CN207066383U - 一种地质监测位移计 - Google Patents

Abstract

一种地质监测位移计，包括控制节及多个传感节，所述控制节及传感节通过万向节连接，所述控制节内设有控制模块，所述传感节内设有传感模块，传感模块与控制模块电连接；本实用新型提供一种地质监测位移计，通过处理器将采集到的数据预处理和测量误差补偿后进行姿态解算，并将得到的方位姿态信息通过串口传送到PC端的应用程序中对位移的模型进行显示，能够监测不同的地质层。另外本电子罗盘采用业内领先的传感器芯片对于测量精度有很好的表现，可以满足大部分对于精度有要求的测量任务。

Description

一种地质监测位移计

技术领域

本实用新型涉及一种地质位移监测装置，特别是一种地质监测位移计。

背景技术

我国由于多山多水和气候因素的影响，导致地质灾害发生频繁，主要地质灾害如地震灾害、崩塌、滑坡、泥石流灾害、土地退化灾害和地面变形和矿山井巷灾害和由上述地质灾害引起的人造设施如桥梁，公路铁路及大坝塌方等灾害是人民群众的生命财产安全的巨大的威胁，为了应对这些地质灾害对灾害发生概率大的地点进行地质监测是十分必要的。

对于不稳定的滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害的监测仪器应该满足监测精度和可靠性要求，对环境的适应力、抗腐蚀能力、受温度、冰融、风、水、雷电、振动等影响小。能保持仪器和传输线路的长期稳定性和可靠性，故障小，并便于维护和更换。

对于滑坡，崩塌和泥石流相关的地质监测来说，传统的位移监测方式集中于表层位移监测，如GPS形变监测，激光测距监测，拉索式位移监测，上述表层位移监测传感器主要安装于监测地质表层。由于表层监测易受干扰导致监测精度大幅降低；而且当表层出现大幅度滑坡时，实际滑坡风险已经很高了，在很短时间内出现滑坡的可能性很高，监测的预警时间很短。所以，采用深层位移监测才能有效的对灾害进行预警。现有技术也有对深部位移进行测量的方法，如采用滑动式测斜仪来监测土层的深部变形，滑动式测斜仪是在钻孔内沉放测斜管，利用手拉滑动式测斜仪在测斜管导轨上下定长定点测量钻孔内部倾斜位移，从而掌握钻孔内部的形变情况。这个方案的缺陷是在地质变化较大的情况下，往往会使钻孔内的测斜管错断或变形，这样传感器将不能深入到钻孔中进行测量。

对于常见地质灾害如滑坡的监测频率，正常情况下一般为15天一次，比较稳定的可每月一次；在监测的汛期，雨季，预报期，防治工程施工期等需要加密，宜每天一次或数小时一次直至连续跟踪监测。在正常情况下，监测频率不高，普通监测手段往往能满足要求，但是在一些比较极端的情况下，传统的测量方法不能对被测物的实时位移情况进行监测，每次需要测量时往往需要专人带设备去测量然后将结果反馈出来。这样的方法在环境恶劣和测量次数频繁的情况下，给测量人员带来了很多不利。

对于一些表面位移量的测量，如大坝，桥梁，公路铁路的形变位移监测，靠肉眼或者一些宏观的测量方法往往不能达到很好的监测效果，在一些如大坝表面、桥梁底部等不适合人工工作或者危险性比较高的场合对需要监测的地方一次性安装一个可以长期免维护的监测位移量的传感器也是很有必要的。

综上所述，研发一种能实时捕捉监测滑坡体内部的不同深度岩土体当前状态、破坏状态、预测滑坡体未来发展趋势的设备对于我国地质灾害预防的作用是特别巨大的。该设备不仅在精度上达到需求，也能在环境相对恶劣的深层岩土层内长期稳定工作而免于维护，这对于我国当前的情况有着特殊的意义，这样的监测设备将是我国深层位移监测发展的必然趋势。另外，在一些需要监测某一线性物体如钢梁或者通过测量多个线性数据从而得出面的位移变化量的场合，如应用在大坝面上的形变监测和桥梁挠度的监测，这样的监测设备也会有一番用武之地，所以开发阵列式地质监测位移计是很有必要的。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种地质监测位移计，结构简单、体积小、功耗低，能够监测不同的地质层。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种地质监测位移计，包括控制节及多个传感节，所述控制节及传感节通过万向节连接，所述控制节内设有控制模块，所述传感节内设有传感模块，传感模块与控制模块电连接；

所述控制模块包括单片机、RS485通信模块及片选电压产生电路，单片机通过RS485通信模块与通讯总线连接，单片机还与片选电压产生电路连接，片选电路与片选电压产生电路连接；所述传感模块包括电源电路、AD采样模块、加速度计，电源电路为其他电路供电，片选电路与AD采样模块连接，AD采样模块与加速度计连接。

优选的，所述电源电路为由LP2951电源芯片及其***电路组成的5V电源***和由TLV713电源芯片及其***电路组成的3.3V电源***。

优选的，所述单片机还与地磁传感器、温度传感器及复位电路连接。

优选的，所述传感节连接于控制节的两侧。

优选的，所述控制节及传感节为长500mm、直径25mm的空心管。

优选的，所述传感节的个数小于8个。

优选的，所述地磁传感器为三轴地磁传感芯片，所述加速度计为三轴硅微电子加速度计芯片。

优选的，所述通讯总线可连接多个地质监测位移计。

优选的，所述单片机采用msp430系列单片机。

本实用新型提供一种地质监测位移计，通过处理器将采集到的数据预处理和测量误差补偿后进行姿态解算，并将得到的方位姿态信息通过串口传送到PC端的应用程序中对位移的模型进行显示，能够监测不同的地质层。另外本电子罗盘采用业内领先的传感器芯片对于测量精度有很好的表现，可以满足大部分对于精度有要求的测量任务。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构框图；

图3为本实用新型一段姿态的计算原理示意图；

图4为本实用新型多段测量的原理示意图；

图5为本实用新型片选电路图；

图6为本实用新型片选电压产生电路图。

具体实施方式

如图1-2所示，一种地质监测位移计，包括控制节1及多个传感节2，所述控制节及传感节通过万向节3连接，所述控制节1内设有控制模块，所述传感节2内设有传感模块，传感模块与控制模块电连接；传感节和控制节两端都具有线缆的连接端子和接口，并能在万向节变形时连接关系不受影响，并具有一定的防水功能。

所述控制模块包括单片机、RS485通信模块及片选电压产生电路，单片机通过RS485通信模块与通讯总线连接，单片机还与片选电压产生电路连接，片选电路与片选电压产生电路连接；片选电压产生电路主要是由单片机通过控制多路复用器将不同的参考电压输入到电压片选的总线上，该电压信号经过每个传感节上的电压比较电路由各个比较电路对该总线电压和所在传感节的工作电压比较，如果总线电压在该传感节的工作电压范围内则输出一个信号到传感节的多路复用开关上，将通讯所需的数据线与总线的数据线间的开关闭合，这样这个传感节和控制节之间就能互相通讯了。该电路相当于采用一根线实现了对于2个以上电路的片选操作。所述传感模块包括AD 采样模块、电源电路、加速度计和片选电路，电源电路为其他电路提供正常工作需要的电源，加速度计和AD采集电路相连，AD采集电路和片选电路相连。对于传统的一主多从的方式，往往需要多条线缆才能实现主机对从机的控制，比如，3根线可以产生控制8个从机的信号，在本发明中，采用电压比较器的方式，实现一根线对2个以上的从机进行控制。

优选的，所述单片机还与地磁传感器、温度传感器及复位电路连接。

优选的，所述传感节2连接于控制节1的两侧。

优选的，所述控制节1及传感节2为长500mm、直径25mm的空心管。对于深层位移量的测量，因为地质的变化不是均匀的，各个不同的地质层都有不同的运动状态，比如滑坡高发场合，如果深部出现较大的位移则灾害的破坏性就越大。所以本发明针对不同深度的位移将***分为500mm的分节结构，并在节之间采用万向节连接，这样在位移之后各节的位置将会发生和地质位移量同比例的变化，在上位机显示时可以形象的看出地质变化。

优选的，所述传感节2的个数小于8个。一端的传感节不多于4个，控制节可作为传感节使用，所以控制节也算一个传感节，控制节可以作为一个传感节使用，这样可以减少一个节的连接，从而达到节约空间的目的。

优选的，所述地磁传感器为三轴地磁传感芯片，所述加速度计为三轴硅微电子加速度计芯片。

优选的，所述通讯总线可连接多个地质监测位移计。通过MODBUS通讯协议进行通讯，可以实现最多256个节点的数据通讯。

优选的，所述单片机采用msp430系列单片机。

如图5所示，为本实用新型片选电路图，U4为电压比较芯片，R1,R2和R3共同组成电压比较芯片的***电路，R10,R11,R13，和三极管Q1组成一个反向器电路。D1为多路复用器芯片，XS3和XS4分别为连接上一个传感节和下一个传感节的接插件。R27为分压电阻，R31为0欧姆的电阻，该电阻根据实际情况选焊。R26和R30为接地电阻。

如图6所示，为本实用新型片选电压产生电路图，U2为运算放大器芯片，N1和N2为多路复用器芯片，R15,R16,R17和R18为分压电阻，Ref电压由参考电压芯片Ref3040产生。N1上网络标号Vselect1/2为单片机信号输入；网络标号1V，1.33V， 2V，4V为电压信号输入，连接着上面的分压电阻；N2中SensorSel1/2为单片机信号输入，S1IN，S2IN为电压输出，分别连接U2的5脚和10脚；U2的7脚和8脚上的网络标号S1，S2输出电压信号到后面的电压片选电路。

安装时，可以通过打孔的方式，将传感器置于软管中，由孔进入到被测物内部，随物体的形变而变化，这种安装方式特别适用于对滑坡体的深度位移监测。传感器安装好后一直置于钻孔中可对滑坡体的深度位移情况进行实时监测。在位移测量任务完成后，可以将传感器从软管中拔出，只要测量位移量没有超过量程，确定位移计没有受损的情况下可以实现重复利用。除打孔安装外，传感器还可以贴在被测物体表面，比如对大坝表面的位移进行监测来评定大坝的溃坝风险，安装在桥梁底下用于对桥梁挠度的测量和对公路，铁路塌陷的监测等等。

角度测量特性有加速度测量范围典型值±2g、测量角度范围为典型值±90Degrees、倾角测量分辨率为典型值0.01Degrees、角度测量重复性为典型值0.02Degrees、方位角误差为典型值±0.3Degrees、正交性误差为典型值±0.1Degrees。特性参数有磁场测量范围为典型值±0.1gauss，磁场测量噪声为典型值±50nT，磁轴正交度为典型值±0.1Degrees，六轴正交度±0.17Degrees。

在传感节2内设置三段连续轴微电子机械***(MEMS)加速度计，每段轴有一个已知的长度L，通过一个简洁的MEMS阵列传感器和算法测量三维和二维形状及三维振动。具体的形变量的计算方法如下：

ΔX＝θ·L

通过上述公式可以求出一节对于参考点的偏移情况。例如图3所示，在检测出各部分的重力场数据之后，各段之间的弯曲角度就可以计算出来。利用计算得到的弯曲角度和已知各段轴的长度，位移计的变形便可以完全确定出来。在只有一段传感器测量时，我们可以得到A(X1，Y1，Z1)、B(X2，Y2，Z2)两点的数据,有这两个数据可以求出该段传感器在空间直角坐标系(实际中一般采用北东地坐标系)中各个方西上的夹角(θ1，θ2，θ3)，由此，在多节测量中(如图4)，只需设定一个点为参考点，那么其他各个点的相对位置都可以得到。

在对传感节的控制中，传感节中使用了一个比较器，如图5当输入电压信号A_CS在设定范围内时(典型值为1V)，芯片U4的5脚输出一个高电平信号，再由反相器输出低电平信号D_CS，这个低电平信号给多路复用器的使能引脚，将传感节和控制 节的信号线连接在一起。实现控制节对该传感节信号线的电气连接。在控制节中，先由参考电压产生电路分别生成4v、2v、1.33v和1v的电压，再由单片机对多路选择开关的控制，将不同的参考电压信号输出到对传感节控制的信号线上，该信号就是传感节中比较电路的输入。在连接有4个传感节的情况下，当信号输入是4v时，由于各段之间串接电阻分压的作用，每一节的输入电压都不同，分别为4v，3v，2v和1v，在比较电路中，设置的使能电压的典型值为1v，所以这时最后一个传感节使能。当输入电压为2v时，倒数第二个传感节被使能；输入为1.33v(4/3v)时，第二个使能，为1v时，第一个使能。这样就实现控制节对于不同传感节的选择与使能。

对于位移计的安装，每个节是长度500mm，直径25mm的PVC软管，各个节之间用万向节连接。在对于深层位移的监测中，需要进行钻孔，然后将位移计***钻孔中，输出的线缆由上面引出，对于位移计的供电和数据处理，可以采用基站的形式，这个可以根据具体情况选择合适的方式。

对于另一种监测环境即贴在被测物体表面的方式，由于位移计本身的直径并不是很粗所以可以使用类似于线缆的固定方法，如使用一个线槽固定。

所有安装工作结束后，对位移计的初始状态进行校准，这个状态对于以后数据的分析意义重大，是监测变化量的一个重要参数，所有务必对该值进行记录。

上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案，而不应视为对于本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种地质监测位移计，其特征在于：包括控制节（1）及多个传感节（2），所述控制节及传感节通过万向节（3）连接，所述控制节（1）内设有控制模块，所述传感节（2）内设有传感模块，传感模块与控制模块电连接；

所述控制模块包括单片机、RS485通信模块及片选电路，单片机通过RS485通信模块与通讯总线连接，通讯总线与PC机连接，单片机还与片选电路连接，片选电路与片选电压产生电路连接；所述传感模块包括比较器、AD采样模块、电源电路及加速度计，片选电路与比较器连接，比较器与AD采样模块连接，AD采样模块与电源电路连接，电源电路与加速度计连接，加速度计再与AD采样模块连接。

2.根据权利要求1所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述单片机还与地磁传感器、温度传感器及复位电路连接。

3.根据权利要求1所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述传感节（2）连接于控制节（1）的两侧。

4.根据权利要求1所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述控制节（1）及传感节（2）为长500mm、直径25mm的空心管。

5.根据权利要求1所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述传感节（2）的个数小于8个。

6.根据权利要求2所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述地磁传感器为三轴地磁传感芯片，所述加速度计为三轴硅微电子加速度计芯片。

7.根据权利要求1所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述通讯总线可连接多个地质监测位移计。

8.根据权利要求1所述一种地质监测位移计，其特征在于：所述单片机采用msp430系列单片机。