专利名称：岩层位移监测仪及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种岩层断面测量仪器，特别是涉及一种能够测量岩层及煤层间位移的岩层位移监测仪。
背景技术：
目前，工程中检测位移的传感器和监测仪种类较多，各具特色，各有其适用范围，但是，对土木、水利、道路、矿山的开采及地下工程中岩体、巷道岩层内部的位移自动监测和预报的仪器却不多见，尤其是对高精度、大位移的实时自动监测几乎是空白，例如，在煤炭开采中巷道围岩内部压力突变引起的冲击矿压、煤炭回采时采掘对巷道顶(底)板、煤柱等岩层内部位移变化引起的冒顶、底臌、岩爆等引起的安全事故。至今尚缺少可靠的，能够实时自动监测和预报的仪器，尤其在煤炭开采中尚缺少在地面上实现对井下巷道位移不间断的实时自动监测和预报。
本人在200610057248.7号专利申请(公开号为CN 1828220)中提请一种离层位移监测仪，利用拉力线牵动位移轮，带动光栅环转动，利用光栅环和固定光栅片之间的光栅移动，变岩层位移为机械转动，再变为光栅干涉条纹变化，进一步变为可计数的电子信号，从而快速和准确的检测出微小的岩层位移变化。
但依据上述申请制作的离层位移监测仪，在实际应用中存在下述不足1、筒形外壳适合于埋设在岩体内部，安装在巷道中有时会影响工作；2、位移传感器单元和信息检测处理单元在筒形外壳中分层安装工艺较复杂；3、外壳上的显示器在巷道中观察不十分方便；4、拉力线的长度受限，有效量程小于200mm。
发明内容
为弥补上述不足，本发明的目的是提供结构简单、易于生产、易于安装、易于使用的岩层位移监测仪。
本发明岩层位移监测仪，包括壳体、拉力线、位移轮、光栅环、由光栅片及光电耦合器构成的干涉条纹检测机构，所述的壳体内设有位移传感单元和信息采集处理单元，所述位移传感器单元由位移转换机构和干涉条纹检测机构组成，所述位移传感器单元是在固定在壳体上的支撑电路板上竖直安装支承台，在所述支承台上设一转轴，所述转轴上安装包括依次连接的所述位移轮、透明圆筒、光栅环组成的所述位移转换机构，所述光栅环套在所述透明圆筒上，所述光栅片绕在所述光栅环上，所述光栅片通过立柱固定在所述支撑电路板上，在所述支撑电路板上对应于所述光栅环位置设有包括小电路板、安装在小电路板上的光电耦合器的所述干涉条纹检测机构，所述光栅环和所述光栅片插在所述光电耦合器凹槽里面，所述信息采集处理单元包括安装在电路板上的单片机控制模块、声光警报模块、无线通信模块、RS485通信模块和电源转换模块，所述光电耦合器的输出连接所述单片机控制模块的输入端，所述单片机控制模块的输出端分别连接所述声光警报模块、无线通信模块和RS485通信模块，所述电路板固定在所述壳体上，在所述壳体外设有拉力线张紧机构，由安装在壳体上的固定架及其上的张紧轮和张紧弹簧构成，所述张紧轮套在固定在所述固定架上的轴上，所述张紧弹簧一端连接所述张紧轮，一端连接所述支承台的轴，所述拉力线从所述张紧轮引出，穿过壳体的一侧壁，在所述位移轮上绕至少一圈后从壳体另一侧穿出。
本发明岩层位移监测仪，所述转轴贯穿所述支承台，在所述支承台的另一侧装有同样的另一套所述的位移传感单元，对应的在所述固定架的另一侧安装另一套所述张紧机构，所述另一套张紧机构的拉力线在所述另一套位移传感器的位移轮上绕至少一圈后引出。
本发明岩层位移监测仪，所述位移转换机构中，所述位移轮通过所述转轴连接处于所述支承台另一侧的驱动轮，在所述驱动轮外侧的所述转轴上，套有从动轮及固定在所述从动轮上的所述透明圆筒，在所述驱动轮的二等分圆周处设向心细缝，一联动片一端紧贴在圆周上，另一端在对应细缝处折成弯片，并使弯片可在所述细缝中压入或弹出，在所述从动轮上固定一驱动拨杆，其另一端处于所述驱动轮的外沿，在所述支承电路板上固定一回位压杆，其另一端紧压在所述驱动轮的外沿上，所述从动轮上安装回位钮簧，其另一端连接所述转轴，所述光栅环为半环，贴装在所述从动轮上的所述驱动拨杆为起点对应的所述透明圆筒的半周上。
本发明岩层位移监测仪，在所述支撑电路板上设置若干个支承台，安装若干个由所述位移转换传感单元，对应的在所述壳体外设置若干个所述张紧机构，若干条拉力线从各自的张紧轮引出，在对应的位移轮上至少绕一圈后从壳体上合适的位置穿出。
使用上述岩层位移监测仪的岩层位移监测系统，其特征在于，系统中设置有若干个所述岩层位移监测仪、一台主机和若干个遥控器，所述主机包括和485通信模块连接的单片机控制模块以及与所述单片机控制模块连接的压频转换模块、显示模块、声光报警模块和键盘，所述显示模块连接显示器，所述声光报警模块连接声光报警器，所述遥控器包括遥控单片机和与之相连的无线通信模块、显示器、键盘，所述主机通过485总线和所述岩层位移监测仪连接，所述遥控器和所述岩层位移监测仪通过无线连接。
本发明岩层位移监测仪，壳体固定在外表岩层上，拉力线固定在内部的一个岩层或两个上，岩层间发生位移时，拉力线相对壳体的直线位移通过位移转换轮变成光栅的旋转，进而通过两光栅之间的相对移动产生的干涉条纹的计量，可以精确的实时测量岩层之间的位移量，计算位移变化速率，既可以在现场用无线遥控器读取数据，也可以远距离传送数据。本发明岩层位移监测仪既可单独使用，亦可组成监测系统对岩体工程进行整体的现场和远距离实时自动监测。本发明岩层位移监测仪结构简单、实用方便、检测精度高，抗干扰能力强，可用于煤矿、其它矿井、地下工程中对岩体、巷道顶板、支撑柱体等，目前，已用于煤矿巷道顶板及煤岩层的井下和地面远距离实时自动监测。
图1是本发明岩层位移监测仪第一种方案示意图；图2是本发明岩层位移监测仪第一方案位移传感器正视图；图3是本发明岩层位移监测仪第一方案位移传感器侧视图；图4是本发明岩层位移监测仪第二种方案示意图；图5是本发明岩层位移监测仪第二种方案位移传感器示意图；图6是本发明岩层位移监测仪光栅片结构示意图；图7是本发明岩层位移监测仪的通信主机结构示意图；图8是本发明岩层位移监测仪的通信主机外观示意图；图9是本发明岩层位移监测仪系统的电路方框图。
具体实施例方式
为进一步阐述本发明，下面结合实施例作更详尽的说明。
本发明岩层位移监测仪的第一种方案见图1，包括壳体2、岩层位移传感器单元、信息采集处理单元，壳体2由金属或具有一定强度的非金属材料制成的方盒，壳体2的尺寸为180×110×80mm，壁厚为3～5mm。壳体2侧面安装有RS485接口13，壳体2的底面里安装位移传感器单元和信息采集处理单元。
位移传感器单元详见图2、图3，是在支承电路板3上竖直安装一个由硬塑料制成的、尺寸为24×24×5mm的支承台12，其上安装一金属材料制成的转轴8，转轴8的一侧安装由硬塑料制成的位移轮9，另一侧依次安装由硬塑料制成的驱动轮22、从动轮23和有机玻璃制作的透明圆筒4。位移轮9和驱动轮22固定在转轴8上，从动轮23套在转轴8上，透明圆筒4固定在从动轮23上，从动轮23上安装回位钮簧27，其另一端连接在转轴8上。在驱动轮22上设有联动片26，具体方法是将驱动轮22的圆周分二等分，在圆周等分处设一细缝，每个细缝附近的圆弧上设一联动片26，该联动片26一端固定在圆周上，另一端在对应细缝处折成弯片，并使弯片可从圆周上的细缝压入或弹出；在从动轮23上设有驱动拨杆25，其伸出端卡在联动片26的弯片半宽部分上；一回位压杆24的一端固定在支承电路板3上，另一端紧压在驱动轮22上的联动片26弯片的其余半宽部分上，可将联动片26折弯部分压入圆周上的细缝里，使驱动拨杆25与驱动轮22的联动片26脱离，此时从动轮23在回位弹簧27的作用下回到原位，驱动拨杆25将卡在下一个联动片26的弯片半宽部分上，可见在驱动轮22连续转动时，从动轮23只会作往复180度转动。
如果发生位移，驱动轮22带动从动轮23和透明圆筒4一起转动，光栅半环7套在透明圆筒4上，其位置对应于从动轮23上的驱动拨杆25为起点的半周上，就是光栅环7的起点分别对应从动轮23上的驱动拨杆25，按从动轮22转动的方向贴装半光栅环7；光栅片21绕在光栅半环7上(见图6)，光栅片21通过立柱29固定在支撑电路板3上，光栅半环7和光栅片21插在光电耦合器6凹槽里面，光栅半环7和光栅片21紧密接触形成干涉条纹，光电耦合器6通过小电路板5固定在支承电路板3上，光电耦合器6将干涉的光学条纹信息转换成电信号，通过电缆线传送到信息采集处理单元。由于从动轮23只作180度往复转动，故在本实施例中，光栅半环7只需半环即可，既节省光栅材料，对于生产也是十分有利的，因为半光栅环无需考虑圆周的等分和接缝的精确对接，可以更容易制作成任意精确尺寸，和透明圆筒4的配合更容易，同时采用光栅片21绕在光栅半环7上的制作方法，可以直接观察和调整光栅干涉条纹宽度，获得稳定的光学条纹光电转换电信号，提高了仪器的准确度。
支承电路板3固定在壳体2上，使位移传感单元的支承台12和壳体2成为一体。
在壳体2下面设有张紧机构，包括固定在壳体2上的固定架28，固定架28上的张紧轮11，张紧轮11上连有张紧弹簧10，其另一端连接在横穿固定架28的轴上。
一根具有一定张力的伸缩性很小的金属拉力线1，从壳体2的顶部引入，在所述的位移轮9的线槽上至少绕一圈后从壳体2的底部穿出，缠绕在张紧轮11上，张紧弹簧10使拉力线1处于收紧状态。
在支承电路板3上方向相对、上下错落地设置两个岩层位移传感器单元，见图1，其中以尾缀A、B区分各部件所属的位移传感器单元，相应的配备两个张紧机构，其各自张紧轮11A、11B上的拉力线1A、1B从各自的引入处引入，在各自的位移轮9A、9B上饶至少一圈后从各自的穿出处穿出；可以分别固定在各个不同的岩层里，这样可监测各个岩层之间的岩层位移。
壳体2中还安装有信息采集处理单元，由另一块固定在壳体2内的电路板18及其上的单片机控制模块16、声光警报模块15、无线通信模块20和RS485通信模块14组成，单片机控制模块16的两个输入口连接两个所述的光电耦合器6A、6B的输出端，单片机控制模块16的输出分别连接声光警报模块15、无线通信模块20和RS485通信模块14，RS485通信模块14连接RS485接口13，无线通信模块20连接通信天线19，上述所有模块由一个电源转换模块17A、17B提供各种所需电压供电。
岩层位移监测仪的光栅环7和光栅片21采用10线/mm的等节距平行光栅，位移轮9的绕线槽直径与透明圆筒4上的光栅环7直径相等，故测量位移精度为0.1mm，如果采用更高密度的光栅，则可提高测量精度，例如，采用100线/mm，测量精度为0.01mm，采用1000线/mm，测量精度为0.001mm等等。改变位移轮9绕线槽直径与透明圆筒4直径的比例，亦可提高测量精度，例如，采用10线/mm，位移轮9绕线槽直径与透明圆筒4直径的比为1∶2，则测量位移精度为0.05mm。采用上述两种方法可以达到任何要求的测量精度。
岩层位移传感器单元的另一种形式(见图4)是在壳体2侧面安装有RS485接口13，壳体2内安装位移传感器单元和光电信息采集单元，位移传感器单元是在支承电路板3上竖直安装一个由硬塑料制成的、尺寸为24×24×5mm的支承台12，其上安装一金属材料制成的转轴8，在支承台12两侧的转轴8上各安装一硬塑料制成的位移轮9C、9D，透明圆筒4A、4B分别固定在位移轮9C、9D上与位移轮9C、9D一起连转轴8旋转，透明圆筒4A、4B一端部贴有全环光栅环7A、7B，光栅片21A、21B绕在光栅环7A、7B上(见图6)，光栅片21A、21B通过立柱29A、29B固定在支撑电路板3上，光栅环7A、7B和光栅片21A、21B插在光电耦合器6A、6B凹槽里面，光栅环7A、7B和小光栅21A、21B紧密接触，光电耦合器6A、6B通过电路板5A、5B固定在支承电路板3上，光电耦合器6A、6B将干涉的光学条纹信息转换成电信号。两根加有预张力的拉力线1A、1B，从壳体2的顶部引入，在位移轮9A、9B上的线槽上至少绕一圈后从壳体2的底部穿出，绕在固定在壳体2下面的固定架28上的张紧轮11A、11B上。光电耦合器6A、6B连接电源，其输出端连接信息采集处理单元。
第二方案的信息采集处理单元与第一方案相同。
本岩层位移监测仪的实际使用见图9，由数个岩层位移监测仪、一个通信主机、RS485总线、直流电源线和遥控器组成一个完整的系统，通信主机连接RS485总线，每个岩层位移监测仪均挂在总线上，遥控器和岩层位移监测仪之间通过无线方式连接，在一个系统中，可以使用多个遥控器。
其中的通信主机由安装在壳体33(见图7)的单片机控制单元37、485总线通信模块36和压频转换模块31组成。壳体33由金属或具有一定强度的非金属材料制成的方盒，壳体33的尺寸为180×110×80mm，壁厚为3～5mm，壳体33侧面安装有电缆接线端子32A、32B，壳体33中安装一电路板34，上装单片机控制模块37，单片机控制模块37的I/O口连接RS485通信模块36，输出口连接压频转换模块31，RS485通信模块36连接电缆接线端子32A，压频转换模块31输出端连接电缆接线端子32B。单片机模块37还连接显示模块39和声光报警模块40，上述所有器件安装在主壳体体33内的电路板34上，由电源转换模块35提供所需电压供电，电路板34固定在壳体33上，壳体33正表面还设有键盘42、显示器38和声光报警器41(见图8)，键盘42直接连接单片机控制模块37，显示器38连接显示模块39，声光报警器41连接声光报警模块40。在传送信息的同时，也可以现场查询各种数据，在紧急状态下，还可以自动报警，提醒现场人员注意。
岩层位移监测仪经RS485总线和通信主机建立联系，通信主机通过压频转换模块和井下通信分站建立联系，井下通信分站再传输到地面监控总站，地面监控总站又将频率信号转换为岩层位移信息，实现由地面总站远距离实时自动监测煤巷顶板岩层位移。
遥控器由遥控单片机、无线通信模块、显示器和控制键组成(见图9)，用于现场查询位移参数；当需要查询位移参数时，在岩层位移监测仪附近打开遥控器，即可和最近的岩层位移监测仪建立联系，及时地取出此岩层位移监测仪监测到的位移参数，一般遥控器供井下现场人员使用。
本发明岩层位移监测仪可安装在巷道顶、底板上、围岩体表面，拉力线通过钻孔固定在待测的岩(煤)层上，当发生岩层位移时，拉力线带动位移转换轮和透明圆筒同步转动，将岩层位移转换为圆弧转动，透明圆筒上的光栅环与光栅片干涉形成的光栅条纹，将圆弧转动转换为光学信息，岩层位移传感器单元的光电耦合器将光学信息转换为电信号，通过电缆线传送到信息采集处理单元处理后，转换成岩层位移信息，经可视化处理，显示巷道顶板及围岩岩层位移变化规律图。本发明岩层位移监测仪既可监测岩(煤)层的绝对位移量，也可监测位移变化速率，当位移量或位移速率超过安全界限时，形成系统后可从地面监控总站实施对井下巷道自动报警，实现对井下巷道顶板及围岩体岩层位移远距离实时自动监测，避免因顶板冒落、冲击矿压引起的安全事故。本发明岩层位移监测仪结构简单、操作方便、既适用于小位移高精度测量，也适用于大位移高精度的自动监测。该系统能够广泛应用在矿山开采、土木、水利、道路等施工过程中对围岩体、巷道顶底板、制成岩体等岩层位移进行有效地自动实时监测，及时消除生产安全隐患，也为巷道及支撑岩体设计提供依据。目前，已用于煤矿巷道顶板及煤岩的井下和地面远距离实时自动监测。
权利要求
1.一种岩层位移监测仪，包括壳体(2)、拉力线(1)、位移轮(9)、光栅环(7)、由光栅片(21)及光电耦合器(6)构成的干涉条纹检测机构，其特征在于所述的壳体(2)内设有位移传感单元和信息采集处理单元，所述位移传感器单元包含位移转换机构和干涉条纹检测机构，所述位移转换机构是在固定在壳体(2)上的支撑电路板(3)上竖直安装支承台(12)，在所述支承台(12)上安装一转轴(8)，所述转轴(8)上安装由依次连接的所述位移轮(9)、透明圆筒(4)、套在所述透明圆筒(4)上的光栅环(7)、绕在所述光栅环(7)上的光栅片(21)，所述光栅片(21)通过立柱(29)固定在所述支撑电路板(3)上，所述干涉条纹检测机构是在所述支撑电路板(3)上对应于所述光栅环(7)位置设有小电路板(5)，所述小电路板(5)上安装一光电耦合器(6)，所述光栅环(7)和光栅片(21)插在所述光电耦合器(6)凹槽里面，所述信息采集处理单元由安装在电路板(18)上的单片机控制模块(16)、声光警报模块(15)、无线通信模块(20)、RS485通信模块(14)和电源转换模块(17)构成，所述光电耦合器(6)的输出连接所述单片机控制模块(16)的输入端，所述单片机控制模块的输出端分别连接所述声光警报模块(15)、无线通信模块(20)和RS485通信模块(14)，所述电路板(18)固定在所述壳体(2)上，在所述壳体(2)外设有拉力线张紧机构，由安装在壳体(2)上的固定架(28)及其上的张紧轮(11)和张紧弹簧(10)构成，所述张紧轮(11)套在固定在所述固定架(28)上的轴上，所述张紧弹簧(10)一端连接张紧轮(11)，一端连接支承台(28)的轴，拉力线(1)从所述张紧轮(11)引出，穿过壳体(2)的一侧壁，在所述位移轮(9)上绕至少一圈后从壳体(2)另一侧穿出。
2.根据权利要求1所述的岩层位移监测仪，其特征在于所述转轴(8)贯穿所述支承台(12)，在所述支承台(12)的另一侧装有同样的另一套所述位移传感单元，对应的在所述固定架(28)的另一侧安装另一套所述张紧机构，所述另一套张紧机构的拉力线(1B)在所述另一套位移传感器的位移轮(9D)上绕至少一圈后引出。
3.根据权利要求1所述的岩层位移监测仪，其特征在于所述位移转换机构中，所述位移轮(9)通过所述转轴(8)连接处于所述支承台(12)另一侧的驱动轮(22)，在所述驱动轮(22)外侧的所述转轴(8)上，套有从动轮(23)及固定在所述从动轮(23)上的所述透明圆筒(4)，在所述驱动轮(22)的圆周二等分处设向心细缝，一联动片(26)一端紧贴在圆周上，另一端在对应细缝处折成弯片，并使弯片可从向心细缝压入和弹出，在所述从动轮(23)上固定一驱动拨杆(25)，其另一端处于驱动轮(22)的外沿，在所述支承电路板(3)上固定一回位压杆(24)，其另一端紧压在所述驱动轮(22)的外沿上，所述从动轮(23)上安装回位钮簧(27)，其另一端连接所述转轴(8)，所述光栅环(7)为半环，贴装在所述从动轮(23)上的所述驱动拨杆(25)为起点对应的所述透明圆筒(4)的半周上。
4.根据权利要求3所述的岩层位移监测仪，其特征在于在所述支撑电路板(3)上设置若干个支承台(12A、12B)，安装若干个由所述位移传感单元，对应的在所述壳体(2)外设置若干个所述张紧机构，若干条拉力线(1A、1B)从各自的张紧轮(11A、11B)引出，在对应的位移轮(9A、9B)上至少绕一圈后从壳体(2)上合适的位置穿出。
5.一种使用权利要求1-4之一所述的岩层位移监测仪的岩层位移监测系统，其特征在于，系统中设置有若干个所述岩层位移监测仪、一台主机和若干个遥控器，所述主机包括和485通信模块连接的单片机控制模块以及与所述单片机控制模块连接的压频转换模块、显示模块、声光报警模块和键盘，所述显示模块连接显示器，所述声光报警模块连接声光报警器，所述遥控器包括遥控单片机和与之相连的无线通信模块、显示器、键盘，所述主机通过485总线和所述岩层位移监测仪连接，所述遥控器和所述岩层位移监测仪通过无线连接。
全文摘要
岩层位移监测仪，含位移传感器单元和信息采集处理单元，位移传感器单元包括位移轮、光栅环、光栅片、拉力线和张紧机构，光栅环和光栅片在光电耦合器凹槽内，拉力线紧绕在位移轮上，光电耦合器输出端连接由单片机控制、声光报警、无线通信、RS485通信和电源转换模块组成的信息采集处理单元的输入端，本岩层位移监测仪和通信主机、遥控器共组系统，通信主机可以和上位机通信，岩层位移监测仪固定在外表岩层上，拉力线固定在内部的岩层上，其直线位移通过两光栅的相对移动产生干涉条纹而被精确测量岩层之间的直线位移量，计算位移变化速率，用于煤矿、其它矿井、地下工程中对岩体、巷道顶板、支撑柱体等进行现场和远距离实时自动监测。
文档编号G01B11/02GK1936500SQ200610113800
公开日2007年3月28日 申请日期2006年10月17日 优先权日2006年10月17日
发明者安里千 申请人:安里千