專利名稱：一種實(shí)時(shí)測量地下變形的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地下變形測量的方法和裝置，尤其是涉及采用多個(gè)測斜儀通過萬向節(jié)連接組成的一種實(shí)時(shí)測量地下變形的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域常需要地下變形進(jìn)行測量?，F(xiàn)在常用地下變形測量裝置是采用測斜管和測斜儀，需要監(jiān)測人定期到現(xiàn)場實(shí)地測量，耗費(fèi)大量人力；測得的數(shù)據(jù)少，沒有連續(xù)性，參考價(jià)值低。而現(xiàn)有的實(shí)時(shí)測量裝置一般是在測斜管中固定幾個(gè)測斜儀，所測得數(shù)據(jù)的深度間隔大，難以反映地下土層的變形情況。因而需要一種能夠?qū)崟r(shí)精確測量地下變形的裝置?！?br>
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)時(shí)測量地下變形的方法和裝置，可實(shí)現(xiàn)低成本和高精度的地下變形實(shí)時(shí)測量。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是
一、一種實(shí)時(shí)測量地下變形的方法
1)將多個(gè)測斜儀通過萬向節(jié)連接后，埋設(shè)于地下，每個(gè)測斜儀的引線通過同軸電纜供電和通信連接至地面的采集器；
2)采集器讀取每個(gè)測斜儀的傾角數(shù)據(jù)Θ，再根據(jù)已知的每個(gè)測量單元長度L得出每節(jié)的水平變形距離S = L*sin( Θ )；
3)采集器通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。二、一種實(shí)時(shí)測量地下的變形裝置
包括采集器和η個(gè)結(jié)構(gòu)相同的測量單元；每個(gè)測量單元均包括接頭、測斜儀、萬向接頭、同軸電纜、測斜儀保護(hù)不銹鋼管和不銹鋼延長桿；第一個(gè)測斜儀安裝在第一測斜儀保護(hù)不銹鋼管內(nèi)，第一測斜儀保護(hù)不銹鋼管的一端與第一接頭螺紋連接，第一個(gè)萬向接頭的一端與第一個(gè)測斜儀保護(hù)不銹鋼管的另一端螺紋連接，第一個(gè)萬向接頭的另一端與第一個(gè)不銹鋼延長桿的一端螺紋連接，第一個(gè)不銹鋼延長桿的另一端與下一個(gè)測量單元的接頭螺紋連接，依次類推，η個(gè)測斜儀的引線通過同軸電纜經(jīng)各自的接頭與采集器連接構(gòu)成該裝置。所述的測斜儀它依次由限流保護(hù)電路、電源線通信芯片、單片機(jī)和加速度傳感器芯片電連接；所述的限流保護(hù)電路包括三個(gè)NPN三極管、PNP三極管、采樣電阻、充電電阻、充電電容和限流電阻；第一個(gè)NPN三極管的發(fā)射極與采樣電阻連接，采樣電阻的兩端與充電電阻和充電電容串聯(lián)組成的RC電路連接，第二個(gè)三極管的發(fā)射級(jí)與基極分別與充電電容的兩端連接，第二個(gè)三極管的集電極與PNP三極管的基極連接，PNP三極管的集電極與電路輸出連接，PNP三極管的發(fā)射極與第三NPN三極管的基極連接，第三NPN三極管的發(fā)射極和第一 NPN三極管的集電極相連接后與電路輸入連接，并在第三NPN三極管的基極和集電極之間連接一個(gè)限流電阻。
所述的采集器包括電源、升壓電路、電源線通信芯片、單片機(jī)和GPRS模塊，單片機(jī)分別與電源線通信芯片和GPRS模塊連接，電源通過升壓電路對(duì)電源線通信芯片供電，并且電源對(duì)單片機(jī)和GPRS模塊供電，采集器的電源線通信芯片通過同軸電纜與測斜儀的限流保護(hù)電路連接。本發(fā)明具有的有益效果是
本發(fā)明將多個(gè)測斜儀分別用延長桿和萬向節(jié)連接，各測斜儀采用電源線通信芯片通信，只要兩根線就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)供電和通信；再將其放置在地下土層中，以最底部或最頂部的端點(diǎn)為參考點(diǎn)，根據(jù)每節(jié)的傾斜角度變化，可測量地下變形量。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本的實(shí)時(shí)地下位移測量，可能根據(jù)需要設(shè)計(jì)每個(gè)測量單元的長度，從而滿足成本和測量的精度的要求。


圖I是本發(fā)明的測量裝置原理示意圖?！D2是圖I測量單元的結(jié)構(gòu)放大圖。圖3是本發(fā)明的測斜儀及延長桿和萬向節(jié)剖視圖。圖4是本發(fā)明的變形量計(jì)算方法示意圖。圖5是測斜儀電路原理框圖。圖6是測斜儀中限流保護(hù)電路圖。圖7是采集器電路原理框圖。圖中1、第一個(gè)測量單元，2、第二個(gè)測量單元，3、第η個(gè)測量單元，4、地面，5、采集器，6、接頭，7、測斜儀，8、萬向節(jié)，9、同軸電纜，10、不銹鋼延長桿，11、測斜儀保護(hù)不銹鋼管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖I、圖2、圖3所示，本發(fā)明包括采集器5、第一個(gè)測量單元I、第二個(gè)測量單元
2、和第η個(gè)測量單元3，η個(gè)測量單元結(jié)構(gòu)相同；每個(gè)測量單元均包括接頭6、測斜儀7、萬向接頭8、同軸電纜9、測斜儀保護(hù)不銹鋼管11和不銹鋼延長桿10 ;第一個(gè)測斜儀7安裝在第一測斜儀保護(hù)不銹鋼管11內(nèi)，第一測斜儀保護(hù)不銹鋼管11的一端與第一接頭6螺紋連接，第一個(gè)萬向接頭8的一端與第一個(gè)測斜儀保護(hù)不銹鋼管11的另一端螺紋連接，第一個(gè)萬向接頭8的另一端與第一個(gè)不銹鋼延長桿10的一端螺紋連接，第一個(gè)不銹鋼延長桿10的另一端與下一個(gè)測量單元的接頭螺紋連接，依次類推，η個(gè)測斜儀的引線通過同軸電纜9經(jīng)各自的接頭6與采集器連接構(gòu)成該裝置。如圖5所示，所述的測斜儀7它依次由限流保護(hù)電路、電源線通信芯片、單片機(jī)和加速度傳感器芯片電連接；如圖6所示，所述的限流保護(hù)電路包括三個(gè)NPN三極管、PNP三極管、采樣電阻R1、充電電阻R2、充電電容Cl和一個(gè)限流電阻R3 ;第一個(gè)NPN三極管Ql的發(fā)射極與采樣電阻Rl連接，采樣電阻Rl的兩端與充電電阻R2和充電電容Cl串聯(lián)組成的RC電路連接，第二個(gè)三極管Q2的發(fā)射級(jí)與基極分別與充電電容Cl的兩端連接，第二個(gè)三極管Q2的集電極與PNP三極管Q3的基極連接，PNP三極管Q3的集電極與電路輸出連接，PNP三極管Q3的發(fā)射極與第三NPN三極管Q4的基極連接，第三NPN三極管Q4的發(fā)射極和第一 NPN三極管Ql的集電極相連接后與電路輸入連接，并在第三NPN三極管Q4的基極和集電極之間連接一個(gè)限流電阻R3。由于測斜儀一般工作時(shí)的電流小于4mA，但發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的瞬間電流超過150mA，因此設(shè)計(jì)了這個(gè)可以限制平均電流小于8mA，但瞬間電流可超過200mA的限流電路。當(dāng)正常工作時(shí)采樣電阻Rl兩端電壓Vki ^ 0，充電電容Cl電壓Va ^ 0，NPN三極管Q2截止，PNP三極管Q3截止，限流電阻R3的電流通過NPN三極管Q4放大，驅(qū)動(dòng)NPN三極管Ql導(dǎo)通。當(dāng)電路瞬間過流時(shí)，因?yàn)槌潆婋娙軨l兩端電壓Va不能突變，NPN三極管Ql繼續(xù)導(dǎo)通。當(dāng)電路持續(xù)過流時(shí)充電電容Cl兩端電壓Va增大，NPN三極管Q2，PNP三極管Q3趨于導(dǎo)通，限流電阻R3的電流，流向NPN三極管Q3，NPN三極管Q4和NPN三極管Ql趨于截止，從限制電流。單片機(jī)可采用任何一種面市的產(chǎn)品。這里選用了 ST公司的STM8S103。加速度傳感器采用飛思卡爾的MMA8451，通過I2C總線與單片機(jī)通信。電源線通信芯片采用HT公司的HT71D02，可直接在兩根線上實(shí)現(xiàn)供電和通信兩個(gè)功能。由于所有的測斜儀都埋設(shè)到地下，難以維護(hù)，且所有測斜儀用總線通信和供電，為防止一個(gè)測斜儀故障造成整個(gè)裝置無法 工作，限流保護(hù)電路是必不可少的。如圖7所示，所述的采集器5包括電源、升壓電路、電源線通信芯片、單片機(jī)和GPRS模塊，單片機(jī)分別與電源線通信芯片和GPRS模塊連接，電源通過升壓電路對(duì)電源線通信芯片供電，并且電源對(duì)單片機(jī)和GPRS模塊供電，采集器的電源線通信芯片通過同軸電纜與測斜儀的限流保護(hù)電路連接。單片機(jī)選用ST公司STM32F103系列ARM處理器，GPRS模塊選用深圳有方科技公司M590E，電源線通信芯片同樣采用HT公司的HT71D02。升壓電路選用MC33063。該方法的步驟如下
1)將多個(gè)測斜儀通過萬向節(jié)連接后，埋設(shè)于地下，每個(gè)測斜儀的引線通過同軸電纜供電和通信連接至地面的采集器；
2)如圖4所示，采集器讀取每個(gè)測斜儀的傾角數(shù)據(jù)Θ，再根據(jù)已知的每個(gè)測量單元長度L得出每節(jié)的水平變形距離S = L*sin( Θ );由于埋設(shè)好測斜儀后各個(gè)測斜儀已經(jīng)有了一定的傾斜，所以要進(jìn)行清零操作，將各個(gè)測斜儀的初始傾角數(shù)據(jù)保存到采集器中，采集器讀取到的每個(gè)測斜儀的傾角數(shù)據(jù)減去初始傾角數(shù)據(jù)得到測斜儀的實(shí)際傾角數(shù)據(jù)Θ，傾角數(shù)據(jù)Θ包括X軸和Y軸兩個(gè)方向的傾斜角度，用于計(jì)算出地下X軸和Y軸兩個(gè)方向的水平變形距離；采集器讀取完每個(gè)測斜儀的數(shù)據(jù)后，就停止對(duì)測斜儀供電，以降低功耗；
3)采集器通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)；遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)一直監(jiān)聽采集的數(shù)據(jù)，采集器連接到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)后將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)將新的設(shè)定值發(fā)送給采集器，然后采集器關(guān)閉連接，進(jìn)入低功耗模式。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)時(shí)測量地下變形的方法，其特征在于該方法的步驟如下 1)將多個(gè)測斜儀通過萬向節(jié)連接后，埋設(shè)于地下，每個(gè)測斜儀的引線通過同軸電纜供電和通信連接至地面的采集器； 2)采集器讀取每個(gè)測斜儀的傾角數(shù)據(jù)Θ，再根據(jù)已知的每個(gè)測量單元長度L得出每節(jié)的水平變形距離S = L*sin( Θ )； 3)采集器通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述方法的一種實(shí)時(shí)測量地下變形的裝置，其特征在于包括采集器(5)和η個(gè)結(jié)構(gòu)相同的測量單元；每個(gè)測量單元均包括接頭(6)、測斜儀(7)、萬向接頭(8)、同軸電纜(9)、測斜儀保護(hù)不銹鋼管(11)和不銹鋼延長桿(10);第一個(gè)測斜儀(7)安裝在第一測斜儀保護(hù)不銹鋼管(11)內(nèi)，第一測斜儀保護(hù)不銹鋼管(11)的一端與第一接頭(6 )螺紋連接，第一個(gè)萬向接頭(8)的一端與第一個(gè)測斜儀保護(hù)不銹鋼管(11)的另一端螺紋連接，第一個(gè)萬向接頭(8)的另一端與第一個(gè)不銹鋼延長桿(10)的一端螺紋連接，第一個(gè)不銹鋼延長桿(10)的另一端與下一個(gè)測量單元的接頭螺紋連接，依次類推，η個(gè)測斜儀的引線通過同軸電纜(9 )經(jīng)各自的接頭(6 )與采集器連接構(gòu)成該裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)時(shí)測量地下變形的裝置，其特征在于所述的測斜儀(7)它依次由限流保護(hù)電路、電源線通信芯片、單片機(jī)和加速度傳感器芯片電連接；所述的限流保護(hù)電路包括三個(gè)NPN三極管、PNP三極管、采樣電阻(Rl)、充電電阻(R2)、充電電容(Cl)和限流電阻(R3);第一個(gè)NPN三極管(Ql)的發(fā)射極與采樣電阻(Rl)連接，采樣電阻(Rl)的兩端與充電電阻(R2 )和充電電容(CI)串聯(lián)組成的RC電路連接，第二個(gè)三極管(Q2 )的發(fā)射級(jí)與基極分別與充電電容(Cl)的兩端連接，第二個(gè)三極管(Q2 )的集電極與PNP三極管(Q3)的基極連接，PNP三極管(Q3)的集電極與電路輸出連接，PNP三極管(Q3)的發(fā)射極與第三NPN三極管(Q4)的基極連接，第三NPN三極管(Q4)的發(fā)射極和第一 NPN三極管(Ql)的集電極相連接后與電路輸入連接，并在第三NPN三極管(Q4)的基極和集電極之間連接一個(gè)限流電阻(R3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)時(shí)測量地下變形的裝置，其特征在于所述的采集器(5)包括電源、升壓電路、電源線通信芯片、單片機(jī)和GPRS模塊，單片機(jī)分別與電源線通信芯片和GPRS模塊連接，電源通過升壓電路對(duì)電源線通信芯片供電，并且電源對(duì)單片機(jī)和GPRS模塊供電，采集器的電源線通信芯片通過同軸電纜與測斜儀的限流保護(hù)電路連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實(shí)時(shí)測量地下變形的方法和裝置。通過將多個(gè)測斜儀通過萬向節(jié)連接，埋設(shè)于地下；采集器用同軸電纜通過電源線通信和供電，讀取各個(gè)測斜儀的數(shù)據(jù)，并通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)地下變形的實(shí)時(shí)測量。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)低功耗和低成本的實(shí)時(shí)地下位移測量，可能根據(jù)需要設(shè)計(jì)每節(jié)測量單元的長度，從而滿足成本和測量的精度和要求。
文檔編號(hào)G01B21/32GK102889876SQ20121039067
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者李雄, 施閣, 李青 申請(qǐng)人:杭州國量科技有限公司