵌入式PC，所述嵌入式PC连接有电源管理模块、通讯模块、电机驱动模块，所述电源管理模块连接蓄电池，所述通讯模块连接通讯天线，所述电机驱动模块连接直流电机，所述直流电机连接有减速机，所述减速机连接有卷扬滚筒，所述卷扬滚筒通过信号线连接定滑轮，所述定滑轮连接有转动轴，所述转动轴上还连接有旋转编码器，所述定滑轮下端设置有限位开关，所述定滑轮设置在称重传感器承台上，所述称重传感器承台上设置有称重传感器，所述称重传感器连接有所述智能控制器；所述定滑轮通过所述信号线还连接有测试仪探头，所述测试仪探头上设置有测斜传感器，所述测斜传感器通信连接所述智能控制器中的嵌入式PC，其中，所述电源管理模块用于电源的管理，所述通讯模块用于信号的传输，所述电机驱动模块用于电机的调控。

进一步，所述智能控制器还包括AD转换器，所述称重传感器、AD转换器之间通过电桥进行连接，所述AD转换器连接所述嵌入式PC。

进一步，所述嵌入式PC还连接有蓝牙模块，其中，所述蓝牙模块与调试人员的手机APP进行连接，从而获取实时时间、孔深、线缆长度、测量间隔数量，测量间隔长度和单次测量间隔时间等配置数据。

进一步，所述测斜传感器、嵌入式PC之间通过RS485总线进行连接。

进一步，所述减速机为RV030蜗轮蜗杆减速机。

进一步，所述嵌入式PC内设置有RTC定时器。

进一步，所述通讯模块为4G通讯模块。

进一步，所述卷扬滚筒、信号线之间还连接有导电滑环。

本实用新型的有益效果：这种自动测斜仪加入了智能收放测量功能，单只测斜仪即具备便携式测斜仪基建成本低，测量间距密集且可调，安装难度小，又能实现固定式测斜仪的高测量频次，且无需人工现场进行测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例所述一种自动测斜仪的结构框图；

图2是根据本实用新型实施例所述一种自动测斜仪中智能控制器的结构框图；

图3是根据本实用新型实施例所述一种自动测斜仪的实际应用时俯视图；

图4是图3的A向视图；

图5是图3的B向视图；

图6是根据本实用新型实施例所述一种自动测斜仪中卷扬滚筒结构示意图；

图中：1、测试仪探头；2、信号线；3、限位开关；4、旋转编码器；5、定滑轮；6、称重传感器；7、直流电机；8、减速箱；9、卷扬滚筒；10、蓄电池；11、智能控制器；12、通讯天线；13、底座；14、限位环；15、编码器支架；16、定滑轮轴承支架；17、编码器轴承支座垫铁；18、称重传感器承台；19、称重传感器垫铁；20、轴承支座；21、滚筒芯；22、滚筒挡板；23、左出轴；24、导电滑环；25、右出轴；26、滚筒轴承支座垫铁；27、方管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，根据本实用新型实施例所述的一种自动测斜仪，包括底座13，所述底座13上固设有智能控制器11，所述智能控制器11包括嵌入式PC，所述嵌入式PC连接有电源管理模块、通讯模块、电机驱动模块，所述电源管理模块连接蓄电池10，所述通讯模块连接通讯天线12，所述电机驱动模块连接直流电机7，所述直流电机7连接有减速机8，所述减速机8连接有卷扬滚筒9，所述卷扬滚筒9通过信号线2连接定滑轮5，所述定滑轮5连接有转动轴，所述转动轴上还连接有旋转编码器4，所述定滑轮5下端设置有限位开关3，所述定滑轮5设置在称重传感器承台18上，所述称重传感器承台18上设置有称重传感器6，所述称重传感器6连接有所述智能控制器11；所述定滑轮5通过所述信号线2还连接有测试仪探头1，所述测试仪探头1上设置有测斜传感器，所述测斜传感器通信连接所述智能控制器11中的嵌入式PC，其中，所述电源管理模块用于电源的管理，所述通讯模块用于信号的传输，所述电机驱动模块用于电机的调控。

如图2所示，在本实施例中，所述智能控制器11还包括AD转换器，所述称重传感器6、AD转换器之间通过电桥进行连接，所述AD转换器连接所述嵌入式PC。

如图2所示，在本实施例中，所述嵌入式PC还连接有蓝牙模块，其中，所述蓝牙模块与调试人员的手机APP进行连接，从而获取实时时间、孔深、线缆长度、测量间隔数量，测量间隔长度和单次测量间隔时间等配置数据。

如图2所示，在本实施例中，所述测斜传感器、嵌入式PC之间通过RS485总线进行连接。

如图1-2所示，在本实施例中，所述减速机8为RV030蜗轮蜗杆减速机。

如图1-3所示，在本实施例中，所述嵌入式PC内设置有RTC定时器。

如图1-3所示，在本实施例中，所述通讯模块为4G通讯模块。

为方便对上述技术方案的进一步理解，现对其工作流程进行说明：

如图1-6所示，由外接的太阳能板可以通过太阳能控制器向蓄电池10提供电能补充，蓄电池10接入电源管理模块，电源模管理块可为嵌入式PC，4G通讯，蓝牙，测斜仪传感器，电机驱动和AD转换器等外设模块提供合适的供电。嵌入式PC可以对各路模块的供电进行开关控制。

测斜仪传感器通过尾部的信号线2连接，信号线2过定滑轮5后缠绕在卷扬滚筒9上。信号线2的另一头穿过滚筒中空的转轴通过导电滑环24引出后接入智能控制器11。旋转编码器4与定滑轮5同轴连接并由称重传感器6所在的承台支撑。卷扬滚筒9由直流电机7和RV030蜗轮蜗杆减速机组成的直流减速机带动旋转，起到收放信号线2的作用。

上电后，智能控制器11通过4G通讯模块与远程服务器或者通过蓝牙模块与调试人员的手机APP进行连接，获取实时时间、孔深、线缆长度、测量间隔数量，测量间隔长度和单次测量间隔时间等配置数据，然后根据时钟和配置数据的指导，按一定时间间隔或频次进行测量工作。

当嵌入式PC内部低功耗RTC定时器的定时结束后，嵌入式PC被唤醒，一个测量周期开始。

首先，嵌入式PC控制电机驱动模块按50%额定速度使直流电机7正转，让测斜仪传感器下放至测斜管最底部，下放过程中不断通过定滑轮5连接的旋转编码器4获取下放信号线2的长度，同时不断获取由称重模块获取的重量信息，重量信息的计算如下：

公式1：G = G0 + Gd，其中，G是称重传感器测量值；G0是初始重量值；Gd是变化值。

公式2：Gd = G1 * L，其中，G1是导线单位长度的重量，是常量；L是导线长度，可以通过旋转编码器获得。

由以上公式1、公式2可得，

公式3：G = G0 + G1 * L，

由公式3可知，根据当前的放线长度，可以计算出重量数据，从而可以很容易的判断出传感器是否已经下放至孔底或者在中途卡住，如果判断为中途卡住，则可以采取冲孔策略进行越障尝试。即控制卷扬滚筒9反转提升传感器至当前位置两米，而后控制卷扬滚筒9正转使测斜仪传感器下放，下放速度可调节至100%，利用测斜传感器和信号线2的自重加上高速下放而产生的加速冲击力冲开阻碍。

旋转编码器4可以测量旋转方向，旋转圈数，旋转角度和旋转速度，旋转编码器4每旋转一周产生固定数量的正交脉冲，则定滑轮5半径加上信号线2半径的和乘以π除以单圈脉冲总数等于单个脉冲信号线2沿定滑轮5旋转的弧长，累计脉冲数乘以单个脉冲弧长就等于信号线2下放或提升的长度。嵌入式PC通过旋转编码器4和称重传感器6能完全掌控下放和提升的状态，完全避免异常情况下卷扬滚筒9过度旋转导致信号线2反向缠绕的现象发生。当测斜仪传感器下放至孔底后嵌入式PC通过测斜仪传感器的RS485总线开始读取测量数据，读取完毕后，根据配置数据中的测量间隔距离将测斜仪传感器向上拉起一定高度后再次读取测量数据，重复该测量过程，直到完成配置数据中设置的测量间隔数量，然后继续提升测斜仪传感器直到触动定滑轮5下面的限位开关3，触动限位开关3后，直流电机7停止转动，同时旋转编码器4计数归零。然后智能控制器11中嵌入式PC将采集到的的数据存储并通过4G模块发送至远程服务器，同时接收远程服务器下发的控制命令。

完成一个测量周期后嵌入式PC重置低功耗RTC定时器，并切断外部各模块的供电进入休眠模式以节省电能，直到下一个测量周期的定时结束。

每天23点整嵌入式PC也会被唤醒，开启4G通讯模块，并与远程服务器进行连接发送自身状态，比如剩余电量等信息，同时也接收远程服务器下发的控制命令，保证每天至少有一次通讯窗口期。

这种自动测斜仪加入了智能收放测量功能，可以实现自动测量，且测量间距比传统方式高几个数量级（传统方式测量密度比较高的便携式测斜仪也只能以0.5米为一个间距进行测量，固定式的测量间距更大，本设备理论上可以实现以毫米为单位的测量间距）且可以任意调节，同时安装简单，防护等级高适合野外使用。数据采集无需人工，后期测量成本低廉。

如图2-6所示，在实际应用中，本装置分为七部分组成：卷扬，传动，编码检测，拉力检测，智能控制，电源供给，外壳防护罩。

卷扬部分：由滚筒导电滑环，滚筒挡板，滚筒芯， UPC205滚筒轴承支座，滚筒轴承支座垫铁，滚筒出轴组成。该机械部分为卷扬结构，其中左出轴连接传动部分，右出轴中空安装导电滑环，用于滚轴中的导线引出。两个出轴由UPC205轴承支座支撑并形成转轴。

传动部分：由DW08系列直流电机，RV030蜗轮蜗杆减速箱和减速箱垫铁组成。直流电机带动大减速比减速箱能有效降低转速，提高转矩，为卷扬部分提供合适的转速和足够的动力。减速箱垫铁主要用于调节减速机和卷筒部分的左出轴的高度，使得两者的中心在同一轴线上。

编码检测部分：由增量式旋转编码器，编码器定滑轮，KEC-608ZZ-20轴承支座，编码器轴承支座垫铁，限位开关（包括限位环）组成。测斜仪导线经过测速定滑轮改变力的方向后使得定滑轮上受到传感器和导线产生的下压力和卷扬部分产生的牵引力。编码器安装在编码器支架上，定滑轮由KEC-608ZZ-20轴承支座支撑，编码器轴承支座垫铁主要用于调节轴承支座的高度，以便轴承支座与编码器的中心高相匹配；当卷扬部分转动时因导线产生的摩擦力使定滑轮转动，定滑轮与旋转编码器相连。旋转编码器能测量定滑轮的转动方向和圈数，转动的圈数乘以定滑轮的周长即可得到导线运行的长度，从而得出上升或下降的长度。选用脉冲数不同的编码器每旋转一圈可得到300-1000个脉冲，则上升或下降的测量间距精度可轻易控制在毫米级（测量间距极小）。当传感器运行到靠经定滑轮的顶部的时候，套在传感器导线靠近根部的环形限位环会压住限位开关，从而使旋转编码器计数清零，即起到机械限位的作用（控制电机停转），又起到传感器下降深度清零的作用。

拉力检测部分：由称重传感器，称重传感器垫铁和称重传感器承台组成。定滑轮改变力的方向后对称重传感器施加下压力，当测斜仪向下运动时可以称量测斜仪和导线的拉力，放入测斜管越深，则压力越大，如果压力突然变小则说明测斜仪已经到底或者被中途卡住；当测斜仪向上运动时可以测量卷扬部分施加的回拉力，收回测斜管越浅，则压力越小，如果压力突然变大则说明测斜仪被卡住，配合编码检测部分的数据智能控制系统可以做出不同的放入或回收策略。

智能控制部分：由嵌入式PC，电机驱动模块，4G通讯模块，蓝牙模块，AD转换器，电源管理模块组成。嵌入式PC负责将获得的称重传感器，编码器，限位开关和本地测斜仪通讯等数据信息通过智能运动算法，控制算法得出多种执行策略，指导整个系统的运行和测斜仪的数据存储，并对4G通讯模块和蓝牙模块的通讯请求做出回应。电机驱动模块负责将嵌入式PC发出的PWM信号和开关量控制命令转化为驱动电机的电压和电流信号，控制电机的启停，刹车，转速和旋转方向。4G通讯模块负责建立设备和远程服务器之间的通讯连接，方便将设备的状态数据，测斜仪的测量数据上传至远程服务器，同时接收远程服务器下达的各种控制命令。蓝牙模块负责与现场安装维护人员的手机之间建立通讯，方便安装维护人员进行现场调试。AD转换器能将称重传感器的模拟信号转换成数字信号，使嵌入式PC能够使用。电源管理模块负责整个系统的电源供给和调配，同时具备一定的故障保护功能。

电源供给部分：由长寿命宽温磷酸铁锂电池组和太阳能控制器组成。采用磷酸铁锂电池组对整个系统提供能源。太阳能控制器可外接太阳能电池板或外部电源对电池组进行电能补充。

外壳防护罩：采用不锈钢板弯折焊接而成，四角设有固定孔位，方便采用膨胀螺丝或其他固定件进行现场固定。底部不锈钢环形护套方便套在测斜管的地表外露端进行安装定位。护罩顶端可开启方便安装维护，当顶盖密闭后能提供IP54以上的防护等级。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种自动测斜仪，包括底座（13），其特征在于，所述底座（13）上固设有智能控制器（11），所述智能控制器（11）包括嵌入式PC，所述嵌入式PC连接有电源管理模块、通讯模块、电机驱动模块，所述电源管理模块连接蓄电池（10），所述通讯模块连接通讯天线（12），所述电机驱动模块连接直流电机（7），所述直流电机（7）连接有减速机（8），所述减速机（8）连接有卷扬滚筒（9），所述卷扬滚筒（9）通过信号线（2）连接定滑轮（5），所述定滑轮（5）连接有转动轴，所述转动轴上还连接有旋转编码器（4），所述定滑轮（5）下端设置有限位开关（3），所述定滑轮（5）设置在称重传感器承台（18）上，所述称重传感器承台（18）上设置有称重传感器（6），所述称重传感器（6）连接有所述智能控制器（11）；所述定滑轮（5）通过所述信号线（2）还连接有测试仪探头（1），所述测试仪探头（1）上设置有测斜传感器，所述测斜传感器通信连接所述智能控制器（11）中的嵌入式PC，其中，所述电源管理模块用于电源的管理，所述通讯模块用于信号的传输，所述电机驱动模块用于电机的调控。

2.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述智能控制器（11）还包括AD转换器，所述称重传感器（6）、AD转换器之间通过电桥进行连接，所述AD转换器连接所述嵌入式PC。

3.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述嵌入式PC还连接有蓝牙模块，其中，所述蓝牙模块与调试人员的手机APP进行连接，从而获取实时时间、孔深、线缆长度、测量间隔数量，测量间隔长度和单次测量间隔时间等配置数据。

4.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述测斜传感器、嵌入式PC之间通过RS485总线进行连接。

5.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述减速机（8）为RV030蜗轮蜗杆减速机。

6.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述嵌入式PC内设置有RTC定时器。

7.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述通讯模块为4G通讯模块。

8.根据权利要求1所述的一种自动测斜仪，其特征在于，所述卷扬滚筒（9）、信号线（2）之间还连接有导电滑环（24）。

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