一种高精度坝基灌浆地层抬动检测装置的制作方法

本发明属于水利水电工程与地基与基础处理工程领域，特别是专为灌浆工程中检测受灌地层产生微位移（抬动）的一种高精度检测装置。

背景技术：

灌浆工程中，受灌地层的抬动位移都是各种规范中规定必须要检测的一个重要参数，并要求每一个灌浆段的地层抬动累计位移量不能超过2000μm。目前灌浆现场使用较多的是机械千分表，光栅或容栅结构的电子千分表。机械式千分表读数困难且几乎都为间断的读数，光栅容栅电子千分表由于都是栅式结构，在灌浆现场很容易损坏，不适合在环境恶劣的灌浆工地现场使用。

规范要求抬动位移的分辨率是1/1000mm，即1μm，现在灌浆施工中，即使检测表头或位移传感器的技术指标能满足要求，但传感器一般都采用一体式弹性结构，现场环境因素如钻机和水泵工作时的机械振动、钻进过程中起下钻具、敲击岩芯、以及搬运设备，施工车辆的运动，都会使抬动微位移传感器产生异动，出现虚假计数。实际灌浆施工中，由于这些外部原因所导致的抬动检测失效率高，使抬动检测形同虚设。改变常规机械式表头和抬动微位移传感器一体式弹性检测原理及结构，研制一套性能可靠稳定、高精度、抗震动能力强的配套安装及检测装置，是灌浆工程地层抬动检测必须首要解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一套能够适应灌浆工程恶劣环境，结实耐用，且又具有高分辨率，使用方便的地层抬动检测装置，取代现有的机械千分表、栅式结构的地层抬动检测系统。

本发明主要包括以下几个部分：

1）螺管差动微位移传感器

采用差动变压器的原理，研制一套专用灌浆工程地层抬动微位移传感器，结构为螺管线圈型差动变压器，包括圆筒线圈主体和衔铁两个独立部分。传感器利用开磁路弱磁耦合机理设计，变压器副边为两个结构尺寸和参数相同线圈反向串接而成，线圈绕制方式中间为原边线圈，两侧为副边线圈。地层抬动时，圆筒线圈主体和抬动检测孔主测杆静止不动，衔铁固定在防震安全底座上整体随地层抬动的变化同步移动，即衔铁相对圆筒线圈主体运动位移。变压器原副边之间的互感产生变化，从而使副边线圈感应的电压产生变化。

本发明包括两套参数结构完全相同的螺管差动微位移传感器。其中，上圆筒线圈主体和衔铁一构成上传感器，上传感器用于检测灌浆过程引起的地层抬动位移量。下圆筒线圈主体9和衔铁二构成下传感器，下传感器用于测量由于环境因素引起上金属定位板发生位移的扰动位移量。

2）双重检测防震安全底座

为防止衔铁因环境因素而发生位移，造成抬动位移检测失效，设计制作了两个传感器的双重检测防震安全底座。双重检测防震安全底座，由上金属定位板、夹紧接头装配套以及下金属定位框架组成，下金属定位框架的圆形底板通过膨胀螺钉和水平地面紧固连结，圆筒置于圆形底板上，最上面为圆形顶板，圆形底板、圆筒和圆形顶板三部分通过焊接组成钢性结构，圆形底板中心有安装衔铁螺孔，用于旋入衔铁装配块，衔铁装配块为外螺纹圆柱状金属块，圆筒侧面有矩形操作孔，圆形顶板中心有圆孔，圆形顶板上表面有三个以圆形顶板中心点按120°均匀分布的螺孔；上金属定位板有水平泡，有一个用于穿过上传感器的信号线的通孔、一个m4螺孔和三个以上金属定位板中心按120°均匀分布的m10通孔，三个通孔与下金属框架顶板的均匀分布螺孔对齐；在m4螺孔的底部有直径为2.5mm用于穿过铅锤线的通孔；上金属定位板的底面中心有m35内螺纹，用于旋入夹紧接头装配套；下金属定位框架与上金属定位板通过三根长螺杆和弹簧垫圈套件装配成一体，在螺杆台阶处有平垫片—弹簧垫圈—平垫片组成的套件，上金属定位板置于螺杆台阶套件位置；

夹紧接头装配套为φ35mm的金属圆筒，上端外壁有m35的螺纹，用于旋入上金属定位板底面的螺孔中，下端内壁有m32螺纹。下圆筒线圈主体通过夹紧接头与夹紧接头装配套相连，衔铁二螺孔、通孔、夹紧接头装配套和夹紧接头垂向中心线共线。

将夹紧接头装配套旋入上金属定位板底部的螺孔内后，在上金属定位板水平泡的指示下，调节螺母使水平泡中轴线与地面垂直，保证上金属定位板水平，同时使上金属定位板与下金属定位框架紧固成一体。上金属定位板水平效验合格后，将铅锤吊绳依次穿过夹紧接头装配套、上金属定位板。根据铅锤的指示，在下金属定位框架底板的装配块上做好标记点，现场在标记点处加工m4螺纹孔，加工时要求螺纹孔与地面垂直。

检测开始前，在上金属定位板的中心螺孔上，旋入一根m4直螺杆，用直角靠尺检查螺杆和上金属定位板是否垂直，再次检验双重检测防震安全底座整体的水平和垂直度，确保整个刚性防震装置水平，验证防震安全底座是否安装合格。

取掉校验用的m4螺杆，分别旋入上下传感器配套的衔铁。由抬动检测孔中与主测钢管相连接的磁性支架夹持住上传感器圆筒线圈主体，并将其套在衔铁上。由于磁性支架在垂直方向，水平方向均可调节，很容易调好上螺管差动微位移传感器的零点、固定好检测前的初始位置。下传感器圆筒线圈主体通过夹紧接头与夹紧接头装配套相连，通过调节夹紧接头的夹紧螺帽把下传感器圆筒线圈主体调节夹紧，通过调节夹紧接头上螺纹的旋入深度来实现下传感器调零。调零的依据是，记录仪主机液晶显示屏上显示的两个螺管差动微位移传感器位移量和电流量是否为0μm和4ma。3）地层抬动检测系统显示与报警

灌浆工程中，地层抬动是灌浆过程检测四参数（流量、压力、密度、抬动）其中之一，灌浆过程检测系统的终端是抬动自动记录仪，其核心是32位微处理器nxp-lpc1768，记录仪主机给上下两个差动微位移传感器原边线圈提供2000hz的正弦波作为激励源，此源由主机内高稳幅的振荡器产生。两个差动微位移传感器副边输出的交流信号传输给记录仪主机的相敏检波电路，转换成直流电压，经低通滤波器去交流成分得到直流模拟信号，再经专用v/a转换芯片转换成4-20ma电流。通过计算机进行的4-20ma电流和0-4mm位移量转换计算，再进行抬动位移量和扰动位移量的合并分析计算，最后在抬动窗口显示出真实抬动数据。

抬动检测过程中，由于双重检测防震安全底座的结构设计和刚性安装方式，整个下金属定位框架和下位移传感器配套的衔铁是固定不动的，下位移传感器的圆筒线圈主体则套装在夹紧接头装配套上。一旦由于环境因素上金属定位板发生扰动位移，夹紧接头装配套带动下圆筒线圈主体微动产生位移量，这个位移出现几率很小，位移量也较小，但对于研制高精度地层抬动检测装置亦是不能忽略的。因此检测过程中下位移传感器一旦有电压信号输出时，记录仪主机就会将扰动位移量代入，对地层抬动位移的真实数据x0进行计算，x上、x下分别为上、下两个传感器的检测位移。

当x上为正时，x0=x上—x下，当x上为负时，x0=x上+x下。由于上金属定位板产生移动的位移原因是其和下金属定位框架连接的弹簧垫片套件出现松动，该位移方向只能向上，既x下只会是正值。当下位移传感器一直无电压信号输出时，x下为0。

抬动检测前，在记录仪主机中输入抬动位移的预警和报警值。记录仪主机对抬动每秒采样9个数据，3秒在窗口显示一次实际的累计四位位移数据，单位为μm。检测中抬动位移达到预警值时，主机声光报警，抬动位移达到报警值时记录仪主机通过cpu的pwm口输出高电平，经驱动装置自动调节灌浆高压阀改变灌浆压力，或人工调节降低压力和减小流量。

本发明提供的高精度地层抬动检测装置，把每个螺管差动微位移传感器分解成圆筒线圈主体和衔铁两个独立部件，采用圆筒线圈主体和抬动检测孔主测杆静止不动，衔铁固定在防震安全底座上整体随地层抬动的变化同步移动，即衔铁相对圆筒线圈主体运动位移，并且利用防震式安全底座坚固稳定的结构设计从根本上解决了地层抬动检测过程中衔铁受钻机和水泵工作时的机械振动、钻进过程中起下钻具、敲击岩芯、以及搬运设备，施工车辆的运动等环境干扰频繁产生位移的问题，显著的降低了抬动检测的失效率。在检测地层抬动的同时，对上金属定位板可能出现的扰动位移量也进行了检测，并将扰动位移量与地层抬动位移量合并在一起进行分析计算，最大程度的保证了灌浆孔地层抬动检测数据的可信、精准。

基于螺管差动微位移传感器先进的检测机理彻底避开了传统机械千分表、栅式结构的一体式弹性位移传感器的检测弊端，极大的提高了检测的稳定性和连续性。本检测装置能够适应灌浆工程恶劣环境，结实耐用，使用方便，且具有很高分辨率。

附图说明

图1为本发明的线圈原副边绕制原理图；

图2为本发明线圈的结构图；

图3为本发明双传感器防震安全底座示意图；

图4为本发明下位传感器圆筒线圈主体夹紧接头的结构图。

具体实施方式

1）螺管差动微位移传感器

高精度地层抬动检测装置设计有上下两个螺管差动式微位移传感器，图3中上、下两个圆筒线圈主体分别为上圆筒线圈主体1和下圆筒线圈主体9，衔铁一2、衔铁二10分别置于上下两个圆筒线圈主体中，其结构和组成完全相同。传感器利用开磁路弱磁耦合机理设计，圆筒线圈主体的绕线、封装委托专业厂家绕制制造。螺管线圈型差动变压器的原副边线圈绕制原理见图1，结构见图2。螺管外径为φ18mm，长度150mm，中心为一个直径6mm，高度60mm圆空洞。圆筒线圈主体中的绕线和骨架需要做防潮处理，负载250ω，衔铁采用厂家通用衔铁，一端加工有m4，长度15mm的螺纹。其中，上圆筒线圈主体1和衔铁一2构成上传感器，上传感器用于检测灌浆过程引起的地层抬动位移量。下圆筒线圈主体9和衔铁二10构成下传感器，下传感器用于测量由于环境因素引起上金属定位板发生位移的扰动位移量。螺管线圈型差动变压器的原副边线圈绕制原理见图1，结构见图2。上圆筒线圈主体1和下圆筒线圈主体9外径为φ18mm，长度150mm，中心为一个直径6mm,高度60mm圆空洞，便于套在衔铁一2和衔铁二10上。上、下圆筒线圈主体中的绕线和骨架需要做防潮处理，负载250ω。衔铁铁芯二10一端加工有m4、长度为12~15mm的螺纹用于旋在双重检测防震安全底座上。传感器线性量程为4mm，测量分辨率1μm。

上金属定位板17安装合格后，检测前在螺孔3处旋入上传感器的衔铁一2。由抬动检测孔中与主测钢管相连接的磁性支架18夹持住上传感器的上圆筒线圈主体1，并将其套在衔铁一2上。由于磁性支架在垂直方向，水平方向均可调节，很容易调好上螺管差动微位移传感器的零点、固定好检测前的初始位置。上螺管差动式微位移传感器主要用于检测灌浆过程引起的地层抬动位移量。

地层有抬动位移时，衔铁在传感器的圆筒线圈主体中上下微动。两个副边线圈由于互感作用，分别产生感应电势e21和e22。圆筒线圈主体套在衔铁的中央位置，由于副边接成差动形式，两个感应电势反向串接，故使输出电压~u2=e21-e22=0当衔铁偏离中央位置，输出电压~u2=e21-e22≠0，其大小正比于抬动位移量的大小。

下传感器的衔铁二10旋入衔铁装配块11的m4螺孔内，下圆筒线圈主体9通过夹紧接头13与夹紧接头装配套14相连，并将其套在衔铁二10上。夹紧接头结构见图4，接头由不锈钢制成，其上段加工有长20mm的m35螺纹20，用于旋入夹紧接头装配套14中。下段加工有螺纹，该螺纹与夹紧螺帽紧配合设计制作，下螺纹段21包裹有长10mm的弹性胶套22，调节夹紧螺帽23能夹紧直径15mm的下圆筒线圈主体9。调节夹紧接头的上螺纹很容易调好下螺管差动微位移传感器的零点、固定好检测前的初始位置。下螺管差动位移传感器用于测量由于环境因素引起上金属定位板发生位移的扰动位移量。

双重检测防震安全底座上的上金属定位板由于环境因素发生位移时，夹紧接头装配套14带动下圆筒线圈主体9微动，两个副边线圈由于互感作用，分别产生感应电势e21和e22。圆筒线圈主体套在衔铁的中央位置，由于副边接成差动形式，两个感应电势反向串接，故使输出电压~u2=e21-e22=0当衔铁偏离中央位置，输出电压~u2=e21-e22≠0，其大小正比于扰动位移量的大小。

2）双重检测防震安全底座

设计制作了双重检测防震安全底座，由上金属定位板17、夹紧接头装配套14以及下金属定位框架三个部分组成。下金属定位框架由厚50mm直径440mm的圆形底板15（留有安装衔铁的m4螺孔）、内径300mm、厚20mm的圆筒16以及直径350mm圆形顶板7焊接组成钢性结构。下金属定位框架的圆形底板15通过六根膨胀螺钉8和水平地面19紧固连结，连结前需对安装位置的水泥地板做平整处理。下金属定位框架底板上表面中心有m30深20mm的螺纹，用于旋入衔铁装配块11，装配块11为m15外螺纹圆柱状金属块。下金属定位框架的圆筒16侧面加工有长150mm×180mm的矩形操作孔。下金属定位框架顶板7中心留有直径45mm的圆孔，顶板上表面加工有三个深度为10mm120°均布的m10螺孔。上金属定位板17的直径为260mm，安装有水平泡，并加工有一个φ10mm通孔（用于穿过上传感器的信号线）、一个m4螺孔3和三个120°均布的m10通孔，三个通孔与下金属框架顶板的均布螺孔对齐。在m4螺孔3的底部加工有直径2.5mm的通孔4（用于穿过铅锤线）。上金属定位板17的底面中心有深15mm的m35内螺纹，用于旋入下夹紧接头装配套14。上金属定位板顶面和底面的机加工需保持平整和光洁度，下金属定位框架各表面均需打磨光滑，保持平整。

下金属定位框架与上金属定位板17通过三根长螺杆5和弹簧垫圈套件6装配成一体。装配时先将三根螺杆旋入m10螺孔后，在螺杆台阶处放入平垫片—弹簧垫圈—平垫片组成的套件6，将上金属定位板放入螺杆台阶上套件位置。由于螺杆和上金属定位板上的m10通孔是紧配合设计，放入上金属定位板时需要轻轻压入，在上金属定位板露出螺杆上也放入平垫片和弹簧垫圈套件6。

下夹紧接头装配套14为φ35mm的金属圆筒，其上端外壁加工有m35的螺纹，用于旋入上金属定位板底面的螺孔中，下端内壁加工有长20mm的m32螺纹。下圆筒线圈主体9通过夹紧接头13与下夹紧接头装配套14相连。在加工过程中，要求衔铁螺孔3、通孔4、下夹紧接头装配套14和夹紧接头13垂向中心线共线。将下夹紧接头装配套14旋入上金属定位板底部的m35螺孔内后，在上金属定位板水平泡的指示下，调节螺母使水平泡中轴线与地面垂直，保证上金属定位板水平，同时使上金属定位板与下金属定位框架紧固成一体。

上金属定位板水平效验合格后，将铅锤吊绳依次穿过下夹紧接头装配套14、通孔4和m4螺孔3，根据铅锤的指示，在下金属定位框架底板的装配块11上做好标记点，现场在标记点处加工m4螺纹孔12，加工时要求螺纹孔与地面垂直。

检测开始前，在上金属定位板17的中心螺孔3上，旋入一根m4直螺杆，用直角靠尺检查螺杆和上金属定位板是否垂直，再次检验双重检测防震安全底座整体的水平和垂直度，确保整个刚性防震装置水平，验证防震安全底座是否安装合格。

双重检测防震安全底座安装合格后，将夹紧接头13套在下圆筒线圈主体9的中上部，并把圆通线圈主体的信号线从上金属板的圆孔中引出。通过调节夹紧螺母夹紧下圆筒线圈主体，再把下圆筒线圈主体旋入下夹紧接头装配套14中。通过调节夹紧接头上段螺纹的旋入深度来实现下传感器调零。旋入衔铁10至螺孔12中，旋到位并拧紧。取出校验用的m4螺杆，在上金属定位板m4螺孔3中旋入上传感器的衔铁2，旋到位并拧紧。

将两个位移传感器装置的信号线和已检验记录仪主机相接。接通电源后，上螺管差动位移传感器由抬动检测孔的主测金属管上的磁性支架移动调零，下位移螺管差动传感器由夹紧接头的上调节螺纹带动圆通线圈主体上下移动调零。调零的依据是，主机液晶显示屏上显示的两个螺管差动微位移传感器位移量和电流量是否为0μm和4ma。

3）地层抬动检测系统显示与报警

记录仪主机同时给两个传感器的原方线圈提供2000hz的正弦波作为激励源，此源由主机内高稳幅的振荡器产生，两个传感器副边输出的交流信号传输到主机内的相敏检波电路，把交流信号转换成直流电压信号，采用相敏检波电路的目的主要是为了清除两个副边线圈可能存在的零点残余电压。

尽管地层抬动微位移的方向是向上的，但地层中的岩体有时会出现弹性变形，弹性微位移的方向是可逆的，采用相敏检波的另一个目的是鉴别和确定瞬间地层抬动位移的方向。两个相敏检波电路都由两片集成电路和少量的分体元件组成，相敏检波电路输出端设置有低通滤波器以得到去交流成分的直流模拟输出信号。

抬动检测过程中，由于双重检测防震安全底座的结构设计和刚性安装方式，整个下金属定位框架和下位移传感器配套的衔铁是固定不动的，下位移传感器的圆筒线圈主体则套装在夹紧接头装配套上。一旦由于环境因素上金属定位板发生扰动位移，夹紧接头装配套带动下圆筒线圈主体微动产生位移量，这个位移出现几率很小，位移量也较小，但对于研制高精度地层抬动检测装置亦是不能忽略的。因此检测过程中下位移传感器一旦有电压信号输出时，记录仪主机就会将扰动位移量代入，对地层抬动位移的真实数据x0进行计算，x上、x下分别为上、下两个传感器的检测位移。

当x上为正时，x0=x上—x下，当x上为负时，x0=x上+x下。由于上金属定位板产生移动的位移原因是其和下金属定位框架连接的弹簧垫片套件出现松动，该位移方向只能向上，既x下只会是正值。当下位移传感器一直无电压信号输出时，x下为0。

抬动检测前，在记录仪主机中输入抬动位移的预警和报警值。记录仪主机对抬动每秒采样9个数据，3秒在窗口显示一次实际的累计四位位移数据，单位为μm。检测中抬动位移达到预警值时，主机声光报警，抬动位移达到报警值时记录仪主机通过cpu的pwm口输出高电平，经驱动装置自动调节灌浆高压阀改变灌浆压力，或人工调节降低压力和减小流量。