专利名称：角位移式水下沉降仪的制作方法
技术领域：
本发明属于土木工程质量监测仪器，特别涉及用于水下软土地基沉降量长期监测的沉降仪。
背景技术：
在港口建设中，通常使用振弦式沉降仪监测软土地基的沉降量。对振弦式沉降仪的运用目前仍停留在人工记录钢弦的振动频率并经人工后期计算得出所测土层沉降量。振弦式沉降仪用于监测沉降量时存在故障率高、信号经线缆传输时易受电磁干扰而影响测量结果、监测精度低、稳定性差、成本高、数据采集不直观等问题
发明内容
本发明的目的在于提供一种角位移式水下沉降仪，既可用于长期测量水下软土地基的沉降量，亦可测量陆上软土地基的沉降量。角位移式水下沉降仪应用面宽，监测精度及灵敏度高，传输信号抗干扰性强、稳定性高，可将沉降量数值实时直观的显示出来，且安装简便、使用成本低廉。本发明的技术方案是一种角位移式水下沉降仪，其特征在于有一个活塞式位移传动装置，活塞式位移传动装置有下部套管和上部套管，活塞式位移传动装置下方连接延长杆，延长杆下端是锚固点，活塞式位移传动装置上方连接有测量盒，测量盒内有沉降量电测装置和A/D转换装置，测量盒上端连接钢管，钢管顶端连接沉降板；活塞式位移传动装置内有传动带子，传动带子上端连接沉降量电测装置，沉降量电测装置连接A/D转换装置，A/D转换装置通过线缆连接上方远距离的监测仪器。传动带子的下端固定在下部套管的底部。在上部套管的下端口有转向滑轮，传动带子的下端绕过转向滑轮固定在下部套管的顶部。沉降量电测装置有角位移传感器，角位移传感器通过连接轴连接在圆柱形绕线轮轴上，传动带子上端固定在圆柱形绕线轮上，传动带子上部绕在圆柱形绕线轮上，在圆柱形绕线轮内部有涡圈弹簧。本发明特点优点本角位移式水下沉降仪结构简单，将线位移转换成角位移提高测量精度和准确性。角位移式水下沉降仪应用面宽，既可用于长期测量水下软土地基的沉降量，亦可测量陆上软土地基的沉降量。监测精度及灵敏度高，传输信号抗干扰性强、稳定性高，可将沉降量数值实时直观的显示出来，且安装简便、使用成本低廉。
图I是角位移式水下沉降仪结构一
图2是角位移式水下沉降仪结构二图3是沉降量电测装置主视4是沉降量电测装置左视中1监测仪器、2信号线缆、3海平面、4沉降板、5钢管、6A/D转换、7沉降量电测装置、8传动带子、9活塞式位移传动装置的上部套管、10活塞式位移传动装置的下部套管、11延长杆、12锚固点、13不发生沉降岩层地下、14转向滑轮、15角位移传感器、16圆柱形绕线轮、17涡圈弹簧、18连接轴、19测量盒。
具体实施例方式如图1、2所示一种角位移式水下沉降仪，有一个活塞式位移传动装置，活塞式位 移传动装置有下部套管和上部套管，活塞式位移传动装置下方连接延长杆，延长杆下端是锚固点，活塞式位移传动装置上方连接有测量盒，测量盒内有沉降量电测装置和A/D转换装置，测量盒上端连接钢管，钢管顶端连接沉降板；活塞式位移传动装置内有传动带子，传动带子上端连接沉降量电测装置，沉降量电测装置连接A/D转换装置，A/D转换装置通过线缆连接上方远距离的监测仪器。如图I所示在上部套管的下端口有转向滑轮，传动带子的下端绕过转向滑轮固定在下部套管的顶部。如图2所示传动带子的下端固定在下部套管的底部。如图3、4所示沉降量电测装置有角位移传感器，角位移传感器通过连接轴连接在圆柱形绕线轮轴上，传动带子上端固定在圆柱形绕线轮上，传动带子上部绕在圆柱形绕线轮上，在圆柱形绕线轮内部有涡圈弹簧。本角位移式水下沉降仪，其结构进一步说明“沉降仪下部延长杆”固定于地下不发生沉降岩层的锚固点，其上端依次连接沉降仪的“活塞式位移传动装置”、“沉降量电测装置”、“沉降板”，并通过“沉降量电测装置”中引出的信号线缆连接至“监测仪器”，从而可以直观实时准确的读取当前沉降板所在土层自沉降仪埋设时至此刻这段时间内所发生的沉降量。各装置特征如下一、“沉降仪下部延长杆”“沉降仪下部延长杆”下端固定于地下不发生沉降岩层的锚固点。延长杆上端与“活塞式位移传动装置”下部套管下端固定。延长杆材质为坚固不易变形材料如金属等。以使得下部套管不发生沉降，从而作为沉降量测量的基准点。二、“活塞式位移传动装置”包括以下两个机构I、活塞机构如图I及图2，活塞由上部套管和下部套管组成，两套管衔接处有防活塞脱出机构及横向限位机构。上部套管与“沉降量电测装置”所在金属盒及“沉降板”固定连接为一体，从而保障活塞两套管在某时间段内纵向相对移动行程即等于该时间段内所测土层的沉降量。活塞内部空间填满粘稠且可流动的防水填充材料，以保障活塞运动时沉降仪的防水性能可靠。上下套管均为坚固不易变形材料如金属等。2、活塞内的位移传递机构如图I、图3、图4所示，活塞套管内有传递位移的传动“带子”。“带子”的上端即b端固定在“沉降量电测装置”中“圆柱形绕线轮”的侧面。“带子”作用是将活塞两套管在某时间段内纵向相对移动行程实时等量转化为该时间段内“带子”的b端围绕“沉降量电测装置”中“圆柱形绕线轮”的轴心所转动的线位移量，即等于该时间段内所测土层的沉降量。传动“带子”特性在于易弯曲、不易伸缩、不易断裂，如钢丝绳、细长薄铁片、链条、皮质传送带等材料皆可。在活塞内传动“带子”的两种安装结构及传动“带子”的工作原理如下结构(I):活塞内结构如图I、图3、图4所示，上部套管的下面顶端装有一个转向滑轮。转向滑轮转动轴固定在上部套管底端，滑轮用于使传动“带子”转向。“带子”上端b与“沉降量电测装置”中“圆柱形绕线轮”侧面相连接，“带子”在“圆柱形绕线轮”侧面上并排缠绕多圈，缠绕圈数可根据量程需要修改。“带子”另一端a经过“转向滑轮”后与下部套管顶端固定。当沉降板在某时间段内随所测土层下沉，则活塞压缩。“带子”在“圆柱形绕线轮”上的缠绕圈数减少，“带子”的b端围绕“圆柱形绕线轮”的轴心所转动的线位移量等于此时间段内活塞的压缩量，也等于此时间段内沉降板的沉降量，即实现了位移传递的功能。 反之当沉降板在某时间段内随所测土层上升，则活塞伸长，“带子”在“圆柱形绕线轮”上的缠绕圈数增多，“带子”的b端围绕“圆柱形绕线轮”的轴心所反向转动的线位移量等于此时间段内活塞的伸长量，也等于此时间段内沉降板的上升量。结构(2):活塞内结构如图2、图3、图4所示，“带子”上端b与“沉降量电测装置”中“圆柱形绕线轮”侧面相连接，“带子”在“圆柱形绕线轮”侧面上并排缠绕多圈，缠绕圈数可根据量程需要修改。“带子”另一端a直接与下部套管底端固定。当沉降板在某时间段内随所测土层下沉，则活塞压缩。“带子”在“圆柱形绕线轮”上的缠绕圈数增多，“带子”的b端围绕“圆柱形绕线轮”的轴心所转动的线位移量等于此时间段内活塞的压缩量，也等于此时间段内沉降板的沉降量。反之当沉降板在某时间段内随所测土层上升，则活塞伸长，“带子”在“圆柱形绕线轮”上的缠绕圈数减少，“带子”的b端围绕“圆柱形绕线轮”的轴心所反向转动的线位移量等于此时间段内活塞的伸长量，也等于此时间段内沉降板的上升量。三、“沉降量电测装置”固定于“活塞式位移传动装置”上方坚固的防水密封金属盒内，并引出信号线缆连接至“监测仪器”，线缆与沉降仪外壳连接处有防水接线端子密封。线缆内有信号线和供电线，使得测量时“监测仪器”内电源可为“沉降量电测装置”供电。“沉降量电测装置”内部包括以下两个机构I、位移传动机构如图3、图4，“带子”b端与“沉降量电测装置”中“圆柱形绕线轮”侦愐相连接。“带子”在“圆柱形绕线轮”侧面上并排缠绕多圈(缠绕圈数可根据量程需要修改)。“圆柱形绕线轮”内有涡圈弹簧以使得“带子”始终处于绷紧状态。“圆柱形绕线轮”侧面有细螺纹，带子卧于螺纹凹槽内，使得带子在从“圆柱形绕线轮”上放出或回收时始终并排缠绕。当带子a端拉力减小时，使得带子并排回缠于“圆柱形绕线轮”侧面上。“圆柱形绕线轮”的轴心与“角位移传感器”的旋转轴相互固定且同轴。因此当“圆柱形绕线轮”旋转时的角位移量与“角位移传感器”旋转轴转动的角位移量相等且同步增减。当沉降板在某时间段内随所测土层下沉(或上升)，“带子”的b端在“圆柱形绕线轮”侧面围绕其轴心所转动的线位移量即此时间段内所测土层的沉降量(或上升量)为L，“圆柱形绕线轮”的周长为C，此时间段内“圆柱形绕线轮”随“带子”转动的旋转角度即“角
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位移传感器”所测的此时间段内角位移增量为」Θ (单位为弧度)。I)1IJL
2π2、位移量转化为数字电信号机构当沉降板在某时间段内随所测土层下沉(或上升)时，“角位移传感器”可测得此时间段内角位移增量^ Θ。“角位移传感器”的类型可以用电阻式旋转编码器、绝对型光电式旋转编码器、绝对型电磁式旋转编码器。 方法(I):“角位移传感器”使用电阻式旋转编码器，编码器输出的模拟信号量值经 A/D转换器(模数转换器)转化成量值为R的数字信号。量值R与编码器测得的角度Θ成线性关系，因此在某时间段内R的增量ZR与编码器测得的角位移增量Z Θ之间的关系为」Θ = k」R，k为固定转换常数可根据编码器及A/D转换器的特性参数求得，因此k为已
知常量。
「 nl T Ck^R则L^
2π电阻式旋转编码器输出的模拟信号经A/D转换器转变为数字信号，此数字信号通过信号线缆将量值R从沉降仪传入“监测仪器”。从而保障了在长线传输中信号不会由于衰减而影响测量精准度，且测量精度不易受外界电磁信号干扰。方式(2)及方式(3):“角位移传感器”使用绝对型光电式旋转编码器或绝对型电磁式旋转编码器，编码器均可直接输出量值为R的数字信号，量值R与编码器测得的角度θ成线性关系，因此两者在某时间段内的增量关系为Θ =k」R，k为固定转换常数，由编码器生产厂家提供，为已知常量。
「 nrl T CkZlR则L =-
2π该数字信号通过信号线缆将量值R从沉降仪传入“监测仪器”。从而保障了在长线传输中信号不会由于衰减而影响测量精准度。四、“沉降板”沉降板固定于被测土层，沉降板下方通过一根坚固钢管连接到“沉降量电测装置”，从而将沉降板所在土层的沉降量传递到“活塞式位移传动装置”。五、“监测仪器”包括以下两个机构I、信号的处理及运算电路“监测仪器”从线缆接收到由沉降仪输出的实时数字信号，该数字信号经“监测仪器”内的信号处理电路后输出量值R至单片机。沉降量监测起始时间点所测的数字信号的量值R’已记录在监测仪器的内部存储器中，R’通常采用沉降仪刚埋设好时所测数值，也可自行选择所需的起始时间点的测量值。“监测仪器”内通过单片机程序运算使得单片机输出的数字信号量值即为自沉降量监测起始时间点至此次监测时间点之间这段时间内的被测
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土层沉降量L。单片机所运行的换算公式即为L = ^~-
In2、显示电路“信号的处理及运算电路”内的单片机输出的数字信号量值即沉降量L。此数字信号通过显示屏驱动电路处理后，使得沉降量L实时显示在“监测仪器”的显示屏上。本发明成果的使用方法是如图I、图2所示，将“沉降仪下部延长杆”固定于地下不发生沉降岩层的锚固点，其上端依次连接有沉降仪的“活塞式位移传动装置”、“沉降量电测装置”、“沉降板”，沉降板固定于被测土层。沉降仪通过“沉降量电测装置”中引出的信号线缆连接至“监测仪器”，从而可以直接实时准确的读取当前沉降板所在土层的沉降量。被测土层沉降量通过沉降仪内的“活塞式位移传动装置”转化为沉降仪内部“角位移传感器”所测得的角位移量。此角位移量与被测土层沉降量成线性关系。该角位移量转化为数字信号传送给监测仪器。监测仪器可通过此角位移量运算处理后得出被测土层的沉降量，并可通过监测仪器上的显示屏实时直观显示被测土层的沉降量。沉降仪的输出信号为数字信号，该信号为沉降仪内“角位移传感器”所检测到的的角位移量转化而来。此数字信号经线缆传至监测仪器，因此测量精度不易受到线缆长度及外界电磁干扰的影响。沉降 仪的大量程及高灵敏度，量程可达5米以上、灵敏度可达O. 05毫米。
权利要求
1.一种角位移式水下沉降仪，其特征在于有一个活塞式位移传动装置，活塞式位移传动装置有下部套管和上部套管，活塞式位移传动装置下方连接延长杆，延长杆下端是锚固点，活塞式位移传动装置上方连接有测量盒，測量盒内有沉降量电测装置和A/D转换装置，测量盒上端连接钢管，钢管顶端连接沉降板；活塞式位移传动装连接置内有传动带子，传动带子上端连接沉降量电测装置，沉降量电测装置连接A/D转换装置，A/D转换装置通过线缆连接上方远距离的监测仪器。
2.根据权利要求书I所述的角位移式水下沉降仪，其特征在于传动带子的下端固定在下部套管的底部。
3.根据权利要求书I所述的角位移式水下沉降仪，其特征在于在上部套管的下端ロ有转向滑轮，传动带子的下端绕过转向滑轮固定在下部套管的顶部。
4.根据权利要求书I所述的角位移式水下沉降仪，其特征在于沉降量电测装置有角位移传感器，角位移传感器通过连接轴连接在圆柱形绕线轮轴上，传动带子上端固定在圆柱形绕线轮上，传动带子上部绕在圆柱形绕线轮上，在圆柱形绕线轮内部有涡圈弹簧。
全文摘要
一种角位移式水下沉降仪，有一个活塞式位移传动装置，活塞式位移传动装置有下部套管和上部套管，活塞式位移传动装置下方连接延长杆，延长杆下端是锚固点，活塞式位移传动装置上方连接有测量盒，测量盒内有沉降量电测装置和A/D转换装置，测量盒上端连接钢管，钢管顶端连接沉降板；活塞式位移传动装置内有传动带子，传动带子上端连接沉降量电测装置，沉降量电测装置连接A/D转换装置，A/D转换装置通过缆线连接上方远距离的监测仪器。本沉降仪结构简单，将线位移转换成角位移提高测量精度和准确性。角位移式水下沉降仪应用面宽，监测精度及灵敏度高，传输信号抗干扰性强、稳定性高，沉降量数值实时直观的显示出来，安装简便、成本低廉。
文档编号G01C5/00GK102853812SQ20121023993
公开日2013年1月2日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者黄泰 申请人:中交天津港湾工程研究院有限公司, 中交第一航务工程局有限公司, 天津港湾工程质量检测中心有限公司