一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統的製作方法

2023-09-14 06:02:45 5

一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統。步進電機、扭矩傳感器和十字板依次同軸連接，步進電機和扭矩傳感器位於安裝箱內，十字板位於安裝箱外伸入到土體中；步進電機和扭矩傳感器分別經步進電機驅動控制電路和扭矩信號採集處理電路與微控制器連接，微控制器通過遠程發送電路發送無線信號，再由信號經遠程接收電路傳送到上位計算機；各器件均由蓄電池供電，蓄電池與太陽能供電裝置連接，在白天進行充電儲備電能，在晚上向各器件供電。本發明能在現場實現實時、原位、遠程、自動、長期測量土體抗剪強度測量系統，為觀測隱患點可能出現的災變過程，研究災害的規律，最終實現災害預報，提供現場實時遠程監測的手段。
【專利說明】一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種土體抗剪強度測量系統，具體是涉及巖土防災工程【技術領域】的一 種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統。

【背景技術】
[0002] 滑坡、泥石流對人類社會發展和經濟建設的危害是世界性的，而土體的抗剪強度 是巖土體一項重要的物理性能指標，它取決於土壤的內粘聚力和內摩擦力，是反應滑坡、 泥石流災害隱患點是否可能發生災害的重要參數之一，結合地形地貌以及其他因素分析滑 坡、泥石流災害隱患點的土體抗剪強度，可實現滑坡、泥石流災害的預報。要實現預報，需要 現場實時自動測量出土體抗剪強度。現有的土體抗剪強度的測量方法有以下幾種：室內直 接剪切測量，三軸壓縮測量，無限側抗壓強度測量和現場十字板剪切測量。前三種測量方法 是將土體樣品採回實驗室進行，最後一種十字板測量是在現場由人操作相應裝備完成，可 見這些測量方法都不能實現在滑坡、泥石流災害隱患點現場進行無人、自動、長期、原位、實 時、遠程的測量。


【發明內容】

[0003] 針對現有各種土體剪切強度測量方法和裝置無法實現對土體剪切強度的實時、原 位、遠程、自動、長期的測量，本發明的目的在於提供一種基於十字板的土體抗剪強度原位 實時遠程測量系統，實現自動地進行地質災害隱患點的土體剪切強度實時遠程監測。
[0004] 為實現上述目的，本發明採用下述技術方案：
[0005] 本發明包括十字板、扭矩傳感器、步進電機和上位計算機；步進電機、扭矩傳感器 和十字板依次同軸連接，步進電機和扭矩傳感器之間、扭矩傳感器和十字板均通過聯軸器 連接，步進電機和扭矩傳感器位於安裝箱內，十字板位於安裝箱外伸入到土體中；扭矩傳感 器採集最大扭矩信號，最大扭矩信號經扭矩信號採集處理電路傳送到微控制器中轉化為土 體剪切強度信號，土體剪切強度信號通過遠程發送電路連接天線發送無線信號，無線信號 經天線接收後由遠程接收電路將土體剪切強度的信息傳送到上位計算機，微控制器經步進 電機驅動控制電路連接步進電機進行控制；上述各個器件均由蓄電池供電，蓄電池與太陽 能供電裝置連接，在白天進行充電儲備電能，在晚上向各器件供電。
[0006] 所述的步進電機、扭矩傳感器均通過支架固定在安裝箱內壁，步進電機驅動控制 電路、扭矩信號採集處理電路、微控制器和遠程發送電路均安裝在安裝箱的儀器盒內。
[0007] 所述的太陽能供電裝置包括光伏電池板和支撐鋼管；光伏電池板固定在支撐鋼管 頂部，支撐鋼管底部通過混凝土墩固定在土體上，光伏電池板太陽能電池電能饋線與蓄電 池。
[0008] 所述的無線信號採用GSM移動通訊方式傳輸。
[0009] 本發明具有的有益效果是：
[0010] 本發明能在現場實現實時、原位、遠程、自動、長期測量土體抗剪強度測量系統，為 觀測滑坡、泥石流隱患點可能出現的災變過程，研究滑坡、泥石流災害的規律，最終實現滑 坡、泥石流災害的預報，提供現場實時遠程監測的手段。
[0011] 本發明結合隱患點的其他參數，可建立相關模型，對該隱患點地形地貌進行綜合 分析，得到隱患點的穩定性和災變的預報。
[0012] 本發明採用白天光伏充電，夜晚由蓄電池供電的方式，有效利用能源，適用於野外 環境，綠色節能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發明提供的測量系統示意圖。
[0014] 圖2是本發明提供的測量系統在現場的測量儀器的安裝方式和安裝箱。
[0015] 圖3是本發明提供的測量系統在現場的測量儀器與光伏供電示意。
[0016] 圖4是對土體產生剪切的十字板。
[0017] 圖中：1、現場部分，2、遠程部分，3、十字板，4、聯軸器，5、扭矩傳感器，6、步進電機， 7、天線，8、上位計算機，9、安裝箱，10、現場儀器盒，11、蓄電池，12、土體，13、天線，14、支架， 15、支撐鋼管，16、光伏電池板，17、混凝土墩，18、太陽能電池電能饋線。

【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖和實施例來對本發明作進一步詳細說明。
[0019] 如圖1所示，本發明本發明包括十字板3、扭矩傳感器5、步進電機6、扭矩信號處理 電路、步進電機驅動控制電路、微控制器、遠程發送電路、遠程接收電路和上位計算機8 ;步 進電機6、扭矩傳感器5和十字板3依次同軸連接，步進電機6和扭矩傳感器5之間、扭矩傳 感器5和十字板3均通過聯軸器4連接，步進電機6和扭矩傳感器5位於安裝箱9內，十字 板3位於安裝箱9外伸入到土體12中。
[0020] 步進電機6和扭矩傳感器5分別經步進電機驅動控制電路和扭矩信號採集處理電 路與微控制器（MCU)連接，微控制器通過遠程發送電路連接天線7發送無線信號，無線信號 經天線7接收後經遠程接收電路傳送到上位計算機8 ;具體來說，扭矩傳感器5採集最大扭 矩信號，最大扭矩信號經扭矩信號採集處理電路傳送到微控制器中轉化為土體剪切強度信 號，土體剪切強度信號通過遠程發送電路連接天線7發送無線信號，無線信號經天線7接收 後由遠程接收電路將土體剪切強度的信息傳送到上位計算機8,微控制器經步進電機驅動 控制電路連接步進電機6進行控制。
[0021] 上述各個器件均由蓄電池11供電，蓄電池11與太陽能供電裝置連接，在白天進行 充電儲備電能，在晚上向各器件供電。
[0022] 步進電機6、扭矩傳感器5均通過支架14固定在安裝箱9內壁，支架14可採用鋁 質或不鏽鋼質，保證步進電機、扭矩傳感器、十字板同軸聯接，步進電機驅動控制電路、扭矩 信號採集處理電路、微控制器和遠程發送電路均安裝在安裝箱9的儀器盒內。
[0023] 太陽能供電裝置包括光伏電池板16和支撐鋼管15 ;光伏電池板16固定在支撐鋼 管15頂部，支撐鋼管15底部通過混凝土墩17固定在土體12上，光伏電池板16通過支撐 鋼管15內部的太陽能電池電能饋線18與蓄電池11連接。太陽能供電裝置安裝在安裝箱 9附近，太陽能電池電能饋線18可經過土體12連接到安裝箱9的蓄電池11。
[0024] 如圖1所示，安裝箱9和太陽能供電裝置構成現場部分1，遠程接收電路和上位計 算機8構成遠程部分，其之間的無線信號採用GSM移動通訊方式傳輸，遠程部分在手機信號 能到達的地方。
[0025] 本發明安裝在滑坡、泥石流隱患點現場的測量儀器，即現場部分1，其實施安裝及 組成結構如圖2所示。現場部分1完成現場剪切過程的控制和最大扭矩信號採集、根據扭 矩信號算出土體剪切強度，通過GSM方式向遠程的上位計算機發送土體剪切強度。
[0026] 遠程部分2可通過GSM移動通訊公網接收土體剪切強度的信息，將由上位計算機 的軟體實施保存、顯示、根據該隱患點地形地貌的綜合分析；在條件允許能獲取隱患點的其 他參數（如地表位移、地下位移、地下水位、土壤含水量、振動等）的情況下，可建立相關模 型，綜合分析隱患點的穩定性和災變的預報。
[0027] 扭矩傳感器5可優選採用應變式扭矩傳感器。
[0028] 因測量系統的現場測量儀器部分是在野外，本發明的供電方式採用白天由光伏 (太陽能）電池向儀器供電（並同時向蓄電池充電），夜晚由蓄電池向儀器供電，供電示意 如圖3所示。
[0029] 本發明的具體實施工作過程如下：
[0030] 在實際的每一次測量時，由微控制器（MCU = Microcontrol Unit)發出步進電機 的驅動信號，經步進電機驅動控制電路驅動步進電機，從圖2可見，步進電機與扭矩傳感 器、十字板是經聯軸器實現了同軸轉動；測量的間隔時間在MCU的運行程序中設定，也可根 據需要由遠程的上位計算機控制進行更改。
[0031] 圖4所示的是十字板的結構。在步進電機轉矩的作用下，十字板的土體與其周圍 土體產生相對扭剪，十字板會從靜止狀態開始到發生轉動，使土體剪切發生破壞，此時的扭 矩最大。在扭矩從零到最大的過程，扭矩傳感器輸出的電壓信號與扭矩成正比，測得扭矩傳 感器輸出的電壓即測得扭矩。
[0032] 扭矩傳感器的輸出電壓經扭矩信號採集處理電路的濾波、放大處理送至MCU的A/ D轉換輸入口，MCU高速採集扭矩電壓信號，MCU採集到最大扭矩信號時則發出步進電機停 止轉動的指令，將最大的扭矩電壓信號轉成扭矩M，根據以下公式1算出土體的抗剪強度 Cu，然後將Cu送至遠程發送電路，由遠程發送電路利用移動通訊公網，以GSM方式發送到遠 方（只要有移動通訊公網覆蓋的地方）。
[0033] Cu=--2.竺........... (1)
[0033] π02(Η + ψ3)
[0034] 其中，十字板的長度為D，高度為H，十字板在土中發生剪切破壞時所施加的扭矩 為M。
[0035] 遠方的遠程信號接收電路（GSM接收電路）接收到信號後，傳送給上位計算機或服 務器，上位計算機或伺服器的將土體抗剪強度C u值保存、顯示。並可根據隱患點的地形地 貌和可能得到的其他參數（如地表位移、地下位移、地下水位、土壤含水量、振動等）進行綜 合分析，得出滑坡、泥石流災害發生的預報或穩定性提示。
[0036] MCU控制步進電機間隔時間進行轉動，從而控制本發明的扭矩傳感器長期進行採 集，使得本發明能進行長期、遠程、不間斷的工作。
[0037] 上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的 精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範 圍。
【權利要求】
1. 一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統，其特徵在於：包括十字板 (3 )、扭矩傳感器（5 )、步進電機（6 )和上位計算機（8 )，步進電機（6 )、扭矩傳感器（5 )和十字 板（3)依次同軸連接，步進電機（6)和扭矩傳感器（5)之間、扭矩傳感器（5)和十字板（3)均 通過聯軸器（4)連接，步進電機（6)和扭矩傳感器（5)位於安裝箱（9)內，十字板（3)位於 安裝箱（9)外伸入到土體（12)中；扭矩傳感器（5)採集最大扭矩信號，最大扭矩信號經扭矩 信號採集處理電路傳送到微控制器中轉化為土體剪切強度信號，土體剪切強度信號通過遠 程發送電路連接天線發送無線信號，無線信號經天線接收後由遠程接收電路將土體剪切強 度的信息傳送到上位計算機（8)，微控制器經步進電機驅動控制電路連接步進電機（6)進 行控制；上述各個器件均由蓄電池（11)供電，蓄電池（11)與太陽能供電裝置連接，在白天 進行充電儲備電能，在晚上向各器件供電。
2. 根據權利要求1所述的一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統，其 特徵在於：所述的步進電機（6)、扭矩傳感器（5)均通過支架（14)固定在安裝箱（9)內壁， 步進電機驅動控制電路、扭矩信號採集處理電路、微控制器和遠程發送電路均安裝在安裝 箱（9)的儀器盒內。
3. 根據權利要求1所述的一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統，其 特徵在於：所述的太陽能供電裝置包括光伏電池板（16)和支撐鋼管（15);光伏電池板（16) 固定在支撐鋼管（15)頂部，支撐鋼管（15)底部通過混凝土墩（17)固定在土體（12)上，光 伏電池板（16)經太陽能電池電能饋線（18)與蓄電池（11)連接。
4. 根據權利要求1所述的一種基於十字板的土體抗剪強度原位實時遠程測量系統，其 特徵在於：所述的無線信號採用GSM移動通訊方式傳輸。
【文檔編號】G01N3/24GK104089832SQ201410356651
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】李青, 童仁園, 王燕傑, 許益偉 申請人:中國計量學院