CN104567646B - 一种连杆式位移监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及形变监测领域，公开了一种连杆式位移监测仪，包括至少一个标准连接杆；其中，每个标准连接杆包括：底部接线、底部连接部、钢管、可动轴、顶部连接部和顶部接线；底部连接部位于钢管的底部，可动轴位于钢管的顶部，可动轴的另一端连接顶部连接部，底部接线从底部连接部的下方伸出，顶部接线从顶部连接部的上方伸出；底部接线和顶部接线通过布设在钢管内部的连接线连通，钢管内部还设置有传感器组件；顶部接线可连接信号接收机或另一标准连接杆的底部接线，底部接线可连接信号接收机或另一标准连接杆的顶部接线。本发明利用角度测量获得结构体的水平位移，其结构简单、方便实用；还能用于沉降变形中垂直位移的监测，应用范围广。

Description

一种连杆式位移监测仪

技术领域

本发明涉及形变监测领域，更具体地说，是涉及一种连杆式位移监测仪。

背景技术

位移监测能有效识别高速和普通铁路、城市轨道、地下工程、大坝、桥梁、隧道、建筑结构、石油及市政管道等结构的变形，对于实时监测结构的安全性能起到重要的作用。现有技术中位移计利用电阻拉线、电磁、光学等原理，较为常见的例如SAA阵列式位移计，位移计结构复杂，使用麻烦，测量成本较高。比如中国专利公开文本CN102494650A中公开了一种杆塔位移监测***及方法，通过利用位移传感器分别监测杆塔及基岩的位移量，计算出杆塔相对于基岩的位移量。CN103344185A公开了一种非接触式位移自动监测装置，其使用光学原理来实现变形监测。CN103424099A公开了基于变形数据的边坡监测预警***，基于变形数据的边坡监测预警方法，根据测点位移值和角度偏移值，通过对边坡变形失稳机制的分析，运用岩土力学理论，推导出边坡稳定性的计算公式；其不仅用到了角度偏移传感器还用到了位移传感器，具有一个繁杂的***，且使用的计算原理与方法是用来计算边坡的稳定性。

但是现有技术的位移计除实现复杂，设备和时间成本较高外，其通常只能监测土体、岩体或建筑物的水平变形(水平位移)，对于沉降变形中的垂直位移并不能很好的识别监测，因而应用范围和效果都受到了限制。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何便捷高效地监测各向位移。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种连杆式位移监测仪，包括至少一个标准连接杆；其中，每个标准连接杆包括：底部接线、底部连接部、钢管、可动轴、顶部连接部和顶部接线；所述底部连接部位于所述钢管的底部，所述可动轴位于所述钢管的顶部，所述可动轴的另一端连接所述顶部连接部，所述底部接线从所述底部连接部的下方伸出，所述顶部接线从所述顶部连接部的上方伸出；所述底部接线和所述顶部接线通过布设在所述钢管内部的连接线连通，所述钢管内部还设置有传感器组件；所述顶部接线可连接信号接收机或另一标准连接杆的底部接线，所述底部接线可连接信号接收机或另一标准连接杆的顶部接线。

优选地，所述监测仪中：两相邻标准连接杆通过一方的顶部连接部与另一方的底部连接部固定连接，同时一方的顶部接线与另一方的底部接线连接；位于所述监测仪最顶端的标准连接杆的顶部接线和位于所述监测仪最底端的标准连接杆的底部接线分别连接信号接收机。

优选地，所述监测仪中，所述传感器组件为倾斜角度传感器。

优选地，所述倾斜角度传感器利用受重力影响而改变介电性质的电容来实现。

优选地，所述电容包括至少一组平行电容板，在所述标准连接杆倾斜时，所述电容中的电容板或介电物质受重力影响而相应倾斜或移动，从而改变所述电容的介电性质。

优选地，所述监测仪中，所述倾斜角度传感器同时对X、Y轴的倾斜角度进行测量，其中，每组平行电容板用于测量一个轴向的倾斜角度。

优选地，所述倾斜角度传感器在每次使用前清零，电容值变化量与倾斜角度的对应关系直接预存在***内，经一次模数转换即可得到。

优选地，所述监测仪中，利用每个连接杆中的传感器组件独立测量该连接杆的倾斜角度，所述信号接收机收到倾斜角度后计算出每个连接杆在水平和垂直方向上的位移，将所述至少一个标准连接杆的位移求和，由此来对被监测物在水平和垂直方向上的变形进行监测。

优选地，所述标准连接杆的底部连接部和顶部连接部为可相互配合安装的结构；顶部接线和底部接线的端部以及信号连接机的端口设置相互配合的接线航插。

优选地，所述标准连接杆的标准长度根据被监测物的长度量级选定；使用数量根据被监测物的实际长度选用并相互连接。

本发明的技术方案利用角度测量获得结构体的水平位移，其结构简单、方便实用。且本发明还能用于沉降变形中垂直位移的测量，该监测仪便捷高效、结构简单、易操作、便于维护、降低了成本，具有很高的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中单个连接杆的连杆式位移监测仪的结构示意图；

图2是本发明的另一个实施例中两个连接杆的连杆式位移监测仪的结构示意图；

图3是本发明的再一个实施例中多个连接杆组合监测水平位移的效果示意图；

图4是本发明的一个由优选实施例中电容板受重力影响改变电容介电性质的效果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有的位移计结构复杂、操作不便，有时甚至需要进行复杂的运算方能得出测量值，加上现有位移计通常只能测量水平方向的变形，应用范围和效果都非常有限。本发明的技术方案中，采用角度测量方式得到结构体的水平和垂直方向的位移量，其实现方式便捷高效，且可进行灵活地扩展，有效提高了结构形变监测的实时性和效率，为结构体的安全保障提供了有力支持。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，连杆式位移监测仪包括至少一个标准连接杆；其中，每个标准连接杆包括：底部接线1、底部连接部2、钢管3、可动轴4、顶部连接部5和顶部接线6，所述底部连接部2位于所述钢管3的底部，所述可动轴4位于所述钢管3的顶部，所述可动轴4的另一端连接所述顶部连接部5，所述底部接线1从所述底部连接部2的下方伸出，所述顶部接线6从所述顶部连接部5的上方伸出，所述底部接线1和所述顶部接线6通过布设在所述钢管3内部的连接线(图中未示出)连通，所述钢管内部还设置有传感器组件(图中未示出)；所述顶部接线6可连接信号接收机7或另一标准连接杆的底部接线，所述底部接线1可连接信号接收机7或另一标准连接杆的顶部接线，两相邻标准连接杆通过一方的顶部连接部与另一方的底部连接部固定连接，同时一方的顶部接线与另一方的底部接线连接；位于所述监测仪最顶端的标准连接杆的顶部接线和位于所述监测仪最底端的标准连接杆的底部接线分别连接信号接收机7。图1中示出了单个标准连接杆的优选实施例，图2中示出了两个标准连接杆组合的优选实施例。本领域相关技术人员应能理解，连接杆的标准长度可以根据被测物的长度量级选定，优选为1米杆或10米杆；使用数量也可根据被测物的实际长度连接使用，因而上述优选实施例不应视作对本发明的连接杆的标准长度和使用数量做出的具体限制。

在本发明的优选实施例中，所述传感器组件为角度传感器，更优选地为倾斜角度传感器。利用每个连接杆中的传感器组件独立测量该连接杆的倾斜角度，信号接收机收到倾斜角度后计算出每个连接杆在水平方向和垂直方向上的位移，将多个连接杆的位移求和，由此来对结构体在两方向上的变形进行监测。信号接收机优选采用单片机或FPGA实现；信号接收机还可包括网络单元，通过有线或无线网络将监测数据发送给远程设备；更优选地，信号接收机还包括报警单元，在监测到水平位移和或垂直位移超阈值时，发出声光警报并通过有线或无线网络向远程设备报警。采用该方式，可实现无人值守的监测，使得本发明的监测仪可用于在各种恶劣环境下自动监测。

为实现无人值守的自动监测，优选地，本发明的监测仪还包括电源组件，所述电源组件独立设置和/或设置在所述钢管3内；所述电源组件同时连接所述传感器组件及所述信号接收机7，为传感器及接收机提供电力支持。更优选地，独立设置的电源组件为太阳能供电设备，设置在所述钢管3内的电源组件为小型电池，该小型电池优选采用可充电电池(如锂电池等)，此外，还可由太阳能供电设备对所述小型电池进行充电。

在本发明的另一个优选实施例中，电源组件还包括开关电路和定时器，所述定时器根据预先的设置在指定时刻和/或周期性地开启和关断所述开关电路，从而实现定时监测和/或周期监测，在保证安全性和监测质量的同时进一步节省电力。进一步地，所述报警单元在超过预定时间长度未收到监测数据时也会发出声光警报并通过有线或无线网络向远程设备报警。

其中，所述倾斜角度传感器同时对X、Y轴的倾斜角度进行测量，假定X轴角度为α，Y轴角度为β，则平面角度为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\sqrt[2]{\tan {\mathrm{\α}}^2+\tan {\mathrm{\β}}^2}}{1};$

垂直位移值：

$L^{\′}=d\×(1-\cos \arctan \frac{\sqrt[2]{\tan {\mathrm{\α}}^2+\tan {\mathrm{\β}}^2}}{1}).$

将整个监测仪的底部固定，并将连接杆竖直固定在结构体表面或竖直埋于结构体内，当结构体发生变形时带动连接杆向相同的方向倾斜。对于多个连接杆组合的情况，由于每个连接杆上均设有可动轴，每个连接杆可根据其在结构体中对应的部分的变形情况发生不同程度的倾斜。多个连接杆组合使用时，将多个连接杆各自的水平位移和垂直位移分别求和，则得到整个结构体的水平位移和垂直位移情况。如图3所示为两个连接杆的实施方式，分别求得两个连接杆各自的水平位移L1和L2，将其求和即得到整个结构体的水平位移。

更进一步地，本发明的优选实施例中，倾斜角度传感器利用受重力影响而改变介电性质的电容来实现。比如在图4的优选实施例中，采用两组平行电容板，对于每个轴的变形，倾斜导致电容板受重力影响而相应倾斜或移动，从而使每组平行电容板之间的介电面积或距离发生变化。其中，为保证受重力影响而改变介电性质，每组平行电容板中至少有一片可动，本领域相关技术人员应能理解，图4仅为一种最简单的示例性的电容板布置和变形方式，实际电容板的形状并不仅限于矩形平板，扇形平板、弧形板甚至球面板等均是本发明可替代的技术方案；每组电容板也不仅限于两片，固定片和活动片的安装方式也可进一步调整，比如三片电容板中两片固定、一片活动亦可；活动片只需在重力影响下发生活动，活动方向和距离并不做限制；此外，电容板间的介电物质也并不限于空气，通过介电物质受重力影响发生活动而改变介电性质也同样可行。因此，上述实施例不应视作对本发明的电容传感器的结构和组成做出的具体限制。

介电性质的改变最终导致电容值发生变化，根据电容值变化量可推算介电面积或距离变化情况，从而换算得到每个轴向的倾斜角度。优选地，所述倾斜角度传感器在每次使用前清零，电容值变化量与倾斜角度的对应关系直接预存在***内，经一次模数转换即可得到。电容传感器可实现非接触式测量，对于传感器的安放位置没有特别的限制，其精度、便捷性、安全性和效率均远高于现有的位移计。

为便于连接，优选地连接杆的底部连接部和顶部连接部为可相互配合安装的结构，比如套接、螺纹连接或栓接等。顶部接线和底部接线的端部以及信号连接机的端口设置相互配合的接线航插，以便实现安全快捷的线路连接。更优选地，传感器等电子部件以RS485总线方式连接，接口为四线连接；供电电压为7-20v，电流为60-80mA，出厂通信波特率为9600，应用通信波特率为2400。对于标准长度为1米的连接杆，硬件规格优选为：顶部接线长25±5cm，底部接线长110±5cm，连接处外径48mm±0.5mm，顶部连接部长8mm±1mm，底部连接部长20cm±1cm，顶部连接固定孔直径6mm，钢管小于80cm，内径50mm，建议74cm(总长1m)。

相对于现有技术，本发明利用角度测量获得结构体的水平位移，其结构简单、方便实用。且本发明还能用于沉降变形中垂直位移的测量，本发明提供的监测仪便捷高效、结构简单、易操作、便于维护、降低了成本，具有很高的推广应用价值。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种连杆式位移监测仪，其特征在于，所述监测仪包括至少一个标准连接杆；

每个标准连接杆包括：底部接线、底部连接部、钢管、可动轴、顶部连接部和顶部接线；

所述底部连接部位于所述钢管的底部，所述可动轴位于所述钢管的顶部，所述可动轴的另一端连接所述顶部连接部，所述底部接线从所述底部连接部的下方伸出，所述顶部接线从所述顶部连接部的上方伸出；所述底部接线和所述顶部接线通过布设在所述钢管内部的连接线连通，所述钢管内部还设置有传感器组件和电源组件，所述电源组件包括开关电路和定时器；

所述顶部接线可连接信号接收机或另一标准连接杆的底部接线，所述底部接线可连接信号接收机或另一标准连接杆的顶部接线，所述监测仪中：

两相邻标准连接杆通过一方的顶部连接部与另一方的底部连接部固定连接，同时一方的顶部接线与另一方的底部接线连接；

位于所述监测仪最顶端的标准连接杆的顶部接线和位于所述监测仪最底端的标准连接杆的底部接线分别连接信号接收机，所述监测仪中，所述传感器组件为倾斜角度传感器，所述倾斜角度传感器利用受重力影响而改变介电性质的电容来实现，所述电容包括至少一组平行电容板，在所述标准连接杆倾斜时，所述电容中的电容板或介电物质受重力影响而相应倾斜或移动，从而改变所述电容的介电性质，所述倾斜角度传感器同时对X、Y轴的倾斜角度进行测量，每组平行电容板用于测量一个轴向的倾斜角度，倾斜角度传感器在每次使用前清零，电容值变化量与倾斜角度的对应关系直接预存在***内，经一次模数转换即可得到，所述监测仪中，利用每个连接杆中的传感器组件独立测量该连接杆的倾斜角度，所述信号接收机收到倾斜角度后计算出每个连接杆在水平和垂直方向上的位移，将所述至少一个标准连接杆的位移求和，由此来对被监测物在水平和垂直方向上的变形进行监测，所述标准连接杆的底部连接部和顶部连接部为可相互配合安装的结构；顶部接线和底部接线的端部以及信号连接机的端口设置相互配合的接线航插，所述标准连接杆的标准长度根据被监测物的长度量级选定；使用数量根据被监测物的实际长度选用并相互连接，其中对倾斜角度传感器同时对X、Y轴的倾斜角度进行测量时，假定X轴角度为α，Y轴角度为β，则平面角度为：

$\mathrm{\θ}=arctan\frac{\sqrt[2]{{\mathrm{tan\α}}^2+{\mathrm{tan\β}}^2}}{1};$

垂直位移值：

$L^{\′}=d\×(1-\cos arctan\frac{\sqrt[2]{{\mathrm{tan\α}}^2+{\mathrm{tan\β}}^2}}{1}).$