一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置的製作方法

2023-10-10 06:03:54 1

專利名稱：一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及巖土工程地基基礎測試領域，更具體涉及一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，適用於預製管樁施工驗收工作。
背景技術：
地基基礎施工中，管樁施工是最基礎也是最重要的一步。預製樁是管樁施工中比較普遍使用的一種方式。預製樁通常在工廠或施工現場製成，施工時用沉樁設備將樁打入、 壓入或振入土中，有木樁、混凝土樁、鋼樁等，中國建築施工領域採用較多的主要是混凝土樁和鋼樁兩類。常用的混凝土樁有混凝土實心方樁和預應力混凝土空心管樁，常用的鋼樁有鋼管樁和H型鋼樁。其中混凝土空心管樁(以下簡稱管樁)最為常見，管樁為正圓柱體， 軸線為直線，垂直於軸線的任意截面的外輪廓為相同的圓形，因其堅固耐久、施工速度快、 能承受較大的荷載而應用廣泛。目前管樁除廣泛應用於工業與民用建築外，還大量應用於鐵路、公路、港口、橋梁、 水利工程等領域。管樁產品已有較完善的標準體系，如《GB 13476-1999先張法預應力混凝土管樁》、《03SG409預應力混凝土管樁》、((JC 888-2001先張法預應力混凝土薄壁管樁》、 《JC/T 947-2005先張法預應力混凝土管樁用端板》、《JC/T 950-2005預應力高強混凝土管樁用矽砂粉》、《JC/T 948-2005混凝土製品用脫模劑》、((JC/T540-2006混凝土製品用低碳冷拔鋼絲》等。管樁施工驗收也有明確的規範要求，如《GB/T 19496-2004鑽芯檢測離心高強混凝土抗壓強度試驗方法》、((GB50202-2002建築地基基礎工程施工質量驗收規範》、 ((DB42/489-2008預應力混凝土管樁基礎技術規範(湖北省地方規範)》等。在管樁施工中，常常由於地質條件、施工條件、施工工藝等因素，導致管樁出現傾斜，使得管樁在施工過程中易受到損傷。同時管樁垂直傾斜角度的偏差也會影響管樁的豎向承載力或水平抗剪力，給上部建築物留下隱患。上述規範對管樁的垂直度，即垂直傾斜角度的偏差有著明確的要求，因此在施工過程中應及時檢測管樁傾斜程度、控制糾偏其垂直度。管樁由於其外部幾何形狀非常規則，檢測其傾斜程度實際上就是檢測施工中或施工後管樁軸線的垂直傾斜角度。管樁傾斜會影響上部建築物結構的受力狀態，這種影響不僅僅與管樁軸線相對於鉛垂線的傾斜有關，還與管樁軸線傾斜的方位有關，也就是說檢測管樁傾斜程度應該同時檢測兩個角度垂直傾斜角B——自管樁樁頂指向管樁樁底的管樁軸線相對於鉛垂線的角度和水平方位角A——自管樁樁頂指向管樁樁底的管樁軸線在水平面上的投影相對於正北方位的角度。傳統的管樁傾斜程度檢測方法是採用數字水平尺進行測量，不僅操作複雜、效率低、精度差，而且不能直接測得管樁的垂直傾斜角度，並且只是單方向的測量，無法測得兩個方向的角度，已不能滿足實際需要。現有技術中尚無快速有效的檢測管樁傾斜程度的方法，也沒有專業的測量管樁傾斜程度的裝置，只能採用通用的測斜儀裝置進行測量。現有技術中的電子測斜儀裝置多針對滑坡區和深洞開挖土體的側向位移監測，以及提壩結構變形監測、地層位移監測等，並非專門針對管樁研製。其中可用於管樁測斜的並不多，如國產LS160水平尺、瑞士萊卡D5雷射測距儀等。國產LS160水平尺用於測量水平尺表面與水平面夾角，雖然價格便宜，但精度較低，僅能達到0. Γ，且其僅能測量垂直傾斜角B，不能測量水平方位角Α，另外，其使用段式數碼管顯示測量結果，需要手動記錄數據， 加大了操作人員的工作量，因此並不便適用於管樁測斜工作。瑞士萊卡D5雷射測距儀功能全面，主要功能為雷射測距，兼具測斜功能，可用於測量儀器表面與水平面夾角，並有分析軟體，但其與國產LS160水平尺一樣僅能測量垂直傾斜角B，不能測量水平方位角Α，精度也只能達到0. Γ，且其價格較貴，也並非專業測斜工具，也不便適用於管樁測斜工作。另外， 現有技術的電子測斜儀裝置均無報表功能，需要操作人員手動編制報表，後期工作量比較繁瑣。因此，需要開發出一種專檢測量管樁傾斜程度的裝置及方法，能夠準確、經濟、方便、 快捷地進行施工過程中的管樁測斜糾偏。

實用新型內容本實用新型的目的是在於提供了一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，結構簡單、 成本低，測量精度高，操作方便，經濟實用。價格僅為進口產品瑞士萊卡D5價格的1/3，實現了準確、經濟、方便、快捷的要求。為了達到上述目的，本實用新型採用以下技術措施本實用新型採用垂直方向的傾斜傳感器如兩軸加速度計測量管樁的垂直傾斜角 B，採用水平方向的傾斜傳感器如電子羅盤測量管樁的水平方位角Α。一方面，測量垂直傾斜角B的原理為靜態物體在傾斜情況下，其重力加速度會在傾斜方向上有一個分量。在每個已知的軸上測量該分量的大小，利用該分量與重力加速度的值進行相關的運算便可以得出每個軸相對於水平面的傾角。當保證管樁傾斜裝置垂直方向的傾斜傳感器的某條軸線與被測管樁母線平行時便可以方便地測量出管樁的垂直傾斜角B。另一方面，測量水平方位角A 的原理為由於地磁場的作用，磁阻晶片在不同的方向的輸出值是不一樣的。電子羅盤利用檢測地磁場的原理來檢測羅盤本身與地磁北極的夾角，即為管樁的水平方位角Α。一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，該管樁傾斜檢測裝置包括主控單元、命令輸入單元、傳感器單元、信號調理單元、A/D轉換單元(C8051F350)、存儲單元、顯示單元、通信接口，其特徵在於命令輸入單元與主控單元相連，傳感器單元依次經過信號調理單元及 A/D轉換單元後與主控單元相連，存儲單元與主控單元直接相連，顯示單元與主控單元相連，通信接口與主控單元相連，存儲單元包括SD卡以及Flash存儲器。所述的傳感器單元包括電子羅盤(DCM220)，所述電子羅盤直接與所述主控單元相連。所述的傳感器單元包括加速度計(SCAIOOTDO》，所述信號調理單元(放大器 0PA2340)包括依次相連的幅值變換單元(放大器0PA2340)、低通濾波單元，所述的加速度計依次經過所述的信號調理單元中的幅值變換單元、低通濾波單元及A/D轉換單元後與主控單元相連。所述的傳感器單元包括溫度傳感器，所述的溫度傳感器直接與所述主控單元相連。所述的存儲單元包括SD卡以及Flash存儲器。[0016]更具體所述的命令輸入單元與主控單元相連，傳感器單元與信號調理單元相連， 傳感器單元中的電子羅盤(DCM220)直接與主控單元相連，傳感器單元中的加速度計與信號調理單元相連，加速度計(SCAIOOTDO》依次經過信號調理單元中的幅值變換單元(放大器0PA2340)、低通濾波單元及A/D轉換單元(C8051F350)後與主控單元相連，電子羅盤 (DCM220)直接與主控單元相連，溫度傳感器(DS18B20)直接與主控單元相連，傳感器單元中的加速度計並非直接與主控單元相連，而是依次經過信號調理單元(放大器0PA2340)及 A/D轉換單元(C8051F350)後再與主控單元相連。A/D轉換單元與信號調理單元及主控單元相連，存儲單元包括SD卡以及Flash存儲器，均與主控單元相連。顯示單元與主控單元相連，通信接口(USB)與主控單元相連。各組成部分分別執行各項功能命令輸入單元用於輸入操作指令；傳感器單元用於採集被測管樁測點處的各種有用信息，將這些信息轉換為電信號，傳輸給主控單元；加速度計用於測量管樁的垂直傾斜角B，電子羅盤用於測量管樁的水平方位角A，溫度傳感器用於最後合成管樁傾角時提供多點溫度補償。一種檢測管樁傾斜程度的檢測方法，其步驟是A、裝置自檢。管樁傾斜檢測裝置各組成部分包括主控單元、命令輸入單元、傳感器單元、信號調理單元、A/D轉換單元、存儲單元、顯示單元、通信接口依次啟動，裝置準備工作。B、讀取電子羅盤。主控單元直接讀取電子羅盤的輸出值。C、採樣X軸加速度、採樣Z軸加速度。加速度計輸出模擬電壓信號，需經信號調理單元進行幅值變換和低通濾波、再經A/D轉換單元轉換為數字量後才能被主控單元處理。D、由X軸加速度和Z軸加速度解算俯仰角，並進行卡爾曼濾波，得到加速度計平面與水平面的縱向夾角即俯仰角(Pitch)。Ε、採樣Y軸加速度、採樣Z軸加速度。F、由Y軸加速度和Z軸加速度解算橫滾角，並進行卡爾曼濾波，得到加速度計平面與水平面的橫向夾角即橫滾角(Roll)。G、由俯仰角(Pitch)和橫滾角(Roll)合成垂直傾斜角。H、獲取3-6個測點(電路板上均勻分布的3-6個測點)溫度、進行多點溫度補償。I、顯示、存儲結果。與現有技術相比，本實用新型具有以下優點第一，測量精度和準確度明顯提高， 例如，本實用新型的裝置垂直傾斜角B精度可達0. 01°或0. 01%、水平方位角A精度可達 1°，而國產LS160水平尺僅能達到0. 1°。第二，操作更為方便快捷，例如，本實用新型的裝置可通過IXD屏幕直接顯示垂直傾斜角B水平方位角A，且自動生成報表，而國產LS160 水平尺需要操作人員手工記錄檢測結果、整理報表。第三，操作人性化，例如本實用新型的裝置可在檢測結果超過預警值時(如垂直傾斜角度0.6°或百分比1%)自動進行聲音報警、低電情況下報警。第四，更為經濟實用，由於本實用新型定位為專用管樁傾斜檢測裝置， 提高專用性能的同時精簡了結構、降低了成本，價格僅為進口產品瑞士萊卡D5價格的1/3。 因此，完全實現了前文所述準確、經濟、方便、快捷的要求。

圖1為一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置結構示意框圖。[0029]其中102-主控單元(MCU STM32) ； 104-命令輸入單元(鍵盤、觸控螢幕)；106-傳感器單元(包括加速度計、電子羅盤、溫度傳感器)；108-信號調理單元(幅值變換單元、 低通濾波單元)；110-A/D轉換單元(單片機C8051F350) ；112-存儲單元(SD卡、FLASH存儲器)；114-顯示單元(320M40TFT，液晶驅動模塊HX8347) ；116-通信接口(USB轉串口 CP2102 ；RS232 接口 ST3232ECTR) ； 120-加速度計(SCA100TD02) ；122-電子羅盤(DCM220)； 124-幅值變換單元(放大器0PA2340) ； 126-低通濾波單元；128-SD卡；130-FLASH存儲器； 132-溫度傳感器。圖2為一種檢測管樁傾斜程度的檢測方法流程圖。圖3為圖2所示管樁傾斜檢測方法中計算垂直傾斜角的坐標示意圖。圖4為圖2所示管樁傾斜檢測方法中計算水平方位角的坐標示意圖。
具體實施方式
以下將結合附圖對本實用新型的實施例作進一步詳細的說明。雖然本實用新型將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本實用新型限定於這些實施例。相反，在本實用新型各種範圍內所定義的可選項，可修改項和等同項。結合附圖和具體實施例對本實用新型的技術方案進行詳細的說明，以使本實用新型的特性和優點更為明顯。本文描述的實施例將結合通常概念上計算機可執行的指令進行描述。計算機可執行的指令指可被一臺或多臺計算機或其它類似設備執行的計算機可用的媒介，如程序模塊。通常來說，程序模塊包括執行特定任務、或對特定抽象數據類型進行操作的例行程序、 對象、組件，數據結構等等。程序模塊的功能可根據不同實施例的需求進行組合或拆分。通過具體實例，但非限制，計算機可用的媒介可包括計算機存儲媒介及通信媒介。 計算機存儲媒介包括易失性的及非易失性的、可移除的及不可移除的，可實施於任何方法或技術的媒介，用於存儲信息，如計算機可讀指令、數據結構、程序模塊及其它數據。計算機存儲媒介包括，但不僅限於，隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦除可編程只讀存儲器(EEPROM)、快閃記憶體存儲器及其它存儲器技術、只讀壓縮光碟(⑶-ROM)、數字多用途光碟(DVD)及其它光學存儲技術、盒式磁帶、磁性碟片存儲器及其它磁性存儲器，及其它可用來存儲信息的媒介。通信媒介可為一調製數據信號中的計算機可讀的指令、數據結構、程序模塊及其它數據，調製數據信號包括任何信息傳遞媒介，如載波或其它傳輸機制。術語「調製數據信號^示為了將信息加載在某個信號上，將此信號的某種或多種特性進行了設置或改變。例如，但不僅限於，通信媒介可包括有線媒介及無線媒介。有線媒介如有線網絡、直線連接。無線媒介如聲波、射頻(RF)、紅外及其它。上述任意組合同樣也應包含在計算機可讀媒介的範圍內。此外，在以下對本實用新型的詳細描述中，為了提供一個針對本實用新型的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本實用新型同樣可以實施。在另外的一些實例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本實用新型之主旨。請參閱圖1，一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置的優選實施方式的硬體結構示意框圖。如圖1所示，一種用於檢測預製管樁傾斜裝置，該傾斜裝置100由主控單元102 (MCU
6STM32)、命令輸入單元104(按鍵)、傳感器單元106、信號調理單元108、A/D轉換單元110、 存儲單元112、顯示單元114、通信接口 116組成，其中傳感器單元106、信號調理單元108、 存儲單元112還包含子單元。具體來說，傳感器單元106包括加速度計120、電子羅盤122、 溫度傳感器132 ；信號調理單元108包括幅值變換單元IM及低通濾波單元126 ；存儲單元112包括SD卡1 及Flash存儲器130。命令輸入單元104(操作按鍵)與主控單元 102 (MCU STM32)相連，傳感器單元106中的電子羅盤122(DCM220)直接與主控單元102相連，傳感器單元106中的加速度計120(SCA100TD(^)與信號調理單元108相連，加速度計 120(SCA100TD02)依次經過信號調理單元108中的幅值變換單元124 (放大器0PA2340)、低通濾波單元1 及A/D轉換單元110後與主控單元102 (MCU STM32)相連，溫度傳感器132 直接與主控單元102相連。A/D轉換單元110與信號調理單元108及主控單元102相連，存儲單元112包括存儲測量數據的SD卡128以及存儲漢字字庫及臨時緩存用的Flash存儲器130 (FLASH)，均與主控單元102直接相連。顯示單元114與主控單元102相連，通信接口 116與主控單元102相連，分別執行各項功能。主控單元102為管樁傾斜檢測裝置100的核心部分，用於控制整個管樁傾斜裝置100的運作，例如主控單元可選用ARM7核心的STM32 系列微控制器(MCU)。命令輸入單元104與主控單元102相連，用於輸入操作指令。例如， 命令輸入單元104可選用普通8按鍵矩陣鍵盤，或觸控螢幕。當操作人員按下開始按鍵時，傳感器106開始採集傾角信息，主控單元102讀取數據、計算垂直傾斜角B及水平方位角A ；當操作人員按下存儲按鍵時，主控單元102將緩存於其片內的數據按照預定的格式存儲於SD 卡128中。傳感器單元106包括加速度計120、電子羅盤122以及溫度傳感器132，其中加速度計120與信號調理單元108相連，電子羅盤122以及溫度傳感器132直接與主控單元102 相連，使用過程直接與被測管樁的某個測點接觸，採集被測管樁測點處的相關信息，將這些信息轉換為電信號，傳輸給信號調理單元108或主控單元102。加速度計120為垂直方向的傾斜傳感器(SCA100TD02)，例如芬蘭VTI科技生產的士90°量程2軸加速度計SCA100TD02，加速度計120輸出信號依次經過信號調理單元108 中的幅值變換單元124、低通濾波單元1 及A/D轉換單元110後與主控單元102相連，用於測量管樁的垂直傾斜角B。SCA100TD02型加速度計120輸出方式可為SPI和模擬量，本實用新型中採用模擬量輸出方式，其輸出解析度為0. 0025°。電子羅盤122為水平方向的傾斜傳感器(磁阻晶片)，例如深圳瑞芬科技生產的二維電子羅盤DCM220，電子羅盤122直接與主控單元102相連，用於測量管樁的水平方位角 A0 DCM220型電子羅盤122包含單片機(AtmelSL)和補償電路(磁偏角補償和硬鐵補償)， 不需要再對其輸出的數據進行濾波和補償，僅根據通信協議的輸出格式獲取相應的數據並重新對其正北零度進行歸零即可。DCM220型電子羅盤122輸出方式為1 或SCI格式的數據，輸出結果為0-360°的角度。1 或SCI格式直接被主控單元102接收並轉換為傾角和方位角，不需要再做模數轉換。溫度傳感器132(DS18B20)直接與主控單元102相連，不用作傾斜檢測，用於最後合成管樁傾角時提供多點溫度補償。由於溫度對加速度計120的0°基準輸出和敏感度有影響，例如SCA100TD02型加速度計120的溫度曲線見其數據手冊，主控單元102將在最後結合溫度傳感器132量取的溫度採用適當的算法矯正漂移誤差和溫度誤差，進行溫度補償和零度校準。如圖1所示，傳感器單元106中的加速度計120並非直接與主控單元102相連，而是先依次經過信號調理單元108及A/D轉換單元110後再與主控單元102相連。信號調理單元108包括幅值變換單元IM及低通濾波單元126，幅值變換單元IM將加速度計120的輸出變換為適合A/D轉換單元110處理的幅值範圍，例如，若採用SCA100T型加速度計120， 其輸出信號為0-5V，而A/D轉換單元110的信號輸入範圍為0-2. 5V，則幅值變換單元IM應將加速度計120的輸出衰減為原來的1/2。例如，幅值變換單元IM可採用放大器0PA2340 搭建，本領域普通技術人員可以理解，在此不復贅述。低通濾波單元1 可採用常規RC濾波器，用於濾去信號中高頻雜波。加速度計120採集的信號經過幅值變換單元IM及低通濾波單元126後傳輸至A/D轉換單元110。A/D轉換單元110與信號調理單元108及主控單元102相連，用於將採集、調理後的模擬信號轉換為數位訊號，以方便主控單元102處理。例如，A/D轉換單元110可採用集成混合信號片上系統型MCU C8051F350。申請人用到的是C8051F350型MCU的片內對位八/ D，採樣率IkHz，包含可編程增益放大器(PGA)，並具有片內校準功能。A/D轉換單元110與主控單元102之間可使用UART通信，例如C8051F350與STM32通信時，波特率可設為115200， 通信幀格式可如表1所示設置。數據緩存於主控單元102內部RAM中，主控單元102在計算傾角時取出緩衝區內的數據先進行濾波處理，再進行代數運算獲得傾角值。表1C8051F350與STM32通信幀格式
幀開頭標識1幀開頭標識2有效數據1有效數據2有效數據η有效數據長度Nl數據總長度N2幀結束標識1幀結束標識1OXFEOXFD丄 BYTEIBYTEN BYTE丄 BYTE丄 BYTEOXEFOXDF存儲單元112包括SD卡128以及Flash存儲器130，均與主控單元102直接相連。 SD卡1 用於存儲最終的檢測結果及相關信息。當操作人員通過命令輸入單元104輸入存儲命令時，例如按下存儲按鍵時，主控單元102將緩存於其片內Flash的數據按照預定的數據記錄格式存儲於SD卡1 中。主控單元102對SD卡1 構建文件系統，將管樁數據直接存儲在一個預先建立的文件夾內，以TXT格式存儲，今後可直接讀取並生成報表文件，方便通用。在SD卡128內移植文件系統能夠大大的簡化對SD卡128內數據的操作，只需調用最基本的函數便可以對文件進行各種操作。SD卡128的操作代碼目前已經有人完成了，經過簡單的移植即可對SD卡1 進行讀寫操作，常見的文件系統有UC0S2公司的UC/FS、周立功用於教學的ZLG/FS、開源的文件系統efsl和i^atFs。本實施方式中移植的是!^atFs的改良版本TFF(Tiny FAT Filesystem)0. 06。TFF是專門針對ARM7系列單片機改良的FAT32文件系統，可在網絡上獲取。SD卡1 存儲容量較大例如，假設打包後每組數據佔用20byte， 存儲容量為999根樁、每樁100個數據，則共需要1000*10(^20 = 2M byte的空間。目前普遍的SD卡1 容量為2G或4G，足夠使用。SD卡128與主控單元102採用SPI方式通信。 SD卡1 存儲的管樁數據格式可根據檢測需要預先設定，例如，可採用如表2所示管樁數據存儲格式表2管樁數據存儲格式
權利要求1.一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，該管樁傾斜檢測裝置(100)包括主控單元 (102)、命令輸入單元(104)、傳感器單元(106)、信號調理單元(108)、A/D轉換單元(110)、 存儲單元(112)、顯示單元(114)、通信接口( 116)，其特徵在於命令輸入單元(104)與主控單元(102 )相連，傳感器單元(106 )依次經過信號調理單元(108 )及A/D轉換單元(110 )後與主控單元(102)相連，存儲單元(112)與主控單元(102)直接相連，顯示單元(114)與主控單元(102)相連，通信接口(116)與主控單元(102)相連，存儲單元(112)包括SD卡(1 ) 以及Flash存儲器(130)。
2.根據權利要求1所述的一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，其特徵在於所述的傳感器單元(106)包括電子羅盤(122)，所述電子羅盤(122)直接與所述主控單元(102)相連。
3.根據權利要求1所述的一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，其特徵在於所述的傳感器單元(106)包括加速度計(120)，所述信號調理單元(108)包括依次相連的幅值變換單元(1對)、低通濾波單元(1 )，所述的加速度計(120)依次經過所述的信號調理單元(108) 中的幅值變換單元(1對)、低通濾波單元(126)及A/D轉換單元(110)後與主控單元(102) 相連。
4.根據權利要求1所述的一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，其特徵在於所述的傳感器單元(106)包括溫度傳感器(132)，所述的溫度傳感器(132)直接與所述主控單元 (102)相連。
5.根據權利要求1所述的一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，其特徵在於所述的存儲單元(112)包括SD卡(1 )以及Flash存儲器(130)。
專利摘要本實用新型公開了一種用於檢測管樁傾斜程度的裝置，該管樁傾斜裝置包括主控單元、命令輸入單元、傳感器單元、信號調理單元、A/D轉換單元、存儲單元、顯示單元、通信接口，命令輸入單元與主控單元相連，傳感器單元與信號調理單元相連，傳感器單元中的電子羅盤直接與主控單元相連，傳感器單元中的加速度計與信號調理單元相連，電子羅盤直接與主控單元相連，溫度傳感器直接與主控單元相連，傳感器單元依次經過信號調理單元及A/D轉換單元後再與主控單元相連，存儲單元包括SD卡以及Flash存儲器，均與主控單元直接相連，顯示單元與主控單元相連，通信接口與主控單元相連。結構簡單、成本低，測量精度高，操作方便，經濟實用，實現了準確、經濟、方便、快捷。
文檔編號G01C9/00GK201935688SQ201020638999
公開日2011年8月17日 申請日期2010年12月2日 優先權日2010年12月2日
發明者代衛兵, 劉俊傑, 張 傑, 楊永波, 胡純軍 申請人:武漢中巖科技有限公司