一種軟土地基沉降自動監測儀的製作方法
2023-05-10 08:14:46 3
專利名稱：一種軟土地基沉降自動監測儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及測量和測試裝置，尤其涉及一種軟土地基沉降自動監測儀。
背景技術：
建設高層建築物和高速公路是我國現代化建設和經濟發展的重要舉措。在沿海及內陸江河湖泊地區，地基在處理之前通常為軟土。軟土地基上的修築高速公路和鐵路在附加壓力的作用下，一段時間後會產生變形(主要是縱向變形)，從而發生不均勻沉降。針對上述問題，研製能夠準確判斷不均勻沉降並精確測量其數值的軟土地基路監測儀器，對高層建築以及高速公路軟土地基進行高精度自動檢測對於我國乃至世界的高速公路建設有著十分重要的意義。
傳統的軟土地基路堤監測內容有變形監測、應力監測和其它監測。監測項目有地表位移、土體位移、地基孔隙水壓力、土壓力、地下水位等。從監測手段來看，在變形監測方面，對地表豎向位移採用精密水準儀配合鋼尺觀測。對地表水平位移採用視準線法或單三角前方交會法觀測。對土體分層豎向監測可採用電磁式沉降儀進行觀測。對土體分層水平位移採用伺服加速度式測斜儀進行觀測。在應力監測方面，通常是用鋼弦式孔隙水壓力計測量孔隙水壓力，用鋼弦式土壓力計測量土壓力。其中，軟土地基路堤變形監測技術常採取的幾種傳統監測儀器有電磁式沉降儀、幹簧管式沉降儀、橫臂式沉降儀、水杯式沉降儀及沉降板等，他們的技術原理基本相同，都採用了包括測尺在內的機械結構，需要專門的技術人員進行包括讀數在內的監測管理，差別在於測量定位裝置的感應原理。目前，在地基分層沉降監測中廣泛使用的磁環式沉降儀的構造是分層沉降管、磁環、波紋管和分層沉降儀組成。分層沉降儀由測量定位裝置、測尺和測試信號指示器組成，測尺通常採用的是特製的鋼捲尺，其內部含有連接測量定位裝置和指示儀表的導線，以此進行信號傳輸和測量工作。測量定位裝置是根據感應原理設計的，由沉降環觸發並發出觸發信號。在進行監測時，要預先在路基中間相應深度將磁環和分層沉降管通過鑽孔方式埋入地下待測的各點位。用膨脹土封孔，使磁環和地層同步沉降。在測量過程中，由技術人員操作，使測量定位裝置和測尺沿分層沉降管向下移動。當測量定位裝置到達磁環位置時測量定位裝置與磁環發生感應，感應信號通過測尺內部的導線傳輸地面上的顯示儀表。在顯示儀表顯示信號的同時發出鈴聲或聲光報警，當顯示儀表的指針指到峰值時，由技術人員停止移動測量定位裝置並讀取測尺的刻度數值，這個數值即為磁環的深度。每次測量值與前次測值相減即為該測點的沉降量。此種監測方法的問題有以下四點(1)人工操作，自動化程度不高，監測人員的工作強度較大，特別在野外監測時，人力物力消耗更大；(2)測量數據數量少，密度低，測尺的測量精度低；(3)人為因素幹擾大，監測數據的可靠性難保證；(4)測尺內的導線在多次使用後易受到折斷或磨損，使儀器發生故障，無法有效進行檢測。
目前在我國在大量使用的電磁式沉降儀還是採取人工讀數和記錄的方式，在精度水平和自動化程度等方面也同世界先進自動化檢測水平還存在很大差距。從測量過程和數據處理角度講，手工作業系統在軟土地基路堤監測中被普遍地採用，主要原因之一是勞動力價格便宜，國家的施工監測標準要求較低。路基和路堤的沉降監測是軟土地基施工中必不可少的一環，因此，工程方面提出對軟土地基的監測要求越來越多，監測對象也越來越廣泛。特別是不能實時自動監測，操作也不夠方便，已不能適應我國高等級建設項目的發展需求。
發明內容
本實用新型的目的在於提供一種軟土地基沉降自動監測儀，採用無線定位瞄準的高精度自動化軟土地基沉降的儀器，使地基沉降監測實現自動化和數位化，並以此提高監測數據的精度。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是由測量定位裝置和傳感器箱兩部分組成；其中1)測量定位裝置包括鉤子，無線觸發瞄準電路，幹簧管，隔離板，鉛塊，銅管，磁環和PVC管；PVC管外裝有磁環，PVC管內的銅管中裝有鉛塊，鉛塊上裝有無線觸發瞄準電路，鉛塊和無線觸發瞄準電路用隔板隔開，銅管外的幹簧管與銅管內的無線觸發瞄準電路連接在一起，銅管口部裝有兩個鉤子；2)傳感器箱包括拉繩式位移傳感器、電源、嵌入式32位ARM微處理器測控系統，電源接插件，兩個滑輪支座，電機後支座，電機，兩個滑輪，電機前支座，帶輪，液晶顯示屏，按鍵，箱體壁；其中兩個滑輪由兩端的滑輪支座，電機由兩端的的電機前支座和電機後支座分別固定在箱體壁上，電機的轉動端上裝有帶輪，帶輪上的鋼繩通過兩個滑輪轉向和伸出箱體外的測量定位裝置上的一個鉤子相連；測量定位裝置上的另一個鉤子由鋼繩與拉繩式位移傳感器的拉繩前端連接；嵌入式32位ARM微處理器測控系統包括內含有32位ARM微處理器S3C44B0X，無線信號接收電路，電機控制電路，16位A/D轉換電路和RS232接口電路；ARM微處理器S3C44B0X的I/O口PE4、PE5、PE6、PE7、EXINT3、EXINT5、EXINT7與16位A/D轉換電路的B1～B7腳相連；ARM微處理器S3C44B0X的串口GPE1、GPE2、PC12、PC13與RS232接口電路相連；無線信號接收電路的EXINT3-50口與16位A/D轉換電路的A1腳相連；電機控制電路的控制口PE6-50和PE7-50與16位A/D轉換電路的A6和A7腳相連。
所述的無線觸發瞄準電路中編碼晶片PT2262的D8、D9腳連接在一起，與幹簧管的一端相連，幹簧管的另一端與12V電源輸入相連，編碼晶片PT2262的DOUT腳與SP無線信號發射模塊的OUT-D腳相連。
本實用新型與背景技術相比，具有的有益的效果是1.由嵌入式32位微處理器控制對數據進行採集、轉換、顯示和傳輸；從而取代了傳統的人工監測，實現對軟土地基沉降進行自動化監測。
2.採用了精密的拉繩式位移傳感器取代傳統的鋼尺結構，有效提高了精度；不需要人工讀數，減小了測量誤差。
3.採用了無線觸發瞄準技術，取消了傳統傳統監測儀器中的導線，避免了因為導線折斷或磨損導致的儀器故障。
4.可以設置多臺儀器，對多個點進行監測；所有觀測可以參數統一起來，傳送到實驗室的計算機中，實現網絡化監測；主控室的計算機可以同時監測若干個站點，對軟土地基沉降情況進行實時監測和及時報警。
圖1是軟土地基沉降自動監測儀機械結構主視圖；圖2是軟土地基沉降自動監測儀機械結構俯視圖；圖3是軟土地基沉降自動監測儀機械結構側視圖；圖4是嵌入式32位ARM微處理器測控系統電路示意圖；圖5是無線觸發瞄準電路原理圖；圖6是無線信號接收電路原理圖；圖7是電機控制電路原理圖；圖8是16位A/D轉換電路原理圖；圖9是RS232接口電路原理圖；圖10是網絡化測量示意圖。
圖1～3中1.鉤子，2.無線觸發瞄準電路，3.幹簧管，4.隔離板，5.鉛塊，6.銅管，7.磁環，8.PVC管，9.拉繩式位移傳感器，10.電源，11.嵌入式32位ARM微處理器測控系統，12.電源接插件，13.滑輪支座，14.電機後支座，15.電機，16.滑輪支座，17.滑輪，18滑輪，19.電機前支座，20.帶輪，21.液晶顯示屏，22.按鍵，23.箱體壁。
圖4中32位ARM微處理器為S3C44BOX。
圖5中U27為編碼晶片PT2262，U28為SP無線信號發射模塊。
圖6中U3為解碼晶片PT2272，U4為SP無線信號接收模塊。
圖7中JD1、JD2為HRS1H-S繼電器，METER為電機。
圖8中U1為16位A/D轉換晶片ADS7813，U8為電平轉換晶片SN74LVC4245A。
圖9中U15為電平轉換晶片MAX383，J8為串口1，J9為串口2。
圖10中檢測儀1、檢測儀2……檢測儀n均為本測量儀。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型由測量定位裝置和傳感器箱兩部分組成；其中1)測量定位裝置包括鉤子1，無線觸發瞄準電路2，幹簧管3，隔離板4，鉛塊5，銅管6，磁環7和PVC管8；PVC管8外裝有磁環7，PVC管8內的銅管6中裝有鉛塊5，鉛塊5上裝有無線觸發瞄準電路2，鉛塊5和無線觸發瞄準電路2用隔板5隔開，銅管6外的幹簧管3與銅管6內的無線觸發瞄準電路2連接在一起，銅管6口部裝有兩個鉤子1；2)傳感器箱包括拉繩式位移傳感器9、電源10、.嵌入式32位ARM微處理器測控系統11，電源接插件12，兩個滑輪支座13、16，電機後支座14，電機1 5，兩個滑輪17、18，電機前支座19，帶輪20，液晶顯示屏21，按鍵22，箱體壁23；其中兩個滑輪17、18由兩端的滑輪支座13、16，電機15由兩端的的電機前支座19和電機後支座14分別固定在箱體壁23上，電機15的轉動端上裝有帶輪20，帶輪20上的鋼繩通過兩個滑輪17、18轉向和伸出箱體外的測量定位裝置上的一個鉤子1相連；測量定位裝置上的另一個鉤子1由鋼繩與拉繩式位移傳感器9的拉繩前端連接；如圖4所示，嵌入式32位ARM微處理器測控系統11包括內含有32位ARM微處理器S3C44BOX，無線信號接收電路，電機控制電路，16位A/D轉換電路和RS232接口電路；ARM微處理器S3C44BOX的I/O口PE4、PE5、PE6、PE7、EXINT3、EXINT5、EXINT7與16位A/D轉換電路的B1～B7腳相連；ARM微處理器S3C44B0X的I/O口EXINT2、EXINT3、EXINT4、EXINT5、EXINT7與液晶顯示屏相連；ARM微處理器S3C44BOX的串口GPE1、GPE2、PC12、PC13與RS232接口電路相連；RS232接口電路與計算機串口相連；無線信號接收電路的EXINT3-50口與16位A/D轉換電路的A1腳相連；拉繩式位移傳感器與16位A/D轉換電路的R3IN相連；電機控制電路的控制口PE6-50和PE7-50與16位A/D轉換電路的A6和A7腳相連；電機與電機控制電路輸出口相連。
在圖5中，無線觸發瞄準電路2中編碼晶片PT2262的D8、D9腳連接在一起，與幹簧管3的一端相連，幹簧管2的另一端與12V電源輸入相連，PT2262的DOUT腳與SP無線信號發射模塊的OUT-D腳相連。
在圖6中，無線信號接收電路的解碼晶片PT2272的D8腳與圖8中16位A/D轉換電路中電平轉換晶片SN74LVC4245V的A1腳相連，DAIN腳與SP無線信號接收模塊的OUT-D腳相連。
在圖7中，電機控制電路的輸入端PE6-50與圖8中16位A/D轉換電路中SN74LVC4245V的A6腳相連，PE7-50與SN74LVC4245V的A6腳相連，輸出端與電機15相連。通過輸入端PE6-50、PE7-50控制HRS1H-S繼電器的狀態，由此控制電機正反轉並以此帶動測量定位裝置移動。
在圖8中，16位A/D轉換晶片ADS7813的R3IN腳連接拉圖1中拉繩式位移傳感器9。ADS7813的CS腳連接SN74LVC4245V的A2腳，ADS7813的CONV腳連接SN74LVC4245V的A3腳，ADS7813的DATA腳連接SN74LVC4245V的A3腳。SN74LVC4245V的B1～B7腳連接S3C44B0X。
在圖9中，電平轉換晶片MAX232的T1OUT、R1IN與串口1相連，T2OUT、R2IN與串口2相連，T1IN、R1OUT、T2IN、R2OUT與S3C44B0X相連，串口可以與遠程計算機連接進行數據傳輸。
在進行工程監測時，首先在觀測點打孔，埋設PVC管8和磁環7，並用膨脹土封孔，使磁環7和地層同步沉降。然後在PVC管8的上方用支架安裝軟土地基沉降自動監測儀。測量時，先將測量定位裝置的鉤子1分別與傳感器箱的拉繩式位移傳感器9探頭前端的拉繩及繞在電機帶輪上的鋼絲連接好，保證測量定位裝置平穩垂直進入PVC管。32位ARM微處理器S3C44B0的GPIO埠中的兩路PE6和PE7通過SN74LVC4245V進行電平轉換成為PE6-50和PE7-50連接在控制電路的輸入端，控制電路的輸出端連接在電機的控制端，由電機的正反轉帶動測量定位裝置進行升降運動並向磁環位置移動。當測量定位裝置到達磁環位置時，幹簧管3感應到一定磁場強度發生閉合。無線觸發瞄準電路2中的編碼晶片PT2262開始工作，PT2262的數據位D8，D9為高電平，通過SP無線信號發射模塊將PT2262的地址數據狀態向SP無線信號接收模塊發射。傳感器箱內嵌入式32位ARM微處理器測控系統電路中的無線信號接收電路接收到傳送信號，解碼晶片PT2272的地址數據位的狀態與PT2262相一致。PT2272的D9為高電平，與其連接的二極體發光，顯示完成一次通信。同時D8數據位也為高電平，通過驅動向S3C44B0發出一個上升沿的中斷。S3C44B0此時將響應中斷，控制電機停止工作，並通過ADS7813進行A/D數據採集。A/D採集之前，使能端CONV和時鐘信號DATACLK都為無效狀態。發生中斷後，S3C44B0通過I/O口PE端置ADS7813的使能端CONV為低電平，啟動A/D轉換。當啟動A/D完成之後，BUSY端轉為低電平，S3C44B0X通過SIOCLK端向ADS7813的數據時鐘端DATACLK一個外部數據時鐘，同時16位的串行數據將從ADS7813的DATA端讀出，從而實現了數據採集。採集到的數據可由液晶顯示屏顯示，其顯示的結果與前一次測量結果的差值就是軟土地基沉降的相對位移。系統的狀態可以由按鍵控制，通過液晶顯示屏對檢測儀器進行包括察看數據在內的各項操作。觀測數據可通過RS232接口電路傳送到計算機中。
另一種實施方式如圖10所示，可以在多個監測點(測量點1、測量點2……測量點n)同時設置多個本監測儀(檢測儀1、檢測儀2……檢測儀n)。將所有測量到數據統一起來，通過RS232接口電路傳送到主控計算機中。主控計算機通過對數據的綜合處理，對軟土地基沉降情況進行長期的實時監測和及時報警，實現網絡化監測。
權利要求1.一種軟土地基沉降自動監測儀，其特徵在於由測量定位裝置和傳感器箱兩部分組成；其中1)測量定位裝置包括鉤子(1)，無線觸發瞄準電路(2)，幹簧管(3)，隔離板(4)，鉛塊(5)，銅管(6)，磁環(7)和PVC管(8)；PVC管(8)外裝有磁環(7)，PVC管(8)內的銅管(6)中裝有鉛塊(5)，鉛塊(5)上裝有無線觸發瞄準電路(2)，鉛塊(5)和無線觸發瞄準電路(2)用隔板(5)隔開，銅管(6)外的幹簧管(3)與銅管(6)內的無線觸發瞄準電路(2)連接在一起，銅管(6)口部裝有兩個鉤子(1)；2)傳感器箱包括拉繩式位移傳感器(9)、電源(10)、.嵌入式32位ARM微處理器測控系統(11)，電源接插件(12)，兩個滑輪支座(13、16)，電機後支座(14)，電機(15)，兩個滑輪(17、18)，電機前支座(19)，帶輪(20)，液晶顯示屏(21)，按鍵(22)，箱體壁(23)；其中兩個滑輪(17、18)由兩端的滑輪支座(13、16)，電機(15)由兩端的的電機前支座(19)和電機後支座(14)分別固定在箱體壁(23)上，電機(15)的轉動端上裝有帶輪(20)，帶輪(20)上的鋼繩通過兩個滑輪(17、18)轉向和伸出箱體外的測量定位裝置上的一個鉤子(1)相連；測量定位裝置上的另一個鉤子(1)由鋼繩與拉繩式位移傳感器(9)的拉繩前端連接；嵌入式32位ARM微處理器測控系統(11)包括內含有32位ARM微處理器S3C44BOX，無線信號接收電路，電機控制電路，16位A/D轉換電路和RS232接口電路；ARM微處理器S3C44BOX的I/O口PE4、PE5、PE6、PE7、EXINT3、EXINT5、EXINT7與16位A/D轉換電路的B1～B7腳相連；ARM微處理器S3C44BOX的串口GPE1、GPE2、PC12、PC13與RS232接口電路相連；無線信號接收電路的EXINT3-50口與16位A/D轉換電路的A1腳相連；電機控制電路的控制口PE6-50和PE7-50與16位A/D轉換電路的A6和A7腳相連。
2.根據權利要求1所述的一種軟土地基沉降自動監測儀，其特徵在於所述的無線觸發瞄準電路(2)中編碼晶片PT2262的D8、D9腳連接在一起，與幹簧管(3)的一端相連，幹簧管(3)的另一端與12V電源輸入相連，編碼晶片PT2262的DOUT腳與SP無線信號發射模塊的OUT-D腳相連。
專利摘要本實用新型公開了一種軟土地基沉降自動監測儀。PVC管外裝有磁環，管內的銅管中裝有鉛塊，鉛塊上裝有無線觸發瞄準電路，銅管外的幹簧管與無線觸發瞄準電路連接；兩個滑輪由兩端的滑輪支座，電機由兩端的電機支座分別固定在箱體壁上，電機的轉動端帶輪上的鋼繩通過兩個滑輪轉向和伸出箱體外的測量定位裝置上的一個鉤子相連；測量定位裝置上的另一個鉤子由鋼繩與拉繩式位移傳感器的拉繩連接，32位ARM微處理器S3C44B0X，分別與無線信號接收電路，電機控制電路，16位A/D轉換電路和RS232接口電路連接。由微處理器控制對數據進行採集、轉換、顯示和傳輸；從而取代了傳統的人工監測，實現對軟土地基沉降進行自動化監測。
文檔編號E02D33/00GK2913466SQ200620103470
公開日2007年6月20日 申請日期2006年5月11日 優先權日2006年5月11日
發明者李東升, 李靜輝, 朱維斌, 張文卓, 王子謙, 孔明, 陸藝 申請人:中國計量學院