CN102654388B - 自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，它包括红外位移传感装置、步进电机跟踪装置和数据采集与处理***，所述的红外位移传感装置包括导向轮、牵引钢丝、挡光片、遮光固定盒、红外发射管、通光孔、红外接收管、上滑轮、基板、下滑轮、弹簧、箱体，牵引钢丝与挡光片的中部固定连接，红外接收管通过挡光片上的通光孔正对红外发射管，遮光固定盒安设在步进电机跟踪装置上，遮光固定盒随步进电机的运动而水平运动，控制箱中的数据采集与处理***与步进电机跟踪装置、红外发射管及红外接收管电连接。本发明具有结构简单，稳定性好，量程大，精度高，能按照预先的设定测量方式自动跟踪、实时监测滑坡位移情况。

Description

自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪

技术领域

本发明涉及一种用于滑坡体运动位移监测的仪器，特别涉及一种自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪。

背景技术

滑坡体运动的位移监测方法和手段有多种，在实际工程中常用的测量方法有机械量测法、水准仪测量、GPS定位监测等，近年来，一些新型位移测量技术用于滑坡位移的监测，如：光纤位移传感器、同轴电缆电磁波反射技术等，然而，这些位移测量装置在量程、测量精度、仪器成本、适应环境、安装使用的便利性和测量的实时性等方面与实际需要还有较大差距；尤其在滑坡的孕育和发展的过程中，滑坡体的运动状态经常在稳定和非稳定状态之间交替变化，在稳定状态时，滑坡体处于能量积累过程，其位移量很小，在非稳定状态时，滑坡***移量较大，处于能量释放过程；为了全面监测和准确评估滑坡体的运动情况，掌握滑坡运动的临界点状态，需要能够在稳定和非稳定状态下都能正常工作的高精度、大量程滑坡位移测量传感器；然而，对于一般仪器来说测量精度与量程是一对矛盾，高精度的传感器在量程上会受到限制，现有的滑坡位移传感器不能把两者很好地统一起来。本发明能够解决这个问题，实现滑坡体运动位移的高精度、大量程实时监测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题提供一种自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，该仪器不仅能提高对滑坡的位移检测精度、扩大滑坡***移测量范围，而且结构简单，稳定性好，能自动跟踪、实时监测滑坡的位移情况。

本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：

自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，它包括红外位移传感装置和数据采集与处理***, 数据采集与处理***安装在控制箱中，其特征在于：还包括步进电机跟踪装置，所述的红外位移传感装置包括导向轮、牵引钢丝、挡光片、遮光固定盒、红外发射管、通光孔、红外接收管、上滑轮、基板、下滑轮、弹簧、箱体，箱体为空腔，基板置于箱体上，在基板的右端设有导向轮，在基板的左端设有上滑轮，在基板下端设有下滑轮，该下滑轮位于上滑轮的下方，在基板上设有牵引钢丝穿孔，牵引钢丝与挡光片的中部固定连接，牵引钢丝的右端经导向轮与边坡运动部分的检测点固定连接，牵引钢丝的左端经上滑轮穿过基板上的牵引钢丝穿孔经下滑轮与弹簧固定连接，弹簧的另一端与箱体的右侧相连接，所述的挡光片置于遮光固定盒内，在挡光片上开设有通光孔，在遮光固定盒的左、右侧面分别开设有与基板平行、等高度的两个细缝，挡光片和牵引钢丝能够水平地穿过两个细缝***，在遮光固定盒的顶部设有红外发射管，在遮光固定盒的底部设有红外接收管，红外接收管通过挡光片上的通光孔正对红外发射管，遮光固定盒安设在步进电机跟踪装置上，遮光固定盒随步进电机的转动作水平移动，在步进电机跟踪装置上设有信号传输与控制接口，控制箱中的数据采集与处理***通过信号传输与控制口与步进电机、红外发射管及红外接收管电连接。

按上述技术方案，所述的步进电机跟踪装置包括传动螺杆、螺杆基座、滑动载物台、步进电机，所述的螺杆基座为U型，滑动载物台位于螺杆基座上，所述的遮光固定盒安设在滑动载物台上，在滑动载物台的中部设有螺纹孔，传动螺杆穿过滑动载物台的螺纹孔一端与螺杆基座的左侧连接，另一端与步进电机的输出轴连接，该传动螺杆与牵引钢丝平行，步进电机安设在螺杆基座的右侧。

按上述技术方案，所述的红外接收管为片状，所述的红外接收管为两个，两片红外接收管并列放置遮光固定盒的底部，两片红外接收管的接缝处正对红外发射管的中心。

按上述技术方案，在箱体的右侧设有弹簧力度调整旋钮，它与弹簧的右端连接。

按上述技术方案，在箱体的底部设有4个螺丝孔。

按上述技术方案，所述的数据采集与处理***包括微控制器、红外线发射驱动电路、光电信号转换电路、差分放大器、信号调理与解调电路、数模转换器、步进电机驱动电路。

按上述技术方案，数据采集与处理***与计算机通过RS232接口连接。

按上述技术方案，所述的微控制器为C8051型微控制器。

本发明的工作过程为：基板和箱体一起固定于某静止不动的参考基准点上，当滑坡体远离基准点运动时，牵引钢丝和固定在其上的挡光片将随之运动，使弹簧拉伸；挡光片上开有通光孔，红外发射管发出的红外光线可穿过该孔照射到红外接收管上，通过测量挡光片移动引起红外接收管输出光电流发生变化，经数据采集与处理***的处理，可以获得滑坡体运动的位移量。微控制器实时监控遮光片通光孔的中心位置，当滑坡体的位移较大、超出预先设定的位移测量范围时，微控制器将会自动控制步进电机和螺杆转动，驱动滑动载物台向右平移，让安装于其上的红外发射和接收管跟踪挡光片上的通光孔运动，从而保证位移测量始终处于红外线光电位移传感器的量程之内。

本发明相对于现有技术取得的技术效果为：

1、本发明可以同时满足滑坡位移测量在高精度和大量程两个方面的要求，红外位移传感和步进电机跟踪装置集合于一体，便于自动跟踪，实时监测滑坡的位移情况。

2、红外位移传感器通过采用两个接收管获得红外光信号，经过精密差分运算和调制与解调处理，可得到与滑坡体上观测点的位移量成正比的光电信号，从而大幅地降低噪声，提高信噪比，使位移测量精度达到1微米。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的数据采集与处理***的原理框图。

其中：1-连接螺栓，2-导向轮，3-牵引钢丝，4-挡光片，5-遮光固定盒，6-红外发射管，7-通光孔，8-红外接收管，9-上滑轮，10-牵引钢丝穿孔，11-基板，12-下滑轮，13-箱体固定螺丝孔，14-螺杆基座，15-滑动载物台，16-传动螺杆，17-信号传输与控制接口，18-步进电机，19-弹簧，20-力度调整旋钮，21-箱体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪由红外位移传感装置、步进电机跟踪装置和数据采集与处理***三部分组成。

如图1所示，红外位移传感装置包括连接螺栓1、导向轮2、牵引钢丝3、挡光片4、遮光固定盒5、红外发射管6、通光孔7、红外接收管8、上滑轮9、牵引钢丝穿孔10、基板11、下滑轮12、弹簧19、力度调整旋钮20、箱体21构成。箱体21为空腔，基板11置于箱体21上，在基板11的右端设有导向轮2，在基板的左端设有上滑轮9，在基板下端设有下滑轮12，该下滑轮位于上滑轮的下方，在基板上开设有牵引钢丝穿孔10，牵引钢丝3与挡光片4的中部固定连接，牵引钢丝3的右端经导向轮2与边坡运动部分的检测点通过螺栓1固定连接，牵引钢丝3的左端经上滑轮9穿过基板上的牵引钢丝穿孔10经下滑轮12与弹簧19固定连接，弹簧的另一端与箱体上的力度调整旋钮20相连接，弹簧19具有良好的弹性和足够的拉力，可将牵引钢丝3绷直，力度调整旋钮20在一定的范围能够调整弹簧19的拉力，以便达到最佳测量状态。导向轮2和上滑轮9下面支柱高度可调节，保证牵引钢丝3与基板11平行，牵引钢丝3采用强度高、温度系数小的铟钢丝，因此，测量过程中钢丝自身的伸长量和因温度变化引起的热胀冷缩效应可忽略。挡光片4置于方形遮光固定盒5内，在挡光片上开设有通光孔7，通光孔在垂直于牵引钢丝方向尺寸没有特别要求，在平行于牵引钢丝方向宽度要根据红外发射和接收管的尺寸和位移传感器的灵敏度而定，挡光片4质量要轻薄，不易形变，且可有效遮挡红外线。红外发射管6和红外接收管8安装在方形遮光固定盒5内，红外发射管6采用柱形封装，安装在固定盒5的顶部，红外接收管8采用长方形扁平封装，两片接收管构成一组，平行并排安装在固定盒的底部，两片接收管之间的接缝处正对红外发射管6的中心，使得红外发射管6发出的红外光线能够均等地照射在两个红外接收管8上；在遮光固定盒5的左、右侧面分别开设有与基板平行、且与基板等高度地开有两个细缝，挡光片4和牵引钢丝3能够水平地穿过它们***。遮光固定盒5采用合金铝材制作，它具有固定红外发射管6和红外接收管8、提高抗震性、避免外界光线干扰的作用。遮光固定盒5位于步进电机跟踪装置上，可随步进电机的转动作水平移动。

步进电机跟踪装置由螺杆基座14、方形滑动载物台15、传动螺杆16、信号传输与控制接口17、步进电机18组成。螺杆基座14成U字型，方形滑动载物台15位于其中，传动螺杆16穿过滑动载物台15中心的螺孔与其耦合联动，螺杆16两端分别由轴承支撑在基座14上，其右端与步进电机18耦合。进电机18可驱动传动螺杆16转动，带动滑动载物台15移动。螺杆基座14和传动螺杆16的长度由滑坡位移测量的量程确定。载物台15的底部与螺杆基座14光滑接触，并且润滑良好，减小摩擦阻力。螺杆基座14、滑动载物台15和传动螺杆16采用温度系数小的材质制成，减少温度对定位精度的影响。遮光固定盒5位于滑动载物台15上，可随滑动载物台15运动。螺杆基座14固定于基板11上，传动螺杆16的长度方向与牵引钢丝3绷直的方向平行，且在牵钢丝3的正下方。采用扭力大、响应速度快、可多重细分的步进电机，电机轴与传动螺杆同轴，由一个套杆将两者联接在一起，为了平稳的传动，要求套杆能够承受一定的扭力，同时具有较好的横向柔度，允许电机轴与螺杆的中轴线之间有微小的偏差沉余。调节滑动载物台15的位置可以让红外发射管6和红外接收管8跟踪挡光片4上通光孔7的中心位置，扩大滑坡位移测量的量程。在螺杆基座14的右侧设有信号传输与控制接口17。

数据采集与处理***是该滑坡位移测量仪的重要组成部分。该***的电路结构框图如图2所示，它包括：红外线发射驱动电路、光电信号转换电路、精密差分放大器、信号调理与解调电路、ADC模数转换器、C8051微控制器，步进电机驱动电路、以及相关的检测、控制和信号处理软件。其中，C8051微控制器分别与步进电机驱动电路、红外发射驱动电路、ADC模数转换器、信号调理与解调电路电连接，红外发射驱动电路与红外线发射管电连接，红外线接收管与光电信号转换电路电连接，光电信号转换电路经精密差分放大器、信号调理与解调电路、ADC模数转换器与C8051微控制器电连接。作为模块化设计，该***另外装箱，它与红外位移传感装置和步进电机跟踪装置之间通过屏蔽电缆和信号传输与控制接口17进行数据交换和电源支持。***的箱体为金属密封结构，防雨防潮，屏蔽干扰，可根据滑坡测量现场环境，灵活选择安装地点。

为了测量滑坡体上某一点相对于一个静止不动参考基准点的位移，首先，用四支适当长度的膨胀螺栓穿过四个底板固定螺丝孔13将位移测量仪箱体21固定在静止参考基准点处，当固定于滑坡体上位移观测点的连接螺栓1静止时，弹簧19具有初始的伸长量，产生一定的弹性力，借助于上滑轮9、下滑轮12和导向轮2将钢丝3绷直，固定于钢丝3上的挡光片4在遮光固定盒5之中，处于静止状态，此时，红外发射管6发出的红外光穿过通光孔7，形成方形光斑，均匀地投射到两个片状红外接收管8上，两接收管获得光照面积相同，产生相同大小的光电流，经过光电信号转换、精密差分放大、信号调理与解调等电路处理，可使与位移相关的输出信号为零。当滑坡体上观测点移动时，在牵引钢丝3的拉动下，弹簧19会伸长，挡光片4将随钢丝3平移，在钢丝3绷直和不能伸长的情况下，挡光片4的平移量与滑坡体上观测点的位移量成正比，若两者移动方向在一条直线上，它们的位移量相等。由于挡光片4的移动，导致穿过方形通光孔7照射在两片红外接收管8上光斑的位置发生变化，从而引起两个接收管输出光电流变化，经差分放大处理，两个接收管光电流的相对变化量与挡光片4的移动量成正比，因此，通过上述位移的传递过程，滑坡体上观测点（连接螺栓1处）的位移量可以通过测量光电流的改变量来获得。

为了降低噪声、提高测量的稳定性，采用调制与解调技术，由微控制器通过红外发射驱动电路和红外发射管6产生一定频率的调制红外光，然后，由红外接收管8接收，经过光电信号转换、差分放大、信号调理与解调、以及ADC模数转换器，再由微控制器进行分析和计算，最终精确地给出滑坡体的位移量。此外，微控制器在实时测量位移的过程中，同时进行位移的量程监控，当滑坡***移较大、超出了预先设定的红外光电位移传感器的测量范围时，微控制器将自动启动跟踪***，通过步进电机驱动电路向信号传输与控制接口17发送脉冲信号，控制步进电机18和传动螺杆16转动，驱动滑动载物台15搭载着红外发射管6和红外接收管8平移到通光孔7的中心位置，并将该点位置存储起来作为红外位移传感器新的起始位置，这样可以极大地拓展滑坡***移的测量范围，同时又能保证位移测量具有很高的精度。

微控制器与计算机之间通过RS232接口相连，初始参数的设置与修改、滑坡位移测量数据的处理、分析和显示都可以在计算机上完成，实现滑坡***移测量的智能化。该位移测量仪是滑坡等地质灾害的监测、预警和防治的有力工具。

Claims (8)

1.自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，它包括红外位移传感装置和数据采集与处理***, 数据采集与处理***安装在控制箱中，其特征在于：还包括步进电机跟踪装置，所述的红外位移传感装置包括导向轮、牵引钢丝、挡光片、遮光固定盒、红外发射管、通光孔、红外接收管、上滑轮、基板、下滑轮、弹簧、箱体，箱体为空腔，基板置于箱体上，在基板的右端设有导向轮，在基板的左端设有上滑轮，在基板下端设有下滑轮，该下滑轮位于上滑轮的下方，在基板上设有牵引钢丝穿孔，牵引钢丝与挡光片的中部固定连接，牵引钢丝的右端经导向轮与边坡运动部分的检测点固定连接，牵引钢丝的左端经上滑轮穿过基板上的牵引钢丝穿孔经下滑轮与弹簧固定连接，弹簧的另一端与箱体的右侧相连接，所述的挡光片置于遮光固定盒内，在挡光片上开设有通光孔，在遮光固定盒的左侧面开设有与基板平行的细缝以及在遮光固定盒的右侧面开设有与基板平行的细缝，这两个细缝等高度，挡光片和牵引钢丝能够水平地穿过两个细缝***，在遮光固定盒的顶部设有红外发射管，在遮光固定盒的底部设有红外接收管，红外接收管通过挡光片上的通光孔正对红外发射管，遮光固定盒安设在步进电机跟踪装置上，遮光固定盒随步进电机的转动作水平移动，在步进电机跟踪装置上设有信号传输与控制接口，控制箱中的数据采集与处理***通过信号传输与控制口与步进电机、红外发射管及红外接收管电连接。

2.根据权利要求1所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于所述的步进电机跟踪装置包括传动螺杆、螺杆基座、滑动载物台、步进电机，所述的螺杆基座为U型，滑动载物台位于螺杆基座上，所述的遮光固定盒安设在滑动载物台上，在载物台的中部设有螺纹孔，传动螺杆穿过螺纹孔一端与螺杆基座的左侧连接，另一端与步进电机的输出轴连接，步进电机安设在螺杆基座的右侧。

3.根据权利要求2所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于所述的红外接收管为片状，所述的红外接收管为两个，两片红外接收管并列放置遮光固定盒的底部，两片红外接收管的接缝处正对红外发射管的中心。

4.根据权利要求3所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于在箱体的右侧设有弹簧力度调整旋钮，它与弹簧的右端连接。

5.根据权利要求2所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于在箱体的底部设有4个螺丝孔。

6.根据权利要求1或2所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于所述的数据采集与处理***包括微控制器、红外线发射驱动电路、光电信号转换电路、差分放大器、信号调理与解调电路、数模转换器、步进电机驱动电路，微控制器通过控制红外发射驱动电路驱动红外发射管产生红外光，红外接收管通过挡光片的孔接收红外发射管发出的红外光，经过光电信号转换电路、差分放大器、信号调理与解调电路、模数转换器，获得滑坡位移信息，所述的步进电机驱动电路与微处理器电连接，数据采集与处理***通过信号传输与控制接口采用屏蔽电缆线分别与红外发射管、红外接收管、步进电机跟踪装置连接。

7.根据权利要求6所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于数据采集与处理***与计算机通过RS232接口连接。

8.根据权利要求6所述的自动跟踪式高精度大量程滑坡位移测量仪，其特征在于所述的微控制器为C8051型微控制器。