巖層位移監測儀及系統的製作方法

2023-06-07 03:56:01

專利名稱：巖層位移監測儀及系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種巖層斷面測量儀器，特別是涉及一種能夠測量巖層及煤層間位移的 巖層位移監測儀。
技術背景目前，工程中檢測位移的傳感器和監測儀種類較多，各具特色，各有其適用範圍，但是， 對土木、水利、道路、礦山的開採及地下工程中巖體、巷道巖層內部的位移自動監測和預報 的儀器卻不多見，尤其是對高精度、大位移的實時自動監測幾乎是空白，例如，在煤炭開採 中巷道圍巖內部壓力突變引起的衝擊礦壓、煤炭回採時採掘對巷道頂(底)板、煤柱等巖層 內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，能夠實時自 動監測和預報的儀器，尤其在煤炭開採中尚缺少在地面上實現對井下巷道位移不間斷的實時 自動監測和預報。本人在200610057248.7號專利申請(公開號為CN 1828220)中提請一種離層位移監測儀， 利用拉力線牽動位移輪，帶動光柵環轉動，利用光柵環和固定光柵片之間的光柵移動，變巖 層位移為機械轉動，再變為光柵幹涉條紋變化，進一步變為可計數的電子信號，從而快速和 準確的檢測出微小的巖層位移變化。但依據上述申請製作的離層位移監測儀，在實際應用中存在下述不足1、 筒形外殼適合於埋設在巖體內部，安裝在巷道中有時會影響工作；2、 位移傳感器單元和信息檢測處理單元在筒形外殼中分層安裝工藝較複雜；3、 外殼上的顯示器在巷道中觀察不十分方便；4、 拉力線的長度受限，有效量程小於200mm。 實用新型內容為彌補上述不足，本實用新型的目的是提供結構簡單、易於生產、易於安裝、易於使用 的巖層位移監測儀。本實用新型巖層位移監測儀，包括殼體、拉力線、位移輪、光柵環、由光柵片及光電耦 合器構成的幹涉條紋檢測機構，所述的殼體內設有位移傳感單元和信息採集處理單元，所述 位移傳感器單元由位移轉換機構和幹涉條紋檢測機構組成，所述位移傳感器單元是在固定在 殼體上的支撐電路板上豎直安裝支承臺，在所述支承臺上設一轉軸，所述轉軸上安裝包括依 次連接的所述位移輪、透明圓筒、光柵環組成的所述位移轉換機構，所述光柵環套在所述透
明圓筒上，所述光柵片繞在所述光柵環上，所述光柵片通過立柱固定在所述支撐電路板上， 在所述支撐電路板上對應於所述光柵環位置設有包括小電路板、安裝在小電路板上的光電耦 合器的所述幹涉條紋檢測機構，所述光柵環和所述光柵片插在所述光電耦合器凹槽裡面，所 述信息採集處理單元包括安裝在電路板上的單片機控制模塊、聲光警報模塊、無線通信模塊、 RS485通信模塊和電源轉換模塊，所述光電耦合器的輸出連接所述單片機控制模塊的輸入端， 所述單片機控制模塊的輸出端分別連接所述聲光警報模塊、無線通信模塊和RS485通信模塊， 所述電路板固定在所述殼體上，在所述殼體外設有拉力線張緊機構，由安裝在殼體上的固定 架及其上的張緊輪和張緊彈簧構成，所述張緊輪套在固定在所述固定架上的軸上，所述張緊 彈簧一端連接所述張緊輪， 一端連接所述支承臺的軸，所述拉力線從所述張緊輪引出，穿過 殼體的一側壁，在所述位移輪上繞至少一圈後從殼體另一側穿出。本實用新型巖層位移監測儀，所述轉軸貫穿所述支承臺，在所述支承臺的另一側裝有同 樣的另一套所述的位移傳感單元，對應的在所述固定架的另一側安裝另一套所述張緊機構， 所述另一套張緊機構的拉力線在所述另一套位移傳感器的位移輪上繞至少一圈後引出。本實用新型巖層位移監測儀，所述位移轉換機構中，所述位移輪通過所述轉軸連接處於 所述支承臺另一側的驅動輪，在所述驅動輪外側的所述轉軸上，套有從動輪及固定在所述從 動輪上的所述透明圓筒，在所述驅動輪的二等分圓周處設向心細縫， 一聯動片一端緊貼在圓 周上，另一端在對應細縫處折成彎片，並使彎片可在所述細縫中壓入或彈出，在所述從動輪 上固定一驅動撥杆，其另一端處於所述驅動輪的外沿，在所述支承電路板上固定一回位壓杆， 其另一端緊壓在所述驅動輪的外沿上，所述從動輪上安裝回位鈕簧，其另一端連接所述轉軸， 所述光柵環為半環，貼裝在所述從動輪上的所述驅動撥杆為起點對應的所述透明圓筒的半周 上。'本實用新型巖層位移監測儀，在所述支撐電路板上設置若干個支承臺，安裝若干個由所 述位移轉換傳感單元，對應的在所述殼體外設置若干個所述張緊機構，若干條拉力線從各自 的張緊輪引出，在對應的位移輪上至少繞一圈後從殼體上合適的位置穿出。使用上述巖層位移監測儀的巖層位移監測系統，其特徵在於，系統中設置有若干個所述 巖層位移監測儀、 一臺主機和數個遙控器，所述主機包括和485通信模塊連接的單片機控制 模塊以及與所述單片機控制模塊連接的壓頻轉換模塊、顯示模塊、聲光報警模塊和鍵盤，所 述顯示模塊連接顯示器，所述聲光報警模塊連接聲光報警器，所述遙控器包括遙控單片機和 與之相連的無線通信模塊、顯示器、鍵盤，所述主機通過485總線和所述巖層位移監測儀連 接，所述遙控器和所述巖層位移監測儀通過無線連接。本實用新型巖層位移監測儀，殼體固定在外表巖層上，拉力線固定在內部的一個巖層或
兩個上，巖層間發生位移時，拉力線相對殼體的直線位移通過位移轉換輪變成光柵的旋轉， 進而通過兩光柵之間的相對移動產生的幹涉條紋的計量，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，既可以在現場用無線遙控器讀取數據，也可以遠距離傳送數據。 本實用新型巖層位移監測儀既可單獨使用，亦可組成監測系統對巖體工程進行整體的現場和 遠距離實時自動監測。本實用新型巖層位移監測儀結構簡單、實用方便、檢測精度高，抗幹 擾能力強，可用於煤礦、其它礦井、地下工程中對巖體、巷道頂板、支撐柱體等，目甜，已 用於煤礦巷道頂板及煤巖層的井下和地面遠距離實時自動監測。

圖1是本實用新型巖層位移監測儀第一種方案示意圖；圖2是本實用新型巖層位移監測儀第一方案位移傳感器正視圖；圖3是本實用新型巖層位移監測儀第一方案位移傳感器側視圖；圖4是本實用新型巖層位移監測儀第二種方案示意圖；圖5是本實用新型巖層位移監測儀第二種方案位移傳感器示意圖；圖6是本實用新型巖層位移監測儀光柵片結構示意圖；圖7是本實用新型巖層位移監測儀的通信主機結構示意圖；圖8是本實用新型巖層位移監測儀的通信主機外觀示意圖；圖9是本實用新型巖層位移監測儀系統的電路方框圖。
具體實施方式
為進一步闡述本實用新型，下面結合實施例作更詳盡的說明。本實用新型巖層位移監測儀的第一種方案見圖1，包括殼體2、巖層位移傳感器單元、信 息採集處理單元，殼體2由金屬或具有一定強度的非金屬材料製成的方盒，殼體2的尺寸為 180X110X80 ran，壁厚為3 5mm。殼體2側面安裝有RS485接口 13，殼體2的底面裡安裝 位移傳感器單元和信息採集處理單元。位移傳感器單元詳見圖2、圖3，是在支承電路板3上豎直安裝一個由硬塑料製成的、尺 寸為24X24X5 mm的支承臺12，其上安裝一金屬材料製成的轉軸8，轉軸8的一側安裝由 硬塑料製成的位移輪9，另一側依次安裝由硬塑料製成的驅動輪22、從動輪23和有機玻璃制 作的透明圓筒4。位移輪9和驅動輪22固定在轉軸8上，從動輪23套在轉軸8上，透明圓 筒4固定在從動輪23上，從動輪23上安裝回位鈕簧27，其另一端連接在轉軸8上。在驅動 輪22上設有聯動片26，具體方法是將驅動輪22的圓周分二等分，在圓周等分處設一細縫， 每個細縫附近的圓弧上設一聯動片26，該聯動片26 —端固定在圓周上，另一端在對應細縫 處折成彎片，並使彎片可從圓周上的細縫壓入或彈出；在從動輪23上設有驅動撥杆25，其
伸出端卡在聯動片26的彎片半寬部分上； 一回位壓杆24的一端固定在支承電路板3上，另 一端緊壓在驅動輪22上的聯動片26彎片的其餘半寬部分上，可將聯動片26折彎部分壓入圓 周上的細縫裡，使驅動撥杆25與驅動輪22的聯動片26脫離，此時從動輪23在回位彈簧27 的作用下回到原位，驅動撥杆25將卡在下一個聯動片26的彎片半寬部分上，可見在驅動輪 22連續轉動時，從動輪23隻會作往復180度轉動。如果發生位移，驅動輪22帶動從動輪23和透明圓筒4一起轉動，光柵半環7套在透明 圓筒4上，其位置對應於從動輪23上的驅動撥杆25為起點的半周上，就是光柵環7的起點 分別對應從動輪23上的驅動撥杆25，按從動輪22轉動的方向貼裝半光柵環7;光柵片21繞 在光柵半環7上(見圖6),光柵片21通過立柱29固定在支撐電路板3上，光柵半環7和光 柵片21插在光電耦合器6凹槽裡面，光柵半環7和光柵片21緊密接觸形成幹涉條紋，光電 耦合器6通過小電路板5固定在支承電路板3上，光電耦合器6將幹涉的光學條紋信息轉換 成電信號，通過電纜線傳送到信息採集處理單元。由於從動輪23隻作180度往復轉動，故在 本實施例中，光柵半環7隻需半環即可，既節省光柵材料，對於生產也是十分有利的，因為 半光柵環無需考慮圓周的等分和接縫的精確對接，可以更容易製作成任意精確尺寸，和透明 圓筒4的配合更容易，同時採用光柵片21繞在光柵半環7上的製作方法，可以直接觀察和調 整光柵千涉條紋寬度，獲得穩定的光學條紋光電轉換電信號，提高了儀器的準確度。支承電路板3固定在殼體2上，使位移傳感單元的支承臺12和殼體2成為一體。在殼體2下面設有張緊機構，包括固定在殼體2上的固定架28，固定架28上的張緊輪 11，張緊輪11上連有張緊彈簧10，其另一端連接在橫穿固定架28的軸上。一根具有一定張力的伸縮性很小的金屬拉力線1，從殼體2的頂部引入，在所述的位移 輪9的線槽上至少繞一圈後從殼體2的底部穿出，纏繞在張緊輪il上，張緊彈簧10使拉力 線1處於收緊狀態。在支承電路板3上方向相對、上下錯落地設置兩個巖層位移傳感器單元，見圖1，其中 以尾綴A、 B區分各部件所屬的位移傳感器單元，相應的配備兩個張緊機構，其各自張緊輪 UA、 11B上的拉力線1A、 1B從各自的引入處引入，在各自的位移輪9A、 9B上饒至少一圈後 從各自的穿出處穿出；可以分別固定在各個不同的巖層裡，這樣可監測各個巖層之間的巖層位移。殼體2中還安裝有信息採集處理單元，由另一塊固定在殼體2內的電路板18及其上的單 片機控制模塊16、聲光警報模塊15、無線通信模塊20和RS485通信模塊14組成，單片機控 制模塊16的兩個輸入口連接兩個所述的光電耦合器6A、 6B的輸出端，單片機控制模塊16
的輸出分別連接聲光警報模塊15、無線通信模塊20和RS485通信模塊14， RS485通信模塊 14連接RS485接口 13，無線通信模塊20連接通信天線19，上述所有模塊由一個電源轉換模 塊17A、 17B提供各種所需電壓供電。巖層位移監測儀的光柵環7和光柵片21採用10線/mm的等節距平行光柵，位移輪9的 繞線槽直徑與透明圓筒4上的光柵環7直徑相等，故測量位移精度為0. lmm,如果採用更高密 度的光柵，則可提高測量精度，例如，採用100線/mm，測量精度為O.Olmm，採用1000線/mm， 測量精度為.OOlmm等等。改變位移輪9繞線槽直徑與透明圓筒4直徑的比例，亦可提高測 量精度，例如，採用10線/mm，位移輪9繞線槽直徑與透明圓筒4直徑的比為1:2，則測量 位移精度為0.05mm。採用上述兩種方法可以達到任何要求的測量精度。巖層位移傳感器單元的另一種形式(見圖4)是在殼體2側面安裝有RS485接口 13，殼 體2內安裝位移傳感器單元和光電信息採集單元，位移傳感器單元是在支承電路板3上豎直 安裝一個由硬塑料製成的、尺寸為24x24x5 mm的支承臺12，其上安裝一金屬材料製成的轉 軸8,在支承臺12兩側的轉軸8上各安裝一硬塑料製成的位移輪9C、 9D，透明圓筒4A、 4B 分別固定在位移輪9C、 9D上與位移輪9C、 9D—起連轉軸8旋轉，透明圓筒4A、 4B—端部貼 有全環光柵環7A、 7B,光柵片21A、 21B繞在光柵環7A、 7B上(見圖6)，光柵片21A、 21B 通過立柱29A、 29B固定在支撐電路板3上，光柵環7A、 7B和光柵片21A、 21B插在光電耦合 器6A、 6B凹槽裡面，光柵環7A、 7B和小光柵21A、 21B緊密接觸，光電耦合器6A、 6B通過 電路板5A、 5B固定在支承電路板3上，光電耦合器6A、 6B將幹涉的光學條紋信息轉換成電 信號。兩根加有預張力的拉力線1A、 1B，從殼體2的頂部引入，在位移輪9A、 9B上的線槽 上至少繞一圈後從殼體2的底部穿出，繞在固定在殼體2下面的固定架28上的張緊輪IIA、 IIB.匕。光電耦合器6A、 6B連接電源，其輸出端連接信息採集處理單元。第二方案的信息採集處理單元與第一方案相同。本巖層位移監測儀的實際使用見圖9，由數個巖層位移監測儀、-一個通信主機、RS485總 線、直流電源線和遙控器組成一個完整的系統，通信主機連接RS485總線，每個巖層位移監 測儀均掛在總線上，遙控器和巖層位移監測儀之間通過無線方式連接，在一個系統中，可以 使用多個遙控器。其中的通信主機由安裝在殼體33 (見圖7)的單片機控制單元37、 485總線通信模塊36 和壓頻轉換模塊31組成。殼體33由金屬或具有一定強度的非金屬材料製成的方盒，殼體33 的尺寸為180X110X80 mm，壁厚為3 5mm，殼體33側面安裝有電纜接線端子32A、 32B， 殼體33中安裝一電路板34，上裝單片機控制模塊37,單片機控制模塊37的I/O 口連接RS485
通信模塊36，輸出口連接壓頻轉換模塊31， RS485通信模塊36連接電纜接線端子32A，壓 頻轉換模塊31輸出端連接電纜接線端子32B。單片機模塊37還連接顯示模塊39和聲光報警 模塊40，上述所有器件安裝在主殼體體33內的電路板34上，由電源轉換模塊35提供所需 電壓供電，電路板34固定在殼體33上，殼體33正表面還設有鍵盤42、顯示器38和聲光報 警器41 (見圖8)，鍵盤42直接連接單片機控制模塊37，顯示器38連接顯示模塊39，聲光 報警器41連接聲光報警模塊40。在傳送信息的同時，也可以現場査詢各種數據，在緊急狀 態下，還可以自動報警，提醒現場人員注意。巖層位移監測儀經RS485總線和通信主機建立聯繫，通信主機通過壓頻轉換模塊和井下 通信分站建立聯繫，井下通信分站再傳輸到地面監控總站，地面監控總站又將頻率信號轉換 為巖層位移信息，實現由地面總站遠距離實時自動監測煤巷頂板巖層位移。遙控器由遙控單片機、無線通信模塊、顯示器和控制鍵組成(見圖9)，用於現場查詢位 移參數；當需要查詢位移參數時，在巖層位移監測儀附近打開遙控器，即可和最近的巖層位 移監測儀建立聯繫，及時地取出此巖層位移監測儀監測到的位移參數， 一般遙控器供井下現 場人員使用。本實用新型巖層位移監測儀可安裝在巷道頂、底板上、圍巖體表面，拉力線通過鑽孔固 定在待測的巖(煤)層上，當發生巖層位移時，拉力線帶動位移轉換輪和透明圓筒同步轉動， 將巖層位移轉換為圓弧轉動，透明圓筒上的光柵環與光柵片幹涉形成的光柵條紋，將圓弧轉 動轉換為光學信息，巖層位移傳感器單元的光電耦合器將光學信息轉換為電信號，通過電纜 線傳送到信息採集處理單元處理後，轉換成巖層位移信息，經可視化處理，顯示巷道頂板及 圍巖巖層位移變化規律圖。本實用新型巖層位移監測儀既可監測巖(煤)層的絕對位移量， 也可監測位移變化速率，當位移量或位移速率超過安全界限時，形成系統後可從地面監控總 站實施對井下巷道自動報警，實現對井下巷道頂板及圍巖體巖層位移遠距離實時自動監測， 避免因頂板冒落、衝擊礦壓引起的安全事故。本實用新型巖層位移監測儀結構簡單、操作方 便、既適用於小位移高精度測量，也適用於大位移高精度的自動監測。該系統能夠廣泛應用 在礦山開採、土木、水利、道路等施工過程中對圍巖體、巷道頂底板、製成巖體等巖層位移 進行有效地自動實時監測，及時消除生產安全隱患，也為巷道及支撐巖體設計提供依據。目 前，己用於煤礦巷道頂板及煤巖的井下和地面遠距離實時自動監測。
權利要求1、一種巖層位移監測儀，包括殼體(2)、拉力線(1)、位移輪(9)、光柵環(7)、由光柵片(21)及光電耦合器(6)構成的幹涉條紋檢測機構，其特徵在於所述的殼體(2)內設有位移傳感單元和信息採集處理單元，所述位移傳感器單元包含位移轉換機構和幹涉條紋檢測機構，所述位移轉換機構是在固定在殼體(2)上的支撐電路板(3)上豎直安裝支承臺(12)，在所述支承臺(12)上安裝一轉軸(8)，所述轉軸(8)上安裝由依次連接的所述位移輪(9)、透明圓筒(4)、套在所述透明圓筒(4)上的光柵環(7)、繞在所述光柵環(7)上的光柵片(21)，所述光柵片(21)通過立柱(29)固定在所述支撐電路板(3)上，所述幹涉條紋檢測機構是在所述支撐電路板(3)上對應於所述光柵環(7)位置設有小電路板(5)，所述小電路板(5)上安裝一光電耦合器(6)，所述光柵環(7)和光柵片(21)插在所述光電耦合器(6)凹槽裡面，所述信息採集處理單元由安裝在電路板(18)上的單片機控制模塊(16)、聲光警報模塊(15)、無線通信模塊(20)、RS485通信模塊(14)和電源轉換模塊(17)構成，所述光電耦合器(6)的輸出連接所述單片機控制模塊(16)的輸入端，所述單片機控制模塊的輸出端分別連接所述聲光警報模塊(15)、無線通信模塊(20)和RS485通信模塊(14)，所述電路板(18)固定在所述殼體(2)上，在所述殼體(2)外設有拉力線張緊機構，由安裝在殼體(2)上的固定架(28)及其上的張緊輪(11)和張緊彈簧(10)構成，所述張緊輪(11)套在固定在所述固定架(28)上的軸上，所述張緊彈簧(10)一端連接張緊輪(11)，一端連接支承臺(28)的軸，拉力線(1)從所述張緊輪(11)引出，穿過殼體(2)的一側壁，在所述位移輪(9)上繞至少一圈後從殼體(2)另一側穿出。
2、 根據權利要求1所述的巖層位移監測儀，其特徵在於所述轉軸(8)貫穿所述支承臺(12) ，在所述支承臺(12)的另一側裝有同樣的另一套所述位移傳感單元，對應的在所述固 定架(28)的另一側安裝另一套所述張緊機構，所述另一套張緊機構的拉力線UB)在所述 另--套位移傳感器的位移輪(9D)上繞至少一圈後引出。
3、 根據權利要求1所述的巖層位移監測儀，其特徵在於所述位移轉換機構中，所述位移 輪(9)通過所述轉軸(8)連接處於所述支承臺(12)另一側的驅動輪(22)，在所述驅動輪(22)外側的所述轉軸(8)上，套有從動輪(23)及固定在所述從動輪(23)上的所述透明 圓筒(4)，在所述驅動輪(22)的圓周二等分處設向心細縫， 一聯動片(26) —端緊貼在圓 周上，另一端在對應細縫處折成彎片，並使彎片可從向心細縫壓入和彈出，在所述從動輪(23) 上固定一驅動撥杆(25)，其另一端處於驅動輪(22)的外沿，在所述支承電路板(3)上固 定一回位壓杆(24)，其另一端緊壓在所述驅動輪(22)的外沿上，所述從動輪(23)上安裝 回位鈕簧(27)，其另一端連接所述轉軸(8〉，所述光柵環(7)為半環，貼裝在所述從動輪 (23)上的所述驅動撥杆(25)為起點對應的所述透明圓筒(4)的半周上。
4、 根據權利要求3所述的巖層位移監測儀，其特徵在於在所述支撐電路板(3)上設置 若干個支承臺(12A、 12B),安裝若干個由所述位移傳感單元，對應的在所述殼體(2)外設 置若干個所述張緊機構，若千條拉力線(1A、 1B)從各自的張緊輪(IIA、 引出，在對 應的位移輪(9A、 9B)上至少繞一圈後從殼體(2)上合適的位置穿出。
5、 一種使用權利要求1一4之一所述的巖層位移監測儀的巖層位移監測系統，其特徵在 於，系統中設置有任意個所述巖層位移監測儀、 一臺主機和數個遙控器，所述主機包括和485 通信模塊連接的單片機控制模塊以及與所述單片機控制模塊連接的壓頻轉換模塊、顯示模塊、 聲光報警模塊和鍵盤，所述顯示模塊連接顯示器，所述聲光報警模塊連接聲光報警器，所述 遙控器包括遙控單片機和與之相連的無線通信模塊、顯示器、鍵盤，所述主機通過485總線 和所述巖層位移監測儀連接，所述遙控器和所述巖層位移監測儀通過無線連接。
專利摘要巖層位移監測儀，是一種巖層間位移監測儀器，由位移傳感器單元和信息採集處理單元組成，位移傳感器單元包括連接在位移輪上的可轉動的光柵環、固定的光柵片、纏繞在位移輪上的拉力線以及保持拉力線張力的張緊機構；信息採集處理單元包括光電耦合器、單片機控制、聲光報警、無線通信、RS485通信和電源轉換模塊；巖層位移監測儀外殼固定在外表巖層上，拉力線固定在內部巖層上，內部巖層和外表巖層的直線位移通過光耦計量光柵環和光柵片的相對移動產生幹涉條紋而被精確測量，並可計算位移變化速率；本巖層位移監測儀可以和通信主機、遙控器共組系統；用於煤礦、其它礦井、地下工程中對巖體、巷道頂板、支撐柱體等進行現場和遠距離實時自動監測。
文檔編號G01C7/02GK201034588SQ20062013408
公開日2008年3月12日 申請日期2006年10月17日 優先權日2006年10月17日
發明者安裡千 申請人:安裡千