CN112064615A - 土***移监测***测斜仪测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种测斜仪测量方法，包括：接收激活指令后执行光学定位操作，所述的光学定位操作是指将倾角传感器复位到测斜管圆截面上设定的初始零角度；等待并接收主控制器发送的包括测量深度的信息，并且根据该测量深度计算依据测量间距所需的测量步长数；第二步进电机驱动倾角传感器沿着所述测斜管的圆截面旋转90度，采样测斜管圆截面90度时三维MEMS倾角传感器X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；测斜仪组件接收主控制器发送的时钟同步信息，完成测斜仪组件与主控制器之间的时钟同步；在主控制器的控制下，测斜仪组件在升降机构的钢缆绳牵引下，在测斜管内移动一个步长的距离后停留，在该停留位置的对于倾角传感器数据进行采集。
Description
技术领域
本发明属于工程技术领域，特别涉及一种用于土***移监测***的测斜仪测量方法。
背景技术
在建筑工程中，深基坑围护、水库大坝及山体滑坡监测等项目中，广泛使用测斜仪对土体变形、位移实行量化监测。测斜仪的测斜数据是监视被测土体形变位移的重要依据。
测斜是指使用测斜仪观测土体内部水平位移，一般采用一个内部装有测斜传感器的测斜仪，将之置于垂直埋设在被测土体中的带槽导管中往返移动，分段测出导管轴线相对于铅垂线的倾斜角度，并根据分段长度和倾斜角度计算每段水平位移值。带槽导管是工程测斜监测中的专用塑料(或合金铝)制品，通常称为测斜管，分为直径为60毫米和90毫米两种规格。假定需要监测的土体深度为30米，原则上需要垂直埋设一支总长度等于或大于30米的测斜管(需要多节测斜管对接)，测斜管的上端穿透出被测土体的表面。
在现有的测斜操作中，大多采用人工测量方法。人工测量是通过将测斜仪与一支每隔500毫米做了标记的信号电缆连接，经人工操作，将测斜仪通过牵拉信号电缆的方式在预先与被测土体垂直埋设好的标准测斜管中完成。根据监测规范，由测斜管的最上端始至测斜管的最下端，每隔500毫米(即电缆沿测斜管拉伸或下放的距离)读取一次数据；然后，将测斜仪从测斜管中拉出，将测斜仪镜面翻转，复由上至下重复前述测量，称完成了一次测回。
可见，采用人工操作测斜监测的劳动强度较大，测量频度较低(通常每天每支测斜管监测一次，诸如大面积山体滑坡监测的场合，需要几天才能实现单支测斜管的一次测量)。
如果采用可实现自动检测的测斜设备，虽然能够部分解决人工检测的弊端，但是由于现场主控计算机价格昂贵、功能很单一，如果要实现诸如测斜仪批量数据传输、太阳能充电、对测斜仪电池进行无线充电等功能，还需要另外增加专用模块，这样又增加了自动测斜设备整体成本，使得自动测斜***很难普遍采用。
发明内容
本发明提供了一种测斜仪测量方法，用于土***移监测***，目的是为了解决现有的测斜设备功能单一导致的操作繁琐，成本较高的问题。
本发明实施例之一，一种测斜仪测量方法是：
S101，测斜仪组件电路接收到主控制器发出的激活指令后执行光学定位操作，所述的光学定位操作是指将倾角传感器复位到测斜管圆截面上设定的初始零角度；
S102，等待并接收主控制器发送的包括测量深度的信息，并且根据该测量深度计算依据测量间距所需的测量步长数；
S103，第二步进电机驱动倾角传感器沿着所述测斜管的圆截面旋转90度，采样测斜管圆截面90度时三维MEMS倾角传感器X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；
S104，第二步进电机驱动倾角传感器离开90角度位置旋转到180度，采样测斜管圆截面180度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；
S104，以此类推，第二步进电机依次驱动倾角传感器倾角传感器移动至70度和0角度至位置，采集270度和0角度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；
S105，测斜仪组件接收主控制器发送的时钟同步信息，完成测斜仪组件与主控制器之间的时钟同步；
S106，在主控制器的控制下，测斜仪组件在升降机构的钢缆绳牵引下，在测斜管内移动一个步长的距离后停留，在该停留位置的对于倾角传感器数据进行采集；
S107，重复执行前一步骤，当完成预定的步长数后，测斜仪组件在升降机构的牵引下回到初始位置。
本发明的土***移测斜仪测量方法，结合了结构设计和***时钟的标定方式，达到了《岩土工程监测规范》的精度要求，可被广泛应用于需要大范围、高频度监测、无人值守的工程测斜场合，尤其适用于野外、无工网支持环境下的山体滑坡、江河湖泊堤坝、水库、深基坑围护等场合。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1本发明中土***移监测***组成框图。
图2根据本发明实施例之一的测斜仪组件电路示意图。
10——测斜管，100——测斜仪组件，200——升降机构，300——主控制器。
具体实施方式
为了充分阐述及加深理解本发明的原理及技术方案，首先介绍目前工程测斜中普遍采用的人工监测方式的具体实施方法及工程测斜的相关规范：
在需要监测土(岩)深层水平位移的场合，目前广泛采用在被测土地中垂直埋设一根总长度不小于监测深度的专用测斜管(单支测斜管长度为3米，超过3米以上的埋设深度需多支测斜管衔接)。当埋设有测斜管的被测土体发生水平位移变化时，测斜管将发生相应的偏离垂直方向的扭曲变形，测量与垂直方向相对扭曲变形值，经折算便可得到土体发生的水平位移值，这种方法在工程界简称为测斜。工程测斜中的测量深度是指测斜管在土体中的埋深，略短于测斜管长度(因为测斜管要穿出土体地面)。测斜管是一种塑料(或铝型材)制成的专用空心圆管，在其内壁上每隔90度开有通长导槽，因此在测斜管内壁上有四条与测斜管轴线平行、相隔90度的导槽。测斜仪是一种由直径大约为40毫米、长度为500毫米以上的不锈钢金属防水管件、并在该管件内置有对倾斜角度敏感的传感器及相关电子电路、密封连接接口构成的测量仪器，密封连接接口的作用是导出测量数据，并与人工牵拉的每隔500毫米做了标记的电缆线连接，测斜仪的金属不锈钢管件外壳上设有二对相距500毫米的导轮，每对导轮关于金属不锈钢管件的轴线对称，分别被安置在呈圆型管状的不锈钢外壳管件的两侧；当测斜仪导入测斜管的导槽时，需要将二对导轮嵌入测斜管内壁互为180度的二条导槽中。完成对一个测斜监测点的监测通常是按照从测斜管的上部(穿出地面端)开始，将测斜仪放置入测斜管中，测斜仪的导轮被嵌入测斜管的导槽中(0度和180度，或者90度与270度)，在重力作用下，使测斜仪向测斜管下端以每隔500毫米的间隔下放，分段测出测斜管轴线相对于铅垂线的倾斜角度，记录测量数据并根据分段长度和倾斜角度计算每段水平位移值，直到测斜管的底部，假定为正程测量。正程测量结束后，须将测斜仪从测斜管中拉出，将测斜仪沿测斜管轴线旋转180℃后重新置入原先使用过的二条互为180℃的导槽中(即镜面翻转)，将测斜仪下放到测斜管底部，仍然以500毫米为间隔向上提拉测斜仪，记录并计算测量数据，直到测斜仪回到测斜管上部的起始位置，假定为逆程测量，全程测量结束。将正程和逆程测量数据作绝对算术平均后获得的值(某监测点、某埋深值)与最初测量值比较的差值，通过折算，从而得到对应段(指深度)土体绝对累计位移值。测斜仪由上至下，镜面翻转后由上至下的二次正、逆程测量，其目的在于通过两次相差180度的测量，抵消机械装配等客观因素所产生的误差；根据《岩土工程监测规范》规定，最初测量值必须是重复四次的正程及逆程测量所得的绝对算术平均值。
目前，在测斜管中以人工方式上拉或下放测斜仪的方式实施工程测斜。工程测斜场合中的测斜管埋深通常在十几～上百米、测斜监测点通常有数个到上百个不等；因此，以人工实施监测很难实现对每个监测点实时监测，或达到2次/天～4次/天测回的规范要求，也无法保证每次提拉或下放均为相距500(mm)间隔的精确性。由此，在某些特殊应用场合，例如大面积滑坡监测，实际很难实施以人工方式大范围实时监测操作。现有的自动测量方法是通过以多支测斜仪在测斜管中沿轴线首尾对接填满的方式实施的，虽然可以取代人工对测斜仪的拉升、下放操作，但一根n米长的测斜管需要置入2n个测斜仪，费用昂贵，且无法实现正程和逆程的测回操作，监测过程中产生的累积误差较大。
根据一个或者多个实施例，如图1所示。一种用于土***移监测***包括主控制器、升降机构、埋于土体中的测斜管以及置于测斜管内的测斜仪组件。
其中，主控制器与升降机构集成于一个控制平台上，置于被测土体的地面上，埋入的测斜管的上端穿出地面后被套入并定位在升降机构底板上设置的定位孔中。测斜仪组件不锈钢外壳体的一端通过不锈钢钢缆与升降机构连接。主控制器配置了蓝牙、GPRS无线通信及RS485有线数据传输功能，与测斜仪组件交互控制指令和测试数据，沟通异地终端服务平台与监测现场间的数据交互、制定相关通信协议、提供异地终端服务平台监测分析软件，实现对现场数据的分析及反分析、图表显示、报表形成，实现异地异地终端服务平台对现场每个倾斜监测点设备电量的监视、报警(包括测量数据偏离了设定界限、某个现场监测点设备需要充电等)、对现场指定工作模式(包括现场每个倾斜监测点所需要的测量深度、测量时间)、原始数据记录等功能。
根据一个或者多个实施例，如图2所示。一种测斜仪组件电路，用于土***移监测***。该电路包括，第二微处理器、倾角传感器、第二短距通信模块、光电位置检测传感器和电源电路。第二短距通信模块可以采用蓝牙模块，且蓝牙模块被集成在第二微处理器上。
倾角传感器与第二微处理器连接，可以采用MEMS封装，用于检测测斜管的倾斜角度。第二短距通信模块与第二微处理器连接，用于向主控器批量传输测斜管倾斜数据。
光电位置检测传感器，经过比较器连接第二微处理器，用于对所述倾角传感器的初始零角度的定位。
所述测斜仪组件电路还包括第二步进电机，通过第二步进电机控制器连接到第二微处理器，用于驱动倾角传感器沿着所述测斜管的圆截面转动。
测斜仪组件电路的电源电路包括，无线充电接收单元、第二电池组、第二充电管理单元、第二直流电源变换单元。无线充电接收单元获得的电能经所述第二充电管理单元接入第二电池组后，再经过第二直流电源变换单元的电压变换接入包括第二微处理器的所述测斜仪组件电路的电源电路。
根据一个或者多个实施例，测斜仪组件电路含有无线充电接收线圈及其充电电路、三维高精度MENMS倾角传感器及其信号调理电路、带蓝牙收发功能的微处理器、步进电机及其控制电路、直流变换及直流供电电路、26650锂电池、光学初始角度定位电路等功能电路组成。其中，无线充电接收线圈及其充电电路用以感应主控制器中无线充电发射模块发送的电磁能量，实现对测斜仪组件中的26650锂电池充电；直流变换及直流供电电路用以将26650锂电池提供的3～4.2伏直流电能变换为智能测斜仪子***相应单元所需的工作电源；直流供电电路用以为测斜仪组件相关电路提供稳定的直流供电电源；带蓝牙收发功能的微处理器还用以实现与主控制器之间的无线数据交互；三维高精度MENMS倾角传感器及其信号调理电路用以检测X、Y轴相对于重力轴间的倾角变化，并对倾角测量值实施20位精度的A/D转换，三维高精度MENMS倾角传感器还集成有温度传感器，用以检测分层温度信息；光学初始角度定位电路用以测量时确定MEMS倾角传感器在测斜管组成的圆截面上的零角度。
根据一个或者多个实施例，测斜仪组件，或者也可以称为测斜仪的完整测量过程如下。
测斜仪通过无线蓝牙方式实现与主控制器间的信息交互。当测斜仪中的无线蓝牙模块接收到主控制器发送来的“激活”信息后，测斜仪中的微处理器被激活。随之，将开始执行下述过程：
1.执行光学定位操作，光学定位操作的目的是使得倾斜测量用的三维MEMS芯片(X，Y轴)复零(复位到测斜管圆截面上设定的固定零角度)；
2.等待并接收主控制器随后发送的“测量深度”信息。接收到“测量深度”信息后，测斜仪依据收到的“测量深度”信息自动计算依据500mm测量间距所需的测量步长数，并保存。此时测斜仪处于测斜管最顶端(复位位置)。控制测斜仪中的步进电机离开0角度位置旋转90度，稍作停顿后，采样测斜管圆截面90度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角。然后，控制测斜仪中的步进电机离开90角度位置旋转到180度。稍作停顿后，采样测斜管圆截面180度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角。重复上述过程，直到三维MEMS倾角传感器回到初始0角度位置、并采集了0角度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角后，测斜仪进入等待主控制器发出“时钟同步”信息。
3.当测斜仪接收到主控制器发出的时钟同步信息后，测斜仪立即执行下述操作：
1)启动定时计数器开始定时计数；
2)计数到c1秒后执行四象限倾角数据采集并保存。当计数到C秒后，清除计数值并重新计时(定时计数器复位)，重新计时到D+c1秒后，采集第一个步长的二维MEMS倾角传感器的输出数据并保存；清除计数值并重新计时(定时计数器复位)，重新计时到D+c1秒后，采集第二个步长的二维MEMS倾角传感器的输出数据并保存。依次类推，直至最后一个采样步长。
举例来说，假定在一支埋深10米的测斜管中进行二维倾角测量，并且假定测斜仪初始位置处于穿出土体测斜管的上端，由此可知，测量步长数N为(2×10)-1，在时间同步后，除了起始位置采样二维倾角数据依据程式规定为C秒外，其余N个测量步长中每个测量步长开销C+D秒；因此全部测量时间开销TCL＝C+N×(C+D)秒。完成全部测量后停顿E秒，又开销测斜仪复位时间F＝10(m)/L(mm)/s,测斜仪回到起始原位。因此，整个过程开销时间TTOTAL＝TCL+F秒。
对于执行光学定位操作，光学定位的目的是确定每次测量时微机电倾角传感器(MEMS)X轴指向在测斜管圆截面上的固定初始角度位置。三轴倾角传感器(MEMS)由X、Y轴构成一个平面，三轴倾角传感器(MEMS)被安装在MEMS安装板上，其X轴指向安装板上开有的一个0.3毫米的小孔方向。正对该小孔，装有一个微型光学接受器件(LREC)。在MEMS安装板的下方沿测斜管圆截面某处安装有一个LED红外发射二极管(LTRANS)。
测斜仪工作时，执行光学定位的过程包括：
在微处理器(PTR9610)控制下，点亮发光二极管LTRANS，微处理器(PTR9610)结合步进电机控制芯片控制芯片(STSPIN220)控制步进电机(JF15BYG-018)带动MEMS安装板沿测斜管圆截面旋转。当MEMS安装板上的小孔对准LED红外发射二极管(LTRANS)时，MEMS安装板上的光学接收管(LREC)收到红外发射二极管穿过小孔的红外信号。于是，接收到光信号输出的高电平，微处理器(PTR9610)结合步进电机控制芯片控制芯片(STSPIN220)控制步进电机(JF15BYG-018)停止旋转。定义此时倾角传感器(MEMS)X轴指向为相对于测斜管圆截面上的初始零角度，于是完成了所谓的光学定位。
测斜仪中的倾角传感器对于每个500mm步长，是沿测斜管圆周实施了4象限的数据采样。因此可以得到测斜管在某分层处发生关于轴线偏移的矢量增量值。在完成一个步长倾角测量后，采样MEMS传感器内置温度传感器的温度值，存储所有采样数据后，完成该步长下所有的操作。
由于测斜仪工作时大多浸没于水中环境，测量数据在水中无法实现无线方式发送，因此采用定时采样MEMS倾斜传感器(X，Yy轴)的输出数据并存储于记忆体中，一旦测斜仪回到原点后(测斜管上端，脱离了浸没在水中的环境)，将采集到的、存于记忆体中的数据以无线蓝牙方式成批发送至自动升降及控制子***的数据交互方式。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (5)
1.一种测斜仪测量方法，用于土***移监测***，该***包括，
测斜管，被埋入待监测的土体中；
测斜仪组件，被置入所述测斜管内，用于获取测斜管的倾斜数据；
升降机构，吊挂住测斜仪组件，控制所述测斜仪组件在测斜管内的上下移动；
主控制器，用于控制所述升降机构的动作，同时通过通信接口与测斜仪组件进行数据和指令交互，控制测斜仪组件的测量过程，
所述的测斜仪组件电路包括第二微处理器、倾角传感器、光电位置检测传感器和第二步进电机控制器，
倾角传感器与第二微处理器连接，采用三维MEMS芯片结构，用于检测测斜管的倾斜角度；
第二短距通信模块，用于向主控器批量传输测斜管倾斜数据；
光电位置检测传感器，用于对所述倾角传感器的初始零角度的定位；
第二步进电机控制器，连接第二步进电机和第二微处理器，用于驱动倾角传感器沿着所述测斜管的圆截面转动；
所述测斜仪测量方法是：
S101，测斜仪组件电路接收到主控制器发出的激活指令后执行光学定位操作，所述的光学定位操作是指将倾角传感器复位到测斜管圆截面上设定的初始零角度；
S102，等待并接收主控制器发送的包括测量深度的信息，并且根据该测量深度计算依据测量间距所需的测量步长数；
S103，第二步进电机驱动倾角传感器沿着所述测斜管的圆截面旋转90度，采样测斜管圆截面90度时三维MEMS倾角传感器X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；
S104，第二步进电机驱动倾角传感器离开90角度位置旋转到180度，采样测斜管圆截面180度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；
S104，以此类推，第二步进电机依次驱动倾角传感器倾角传感器移动至70度和0角度至位置，采集270度和0角度时三维MEMS倾角传感器其X、Y轴相关垂直重力轴方向的偏移倾角；
S105，测斜仪组件接收主控制器发送的时钟同步信息，完成测斜仪组件与主控制器之间的时钟同步；
S106，在主控制器的控制下，测斜仪组件在升降机构的钢缆绳牵引下，在测斜管内移动一个步长的距离后停留，在该停留位置的对于倾角传感器数据进行采集；
S107，重复执行前一步骤，当完成预定的步长数后，测斜仪组件在升降机构的牵引下回到初始位置。
2.根据权利要求1所述的测斜仪测量方法，其特征在于，在步骤S106中，启动定时计数器定时计数，根据预定时限换算的计数值，控制倾角传感器的旋转时长、倾角传感器数据采集时长、测斜仪组件一个步长的移动时长、测斜仪的每个停留时长。
3.根据权利要求2所述的测斜仪测量方法，其特征在于，所述的光学定位操作包括：
将所述倾角传感器安装在倾角传感器安装板上，使得倾角传感器X轴指向倾角传感器安装板上开有的小孔方向；
在所述倾角传感器安装板的一侧设置光接收器，在所述倾角传感器安装板的另一侧正对光接收器的位置设置光发送器，
第二步进电机驱动倾角传感器安装板沿测斜管圆截面旋转至光接收、发送器对时，所述倾角传感器安装板上的小孔正好位于光发送器与光接收器之间，光发送器发送的光线穿过小孔后被光接收器接收到，定义此时倾角传感器X轴指向为相对于测斜管圆截面上的初始零角度，完成所述的光学定位操作。
4.根据权利要求3所述的测斜仪测量方法，其特征在于，所述测斜仪在测斜管内移动一个步长距离后采集该位置的温度值。
5.根据权利要求1所述的测斜仪测量方法，其特征在于，所述的测斜仪组件将采集获得的数据及时存储，当测斜仪组件完成测量返回初始位置后，通过第二短距通信模块将获得的数据发送至主控制器。
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Cited By (3)
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