CN205002729U - 一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置。多个集成传感器单元下上依次串叠连接构成测量串并封装在热缩软橡塑管内，并放入地下岩土体，集中处理装置与各个集成传感器单元之间通过485串口依次连接；通过测斜MEMS电路测出集成传感器单元自身相对于地心垂线的倾斜角，通过霍尔效应测磁电路测出相邻集成传感器单元发出磁场的磁感应强度，根据测量模型得出相邻两个集成传感器单元之间的相对位移和每个集成传感器单元的倾斜角，从而获得岩土体地下的变形情况。本实用新型不需要进行人工测量，能自动实时连续的测量监测，测量准确，能真实反映地下岩土的变形情况，不会出现无法测量的情况，可实现自动化测量。

Description

一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置

技术领域

本实用新型涉及了一种岩土体测量装置，尤其是涉及了一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，可用于地下深部岩土体变形（位移）测量。

背景技术

滑坡、崩塌、泥石流、地塌、地陷等危害人民生命和财产安全的地质灾害发生前和发生时会出现地下深部的位移现象，尾矿坝在不断堆积中也会出现深部位移现象，公路铁路边坡在受背靠岩土体挤压出现垮塌前岩体深部会出现位移，在建筑和水利施工中会因为挖掘和打桩等活动出现地下深部的变形和位移现象。对于地质灾害隐患点、尾矿坝和公路铁路边坡，地下变形或位移通常是灾变前的征兆；而对于建筑和水利施工，地下变形或位移通常是岩土工程环境和质量的重要表现。因此，对岩土地下深部变形或位移进行监测是防御灾害、保障建筑和水利等岩土工程质量的必要的手段。

针对滑坡地质灾害、矿山尾矿坝垮塌、公路铁路边坡坍塌、建筑基坑坍塌等类型的岩土灾变，可通过监测地下的变形预测灾变的发展和致灾的可能，地下变形是这类岩土灾变预警、预报的有效数据。

现有地下变形或位移测量通常是用测斜仪，它由测斜管、测斜探头、倾斜值接收器三部分组成。测斜管预先埋入要测变形或位移的位置，测量时将测斜探头从在地面的管口放入，放入的测斜探头根据不同深度逐次将测得的倾斜值送给在地面的倾斜值接收器，测量探头的倾斜角可在地上的倾斜值接收器显示表头上读出，经换算可得出地下的位移值。这种测斜测量仪必须由人工操作测量探头在测斜管内从上到下的放置，才能实现测量测斜管的倾斜角，不能自动实时连续的监测，且测量准确性与操作者的技术有关。

另外还有，当埋在土体深部的测斜管发生S型变形时，或发生大曲率弯曲时，测量探头无法放下去完成测量。另外，测斜管是用铝或工程塑料制成的管子，具有较好的抗破坏强度，当地下土质较软时，实际地下土体的位移大于测斜管的倾斜角度所对应的位移值，这不能准确地反映出地下的实际情况。

因此针对岩土灾变，现有的地下变形测量产品至少有三大缺陷：①不能实现实时测量；②当岩土体的分层运动使得测斜管成S形时，测斜探头无法放入测斜管，不能实现测量；③测斜管是带有引导测斜探头导槽的厚度为3mm的工程塑料管或铝管，相对软土是较坚硬的管子，因此测出的软土移动量会小于实际软土的移动量，不能准确测量岩土体的形变。为了改变和消除现有地下变形测量的测斜管测量仪的缺陷，改进地下变形测量仪和方法很有必要。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的问题，本实用新型提出了一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，结合了磁测量技术、MEMS传感器技术和通讯技术，基于测斜和霍尔效应的集成传感器单元构成，以实现岩土体地下变形的真实测量。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括集中处理装置和多个结构相同的集成传感器单元，多个集成传感器单元下上依次串叠连接构成测量串并封装在热缩软橡塑管内，热缩软橡塑管垂直放入地下岩土体内，集中处理装置与各个集成传感器单元之间通过485串口依次连接。

所述的集成传感器单元：包含子单片机、包含有测斜MEMS芯片的测斜MEMS电路、包含有霍尔测磁芯片的霍尔效应测磁电路、磁场发生线圈及其电磁铁、磁场控制电路、子485总线驱动电路和A/D转换电路；子单片机分别与测斜MEMS电路、霍尔效应测磁电路、子485总线驱动电路和A/D转换电路，测斜MEMS电路和霍尔效应测磁电路分别进行测斜和测磁，子单片机经磁场控制电路与缠绕在电磁铁上的磁场发生线圈连接，相邻集成传感器单元的子485总线驱动电路之间通过485总线连接。子单片机控制磁场发生电路、485总线驱动电路，读取测斜集成电路和霍尔芯片的输出电压。根据集中处理装置从485总线传来的信号，上下相邻的集成传感器依次受控制进行实时测量。

所述的集中处理装置：包括主单片机、主485总线驱动电路和通讯模块；主单片机分别与主485总线驱动电路和通讯模块连接，主485总线驱动电路经485总线与集成传感器单元连接。主单片机并通过485总线向多个地下位移测量集成传感器发出控制信号，通过通讯模块向远方发送采集测量得到的地下位移信息。

所述的通讯模块包括GPRS通讯电路和USB接口驱动电路。

所述的多个集成传感器单元中至少一个集成传感器单元置于稳定基岩层。

本实用新型主要将单片机、测斜MEMS芯片、霍尔测磁芯片、磁场发生线圈、磁场控制电路、485总线驱动电路、A/D转换电路等集成为集成传感器测量单元，并将多个测量集成单元形成地下变形或位移测量串，再由集中处理装置集中处理地下各个位置的水平位移量，从而形成地下变形或位移测量仪器，建立了一种新的地下变形（位移）测量方式。

像滑坡地质灾害的发生、尾矿坝的溃塌、公路铁路边坡的垮塌、建筑基坑的坍塌等岩土体的地下变形（位移）通常是以地球水平方向的运动体现出来，且这种变形从地面到深部是连续的，因此本实用新型采用连续测量岩土体从地面到深部的变形测量方式实现准确和连续的测量。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型不需要进行人工测量，能自动实时连续的测量监测，测量准确，能准确地反映出地下的实际情况，克服和消除了现有测斜管等地下变形测量仪测量不准确的技术问题，对于防御灾害、保障建筑和水利等岩土工程质量的岩土地下深部变形或位移监测具有重要意义。

总结来说，本实用新型测量结果能真实反映地下岩土的变形情况，不会出现无法测量的情况，可实现自动化测量。

附图说明

图1是本实用新型***的整体结构构成示意图。

图中：A表示集中处理装置，D表示被测岩土，E表示稳定基岩层。

图2是本实用新型集成传感器单元的结构构成示意图。

图3是本实用新型集中处理装置的结构构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型包括集中处理装置A和多个结构相同的集成传感器单元，多个集成传感器单元下上依次串叠连接构成测量串并封装在热缩软橡塑管内，热缩软橡塑管垂直放入地下岩土体内，集中处理装置A与各个集成传感器单元之间通过485串口依次连接，集成传感器单元进行测磁和测斜将测量信号传送到集中处理装置A，集成传感器单元用于地下变形或位移测量。

集成传感器单元包含子单片机（Micro-ControllerUnit）、包含有测斜MEMS芯片的测斜MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystem）电路、包含有霍尔测磁芯片的霍尔效应测磁电路、磁场发生线圈及其电磁铁、磁场控制电路、子485总线驱动电路和A/D转换电路；子单片机分别与测斜MEMS电路、霍尔效应测磁电路、子485总线驱动电路和A/D转换电路，测斜MEMS电路和霍尔效应测磁电路分别进行测斜和测磁，子单片机经磁场控制电路与缠绕在电磁铁上的磁场发生线圈连接，相邻集成传感器单元的子485总线驱动电路之间通过485总线连接。

集成传感器单元具体如图2所示，并表明两个相邻集成传感器间的关系，左边的虚线框内包含地下变形（位移）测量集成传感器的全部电路与器件，右边的局部虚线内仅表示出地下变形（位移）测量集成传感器的电磁铁、磁场控制电路、测斜电路。

如图2所示，单片机读取测斜集成电路和霍尔芯片的输出电压，并通过485总线传给地面的集中处理装置；在地面的集中处理装置，通过485总线发送信号，使上下相邻的集成传感器单元两两依次受控制，实现从地下深部到地面的岩土变形（位移）测量。

如图3所示，集中处理装置A包括主单片机、主485总线驱动电路和通讯模块；主单片机分别与主485总线驱动电路和通讯模块连接，主485总线驱动电路经485总线与集成传感器单元连接。通讯模块包括GPRS通讯电路和USB接口驱动电路。集中处理装置A通过485总线向多个集成传感器单元发出控制信号。

本实用新型中，一部分集成传感器单元放在可能发生变形的被测岩土D，一部分集成传感器单元放在稳定基岩层E。多个集成传感器单元中至少一个集成传感器单元置于稳定基岩层E。

本实用新型将集成传感器串接后放入岩土体中，当岩土体发生变形时，上下相邻的两个集成传感器间发生变形的物理表征是集成传感器间相对水平位移和集成传感器轴线夹角变化。

本实用新型是将通过485总线控制集成传感器串中的从m个集成传感器从上到下，发磁力线、测磁电压、测斜，并将各量数据通过485总线收集，两两相连的集成传感器间通过485总线实现信息传递和控制。测量时，由一个集成传感器控制电磁铁发出磁场，另一个集成传感器的霍尔效应电路接收磁场，磁场的强弱反应了两个集成传感器间的间距；而测斜电路测出集成传感器与地球垂线的倾斜角，两个集成传感器倾斜角的差就是两个集成传感器的夹角。根据霍尔效应电路测得的反映集成传感器水平间距的磁电压和两个集成传感器间的夹角，可知从上到下两两集成传感器间的变形，从而获得整个集成传感器串的变形（位移）情况。如先控制第m个集成传感器单元进行测斜、电磁铁通电发出磁场，再控制(m-1)集成传感器单元进行测磁电压、测斜，A将读取m、(m-1)的测量数据，算出m、(m-1)间的夹角，再根据测量模型得出m与(m-1)的水平间距、倾斜等变形数据；完成后A将依次控制(m-1)与(m-2)，……，直至最后一个集成传感器单元全部测完。测得的数据将在上位机以表格和图像显示，并长期保存。

、本实用新型的具体测量实施过程如下：

如图1所示，主要由集中处理装置、地下变形（位移）测量集成传感器串组成，从下而上依次是由2～m个结构相同的由测磁和测斜的集成传感器单元通过485总线串接而成，其中第m个集成传感器单元与集中处理装置A通过485总线连接，且至少最上面的集成传感器必须放入稳定的基岩层，整个由集成传感器构成的测量串封装在厚度仅1mm的热缩软橡塑管内。

由2-m个集成传感器单元上下串叠成串，有两根电源线和两根通讯线实现从地面到地下的工作电源提供、数据传输和测量控制通讯，成串的集成传感器单元外部由1mm厚的热缩管包裹。

实际实物外形为圆柱形，约直径为5cm、高为8cm。其结构是在壁厚4mm的工程塑料管内，分别在管的上、下端部离管口边沿10mm处放置两块圆形电路板，在上端部的一块圆形电路板上装有电磁铁、磁场控制电路等，在下端部的一块圆形电路板上装有单片机、MEMS测斜电路、霍尔效应测磁电路、A/D转换电路、485总线驱动电路、稳压电路等。上下两块圆形电路板上的器件、电路，均由在下端部的单片机集中控制处理。

集成传感器串中两两紧连的集成传感器间的夹角和间距由测斜和测磁实现，集成传感器串的外皮是柔软的热缩管，当地下岩土运动时，集成传感器串可以随着岩土任意的运动，而测出的两两集成传感器间的夹角和间距反映出地下岩土体的变形。

因集成传感器串中每个集成传感器10cm高，并由薄软的热缩管将一个个集成传感器包裹成串，集成传感器测得的数据通过485总线传送到地面，这样集成传感器串可以随地下岩土的推挤，与岩土一起变形（即变形量与岩土变形量一样），不论怎样变形集成传感器串都能测出岩土的变形情况，并且测量过程不需要人工干预。

Claims (5)

1.一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，其特征在于：包括集中处理装置（A）和多个结构相同的集成传感器单元，多个集成传感器单元下上依次串叠连接构成测量串并封装在热缩软橡塑管内，热缩软橡塑管垂直放入地下岩土体内，集中处理装置（A）与各个集成传感器单元之间通过485串口依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，其特征在于：所述的集成传感器单元包含子单片机、包含有测斜MEMS芯片的测斜MEMS电路、包含有霍尔测磁芯片的霍尔效应测磁电路、磁场发生线圈及其电磁铁、磁场控制电路、子485总线驱动电路和A/D转换电路；子单片机分别与测斜MEMS电路、霍尔效应测磁电路、子485总线驱动电路和A/D转换电路，测斜MEMS电路和霍尔效应测磁电路分别进行测斜和测磁，子单片机经磁场控制电路与缠绕在电磁铁上的磁场发生线圈连接，相邻集成传感器单元的子485总线驱动电路之间通过485总线连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，其特征在于：所述的集中处理装置（A）包括主单片机、主485总线驱动电路和通讯模块；主单片机分别与主485总线驱动电路和通讯模块连接，主485总线驱动电路经485总线与集成传感器单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，其特征在于：所述的通讯模块包括GPRS通讯电路和USB接口驱动电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于测斜和霍尔效应的地下变形测量装置，其特征在于：所述的多个集成传感器单元中至少一个集成传感器单元置于稳定基岩层（E）。