專利名稱：離層位移監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種地層斷面測量儀器，特別是涉及一種能夠測量巖層間位移的離層位移監(jiān)測儀。
背景技術(shù)：
目前，工程中檢測位移的傳感器種類較多，各具特色，各有其適用范圍，但是，對土木、水利、道路、礦山的開采及地下工程中巖體、巷道巖層內(nèi)部的位移自動監(jiān)測和預(yù)報的儀器卻不多見，尤其是對高精度、大位移的實時自動監(jiān)測幾乎是空白，例如，在煤炭開采中巷道圍巖內(nèi)部壓力突變引起的沖擊礦壓、煤炭回采時采掘?qū)ο锏理?底)板、煤柱等巖層內(nèi)部位移變化引起的冒頂、底臌、巖爆等引起的安全事故。至今尚缺少可靠的，能夠?qū)崟r自動監(jiān)測和預(yù)報的儀器，尤其在煤炭開采中尚缺少在地面上實現(xiàn)對井下巷道位移不間斷的實時自動監(jiān)測和預(yù)報。

發(fā)明內(nèi)容
為彌補(bǔ)上述不足，本發(fā)明提供一種能精確測量巖層內(nèi)部層間位移量和位移速度的離層位移監(jiān)測儀。
一種離層位移監(jiān)測儀，包括殼體、離層位移傳感器單元和信息采集處理單元，所述的離層位移傳感器單元是在支撐板上豎一支承臺，在其上上設(shè)一定位軸，在該軸上設(shè)一位移轉(zhuǎn)換輪，該位移轉(zhuǎn)換輪的一側(cè)連接一透明圓筒，該透明圓筒上有光柵環(huán)，在該光柵環(huán)下方，緊貼著設(shè)一固定在所述支撐板上的小光柵板，在所述光柵環(huán)內(nèi)設(shè)置通過支架固定在所述支撐板上的發(fā)光管，在所述小光柵板下對應(yīng)的設(shè)光敏管，所述離層位移傳感器單元通過所述支撐板固定在所述殼體上，一根加有預(yù)張力的拉力線從殼體的上部引入，在所述位移轉(zhuǎn)換輪上的線槽上至少繞一圈后從殼體的底部穿出，所述發(fā)光管連接電源，所述光敏管的輸出端連接所述信息采集處理單元的輸入端。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，所述的信息采集處理單元中有一單片機(jī)控制模塊，其輸入口至少一路，連接所述的光敏管的輸出端，所述單片機(jī)控制模塊的輸出分別連接顯示模塊、聲光警報模塊、壓頻轉(zhuǎn)換模塊和485通信模塊，所述485通信模塊連接485總線，所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊的輸出連接485總線或另設(shè)一獨立輸出端，上述所有模塊安裝在一電路板上，由一個電源轉(zhuǎn)換模塊提供各種所需電壓供電。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，在所述拉力線的引入處和穿出處各設(shè)一個阻尼夾板，所述的阻尼夾板由固定在殼體上的固定夾板和活動夾板組成，所述兩夾板用緊固螺絲連接，可以調(diào)節(jié)夾板壓力大小。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，在所述的位移轉(zhuǎn)換輪上并列設(shè)兩個繞線槽，所述的拉力線從中間截斷，上半截的下端在所述繞線槽中的任一個上繞若干圈后固定在該繞線槽中，下半截的上端在另一繞線槽中反向繞若干圈后固定在該繞線槽中。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，在一個殼體設(shè)置至少兩個離層位移傳感器單元，其各自的拉力線從各自的引入處引入，從各自的穿出處穿出，所述的至少兩個離層位移傳感器單元的光敏管連接所述單片機(jī)控制模塊的不同輸入口。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，所述的離層位移傳感器單元和信息采集處理單元可以分處在兩個殼體中。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，殼體固定在外表巖層上，拉力線固定在內(nèi)部的至少一個巖層上，把拉力線的直線位移通過位移轉(zhuǎn)換輪變成光柵的旋轉(zhuǎn)，通過兩光柵之間的相對移動產(chǎn)生的干涉條紋的計量，可以精確的實時測量巖層之間的位移量，計算位移變化速率，并給與現(xiàn)場顯示、及時報警和遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)。本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀，結(jié)構(gòu)簡單、實用方便、檢測精度高，抗干擾能力強(qiáng)，可用于煤礦、其它礦井、地下工程中對巖體、巷道頂板、支撐柱體等進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)距離實時自動監(jiān)測。


圖1是本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀第一種方案示意圖；圖2是本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀第二種方案示意圖；圖3是本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀第三種方案示意圖；圖4是本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀的電路方框圖。
具體實施例方式
為進(jìn)一步闡述本發(fā)明，下面結(jié)合實施例作更詳盡的說明。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀的第一種方案，包括離層位移傳感器和信息處理采集系統(tǒng)兩部分(見圖1)，包括筒形殼體1、數(shù)碼顯示屏23、報警器28、上端蓋2和安裝有電纜接線端子27的下端蓋3，其中殼體1、上端蓋2、下端蓋3是由金屬或具有一定強(qiáng)度的非金屬材料制成的，殼體1的直徑為40～60mm，厚度為1～3mm。上端蓋2和下端蓋3分別用密封膠固定在殼體筒體1的兩端，上面有拉力線穿過的密封孔，下端蓋3安裝接線端子27，數(shù)碼顯示屏23和報警器28安裝在筒體1的外表面上。在殼體內(nèi)上端蓋2下面的筒體1壁上固定阻尼支撐板4，固定夾板21用螺釘安裝在阻尼支撐板4上面，活動夾板20和固定夾板21之間用螺釘連接，它們之間的縫隙可通過螺釘調(diào)節(jié)，從而適度夾緊拉力線11；阻尼支撐板4、固定夾板21和活動夾板20是由硬塑材料制成的，阻尼支撐板4是直徑與筒體1內(nèi)徑相等、厚度為3mm的圓盤，其上面有拉力線11通過的小孔，固定夾板21和活動夾板20尺寸為5×5×20mm；阻尼支撐板4下方安裝支撐板5，支撐板5的尺寸及安裝方式與阻尼支撐板4相同，其上面安裝位移轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和離層位移傳感器單元，其中位移轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括支承臺8、定位軸9、位移轉(zhuǎn)換輪10、有機(jī)玻璃圓管12、光柵環(huán)13及小光柵片14等。支承臺8是由硬塑料制成的、尺寸為24×24×5mm，通過螺釘固定在支撐板5上面；定位軸9是金屬材料制成的，一端固定在支承臺8上；位移轉(zhuǎn)換輪10是硬塑料圓輪，套在定位軸9上可自由轉(zhuǎn)動，輪面刻有纏繞拉力線11的繞線槽，側(cè)面設(shè)有安裝有機(jī)玻璃圓管12的凸臺；有機(jī)玻璃圓管12一端固定在位移轉(zhuǎn)換輪10的凸臺上，在拉力線作用下，有機(jī)玻璃圓管12與位移轉(zhuǎn)換輪10同步轉(zhuǎn)動，另一端刻有光柵環(huán)13，該光柵環(huán)13可以是買現(xiàn)成的貼上，也可以直接刻上；小光柵片14安放在有機(jī)玻璃圓管12的外表面，與光柵環(huán)13相切接觸，當(dāng)有機(jī)玻璃圓管12轉(zhuǎn)動時，光柵環(huán)13與小光柵片14產(chǎn)生光干涉條紋。光柵環(huán)13和小光柵片14采用10線/mm的等間距平行光柵，也可以采用密度更大的光柵，以提高測量精度；離層位移傳感器單元包括、發(fā)光管17、光敏管18、小電路板15及小電路板16等。發(fā)光管17和光敏管18分別焊接在小電路板16和小電路板15上，小電路板15固定在支撐板5上，電路板16垂直地固定在電路板15的一端。發(fā)光管17置于有機(jī)玻璃圓管12的刻(貼)有光柵環(huán)13一端內(nèi)側(cè)，光敏管18置于有機(jī)玻璃圓管外側(cè)，小光柵片14插在光柵環(huán)13和光敏管18之間，發(fā)光管發(fā)射的紅外光透過有機(jī)玻璃圓管12管壁、光柵環(huán)13及小光柵片14投射到光敏管18上，將光柵環(huán)13和小光柵片14干涉的光學(xué)條紋信息轉(zhuǎn)換成電信號，通過電纜線傳送到信息采集處理單元。
阻尼支撐板6安裝在支撐板5下方，阻尼支撐板6的尺寸及安裝方式與阻尼支撐板4相同，固定夾板21用螺釘安裝在阻尼支撐板6下面，活動夾板20和固定夾板21之間用螺釘連接，它們之間的縫隙可通過螺釘調(diào)節(jié)，從而從另一端適度夾緊拉力線11。阻尼支撐板6上面有拉力線11通過的小孔；阻尼支撐板6下方安裝圓盤形控制電路板7。
控制電路板7上面安裝的信息采集處理單元，包括單片機(jī)控制模塊、壓頻轉(zhuǎn)換模塊、485通信模塊、顯示模塊及電源轉(zhuǎn)換模塊等(見圖4)。信息采集處理單元的電源模塊通過電纜線中的電源線為離層位移傳感器單元和信息采集處理單元供電，離層位移傳感器單元的光敏管18產(chǎn)生的光電信號通過電纜線中信號線傳送到單片機(jī)控制模塊，經(jīng)過自行編制的軟件處理后，傳輸?shù)斤@示模塊并傳送到殼體1外面的顯示屏23和報警器28顯示或報警，同時也將處理后的信號傳輸?shù)綁侯l轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)成頻率信號，經(jīng)過電纜線、接線端子27及外部電纜線傳送到井下通信分站，再傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控總站，地面監(jiān)控總站又將頻率信號轉(zhuǎn)換為離層位移信息。實現(xiàn)由地面總站遠(yuǎn)距離實時自動監(jiān)測煤巷頂板離層位移，信息采集處理單元還設(shè)置有485通信模塊，通過485總線為遠(yuǎn)距離遙控提供通道。
拉力線11是伸縮性很小的金屬線，在位移轉(zhuǎn)換輪10輪槽內(nèi)繞一周，其一端向上穿過阻尼支撐板4的小孔、固定夾板21和活動夾板20之間的縫隙及上端蓋的密封孔直接固定在待測的巖層處。拉力線11另一端向下穿過支撐板5和阻尼支撐板6的小孔、固定夾板21和活動夾板20之間的縫隙、控制電路板7的小孔及下端蓋3的密封孔繞到下端蓋3外的繞線盒內(nèi)。
所述的位移轉(zhuǎn)換輪10另一種形式是如圖2所示，該輪上刻兩個繞線槽，拉力線11分為兩部分，上半部分一端固定在位移轉(zhuǎn)換輪10的一個繞線槽里，另一端在繞線槽里繞3至4圈，經(jīng)阻尼支撐板4的小孔、固定夾板21和活動夾板20之間縫隙及上端蓋密封孔固定到被測巖層上；下半部分的一端固定在位移轉(zhuǎn)換輪10的另一繞線槽里，另一端在該繞線槽繞3至4圈，再經(jīng)支撐板5和阻尼支撐板6的小孔、固定夾板21和活動夾板20之間縫隙、控制電路板7的小孔及下端蓋3密封孔繞在殼體外的繞線盒中。
所述的離層位移監(jiān)測儀在組裝時，在阻尼支撐板4、支撐板5和阻尼支撐板6上分別安裝相關(guān)的部件，然后用兩根金屬支柱把它們順次按一定的間隔穿起來，并固定在這兩根金屬支柱上構(gòu)成一個整體，再整體裝入殼體1內(nèi)，并將阻尼支撐板4、支撐板5和阻尼支撐板6固定在殼體1內(nèi)壁上。當(dāng)然這種組裝方法不是唯一的，只要能保證離層位移傳感單元能夠感知拉力線和傳感器的相對位移，其它的方法也可以。
所述的離層位移監(jiān)測儀的圓筒殼體內(nèi)可以安裝兩套位移轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和離層位移傳感器單元，共用一套信息采集處理單元，如附圖3所示，阻尼支撐板4上安裝兩套阻尼夾板19、19A，阻尼支撐板4下面安裝拉力線11的導(dǎo)向板24，兩塊支撐板5、5A分為上、下兩安裝在導(dǎo)向板24下面的筒體1中間部位，其上面分別安裝位移轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和離層位移傳感器單元，兩條拉力線11、11A它們的上端經(jīng)過導(dǎo)向板24阻尼支撐板4兩套阻尼夾板19、19A之間的縫隙及上端蓋的密封孔分別固定在兩個不同的巖層里，這樣可監(jiān)測兩個巖層之間的離層位移。如上所述亦可在筒體1內(nèi)分層安裝兩套以上的位移轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和離層位移傳感器單元，各拉力線如上述安裝方法，分別固定在不同的巖(煤)層上，便可同時監(jiān)測兩個以上巖(煤)層的離層位移。
所述的離層位移監(jiān)測儀的信息采集處理單元可以單獨制成信息采集處理儀，包括顯示屏23、報警器28、控制電路板7、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、壓頻轉(zhuǎn)換模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊及接線端子27等?？刂齐娐钒?固定在殼體1上，其上面安裝單片機(jī)控制模塊、顯示模塊、壓頻轉(zhuǎn)換模塊及電源轉(zhuǎn)換模塊等；接線端子27通過電纜線分別與控制電路板7、離層位移傳感器和井下通信分站相聯(lián)。離層位移傳感器的光敏管18產(chǎn)生的電脈沖信號，通過與電纜線直接相聯(lián)的接線端子及電纜傳送到信息采集處理儀，經(jīng)單片機(jī)控制模塊處理后在信息采集處理儀的顯示屏23和報警器28顯示或報警，同時通過接線端子27及電纜將壓頻轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換的200～1000Hz頻率信號傳送到井下通信分站，再由此傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控總站。使用獨立的信息采集處理單元可以使離層位移監(jiān)測儀的安裝更容易和合理，顯示和警報處于更方便的地方。
離層位移監(jiān)測儀的光柵環(huán)13和小光柵片14采用10線/mm的等節(jié)距平行光柵，位移轉(zhuǎn)換輪10的繞線槽直徑與有機(jī)玻璃圓管12上的光柵環(huán)直徑相等，故測量位移精度為0.1mm，如果采用更高密度的光柵，則可提高測量精度，例如，采用100線/mm，測量精度為0.01mm，采用1000線/mm，測量精度為0.001mm等等。改變位移轉(zhuǎn)換倫10繞線槽直徑與有機(jī)玻璃圓管12直徑的比例，亦可提高測量精度，例如，采用10線/mm，位移轉(zhuǎn)換倫10繞線槽直徑與有機(jī)玻璃圓管12直徑的比為1∶2，則測量位移精度為0.05mm。采用上述兩種方法可以達(dá)到任何要求的測量精度。
本實施例中的幾個方案均為圓筒殼體，但并不意味著本發(fā)明必須是圓筒殼體，只要能夠保證殼體、拉力線各自固定在不同的巖層上，做成什么形狀都可以。
本實施例中對預(yù)拉力線施于的拉力是通過上下兩個阻尼夾板完成的，但是只要能夠保證拉力線繃緊，在位移轉(zhuǎn)換輪上產(chǎn)生足夠的磨擦，也可以采用其它已知的技術(shù)。
本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀可安裝在巷道頂、底板上、圍巖體表面，拉力線通過鉆孔固定在待測的巖(煤)層上，當(dāng)發(fā)生離層位移時，拉力線11帶動位移轉(zhuǎn)換輪10和有機(jī)玻璃圓管12同步轉(zhuǎn)動，將離層位移轉(zhuǎn)換為圓弧長度，有機(jī)玻璃圓管12上的光柵環(huán)13與小光柵片14干涉形成的光柵條紋，將圓弧長度轉(zhuǎn)換為光學(xué)信息，離層位移傳感器單元的光敏管18將光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信號，通過電纜線傳送到信息采集處理單元的單片機(jī)控制模塊處理后，經(jīng)顯示模塊在顯示屏23和報警器28上顯示或報警，同時信息采集處理單元的壓頻轉(zhuǎn)換模塊將離層位移轉(zhuǎn)換為頻率信號，通過井下分站傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控總站，將頻率信號轉(zhuǎn)換成離層位移信息，經(jīng)可視化處理，顯示巷道頂板及圍巖離層位移變化規(guī)律圖。本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀既可監(jiān)測巖(煤)層的絕對位移量，也可監(jiān)測位移變化速率，當(dāng)位移量或位移速率超過安全界限時，可從地面監(jiān)控總站實施對井下巷道自動報警，實現(xiàn)對井下巷道頂板及圍巖體離層位移遠(yuǎn)距離實時自動監(jiān)測，避免因頂板冒落、沖擊礦壓引起的安全事故。本發(fā)明離層位移監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、既適用于小位移高精度測量，也適用于大位移高精度的自動監(jiān)測。該儀器能夠廣泛應(yīng)用在礦山開采、土木、水利、道路等施工過程中對圍巖體、巷道頂?shù)装?、制成巖體等離層位移進(jìn)行有效地自動實時監(jiān)測，及時消除生產(chǎn)安全隱患，也為巷道及支撐巖體設(shè)計提供依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種離層位移監(jiān)測儀，包括殼體、離層位移傳感器單元和信息采集處理單元，其特征是所述的離層位移傳感器單元是在支撐板(5)上豎一支撐臺(8)，在其上上設(shè)一定位軸(9)，在該軸(9)上設(shè)一位移轉(zhuǎn)換輪(10)，該位移轉(zhuǎn)換輪(10)的一側(cè)連接一透明圓筒(12)，該透明圓筒(12)上有光柵環(huán)(13)，在該光柵環(huán)(13)下方，緊貼著設(shè)一固定在所述支撐板(5)上的小光柵板(14)，在所述光柵環(huán)(13)內(nèi)設(shè)置通過支架固定在所述支撐板(5)上的發(fā)光管(17)，在所述小光柵板(14)下對應(yīng)的設(shè)光敏管(18)，所述離層位移傳感器單元通過所述支撐板(5)固定在所述殼體(1)上，一根加有預(yù)張力的拉力線(11)從殼體(1)的上部引入，在所述位移轉(zhuǎn)換輪(10)上的線槽上至少繞一圈后從殼體(1)的底部穿出，所述發(fā)光管(17)連接電源，所述光敏管(18)的輸出端連接所述信息采集處理單元的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的離層位移監(jiān)測儀，其特征是所述的信息采集處理單元中有一單片機(jī)控制模塊，其輸入口至少有一路輸入，連接所述的光敏管(18)的輸出端，所述單片機(jī)控制模塊的輸出分別連接顯示模塊、聲光警報模塊、壓頻轉(zhuǎn)換模塊和485通信模塊，所述485通信模塊連接485總線，所述壓頻轉(zhuǎn)換模塊輸出連接485總線或設(shè)一獨立輸出端，上述所有模塊安裝在一電路板(7)上，由一個電源轉(zhuǎn)換模塊提供各種所需電壓供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的離層位移監(jiān)測儀，其特征是在所述拉力線(11)的引入處和穿出處各設(shè)一個阻尼夾板(19、22)，所述的阻尼夾板由固定在殼體(1)上的固定夾板(21)和活動夾板(20)組成，所述兩夾板(20、21)用緊固螺絲連接，可以調(diào)節(jié)夾板壓力大小。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的離層位移監(jiān)測儀，其特征是在所述的位移轉(zhuǎn)換輪(10)上并列設(shè)兩個繞線槽(10A、10B)，所述的拉力線(11)從中間分開，上半部分的下端在所述繞線槽(10A、10B)中的任一個槽中繞若干圈后固定在該繞線槽中，下半部分的上端在另一繞線槽中反向繞若干圈后固定在該繞線槽中。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4的離層位移監(jiān)測儀，其特征是在一個殼體(1)內(nèi)設(shè)置至少兩個離層位移傳感器單元，其各自的拉力線(11、11A)從各自的引入處引入，從各自的穿出處穿出，所述的至少兩個離層位移傳感器單元的光敏管(18、18A)連接所述單片機(jī)控制模塊的不同輸入口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的離層位移監(jiān)測儀，其特征是所述的離層位移傳感器單元和信息采集處理單元分處在兩個殼體中。
全文摘要
離層位移監(jiān)測儀，含位移傳感器和信息采集處理單元，有位移轉(zhuǎn)換輪，連接有光柵環(huán)的透明筒，下設(shè)小光柵板，發(fā)光管和光敏管分處在光柵環(huán)和小光柵板外，位移傳感器固定殼體上，一根拉力線緊繞在位移轉(zhuǎn)換輪上的線槽上，紅外對管輸出端連接由單片機(jī)控制、顯示、聲光警報、壓頻轉(zhuǎn)換、485通信和電源轉(zhuǎn)換模塊組成的信息采集處理單元輸入端。位移監(jiān)測儀固定在外巖層上，拉力線固定在內(nèi)巖層上，拉力線的直線位移通過位移轉(zhuǎn)換輪變成光柵的旋轉(zhuǎn)，通過兩光柵之間的相對移動產(chǎn)生的干涉條紋的計量，可以精確的實時測量巖層之間的位移量，計算位移變化速率，用于煤礦、其它礦井、地下工程中對巖體、巷道頂板、支撐柱體等進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)距離實時自動監(jiān)測。
文檔編號G01B11/02GK1828220SQ200610057248
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月9日
發(fā)明者安里千 申請人:安里千