CN220170351U - 一种振动裂隙监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种振动裂隙监测装置，涉及岩土工程监测技术领域。振动裂缝自主监测装置包括机壳，机壳内设置有加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块与供能模块；供电模块分别与加速度传感器模组、信号采集模块与信号传输模块连接；加速度传感器模组与信号采集模块连接，信号采集模块与信号传输模块连接。本实用新型的振动裂缝自主监测装置在监测时，将测点的震动速度、震动频率、振动幅度计算出来，并比对预设的预警参数，并可实时监测静态位移量的变化对运算出来的数据通过RS485或JSON协议传输，可实现对矿井或其他工程类的震动实现远程无线自动化监测。

Description

一种振动裂隙监测装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程监测技术领域，尤其涉及一种振动裂隙监测装置。

背景技术

近年来，随着国家高速、铁路、高铁的基础建设越来越多，工程施工事故也频发。在矿区的采矿过程中会经常使用炸药或其他的破坏性生产，会对当地地质产生一定的危害，在进行炸药爆破的位置及附近位置存在有垮塌的风险，较易造成一定的隐患甚至是直接破坏，所以为了防止隐患的影响，在露天采矿形成的深坑边坡，以及公路边的高边坡施工均需要设置塌方以及振动监测。其中边坡位移和振动速率是一个重要的监测参数，作为安全生产的一个技术判定标准，直接关系到生产经营的成本和生产安全的一个平衡点，该数据要求准确性与实时性强，若未及时准确警示，则较易导致工程施工事故的发生。

而随工程使用年限，隧道、桥梁、地灾等位移形变均可能发生变化，在突变过程中地质位移的加速度会发生骤变，一般对于相对重要的监测项目或物体选择现场安装加速度传感器并现场采集电压值，专业技术人员在现场完成整个测试工作，对于矿井开挖、露天采矿厂需要现场爆破或随时有塌方危险，以及施工环境相对恶劣的工地不便于专业技术人员在现场实时监测。

上述内容仅用于辅助理解本实用新型的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种振动裂隙监测装置，旨在解决现有技术中不便于专业技术人员在现场实时监测地质位移的问题。

为实现上述目的，本实用新型提出一种振动裂隙监测装置，振动裂隙监测装置包括机壳，所述机壳内设置有加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块与供能模块，所述加速度传感器模组包括振动位移传感器和拉绳位移传感器；

所述供能模块分别与所述加速度传感器模组、所述信号采集模块与所述信号传输模块连接；

所述加速度传感器模组与所述信号采集模块连接，所述信号采集模块与所述信号传输模块连接，所述振动位移传感器设置于所述机壳，并分别与所述信号采集模块、信号传输模块与供能模块连接，所述拉绳位移传感器设置于所述机壳，并分别与所述信号采集模块、信号传输模块与供能模块连接。

可选地，所述信号采集模块包括AD信号采集电路，所述AD信号采集电路设置在所述机壳内，并分别与所述加速度传感器模组、所述信号传输模块与所述供能模块连接。

可选地，所述信号传输模块包括传输电路，所述传输电路设置在所述机壳内，并分别与所述加速度传感器模组、所述信号采集模块与所述供能模块连接。

可选地，所述传输电路设置有信号传输单片机，所述信号传输单片机分别与所述加速度传感器模组、信号采集模块与供能模块连接。

可选的，所述振动裂隙监测装置还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述信号传输单片机连接。

可选的，所述供能模块包括太阳能电池，所述太阳能电池分别与所述加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块连接。

可选地，所述振动裂隙监测装置还包括可插拔的存储芯片，所述存储芯片分别连接所述信号传输模块与所述供能模块。

可选地，每一所述振动裂隙监测装置还设置有唯一编号。

本实用新型中，能自动化实时监测加速度变化，从而感知到地质变化导致的加速度变化，预警震动引起的塌方或者位移等危险情况，同时监测相对静态位移的变化，通过拉绳传感器来监测边坡侧面的位移可查看静态的累加位移，能采用无线4G通信，功耗相对低，可以通过小功率太阳能板给电池组供电且成本相对较低，便于多点布设，采样更多意味监测更精准，预警更准确。

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，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型一种振动裂隙监测装置一实施例中的整体结构示意图；

图2为本实用新型一种振动裂隙监测装置一实施例的结构示意图；

图3为本实用新型一种振动裂隙监测装置一实施例的加速度传感器供电原理示意图；

图4为本实用新型一种振动裂隙监测装置一实施例的电路原理示意图；

图5为本实用新型一种振动裂隙监测装置一实施例单片机的流程示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	机壳	21	基座
20	加速度传感器模组	22	压阻
				30	信号采集模块	23	悬臂梁
40	信号传输模块	24	质量块
				50	供能模块

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

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的一部分实施例，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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

参照图1，图1为本实用新型一种振动裂隙监测装置一实施例的结构示意图，提出本实用新型振动裂隙监测装置第一实施例。

在第一实施例中，振动裂隙监测装置包括机壳，机壳内设置有加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块与供能模块；供能模块分别与加速度传感器模组、信号采集模块与信号传输模块连接；加速度传感器模组与信号采集模块连接，信号采集模块与信号传输模块连接。

在本实施方式中，机壳包括有底座、机身与顶盖，底座通过螺丝固定在所需安装的位置如安装在边坡的位置或振动重点监测的位置，而机壳的机身则呈圆筒状设置，机壳的顶盖则设置有其他功能性器件。在发生振动时，加速度会发生改变，此时可通过机壳内部的设备对安装位置所在地的加速度实时进行监测。

可选的，机壳可以为机加工不锈钢制或铝合金制的防锈蚀外壳，也可以采用其他类型的材质如硬质聚乙烯材质等，机壳的密封性较好，降低雨水等对机加工外壳内部设备造成的影响。本实用新型的机壳具备IP67防护级别，可适应常规户外监测。

需要说明的是，每一振动裂隙监测装置还设置有唯一编号。唯一编号为全球唯一的编号，可通过唯一编号进行真假识别。

参照图2，图2为本实用新型振动裂缝检测设备一实施例的感应原理示意图。基于上述第一实施例，提出本实用新型一种振动裂缝监测设备第二实施例。

在第二实施例中，加速度传感器模组包括振动位移传感器，振动位移传感器设置于机壳，并分别与信号采集模块、信号传输模块与供能模块连接。

在本实施例中，振动位移传感器可设置为MEMS压阻式加速度传感器，为压阻式加速度敏感元件，如图所示，MEMS压阻式加速度传感器的敏感元件由弹性梁、质量块与固定框组成，弹性梁上设置有压敏电阻。

需要说明的是，MEMS加速度传感器实质上是一个力传感器，在目前研究尺度内，可以认为其基本原理仍遵从牛顿第二定律。也就是说当有加速度a作用于传感器时，传感器的惯性质量块便会产生一个惯性力:F＝ma，此惯性力F作用于传感器的弹性梁上，便会产生一个正比于F的应变，此时弹性梁上的压敏电阻也会随之产生一个变化量△R，由压敏电阻组成的惠斯通电桥输出一个与△R成正比的电压信号V，该电压信号的数值体现即为对应的电压值。

应当理解的是，在MEMS加速度传感器进行测量时，是利用测量固定质量块在受到加速度作用时产生的力F来测得加速度a的，也就是说，当振动裂缝产生时，或产生的振动裂缝正在扩大时，MEMS加速度传感器能通过固定质量块随裂缝增加所产生位移时的加速度来测量振动裂缝扩大的数值。

参照图3，图3为一种振动裂隙监测装置一实施例的电路原理示意图。

加速度传感器模组还包括拉绳位移传感器，拉绳位移传感器设置于机壳，并分别与信号采集模块、信号传输模块与供能模块连接。

需要说明的是，拉绳位移传感器又称拉绳传感器、拉绳编码器。拉绳位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量、记录或传送的电信号。拉绳位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个静谧旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器、绝对编码器、导电塑料旋转电位计、同步器或解析器。

在具体实现时，当有位移值存在时，拉绳位移传感器就会产生与位移值成正比的电压值，并通过信号传输模块生成该电压值对应的位移值。该位移值即为拉绳位移传感器所监测到的位移值。

当垮塌现象发生时，MEMS加速度传感器与拉绳位移传感器感应到裂缝产生时的地质移动，其中MEMS加速度传感器生成与加速度成正比的电压值，拉绳位移传感器生成与位移值成正比的电压值，此时需要将MEMS加速度传感器生成的电压值与拉绳位移传感器生成的电压值进行采集。

在本实施方式中，用于采集电压值的信号采集模块包括AD信号采集电路，AD信号采集电路设置在机壳内，并分别与加速度传感器模组、信号传输模块与供能模块连接。

需要说明的是，AD信号采集电路的一端分别连接MEMS加速度传感器与拉绳位移传感器，分别采集MEMS加速度传感器产生的关于加速度的电压值与拉绳位移传感器产生的关于位移的电压值，且AD信号采集电路上设置有放大电路，能对产生的代表不同数值的电压值分别进行采集后放大，以便于进行识别。

进一步的，AD信号采集电路上设置有压差处理部分，将采集到的电压值处理成为单路对地电压，并通过高精度放大芯片将该微电压放大100倍，然后通过16位A/D转换。以1khz的采样频率采样。

参照图4，当采集到对应的放大电压后，还需对放大后的电压值进行传输，信号传输模块包括传输电路，传输电路设置在机壳内，并分别与加速度传感器模组、信号采集模块与供能模块连接。

在本实施例中，传输电路采用的硬件输出接口为RS485或4G模块，通过RS485或4G模块将采集到的两种电压值进行传输。

需要说明的是，传输电路采用的硬件输出接口为RS485或4G模块时，对于电压值的传输可采用工业RS485总线组网测量传输，也可采用无线远程采集信号进行传输。

参照图4，传输电路还设置有信号传输单片机，信号传输单片机分别与加速度传感器模组、信号采集模块与供能模块连接。

在本实施方式中，信号传输单片机设置在硬件输出接口与信号采集模块之间，信号传输单片机将信号采集模块采集到的电压信号进行初步处理后才传输至硬件输出接口。

在具体实现时，信号传输单片机设置为STM32系列32位高速率ARM单片机，具体型号可为STM32F407VET6系列，该芯片稳定可靠抗干扰强，单片机的端口分别与传感器的温度芯片和存储芯片以及AD芯片连接，其中AD芯片是采用信号传输单片机内置16位AD芯片，节省成本以及整机功耗，将振动传感器的模拟信号转换成数字信号。

因此，在本实施例中，振动裂隙监测装置还设置有温度传感器，温度传感器与信号传输单片机连接。其中的温度传感器即为上述中的温度芯片

而且，振动裂隙监测装置还包括可插拔的存储芯片，存储芯片分别连接信号传输模块与供能模块。其中的存储芯片即为上述中的存储芯片。

此外，信号传输单片机采集到相应的数据之后，通过存储芯片上标定系数拟化出加速度值，并通过傅里叶运算得出振动频率、振动幅度、振动速度。最后单片按约定协议通过与其硬件相连的485模块将数据以一定的格式发送出去，或直接TTL传输至已配置好的4G模块和本地的RS485接口端。

需要说明的是，信号传输单片机的工作流程为：

参照图5，采样MEMS振动传感器的电压值并加以计算，从而可以获取到振动的特征值，并同时采样拉绳位移传感器的电压值并转化为位移量，以及采样设备内的温度值以及电压值，如有超限则主动打开4G电源并数据透传给4G模组。且MCU一直监测总线上数据，但总线上有命令字节数据的时候并且地址位与自身传感器的16位地址位一致的时候，则单片机做出采集数据的动作并将采集数据通过485协议发送返回到总线，可通过modbus或json格式推送预警数据及应答数据。

供能模块包括太阳能电池，太阳能电池分别与加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块连接。

进一步的，本申请设置有充电管理模块，自带有太阳能电池充电管理模块，可采用太阳能电池与市电双重供电模式。

该实用新型产品在现场使用在各类需要监测振动参数以及两点静态位移场所，因内置采集运算并本地预警单元，可实现自动化振动监测功能，相比之前必须加速度采集振动传感器的原始电压值，且需要后期计算不便于实现实时在线监测，给很多震动监测场合极大的不便利性，且同时可监测静态位移变化量。该实用新型相当于是将振动传感器和高速采集和本地预警及远程无线传输集成一体化的设备，可适用户外常见工况。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述振动裂隙监测装置包括机壳，所述机壳内设置有加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块与供能模块，所述加速度传感器模组包括振动位移传感器和拉绳位移传感器；

所述供能模块分别与所述加速度传感器模组、所述信号采集模块与所述信号传输模块连接；

所述加速度传感器模组与所述信号采集模块连接，所述信号采集模块与所述信号传输模块连接，所述振动位移传感器设置于所述机壳，并分别与所述信号采集模块、信号传输模块与供能模块连接，所述拉绳位移传感器设置于所述机壳，并分别与所述信号采集模块、信号传输模块与供能模块连接。

2.如权利要求1所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述信号采集模块包括AD信号采集电路，所述AD信号采集电路设置在所述机壳内，并分别与所述加速度传感器模组、所述信号传输模块与所述供能模块连接。

3.如权利要求1所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述信号传输模块包括传输电路，所述传输电路设置在所述机壳内，并分别与所述加速度传感器模组、所述信号采集模块与所述供能模块连接。

4.如权利要求3所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述传输电路设置有信号传输单片机，所述信号传输单片机分别与所述加速度传感器模组、信号采集模块与供能模块连接。

5.如权利要求4所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述振动裂隙监测装置还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述信号传输单片机连接。

6.如权利要求1所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述供能模块包括太阳能电池，所述太阳能电池分别与所述加速度传感器模组、信号采集模块、信号传输模块连接。

7.如权利要求1所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，所述振动裂隙监测装置还包括可插拔的存储芯片，所述存储芯片分别连接所述信号传输模块与所述供能模块。

8.如权利要求1所述的一种振动裂隙监测装置，其特征在于，每一所述振动裂隙监测装置还设置有唯一编号。