CN101476869A - 一种监测土遗址崖***移的多点式位移计及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种监测土遗址崖***移的多点式位移计及其使用方法，它包括测管、活动磁环和检测装置。测杆由两个同轴的圆管组成：外管由防腐蚀材料制成；中心是由磁致伸缩材料构成的波导管，活动磁环为环状磁铁，活动磁环套在测杆上可自由滑动，一端固定在被测目标物——土遗址崖体上，另一端连接在检测装置上。土遗址崖***移监测是利用磁致伸缩原理及磁场对磁致伸缩导线的作用，也就是说利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间来计算出磁场相交点的准确位置来实现的。本发明的位移监测装置具有高精度、非接触、寿命长、稳定性高、安装方便等优点，由于检测元件是非接触的，即使不断重复检测，也不会对传感器造成任何磨损，可以大大地提高检测的可靠性和使用寿命。确保加固过程中人员和文物的安全。

Description

一种监测土遗址崖***移的多点式位移计及其使用方法

技术领域

本发明属于位移监测技术领域，具体的讲，涉及一种用于监测土遗址崖体表面变形的多点位移装置及其使用方法。

背景技术

我国境内的丝绸之路古遗址主要有石窟寺和土建筑遗址两大类，共1200多处，其中除世界文化遗产敦煌莫高窟外，还有上百个国家级文物保护单位。这些古遗址历史悠久，文化和科学内涵非常丰富，有极高的考古、历史文化和科学价值。目前土遗址遭受的主要病害是严重的风化及风蚀、雨蚀破坏，在崖面上形成许多沟壑和崖体，严重者使土遗址局部坍塌，造成毁灭性破坏。例如位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市西10km的交河故城，建于公元前3世纪以前，在我国西域史上占有重要的地位，由于自然和人为因素，交河故城的文物本体和崖体产生了严重的病害。2006年国家***立项对交河故城实施抢险加固工程，其中崖体加固工程占本次加固工程量的绝大部分。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开了“南竹加筋复合锚杆”(公开号：CN2793196Y，)，该技术所提供一种适合于大体量、松软土体、耐久性好的土遗址锚杆加固技术，目前已广泛应用于土遗址危岩体(崖体)的加固与保护工程中。

但由于一些待加固的崖体濒临崩塌或下挫的极限，为了确保加固过程中人员和文物的安全，需要对加固崖体全过程实施变形(位移)监测。

发明内容

本发明的目的在于针对土遗址崖体加固保护工程中的特点，提供一种监测土遗址崖***移的多点式位移计，用于土遗址加固工程中的位移监测，确保加固过程中人员和文物的安全。

本发明的另一目的提供一种监测土遗址崖***移的多点式位移计的使用方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种监测土遗址崖***移的多点式位移计，是由测杆、活动磁环和检测装置组成。测杆由两个同轴的圆管组成：外管由防腐蚀材料制成；中心是由磁致伸缩材料构成的波导管，活动磁环为环状磁铁，套在测杆上自由滑动，一端固定在被测目标物——土遗址崖体上，另一端连接在检测装置上。

一种监测土遗址崖***移的多点式位移计的使用方法是，其步骤是：

1)、在现场将活动磁环固定与可能发生位移的裂隙(k)两侧；

2)、将测杆穿过活动磁环，并保证活动磁环在测杆上可自由移动，一端固定于被测目标物，另一端连接在检测装置上；

3)、检测装置3接入计算机管理***，信号由RS-485总线经PLC的485模块进入PLC***，PLC的处理数据通过Profibus总线送入西门子OS77操作站(CELSIUS400)，由软件做进一步处理；

4)、在计算机上输入指令，使检测装置3每隔一段时间间隔便产生脉冲激励，脉冲激励产生的磁场沿着波导管以光速自向尾端前进，当与活动磁环相交时，，波导管在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速从此点经测杆向检测装置回传，应变脉冲就被检测装置探测到；当活动磁环运动至新的位置时，重新确定上述测量，就可以得到土遗址崖体表面的位移连续曲线；

5)、位移速率若达到每小时3mm，表明加固的崖体有濒临崩塌或下挫的危险，要采取相应的应急措施，以保障施工人员的安全。

6)、对比实施加固工程前后的位移曲线，评价加固工程的效果。

本发明的工作原理主要是利用磁致效应和超声效应的结合来达到测量目的。如图1所示，检测装置中的脉冲发生器首先在测杆中得磁致伸缩波导管上施加一个电脉冲信号，此电脉冲同时伴随一个环型磁场，以光速沿波导管向下传递。当该磁场遇到活动磁环中磁铁产生的纵向磁场时，将与之进行矢量叠加，形成一个螺旋形的磁场。当合成磁场发生变化形成螺旋形磁场时，磁致伸缩波导管会产生沿螺旋形磁场的伸缩变形，导致波导管产生扭曲变形，从而激发扭转波(或返回脉冲)。该扭转波沿波导管以超声波的形式回传到检测装置内。根据维拉里效应，磁致伸缩材料发生物理变形时，会在磁致伸缩材料内引起磁场强度的变化，因此，通过传感器线圈的磁通将发生变化，在检测装置中将产生一个可以被检测到的感应电动势。超声扭转波的传播速度为一常数(2838m/s左右)。因此，从发射电流脉冲的一刻到检测到感应电动势的时间差乘以这个固定速度，便能精确地算出磁铁(活动磁环)的精确位置。

本发明具有以下的技术优点：

1、高精度

由于本发明的多点位移计是通过测量发射脉冲和返回脉冲的时间差来确定被测位移量，因此测量精度极高。其非线性小于0.05％FS，重复性小于0.001％FS，分辩率小于0.002％FS，精度大大高于其他位移监测装置。

2、多点测量

因为本发明的多点位移计中的检测装置可以探测到由同一发射脉冲产生的连续磁波，所以在同一测杆上可配装2-10个活动磁环，实现多点测量。

3、可靠性高，故障率低，寿命长

由于本发明的多点位移计的传感元件(波导管)和被测介质非接触，所以虽然测量过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损。因此，它具有工作可靠性高、故障低、寿命长的优点，适合各种恶劣环境。

4、便于自动化管理

本发明的多点位移计中的检测装置一般输出信号接口采用4~20mA的标准电流信号或RS-485数字信号接口，可直接接入PLC、DCS***或其他计算机管理***，便于微机对信号进行处理，实现自动监测。

附图说明

图1是监测土遗址崖***移的多点式位移计在现场的安装示意图。

图2是监测土遗址崖***移的多点式位移计的结构示意图。

图3是土遗址现场实测位移曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明再作进一步描述：

实施例

如图1、图2所示，一种监测土遗址崖***移的多点式位移计，是由测杆1、活动磁环2和检测装置3组成。测杆1由两个同轴的圆管构成：防腐蚀材料制作的外管为聚四氟乙烯树脂套；中心是由磁致伸缩材料构成的波导管(NWDZ-L、常州纳微电子有限公司产)，活动磁环2为环状磁铁，套在测杆1上自由滑动，一端固定在被测目标物——土遗址崖体上，另一端连接在检测装置3(型号：KYCM-L、上海康宇测控仪表有限公司产)上。

监测土遗址崖***移的多点式位移计的使用方法：

被加固的土遗址崖体高约20m，地表面有2个长约15m、宽约1cm的可观察到的裂隙，为了保证加固工程的安全以及检验加固工程的的效果，对崖体进行了多点位移监测，其步骤是：

1)、在崖体上间隔5m打1m深度的木桩，并将活动磁环2用螺丝固定在木桩上。

2)、将内部有波导管的测杆1穿过活动磁环2，活动磁环2在测杆1上可自由移动，一端固定于被测目标，另一端连接在检测装置3上。检测装置3是一个脉冲发生器，输出信号接口采用4～20mA的标准电流信号或RS-485数字信号接口，可直接接入PLC、DCS***或其他计算机管理***。

3)、检测装置3接入计算机管理***，信号由RS-485总线经PLC的485模块进入PLC***，PLC的处理数据通过Profibus总线送入西门子OS77操作站(CELSIUS400)，由软件做进一步处理；

4)、在计算机上输入指令，使检测装置3每隔1小时由产生脉冲激励，该脉冲激励产生的磁场沿着波导管以光速自始端向尾端前进，当与活动磁环2相交时，由于磁致伸缩现象，波导管在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速从此点经测杆1向检测装置2回传，该应变脉冲就被检测装置3探测到。因此，从发射一个主动脉冲波到接收到一个应变脉冲波，这之间的时间就是声速在波导管(1)中传递的时间(此处已忽略了主动波运行的时间，实际影响只有0.0001％)，已知声速(固定量为3000m/s)和传递时间，这一距离就可以确定。当活动磁环运动至新的位置时，重新确定上述测量，就可以得到土遗址崖体表面每隔1小时的位移连续曲线(见图3)。

5)、由于脉冲激励的发生由计算机每隔1小时自动发出，可以实现24小时全天侯自动位移监控。

6)、如果位移速率达到每小时3mm，表明加固的崖体有濒临崩塌或下挫的危险，要采取相应的应急措施，以保障施工人员的安全，本次实施例中未达到这个位移极限值。

7)、如图3所示，随着加固工程的进展，崖体表面的位移趋势为时间段A<时间段B>时间段C，即随着加固工程的完成，位移在逐渐减小，在C时间段位移基本趋于稳定，从而证明加固工程的效果是十分显著的。

Claims (3)

1、一种监测土遗址崖***移的多点式位移计，是由测杆、活动磁环和检测装置组成，其特征是测杆由两个同轴的圆管组成：外管由防腐蚀材料制成；中心是由磁致伸缩材料构成的波导管，活动磁环(2)为环状磁铁，套在测杆(1)上自由滑动，一端固定在被测目标物——土遗址崖体上，另一端连接在检测装置(3)上。

2、根据权利要求1所述的一种监测土遗址位移的装置多点位移计，上述的防腐蚀材料制作的外管为聚四氟乙烯树脂套。

3、如权利要求1所述的一种监测土遗址崖***移的多点式位移计的使用方法是：

1)在现场首先将活动磁环(2)固定于土遗址崖体可能发生位移的裂隙(k)两侧；

2)测杆穿过活动磁环(2)，活动磁环(2)在测杆(1)上自由移动，一端固定于被测目标物，另一端连接在检测装置(3)上；

3)、检测装置(3)接入计算机管理***，信号由RS-485总线经PLC的485模块进入PLC***，PLC的处理数据通过Profibus总线送入西门子OS77操作站(CELSIUS400)，由软件做进一步处理；

4)、给计算机上输入指令，使检测装置(3)每隔一段时间间隔便产生脉冲激励，脉冲激励产生的磁场沿着波导管以光速自始端向尾端前进，当与活动磁环(2)相交时，波导管在相交点产生一个机械应变脉冲，并以声速从此点经测杆(1)向检测装置(3)回传，应变脉冲就被检测装置(3)探测到；当活动磁环(2)运动至新的位置时，重新确定上述测量，就可以得到土遗址崖体表面的位移连续曲线；

5)、位移速率达到每小时3mm，表明加固的崖体有濒临崩塌或下挫的危险，应采取相应的应急措施，以保障施工人员的安全；

6)、对比实施加固工程前后的位移曲线，评价加固工程的效果。

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