專利名稱：自動巡檢式分層沉降儀的制作方法
技術領域：
本發明屬于土木工程質量監測儀器，特別涉及用于陸上軟土地基分層沉降量長期監測的沉降儀一自動巡檢式分層沉降儀。
背景技術：
在港口建設中，通常使用軟尺沉降儀監測軟土地基的分層沉降量。軟尺沉降儀工作方式為:在待測軟土地基中預埋PVC材質的沉降管，并在沉降管外分段套有沉降磁環，沉降磁環隨被測土層沉降。軟尺一端有磁感應傳感器并通過軟尺上附著的信號線連接至軟尺另一端的接收器，接受器內有蜂鳴器，軟尺上標有刻度。人工把軟尺帶有測頭端放入PVC導管內，手握軟尺讓測頭緩慢地向下移動，當測頭到達到土層中的磁環埋設位置時，接收器的蜂鳴器便會發出蜂鳴聲，此時人工讀出軟尺在管口處的深度尺寸，這樣一點一點地測量到底。這種方式需全程人工操作、讀數、記錄測值。因此效率低、容易產生觀測錯誤、測量精度低、數據需人工記錄歸檔。在先申請的201020255577.4，CN201716583U基于微機的軟土地基分層沉自動監測系統降專利存在一下弊端不足:1、現有技術鋼絲繩下端探頭有銅管配重鐵塊、無線發射模塊、電池、干簧管磁感應傳感器等組成，探頭較為粗大，在套管內滑動時易在套管接口處卡住，影響測量準確性。2、探頭組件較多、較沉長時間使用會使傳動鋼絲繩拉長變形，影響測量準確性。3、探頭內無線模塊需要電池供電，定期要人工更換電池，人工從套管內取出探頭拆卸電池，操作不便。4、土層內探頭上的“無線發射模塊”易受附近土層施工中埋設的電氣設備的電信號干擾(如電滲法軟基加固中土層內埋設的金屬電極對附近土層產生的電磁干擾)，而不能將探頭檢測信號及時發送給土表的接收機，影響測量準確性。
發明內容
本發明的目的在于提供一種自動巡檢式分層沉降儀，用于長期監測陸上軟土地基分層沉降量。自動巡檢式分層沉降儀安裝簡便、使用成本低廉、監測精度及靈敏度高，可自動監測各被測土層沉降量，將監測數據自動無線發送至遠程接收機，因而實現分層沉降量的自動無人監測及采集數據。亦可在現場使用手持監測儀器接收監測數據及實時檢測，并可將各沉降量數值實時直觀的顯示出來。本發明的技術方案是:一種自動巡檢式分層沉降儀，其特征在于:有多個豎直的導管依次上下連接，導管連接處外面有導管連接環，連接的導管最底端的底端口上有錐形導管密封頭；在導管外表面分布有沉降環，沉降環內有磁鐵環，在沉降環外連接有向外放射狀并可以收放的錨固鐵片；連接的導管最上端有測量盒，在導管內部裝有磁感應測頭，磁感應測頭上方連接細線纜，細線纜上端連接裝在測量盒內部的沉降量電測裝置，沉降量電測裝置連接測控及無線傳輸裝置，測控及無線傳輸裝置連接測量盒外的無線電收發天線，測控及無線傳輸裝置還通過信號線纜連接測量盒外的手持監測儀器。所述沉降量電測裝置，有一個步進電機，步進電機軸上裝有圓柱形繞線輪，磁感應測頭上方的細線纜的上部分纏繞在圓柱形繞線輪上，圓柱形繞線輪的側圓端面上有兩個與圓柱形繞線輪同軸心的電滑環，兩個電滑環的表面分別與兩個電刷相接觸，兩個電刷分別連接有電刷信號線，兩個電刷信號線分別連接測控及無線傳輸裝置，步進電機軸外端與角位移傳感器的旋轉軸同軸連接，步進電機信號線纜連接測控及無線傳輸裝置，角位移傳感器信號線纜連接測控及無線傳輸裝置。所述的可以收放的錨固鐵片的外端由水溶性紙質膠帶固定在導管外壁上。本發明特點優點:本自動巡檢式分層沉降儀結構簡單，適用性強，用于長期監測陸上軟土地基分層沉降量。自動巡檢式分層沉降儀安裝簡便、使用成本低廉、監測精度及靈敏度高，可自動監測各被測土層沉降量，將監測數據自動無線發送至遠程接收機，因而實現分層沉降量的自動無人監測及采集數據。亦可在現場使用手持監測儀器接收監測數據及實時檢測，并可將各沉降量數值實時直觀的顯示出來。
圖1是自動巡檢式分層沉降儀結構圖2.1是沉降環結構圖2.2是沉降環埋設前狀態圖2.3是沉降環埋設后狀態圖3.1是測量盒內部結構主視3.2是測量盒內部結構左視中:1地下不發生沉降巖層、2PVC導管密封頭、3沉降環、4PVC導管連接環、5磁感應測頭、6 土體表層、7沉降量電測裝置、8信號線纜、9手持監測儀器、10無線電收發天線、11測量盒、12測控及無線傳輸裝置、13PVC導管、14細電纜、15錨固鐵片、16磁鐵、17水溶性紙質膠帶、18測量盒底板上的過線孔、19圓柱形繞線輪、20電滑環、21角位移傳感器信號線纜、22角位移傳感器的旋轉軸、23電刷、24步進電機旋轉軸、25步進電機、26步進電機信號線纜。
具體實施例方式如圖1所示一種自動巡檢式分層沉降儀，有多個豎直的導管依次上下連接，導管連接處外面有導管連接環，連接的導管最底端的底端口上有錐形導管密封頭；在導管外表面分布有沉降環。連接的導管最上端有測量盒，在導管內部裝有磁感應測頭，磁感應測頭上方連接細線纜，細線纜上端連接裝在測量盒內部的沉降量電測裝置，沉降量電測裝置連接測控及無線傳輸裝置，測控及無線傳輸裝置連接測量盒外的無線電收發天線，測控及無線傳輸裝置還通過信號線纜連接測量盒外的手持監測儀器。如圖2.1所示沉降環內有磁鐵環，在沉降環外連接有向外放射狀并可以收放的錨固鐵片；如圖2.2所示的可以收放的錨固鐵片的外端由水溶性紙質膠帶固定在導管外壁上。如圖2.3是當水溶性紙質膠被水溶化后，可以收放的錨固鐵片打開呈放射狀如圖
2.1所示。如圖3.1所示的沉降量電測裝置，有一個步進電機，步進電機軸上裝有圓柱形繞線輪，磁感應測頭上方的細線纜的上部分纏繞在圓柱形繞線輪上，步進電機軸外端與角位移傳感器的旋轉軸同軸連接，步進電機信號線纜連接測控及無線傳輸裝置，角位移傳感器信號線纜連接測控及無線傳輸裝置。如圖3.2所示圓柱形繞線輪的側圓端面上有兩個與圓柱形繞線輪同軸心的電滑環，兩個電滑環的表面分別與兩個電刷相接觸，兩個電刷分別連接有電刷信號線，兩個電刷信號線分別連接測控及無線傳輸裝置。本角位移式水下沉降儀，其結構進一步說明:沉降儀導管的下端固定在地下不發生沉降巖層的錨固點，其上端依次連接沉降儀的“沉降環”、“測量盒”，并通過“測量盒”上的“無線電收發天線”連接至“遠程接收機”，或通過“測量盒”引出的線纜連接到手持監測儀器，從而可以直觀實時準確的讀取當前各沉降環所在土層自沉降儀埋設時至此刻這段時間內所發生的沉降量。各裝置特征如下:一、導管導管為堅固非金屬材質如PVC材料等加工而成的中空柱體，下文說明以圓柱形PVC導管為例。如圖1所示，導管外側套有沉降環。導管分為多節，縱向連接埋入待測土層中，最末節導管底端用密封頭密封并錨固在地下不發生沉降的巖層。相鄰導管間通過“導管連接環”緊固連接。二、沉降環沉降環為堅固非金屬材質如PVC材料等加工而成。如圖2.1所示，沉降環外周裝有有數個可折疊“錨固鐵片”，用于使沉降環錨固在被測土層。沉降環內測嵌有一圈磁鐵用于觸發沉降儀探頭內的磁感應元件。多個沉降環預先套裝在導管上，根據各沉降環預監測的土層深度來確定其在導桿上的套裝位置。各沉降環套裝好后依次縱向排列在導桿上，并依照其所處位置排好編號。例如導桿上套有八個沉降環，最上端的為一號沉降環依次排號遞增至底端為八號沉降環。如圖2.2所示，沉降環四周的“錨固鐵片”在導桿埋設前先用力折起并用水溶性紙質膠帶拴在導桿側壁上。如圖2.3所示，待導桿埋設好，沉降環已達到預定土層深度后，水溶性紙質膠帶會被土層中的水溶化。隨后“錨固鐵片”由于自身彈性而自動撐開，錨固在待測土層中，使得沉降環隨著待測土層下沉。三、測量盒測量盒固定于導管正上方，并在頂部裝有無線電收發天線，用于與遠程監控主機傳遞數據，還設有信號輸入輸出接口，以便通過信號線纜與手持監測儀器連接。測量盒中裝有電池為各電路供電，測量盒內還包括以下兩部份:1、沉降量巡檢裝置1.1、步進電機
如圖3.1所示，步進電機安裝在測量盒內，其控制線纜連接至“測控及無線傳輸裝置”內的“控制電路”，根據“控制電路”發出的指令旋轉及停止。步進電機的轉動軸與“圓柱形繞線輪”軸心及“角位移傳感器”的轉動軸同軸固定連接且同步轉動。1.2、磁感應測頭磁感應測頭為堅固非金屬材質如PVC材料等加工而成。磁感應測頭內有磁感應元件如霍爾元件或干簧管等。1.2、位移傳動機構如圖3.1、圖3.2所示，位移傳動機構中的“圓柱形繞線輪”上繞有細電纜，纏繞圈數可根據量程需要修改。細電纜上端與“圓柱形繞線輪”側面固定連接，細電纜內部各線芯與“圓柱形繞線輪”圓面上的對應電滑環連接導通，電滑環與對應電刷接觸導通，使得細電纜內部各線芯通過對應的電滑環、電刷連接至“測控及無線傳輸裝置”內的“測控單元”。細電纜下端由沉降量測量盒下部引出，并與磁感應測頭連接，細電纜下端內部各線芯與測頭中的磁感應元件對應引腳連接導通。“圓柱形繞線輪”側面有細螺紋，細電纜臥于螺紋凹槽內，使得細電纜在從“圓柱形繞線輪”上放出或回收時始終并排纏繞。由于“步進電機”的轉動軸與“圓柱形繞線輪”軸心及“角位移傳感器”的轉動軸同軸固定連接且同步轉動，所以“圓柱形繞線輪”旋轉時的角位移量與“角位移傳感器”旋轉軸轉動的角位移量及“步進電機”轉動軸轉動的角位移量相等且同步增減。每次對各沉降環所在土層沉降量進行巡測時，“測控單元”控制“步進電機”帶動“圓柱形繞線輪”旋轉，使得磁感應測頭在導管內緩緩放下。當測頭到達導管上端第一個沉降環位置時，測頭內磁感應元件探測到沉降環內磁鐵的磁場，則立即通過細電纜發送電信號給測量盒內的“測控單元”，“測控單元”收到該信號后立即控制“步進電機”停轉。并由“測控單元”記錄下此時“角位移傳感器”測得的角位移量Θ (單位為弧度)，并與沉降量監測起始時間點該沉降環測得的角位移量相減，得出角位移增量^ Θ (單位為弧度)。則此沉降環自沉降量監測起始時間點至此次檢測時的下沉(或上移)量為L，即此沉降環所在土層 在這段時間內的沉降量為L。“圓柱形繞線輪”的周長為C。因此:L二.測控單元”可
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通過所測Z Θ計算出該沉降環所在土層沉降量L。“測控單元”記錄下所測第一個沉降環的沉降量L后，控制“步進電機”繼續轉動使得磁感應測頭繼續緩緩放下，當測頭到達下一個沉降環位置時，設備重復上述步驟，依次類推，由“測控單元”記錄下導管上各沉降環所在土層的沉降量，當測頭檢測完最下端的磁環所在土層沉降量后，“測控單元”記錄下所測最下端沉降環的沉降量后，控制“步進電機”反向轉動直至測頭上升至緊貼測量盒底部，從而完成了一次自動巡檢過程，并采集記錄了各被測土層的沉降量。1.3、位移量轉化為數字電信號機構“角位移傳感器”的類型可以用:電阻式旋轉編碼器、絕對型光電式旋轉編碼器、絕對型電磁式旋轉編碼器等。例如“角位移傳感器”使用絕對型光電式旋轉編碼器或絕對型電磁式旋轉編碼器，編碼器均可直接輸出量值為R的數字信號，量值R與編碼器測得的角度θ成線性關系，因此兩者在某時間段內的增量關系為e=k^ R，k為固定轉換常數，由編碼器生產廠家提供，為已知常量。則:L=CkR/2π
數字信號通過各角位移傳感器信號線纜將量值R傳入“測控單元”。經“測控單元”內的單片機運算后得出所測沉降量L。2、測控及無線數據傳輸裝置2.1、測控單元“測控單元”可接受“磁感應探頭”發來的信號，并可控制“步進電機”正反向旋轉與停轉。“測控單元”可接收到“角位移傳感器”輸出的實時數字信號，數字信號經信號處理電路后輸出量值R至“測控單元”內的單片機。各沉降環在其沉降量監測起始時間點所測的數字信號的量值R’已記錄在單片機的內部存儲器中，R’通常采用沉降環剛埋設好時所測數值，也可自行選擇所需的起始時間點的測量值。經“測控單元”內單片機的程序運算使得單片機輸出的各數字信號量值即為各沉降環在其沉降量監測起始時間點至此次監測時
間點之間這段時間內的被測土層沉降量L。單片機所運行的換算公式即為:L=Ck(R-R)/2π
2.2、無線數據傳輸裝置“測控單元”中單片機輸出的各路數字信號量值即各沉降環所在土層的沉降量L。單片機輸出的各路數字信號可通過無線數傳模塊發送至遠程接收機。無線數據傳輸裝置的無線電收發天線安裝在測量盒頂部。單片機輸出的各路數字信號亦可以通過測量盒外殼上的信號輸入輸出接口經信號線纜與手持監測儀器連接，從而在手持監測儀器上現場實時直觀的顯示各沉降環所在土層的沉降量。本發明成果的使用方法是:如圖1所示，將沉降儀導桿下部固定于地下不發生沉降巖層的錨固點，導桿上套有多個沉降環，各沉降環分別嵌入各待測土層。巡檢開始時“測量盒”內“測控單元”驅使“步進電機”旋轉帶動“圓柱形繞線輪”旋轉，使得“磁感應測頭”緩緩下降。測頭從上至下依次經過導管上各沉降環位置，并自動測量記錄下各沉降環所在土層的沉降量，全部檢測完成后測頭自動回收至測量盒底部，測量盒內的單片機將測量結果處理后將所測得各土層沉降量經無線電收發天線發送給遠程接收機，即完成了一次巡檢過程。從而可以直接實時準確的讀取當前各沉降環所在土層的沉降量。測量盒也可直接連接手持監測儀器，以便現場觀測實時沉降量。沉降儀的輸出信號為數字信號，此數字信號經無線電收發天線傳至遠程接收機，因此測量精度不受傳輸距離的影響。此數字信號還可經線纜傳至手持監測儀器，因此測量精度不易受到線纜長度及外界電磁干擾的影響。該沉降儀具備多土層監測及大量程和高靈敏度，在埋設點可同時監測8個以上不同深度土層的沉降量，各土層沉降量測量量程可達5米以上、靈敏度可達0.05毫米。
權利要求
1.一種自動巡檢式分層沉降儀，其特征在于:有多個豎直的導管依次上下連接，導管連接處外面有導管連接環，連接的導管最底端的底端口上有錐形導管密封頭；在導管外表面分布有沉降環，沉降環內有磁鐵環，在沉降環外連接有向外放射狀并可以收放的錨固鐵片；連接的導管最上端有測量盒，在導管內部裝有磁感應測頭，磁感應測頭上方連接細線纜，細線纜上端連接裝在測量盒內部的沉降量電測裝置，沉降量電測裝置連接測控及無線傳輸裝置，測控及無線傳輸裝置連接測量盒外的無線電收發天線，測控及無線傳輸裝置還通過信號線纜連接測量盒外的手持監測儀器。
2.根據權利要求1所述的自動巡檢式分層沉降儀，其特征在于:所述沉降量電測裝置，有一個步進電機，步進電機軸上裝有圓柱形繞線輪，磁感應測頭上方的細線纜的上部分纏繞在圓柱形繞線輪上，圓柱形繞線輪的側圓端面上有兩個與圓柱形繞線輪同軸心的電滑環，兩個電滑環的表面分別與兩個電刷相接觸，兩個電刷分別連接有電刷信號線，兩個電刷信號線分別連接測控及無線傳輸裝置，步進電機軸外端與角位移傳感器的旋轉軸同軸連接，步進電機信號線纜連接測控及無線傳輸裝置，角位移傳感器信號線纜連接測控及無線傳輸裝置。
3.根據權利要求1所述的自動巡檢式分層沉降儀，其特征在于:所述的可以收放的錨固鐵片的外端由水溶性紙質膠帶固定在導管外壁上。
全文摘要
自動巡檢式分層沉降儀，導管連接處外面有導管連接環，導管最底端有導管密封頭；導管外分布有沉降環，沉降環內有磁鐵環，其外收放的錨固鐵片；導管上端有測量盒，導管內裝有磁感應測頭，磁感應測頭上連接細線纜，細線纜上端連接沉降量電測裝置，沉降量電測裝置連接測控及無線傳輸裝置，測控及無線傳輸裝置連接無線電收發天線，測控及無線傳輸裝置還通過信號線纜連接測量盒外的手持監測儀器。用于長期監測陸上軟土地基分層沉降量。安裝簡便、成本低、監測精度及靈敏度高，可自動監測各被測土層沉降量，監測數據自動無線發送至遠程接收機，因而實現自動無人監測及采集數據。亦可在現場使用手持監測儀器接收監測數據及實時檢測。
文檔編號G01C5/00GK103196421SQ20131002232
公開日2013年7月10日 申請日期2013年1月22日 優先權日2013年1月22日
發明者黃泰, 劉天韻 申請人:中交天津港灣工程研究院有限公司, 中交第一航務工程局有限公司, 天津港灣工程質量檢測中心有限公司