一种基坑监测采集器以及系统的制作方法

本实用新型实施例涉及测量技术领域，尤其涉及一种基坑监测采集器以及系统。

背景技术：

随着我国基础建设的迅速发展，地铁车站、房屋建筑基础等深基坑工程建设也日益增多。在深基坑工程的施工过程中，其支护结构的稳定性就显得极其重要。在现代信息化施工理念的指导下，对基坑支护结构及基坑周边土体、建构筑物等进行实时系统的监控成为保证基坑安全的重要手段。其中对支护结构的监测是整个监测系统中最为重要的内容之一。因此，通过对支撑轴力的监测，可以及时掌握施工过程中支撑的受力状况，同时也可以大致反推围护结构(桩或墙等)的变形情况。准确监测出支撑轴力的大小及其变化情况对整个基坑工程施工安全就显得非常重要。

目前对钢筋混凝土支撑轴力监测的常规方法是采用人工现场测量，通过手持读数仪单个读取振弦式钢筋应力计，测出钢筋的应力值，然后人工计算出支撑轴力。此种支撑轴力测量方式落后，监测密度和精度很多时候都难以起到基坑支撑轴力监测预警的效果。具体来说这种方式主要有三方面的不足，第一方面因为基坑轴力一般都是布满整个基坑周边，现场测量人员通过手持读数仪逐个读取，需要花费大量的时间，而且这种监测密度在出现险情的时候往往达不到及时预警的效果，且无法保证测量人员自身的安全。第二方面，因为观测个人的业务水平的差异，观测到的数据良莠不齐；人工造假数据时有发生，数据的精确度无法保证，为科研和设计人员对基坑支撑轴力的分析与研究造成很大困扰；观测到的支撑轴力值经过手工记录、人工换算，出现误差的概率很大。第三方面，基坑周围经常有大功率设备工作，由此产生的干扰对振弦类的支撑轴力钢筋计应力值稳定性影响很大。

技术实现要素：

本实用新型提供一种基坑监测采集器以及系统，以解决基坑支撑轴力监测数据不准确的问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基坑监测采集器，包括采集模块、处理模块和电源模块；

其中，所述基坑监测采集器的所述采集模块与基坑中的多个传感器连接；

所述处理模块用于接收采集指令产生控制信号，并发送至所述采集模块；

所述采集模块用于根据所述控制信号对基坑中对应的一所述传感器产生激励信号，并采集所述传感器的检测信号；

所述处理模块还用于接收所述采集模块发送的所述检测信号，并处理生成基坑参数信号；

所述电源模块用于为所述采集模块和所述处理模块提供电源信号。

进一步地，上述基坑采集器中，所述采集模块包括：通道选择电路、选频放大电路以及激振电路；

所述通道选择电路用于根据所述控制信号控制所述选频放大电路以及激振电路与基坑中对应的所述传感器连接；

所述激振电路用于对与之连接的所述传感器的钢弦起振；

所述选频放大电路用于将与之连接的所述传感器的钢弦起振所产生的所述检测信号进行放大滤波处理。

进一步地，所述基坑采集器，还包括：

光电隔离模块，所述光电隔离模块分别与所述通道选择电路、所述选频放大电路、所述激振电路以及所述处理模块连接，用于将所述控制信号和所述检测信号进行电气隔离。

进一步地，上述基坑采集器中，所述光电隔离模块包括多个第一类型光电耦合器、一第二类型光电耦合器以及一第三类型光电耦合器；所述第一类型光电耦合器、第二类型光电耦合器以及第三类型光电耦均包括发光二级管、光敏三极管和上拉电阻；

其中，所述第一类型光电耦合器中的所述发光二极管的输入端与所述处理模块连接；所述第一类型光电耦合器中的所述发光二极管的输出端与数字电路接地端连接；所述第一类型光电耦合器中的所述光敏三极管的发射极与模拟电路接地端连接；所述第一类型光电耦合器中的所述上拉电阻一端与所述第一类型光电耦合器中的所述光敏三极管的集电极连接；所述第一类型光电耦合器中的所述上拉电阻的另一端与所述通道选择电路连接；

所述第二类型光电耦合器中的所述发光二极管的输入端与所述选频放大电路连接；所述第二类型光电耦合器中的所述发光二极管的输出端与模拟电路接地端连接；所述第二类型光电耦合器中的所述光敏三极管的发射极与数字电路接地端连接；所述第二类型光电耦合器中的所述上拉电阻一端与所述第二类型光电耦合器中的所述光敏三极管的集电极连接；所述第二类型光电耦合器中的所述上拉电阻的另一端与所述处理模块连接；

所述第三类型光电耦合器中的所述发光二极管的输入端与所述处理模块连接；所述第三类型光电耦合器中的所述发光二极管的输出端与数字电路接地端连接；所述第三类型光电耦合器中的所述光敏三极管的发射极与模拟电路接地端连接；所述第三类型光电耦合器中的所述上拉电阻一端与所述第三类型光电耦合器中的所述光敏三极管的集电极连接；所述第三类型光电耦合器中的所述上拉电阻的另一端与所述激振电路连接。

进一步地，上述基坑采集器中，所述电源模块包括：主电源和电源隔离模块；

所述主电源分别与外部电源信号线、所述电源隔离模块以及所述处理模块连接；

所述电源隔离模块还与所述采集模块连接，用于将所述主电源提供的电源信号与外部电源信号隔离。

进一步地，上述基坑采集器中，所述电源隔离模块包括电源隔离芯片，所述电源隔离芯片包括正电压输出端、负电压输出端、模拟电路接地端、目标电压输入端、器件接地端；

其中，所述正电压输出端与所述采集模块连接；

所述负电压输出端与所述采集模块连接；

所述目标电压输入端与所述主电源连接。

进一步地，上述基坑采集器中，所述处理模块包括：

处理单元、接口单元、存储单元和数字电源；

所述处理单元用于接收所述采集模块发送的所述检测信号，并处理生成基坑参数信号；

所述接口单元与外部总线连接，用于将所述基坑参数信号发送至所述采集指令的发送方；

所述存储单元，用于存储所述基坑参数信号；

所述数字电源分别与所述处理单元、所述接口单元以及所述存储单元连接，用于为所述处理单元、所述接口单元以及所述存储单元提供工作电压。

进一步地，上述基坑采集器中，所述通道选择电路包括通道选择芯片；所述通道选择芯片包括控制信号输入端、公共输入端；

其中，所述控制信号输入端与所述光电隔离模块中第一类型光电耦合器的所述光敏三极管的集电极连接；

所述公共输入端与所述激振电路、所述选频放大电路连接；

进一步地，上述基坑采集器中，所述检测信号包括电流频率值，所述基坑参数信号包括支撑轴力值。

本实用新型实施例还提供一种基坑监测系统，包括上述任一项所述的基坑监测采集器和位于基坑中的多个传感器。

本实用新型实施例提供的一种基坑监测采集器以及系统，可以实现高效率的数据监测，避免由于手工记录或人工换算造成的误差，保证了测量人员的人身安全，且操作简单，精度高，抗干扰能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例一提供的一种基坑监测采集器的整体结构框图；

图2为本实用新型实施例二提供的一种基坑监测采集器的整体结构框图；

图3为本实用新型实施例二提供的一种光电隔离模块的具体电路图；

图4为本实用新型实施例二提供的一种电源隔离模块的具体电路图；

图5为本实用新型实施例二提供的一种通道选择电路的具体电路图；

图6为本实用新型实施例三提供的一种基坑监测系统的整体结构框图。

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的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本实用新型实施例一提供的一种基坑监测采集器的整体结构框图。如图1所示，本实用新型实施例提供一种基坑监测采集器，通过控制多通道的采集以及消除采集过程中的人为误差和环境干扰，可以实现高效率且精度高的数据监测。

所述基坑监测采集器包括：采集模块10、处理模块20和电源模块30；

其中，所述基坑监测采集器的所述采集模块10与基坑中的多个传感器连接；

所述处理模块20用于接收采集指令产生控制信号，并发送至所述采集模块10；

所述采集模块10用于根据所述控制信号对基坑中对应的一所述传感器产生激励信号，并采集所述传感器的检测信号；

所述处理模块20还用于接收所述采集模块10发送的所述检测信号，并处理生成基坑参数信号。

所述电源模块30用于为所述采集模块10和所述处理模块20提供电源信号。

本实用新型实施例中采集模块与基坑中的多个传感器连接，采集模块可以根据控制信号选择对应的传感器，然后对该传感器产生激励信号，并采集该传感器的检测信号，因此可以根据处理器发送的控制信号切换各传感器与采集模块的选通，实现不同传感器与采集模块的通道切换。因此可以将基坑监测采集器设置在基坑的一固定位置，或者测量人员可以在现场安全位置手持基坑监测采集器，无需测量人员通过手持基坑监测采集器逐个读取基坑中的传感器数据，所以一方面可以保证测量人员自身的安全，另一方面，提高了数据采集效率。

可选的，所述采集模块包括：通道选择电路11、选频放大电路12以及激振电路13。所述通道选择电路11用于根据所述控制信号控制所述选频放大电路12以及激振电路13与基坑中对应的所述传感器连接；所述激振电路13用于对与之连接的所述传感器的钢弦起振；所述选频放大电路12用于将与之连接的所述传感器的钢弦起振所产生的所述检测信号进行放大滤波处理。

其中，所述传感器可以是振弦传感器，例如包括钢筋应力计。所述采集器的所述采集模块与基坑中的多个振弦传感器通过有线方式连接，以实现多路振弦信号的采集。

可选的，上述实施例中所述检测信号包括电流频率值。例如振弦传感器中的钢弦接收到激励信号后起振，之后再由振弦传感器中的检振线圈将微弱的钢弦振动转换为大小变化的电流信号，由于钢弦振动只与其本身的固有频率相关，所以检振线圈所获取到的电流信号的变化频率等于钢弦的振动频率。可选的，上述基坑参数信号包括支撑轴力值。处理模块可以计算传感器的检测信号的频率大小，再根据预先存储的运算公式配合相关参数，计算出该传感器的检测信号对应的基坑参数信号。基坑参数信号为直观物理量例如支撑轴力值、应变或压强等。通过利用所述处理模块直接将检测信号处理成直观物理量的基坑参数信号可以避免由于测量人员手工记录或人工换算造成的结果数据有较大误差的情况发生。

实施例二

图2为本实用新型实施例二提供的一种基坑监测采集器的整体结构框图。参见图2，所述基坑监测采集器包括：采集模块10、处理模块20、电源模块30和光电隔离模块40。所述光电隔离模块40分别与采集模块10中的所述通道选择电路11、所述选频放大电路12、所述激振电路13以及所述处理模块30连接，用于将所述控制信号和所述检测信号进行电气隔离。

需要说明的是，由于采集模块中的电路为模拟电路，处理模块中的电路为数字电路，通过增加光电隔离模块，可以防止数字电路对模拟电路的干扰，使的频率检测更准确和稳定。

可选的，所述电源模块30包括：主电源31和电源隔离模块32。所述主电源31分别与外部电源信号线、所述电源隔离模块32以及所述处理模块20连接；所述电源隔离模块32还与所述采集模块10连接，用于将所述主电源31提供的电源信号与外部电源信号隔离。

需要说明的是，由所述主电源由外部DC电源供电，然后再经过DC-DC转换成采集器需要的工作电压(例如5V)。参见图2，所述电源隔离模块32还分别与所述采集模块10中的所述通道选择电路11、选频放大电路12以及激振电路13连接。

可选的，所述处理模块20包括：处理单元21、接口单元22、存储单元23和数字电源24。所述处理单元21用于接收所述采集模块10发送的所述检测信号，并处理生成基坑参数信号；所述接口单元22与外部总线连接，用于将所述基坑参数信号发送至所述采集指令的发送方；所述存储单元23，用于存储所述基坑参数信号。所述数字电源24分别与所述处理单元21、所述接口单元22以及所述存储单元23连接，用于为所述处理单元21、所述接口单元22以及所述存储单元23提供工作电压。

可选的，所述接口单元可以是485接口，与外部总线相连，实现数据收发。所述存储单元可以存储测量得到的结果数据和相关的参数信息(钢筋计应力值与支撑轴力的计算公式标定在存储单元内，为所述处理单元所调用)。优选的，选择大容量闪存存储器，可以存储更多通道的数据，为通道的有效扩展，提供可靠的存储基础。所述采集器的所述接口单元与外部总线可以通过有线或无线通信方式连接，可以实现对基坑参数信号的现场安全位置的有线采集和长距离的无线遥控采集。所述数字电源由主电源供电，再经DC-DC转换为处理单元、存储器以及接口单元等数字电路提供工作电压。

图3为本实用新型实施例二提供的一种光电隔离模块的具体电路图，参见图3，所述光电隔离模块40包括多个第一类型光电耦合器41、一第二类型光电耦合器42以及一第三类型光电耦合器43；所述第一类型光电耦合器41、第二类型光电耦合器42以及第三类型光电耦43均包括发光二级管、光敏三极管和上拉电阻。

其中，所述第一类型光电耦合器41中的所述发光二极管的输入端与所述处理模块连接；所述第一类型光电耦合器41中的所述发光二极管的输出端与数字电路接地端连接；所述第一类型光电耦合器41中的所述光敏三极管的发射极与模拟电路接地端连接；所述第一类型光电耦合器41中的所述上拉电阻一端与所述第一类型光电耦合器41中的所述光敏三极管的集电极连接；所述第一类型光电耦合器41中的所述上拉电阻的另一端与所述通道选择电路连接；

所述第二类型光电耦合器42中的所述发光二极管的输入端与所述选频放大电路连接；所述第二类型光电耦合器42中的所述发光二极管的输出端与模拟电路接地端连接；所述第二类型光电耦合器42中的所述光敏三极管的发射极与数字电路接地端连接；所述第二类型光电耦合器42中的所述上拉电阻一端与所述第二类型光电耦合器42中的所述光敏三极管的集电极连接；所述第二类型光电耦合器42中的所述上拉电阻的另一端与所述处理模块连接；

所述第三类型光电耦合器43中的所述发光二极管的输入端与所述处理模块连接；所述第三类型光电耦合器43中的所述发光二极管的输出端与数字电路接地端连接；所述第三类型光电耦合器43中的所述光敏三极管的发射极与模拟电路接地端连接；所述第三类型光电耦合器43中的所述上拉电阻一端与所述第三类型光电耦合器43中的所述光敏三极管的集电极连接；所述第三类型光电耦合器43中的所述上拉电阻的另一端与所述激振电路连接。

需要说明的是，所述任一类型的光电耦合器是将发光元件(发光二极管)和受光元件(光敏三极管)组合在一起，输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光敏三极管接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。完成了电-光-电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用，使输入和输出在电气上是完全隔离的。

所述第一类型光电耦合器中发光二极管的输入端PIC0out、PIC1out和PIC2out管脚与处理模块中处理单元的不同管脚连接，所述第一类型光电耦合器中发光二极管的输出端DGND管脚均连接数字地；所述第一类型光电耦合器中光敏三极管的集电极PIC0、PIC1和PIC2管脚分别串联上拉电阻R141、R142和R143，然后与通道选择电路的不同管脚连接，所述第一类型光电耦合器中光敏三极管的发射极AGND管脚均连接模拟地。所述第一类型光电耦合器为多个，例如可以是3个(如图3所示)，控制8个通道的切换接入不同的振弦传感器。需要说明的是，本领域技术人员可以在本实用新型构思的基础上，根据产品需求设置第一类型光电耦合器的个数，本实用新型实施例对第一类型光电耦合器的数量不做限定。

所述第二类型光电耦合器中发光二极管的输入端CE管脚与选频放大电路的CE管脚连接，所述第二类型光电耦合器中发光二极管的输出端AGND管脚连接模拟地；所述第二类型光电耦合器中光敏三极管的集电极CEin管脚串联一个上拉电阻R144，然后与处理模块中处理单元的管脚相连，所述第二类型光电耦合器中光敏三极管的发射极DGND管脚连接数字电路接地端。

所述第三类型光电耦合器中发光二极管的输入端PZout管脚与处理模块中处理单元的管脚连接，所述第三类型光电耦合器中发光二极管的输出端DGND管脚连接数字电路接地端；所述第三类型光电耦合器中光敏三极管的集电极PZ管脚串联一个上拉电阻R151，然后与激振电路的管脚连接，所述第三类型光电耦合器中光敏三极管的发射极AGND连接模拟电路接地端。

需要说明的是，图3中示例性的设置+5V为通道选择电路的工作电压；+3.3V为处理模块的工作电压；+5V为激振电路的工作电压。

图4为本实用新型实施例二提供的一种电源隔离模块的具体电路图，所述电源隔离模块32包括电源隔离芯片U12，所述电源隔离芯片U12包括正电压输出端+5V管脚、负电压输出端-5V管脚、模拟电路接地端AGND管脚、目标电压输入端Vin+管脚、器件接地端VIN-管脚；

其中，所述正电压输出端+5V管脚以及所述负电压输出端-5V管脚分别与所述采集模块的不同管脚连接，模拟电路接地端AGND管脚连接模拟电路接地端AGND；所述目标电压输入端Vin+管脚与所述主电源的管脚连接，器件接地端VIN-管脚连接公共地线GND。

需要说明的是，由于基坑周围经常有大功率设备工作、电磁辐射或市电的工频干扰，会对原来配电系统中的电源造成干扰，尤其是模拟电路抗干扰能力差，所以通过增加隔离电源芯片，可以把采集器中模拟电路部分的工作电源从原来的配电系统中隔离出来。

图5为本实用新型实施例二提供的一种通道选择电路的具体电路图，所述通道选择电路11包括通道选择芯片U8；所述通道选择芯片U8包括控制信号输入端A0、A1和A2管脚，公共输入端COM管脚；其中，所述控制信号输入端A0、A1和A2管脚分别与所述光电隔离模块40中第一类型光电耦合器41的所述光敏三极管的集电极PIC0、PIC1和PIC2管脚连接；所述公共输入端COM管脚与所述激振电路13的管脚以及所述选频放大电路12的管脚连接。

所述通道选择芯片U8还包括正电压输入端V+管脚和负电压输入端V-管脚；所述正电压输入端V+管脚与所述电源隔离芯片U12的正电压输出端+5V管脚连接；所述负电压输入端V-管脚与所述电源隔离芯片U12的负电压输出端-5V管脚连接；GND管脚连接模拟电路接地端。

所述通道选择芯片U8通过控制信号输入端A0、A1和A2管脚(三个通道切换管脚)接收所述处理模块中处理单元的控制信号，再根据所述控制信号控制所述公共输入端COM管脚分别切换到与八个传感器连接的NO1至NO8管脚上，实现信号通道的切换。针对不同的通道，设置了相应的全球唯一的ID，通过ID，我们可以区分不同的通道和不同的采集器。

本实用新型实施例提供的一种基坑监测采集器，通过控制多通道的采集以及消除采集过程中的人为误差和环境干扰，可以实现高效率且精度高的数据监测，操作简单，抗干扰能力强，且无需测量人员现场勘测，保证了测量人员的人身安全。

实施例三

请参阅图6，为本实用新型实施例三提供的一种基坑监测系统的整体结构框图，该系统包括本实用新型任一实施例提供的基坑监测采集器M2和位于基坑中的多个传感器M1。由于本实用新型实施例所述的基坑监测系统包含上述实施例所述的基坑监测采集器，其技术原理和产生的技术效果与上述基坑监测采集器类似，因此具备与上述基坑监测采集器同样的有益效果。所述多个传感器被安置在基坑现场，测量人员利用所述基坑监测采集器通过有线或无线通信方式与所述多个传感器连接，实现多通道可切换的远距离基坑监测，再由有线或无线通信方式将监测结果数据发送至外部总线整个监测过程中，由于测量人员不参与监测数据的采集以及监测结果的计算，可以实现高效率的数据监测，避免由于手工记录或人工换算造成的误差，保证了测量人员的人身安全，且操作简单，精度高，抗干扰能力强。

需要说明的是，本实用新型实施例提供基坑监测系统还可以包括其他用于支持基坑监测系统正常工作的电路及器件，例如还可以包括外部总线M3和外部电源信号线M4等。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。