一种软土地基沉降自动监测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种软土地基沉降自动监测装置。本实用新型包括支架、机箱模块和测头模块，所述的支架与机箱模块可手动连接和拆卸，测头模块和机箱模块内部电路采用时钟同步的方法，测头内电路用于记录沉降磁环触发干簧管时数组下标，机箱内电路用于记录时刻对应拉绳传感器的输出电压，通过测头、机箱近距离无线通信查询沉降磁环位置对应的拉绳传感器输出电压值，实现对软土沉降的测量。本实用新型自动化程度高，能实现对软土沉降的精确测量。
【专利说明】
一种软土地基沉降自动监测装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及测量领域，尤其涉及一种软土地基沉降自动监测装置。【背景技术】
[0002]在软土地基上修筑高层建筑、高速公路和高速铁路，由于受到压力作用，软土地基会发生压缩变形，严重时可导致地基沉降。因此，建设前对路基进行准确测量具有重要意义。
[0003]目前，市面上，传统的钢尺沉降仪仍然占据主导地位，它的主要原理是测量前在地下埋入沉降导管、底盖和沉降磁环，测量时将内部安装了磁场感应器的测头放入沉降导管， 当遇到外磁场作用时，便会接通接收系统，接收系统中的蜂鸣器发出连续不断的蜂鸣声响，地面上人工记下钢尺的读数。这种沉降仪使用时需要人工操作，测量效率低，且钢尺的测量精度低，人为读数误差大，难以满足现在高速铁路等建设中的高精度要求。
[0004]近年来也出现了一些软土沉降自动检测仪器，其按照数据传输方式可以分为两类:一类是通过电机带动测量定位装置上下运动，测量定位装置上另接一条数据线传输数据到上端测箱显示;另一类是通过电机带动测量定位装置上下运动，采用无线传输数据。其之所以不能产品化，存在以下缺点:(1)无线电波被地下土层和混凝土结构大量吸收，且受标准沉降导管直径尺寸的限制，无线触发瞄准电路中能够选用的无线收发模块尺寸和发射功率受限，无法满足大量程时的数据传输;(2)测量定位装置分别与位移传感器的拉绳和数据传输线相连接，这种两线连接的方式，在测量快速下降中，测量定位装置会发生旋转晃动，导致传感器的拉绳和数据传输线发生绞缠，影响测量的精度。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供了一种软土地基沉降自动监测装置，实现自动化高精度的测量软土地基沉降。
[0006]本实用新型包括支架、机箱模块和测头模块。
[0007]所述的机箱模块下端设置有螺纹孔，所述的支架上端设置有螺纹杆，所述的机箱模块通过下端设置的螺纹孔与支架上端设置的螺纹杆相配合连接，所述的测头模块位于所述机箱模块的下端，所述的支架与机箱模块可手动连接和拆卸。
[0008]所述的机箱模块包括:指示灯、按键、液晶显示屏、电源、电机、抱箍、拉绳式位移传感器、STM32主控板、FLASH储存芯片、三角铁、无线收发模块、电机座、调节柱、精密丝杠、机箱壳体和拉绳。
[0009]所述的指示灯用于指示对应的按键按下与否，所述的按键用于控制仪器的工作， 所述的液晶显示屏用于显示测量的数据，所述的机箱壳体包括上机箱壳体、侧机箱壳体、下机箱壳体，所述的液晶显示屏与所述的侧机箱壳体相固连。
[0010]所述的抱箍将所述的电源固定在所述的侧机箱壳体上，所述的拉绳式位移传感器通过螺栓与所述的上机箱壳体相连接，所述的拉绳式位移传感器下端设置有所述的拉绳，所述的STM32主控板与所述的侧机箱壳体相连接，所述的FLASH储存芯片与所述的STM32主控板相连接，所述的无线收发模块与所述的下机箱壳体相连接，所述的电机座通过螺栓固定在所述的下机箱壳体上，所述的电机与所述的电机座通过螺栓相连接，所述的精密丝杜通过联轴器与所述的电机相连接，所述的调节柱侧边开有通槽，所述的调节柱通过螺丝固定在所述的下机箱壳体上。
[0011]所述的拉绳式位移传感器下端设置的拉绳缠绕在所述精密丝杠上，拉绳与精密丝杠的摩擦力用于带动所述测头模块竖直上下运动，所述的调节柱用于调节拉绳垂直向上沿着精密丝杠运动。
[0012]所述的测头模块包括:测头壳体、拉环、测头盖、滑轮、侧板、干簧管、支架、电压转换模块、无线收发模块、DM430主控板和电源。[〇〇13]所述的测头壳体内孔设置有螺纹，所述的测头盖外柱设置有螺纹，上端设置有圆环，所述的测头壳体通过螺纹与所述的测头盖相配合连接，所述的测头壳体和测头盖均为黄铜材质。
[0014] 所述的拉绳与所述的拉环连接，所述的测头盖通过上端设置的圆环与所述的拉环相连接，所述的侧板与所述的测头壳体相固连，所述的测头壳体上设置有螺纹孔，所述的滑轮通过螺纹与所述的测头壳体相配合连接；
[0015]所述的测头模块在标准沉降管内下降时，使所述的滑轮沿着标准沉降管内的槽滑动，避免所述测头模块旋转造成的测量误差，提高测量精度；
[0016]所述的支架分为上下两层，所述的干簧管通过螺丝固定在所述支架的下层，所述的电压转换模块与所述的DM430主控板相连接，所述的电压转换模块、无线收发模块、DM430 主控板和电源用石蜡固定在所述的支架上层空心柱内，所述的支架下端用石蜡固定在所述的测头壳体中。
[0017]本实用新型能够克服现有软土沉降测量中测量信息难以传递到地面接收端的难题，实现在沉降管、深井等恶劣环境中大量程尺寸的精确测量。【附图说明】
[0018]图1是本实用新型的立体结构图；
[0019]图2是本实用新型隐藏在机箱外盖后的立体结构图；
[0020]图3是本实用新型电机驱动部分的立体结构图；[0021 ]图4是本实用新型液晶部分的局部放大图；
[0022]图5是本实用新型测头模块的立体结构图
[0023]图6是本实用新型测头模块内部的立体结构图
[0024]图7是本实用新型测控系统的电路示意图；[〇〇25]图8是本实用新型的工作流程图；[〇〇26]图9是本实用新型测量原理的简化示意图；[〇〇27]图10是本实用新型测头模块的电路原理图；[〇〇28] 图11是本实用新型STM32F103ZET6处理器的电路原理图；[〇〇29]图12是本实用新型主控板的一部分外围电路原理图；[〇〇3〇]图13是本实用新型主控板的另一部分外围电路原理图。【具体实施方式】
[0031]以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
[0032]如图1所示，本实用新型包括支架1、机箱模块2和测头模块3;所述的机箱模块2下端设置有螺纹孔，所述的支架1上端设置有螺纹杆，所述的机箱模块2通过下端设置的螺纹孔与支架1上端设置的螺纹杆相配合连接，所述的测头模块3位于所述机箱模块2的下端。
[0033]测量软土沉降前，将所述的支架1与所述的机箱模块2连接，测量结束后可以将其手动拆卸。[〇〇34] 如图2，3，4所示，所述的机箱模块2包括指示灯201、按键202、液晶显示屏203、电源 204、电机205、抱箍206、拉绳式位移传感器207、STM32F103ZET6处理器208、FLASH储存芯片 209、三角铁210、无线收发模块211、电机座212、调节柱213、精密丝杠214、机箱壳体215和拉绳 216〇[〇〇35]所述的指示灯201用于指示对应的按键202按下与否，所述的按键202用于控制仪器的工作，所述的液晶显示屏203用于显示测量的数据，所述的机箱壳体215包括上机箱壳体、侧机箱壳体、下机箱壳体，所述的液晶显示屏203与所述的侧机箱壳体相固连。[〇〇36]所述的抱箍206将所述的电源204固定在所述的侧机箱壳体上，所述的拉绳式位移传感器207通过螺栓与所述的上机箱壳体相连接，所述的拉绳式位移传感器207下端设置有所述的拉绳216,所述的STM32F103ZET6处理器208与所述的侧机箱壳体相连接，所述的 FLASH储存芯片209与所述的STM32F103ZET6处理器相连接，所述的无线收发模块211与所述的下机箱壳体相连接，所述的电机座212通过螺栓固定在所述的下机箱壳体上，所述的电机 205与所述的电机座212通过螺栓相连接，所述的精密丝杠214通过联轴器与所述的电机205 相连接，所述的调节柱213侧边开有通槽，所述的调节柱213通过螺丝固定在所述的下机箱壳体上。[〇〇37] 所述的拉绳式位移传感器207下端设置的拉绳216缠绕在所述精密丝杠214上，拉绳与精密丝杠的摩擦力用于带动所述测头模块3竖直上下运动，所述的调节柱213用于调节拉绳216垂直向上沿着精密丝杠214运动。[〇〇38] 如图5，6所示，所述的测头模块3包括测头壳体301、拉环302、测头盖303、滑轮304、 侧板305、干簧管306、支架307、电压转换模块308、无线收发模块309、DM430主控板310和电源311。[〇〇39]所述的测头壳体301内孔设置有螺纹，所述的测头盖303外柱设置有螺纹，上端设置有圆环，所述的测头壳体301通过螺纹与所述的测头盖303相配合连接，所述的测头壳体 301和测头盖303均为黄铜材质。
[0040]所述的拉绳216与所述的拉环302连接，所述的测头盖303通过上端设置的圆环与所述的拉环302相连接，所述的侧板305与所述的测头壳体301相固连，所述的测头壳体301 上设置有螺纹孔，所述的滑轮304通过螺纹与所述的测头壳体301相配合连接。
[0041]所述的测头模块3在标准沉降管内下降时，使所述的滑轮304沿着标准沉降管内的槽滑动，避免所述测头模块3旋转造成的测量误差，提高测量精度。[〇〇42]所述的支架307分为上下两层，所述的干簧管306通过螺丝固定在所述支架307的下层，所述的电压转换模块308与所述的DM430主控板310相连接，所述的电压转换模块308、无线收发模块309、DM430主控板310和电源311用石蜡固定在所述的支架307上层空心柱内， 所述的支架307下端用石蜡固定在所述的测头壳体301中。[〇〇43]如图7所示，一种软土地基沉降自动监测仪的测控系统电路示意图，所述的测控系统电路示意图包括测头内部MSP430测控系统和机箱内部STM32测控系统;所述的MSP430测控系统包括MSP430F149处理器、干簧管触发电路、7805电压转换电路和电源接口，电源I为整个MSP430测控系统供电；所述的STM32测控系统包括STM32F103ZET6处理器、电机驱动电路、TFT液晶接口电路、EEPR0M储存器电路、nRF24101无线收发电路、FLASH储存芯片电路、时钟电路和拉绳传感器电压转换电路，电源II为整个STM32测控系统供电。[〇〇44]如图8,9所示，本实用新型的工作流程是:STM32F103ZET6处理器2检测到START按键信号，系统开始工作，机箱内的STM32F103ZET6处理器2开始启动计时器计时，并同时控制无线收发模块211向测头内的MSP430F149处理器1发射命令，使MSP430F149处理器1开始计时；STM32F103ZET6处理器2每隔10ms采集一次拉绳式位移传感器207输出的电压，并将电压值按照顺序保存在设置的数组S[]中，STM32F103ZET6处理器2将数组S[]的值保存在外设的 FLASH存储芯片中，MSP430F149处理器1的计时器每隔10ms将其参数i自加一次，并检测是否有干簧管触发信号。[〇〇45]当有沉降磁铁触发干簧管，干簧管输出一个下降沿，此时MSP430F149处理器1将参数i的值赋值给参数b。[〇〇46]测量结束后，STM32F103ZET6处理器2控制电机带动测头以近似匀速上升，上升一个固定的时间后，测头模块3处于一个近似固定距离，MSP430F149处理器1控制无线收发模块309将参数b的值打包发射，机箱内的无线收发模块211接受到参数b后，将其作为数组S[] 的下标查找数组中对应的元素，读取其中的传感器电压值，并调用函数将其转换为位移在液晶显示器上显示。
[0047]如图9，MSP430F149处理器1、STM32F103ZET6处理器2同时启动后，参数i=0,数组S[]下标为〇;每隔10msMSP430F149处理器1控制参数i自加一次，且STM32F103ZET6处理器2采集一次拉绳式位移传感器207的输出电压并将电压值保存在数组S[]中；例如，当在i=4后有沉降磁环触发干簧管，在i=5时MSP430F149处理器1会检测到触发信号，然后将参数i=5的值赋给参数b;测量结束后，STM32F103ZET6处理器1控制无线收发模块309将b=5传输给无线收发模块211，进而传送给STM32F103ZET6处理器2;STM32F103ZET6处理器2将b=5作为数组S[] 的下标，读出S[5]中拉绳式位移传感器207的输出电压，调用拉绳传感器的电压位移线性回归直线方程找出对应的位移值，该位移即是沉降磁环所处的近似位移。[〇〇48]作为本设计的一种优选设计，控制测头模块的下降时间是120s，在实现10m的测量时，10ms的时间段对应的最大位移误差是0.833mm;考虑测头内部电路的具体使用要求，所述的MSP430F149处理器1选择超低功耗的MSP430F149处理器，根据机箱部分设计要求， STM32F103ZET6处理器2选用功能更加强大的STM32F103ZET6处理器。[〇〇49]本实用新型的测量原理可以概述为利用两个MSP430F149处理器的时间同步，根据时刻节点找出对应时刻拉绳传感器的输出电压，从而对应出该时刻节点的位移，即是沉降磁环所处的位移。
[0050]如图10，11，12，13所示，本实用新型的测控系统电路包括测头内电路和机箱内电路两部分，所述的机箱内电路包括STM3 2F10 3ZET6处理器、电机驱动电路、TFT液晶接口电路、EEPROM储存器电路、nRF24101无线收发电路、FLASH储存芯片电路、时钟电路和拉绳传感器电压转换电路；[〇〇51 ] 所述的电机驱动电路输入引脚IN1、IN2分别与STM32F103ZET6ET6处理器的46、47 引脚连接，电机驱动电路的输出引脚0UT1、0UT2分别连接电机的两个输入端，电机驱动电路的GND、VCC5、VCC3.3分别接电源接口 C0N1的GND、VCC5、VCC3.3 ;电机驱动电路利用 STM32F103ZET6处理器的定时器输出PWM波来控制直流电机的运转。
[0052]所述的 TFT液晶接口电路的D0UT、PENIRQ#、CS#、LCD_BLDIN、DCLK、LCD_RST# 引脚分别与STM32F103ZET6ET6处理器的18、21、22、47、49、92、126引脚连接，1?1'液晶接口电路的 1?、^)、耶、1^:0_05引脚分别与51]\02卩1032￡16￡16处理器的1、118、119、127引脚连接，1卩1'液晶接口电路的DB00-DB15引脚分别与STM32F103ZET6ET6处理器的PD14-15、PD0-1、PE7-15、 ro8-10引脚连接，TFT液晶接口电路的GND、VCC3.3分别接电源接口 C0N1的GND、VCC3.3; TFT 液晶用来显示设备的工作状态和监测的数据信息。
[0053] 所述的EEPROM储存器电路的SCUSDA引脚分别与STM32F103ZET6ET6处理器的69、 70引脚连接，EEPROM储存器电路的GND、VCC3.3分别接电源接口 C0N1的GND、VCC3.3 ;EEPR0M 储存芯片AT24C02容量为2Kb，可掉电保存一些参数数据，用来储存检测到的磁环位置数据fg息。[〇〇54] 所述的nRF24101无线收发电路的06、03^3(:1(、1130、1031、11^引脚分别与 STM32F103ZET6ET6处理器的93、132、41、42、43、44引脚连接，111^24101无线收发电路的6冊、 VCC3 ? 3 分别接电源接口 C0N1 的 GND、VCC3 ? 3。
[0055] 所述的FLASH储存芯片电路的03、0^、00、01引脚分别与3了]\02?1032￡了6￡了6处理器的110、133、134、135引脚连接，FLASH储存芯片电路的GND、VCC3.3分别接电源接口⑶N1的 GND、VCC3.3;选用的FLASH储存芯片为SPI接口的串行FLASH，型号为W25Q64，容量为8MB，用来储存每1 〇ms检测到的传感器输出的电压值。
[0056]所述的时钟电路的 05(:_預、05(:_01]1'、？(:14/05032_預、？(:15/05032_01]1'引脚分别与 STM32F103ZET6ET6处理器的23、24、8、9引脚连接，时钟电路的GND接电源接口 C0N1的GND。 [〇〇57]所述的拉绳传感器电压转换电路的仏接拉绳传感器的输出端，拉绳传感器电压转换电路的PC2/ADC2_IN1与STM32F103ZET6ET6处理器的28引脚连接，拉绳传感器电压转换电路的GND、VCC5分别接电源接口 C0N1的GND、VCC5;所述拉绳传感器电压转换电路把传感器输出的0-10v电压转换为STM32F103ZET6处理器可承受的0-3.3v电压。[〇〇58] 所述的测头内电路包括MSP430F149处理器、nRF24101无线收发电路、干簧管触发电路、电源接口和7805电压转换电路。[〇〇59] 所述的7805电压转换电路的输入端选用9V电池供电，输出端的GND、Vcc-5与电源接口的GND、Vcc-5相连接；电源接口的GND、Vcc-3.3引脚分别与MSP430F149处理器的63、1引脚相连接，7805电压转换电路用于测头内部电路的各电路供电。
[0060] 所述的nRF24101无线收发电路的06、03^3(:1(1031、1030、11^引脚分别与 MSP430F149处理器的15、27、33、31、32、14引脚相连接，111^24101无线收发电路的6冊、￥(^-3.3引脚分别于C0N2对应的GND、Vcc-3.3引脚连接，引脚CE、IRQ与引脚CSN、SCK、M0S1、MIS0 配合使用，用于数据的传输。[0061 ]所述的干簧管触发电路的GND、Vcc-3.3引脚分别于电源接口对应的GND、Vcc-3.3引脚连接，干簧管触发电路的输出引脚DO与MSP430F149处理器的40引脚相连接，引脚DO用于传输干簧管的触发信号。[〇〇62] 在进行工程测量时，首先打孔埋设沉降管和沉降磁环，使沉降磁环和软土同步沉降；然后在沉降管上方安放软土地基沉降自动监测装置;首次测量时，将测头模块3通过拉环302与拉绳216相连接，启动START按键，电机205使得测头模块3上的滑轮304沿着沉降管内的槽垂直滑动，此时STM32F103ZET6处理器开始启动计时器工作，每隔10ms采集一次拉绳式位移传感器207输出的电压，并将电压值按顺序保存在外设的FLASH存储芯片的数组S[] 中，与此同时，STM32F103ZET6处理器控制无线收发模块211发射信号给无线收发模块309， 无线收发模块309接收到信号后传递给MSP430F149处理器，启动MSP430F149的计时器将一个从零开始的参数i每隔l〇ms自加一次，并每隔10ms检测一次干簧管触发信号；当检测到沉降磁环触发干簧管的信号后，MSP430F149处理器的计时器记下此时的参数i，并将参数i的值赋给参数b。[〇〇63]下降测量完成后，电机205通过精密丝杠214带动测头模块上升，当上升到可以无线通信的距离时，MSP430F149处理器控制无线收发模块309将参数b打包发送给无线收发模块211，STM32F103ZET6处理器读取参数b后保存在EEPR0M储存芯片中，并将b作为数组S[]的下标在外设的FLASH存储芯片查询对应元素的拉绳式位移传感器207输出的电压，然后将电压值转换成位移值在TFT液晶显示器上显示。
[0064]本装置能够克服现有软土沉降测量中测量信息难以传递到地面接收端的难题，实现软土地基沉降的精确测量，此外，本装置还可用于地下水位等大量程尺寸的精确测量。
【主权项】
1.一种软土地基沉降自动监测装置，包括支架(1)、机箱模块(2)和测头模块(3)，其特 征在于:所述的机箱模块(2)下端设置有螺纹孔，所述的支架(1)上端设置有螺纹杆，所述的机 箱模块(2)通过下端设置的螺纹孔与支架(1)上端设置的螺纹杆相配合连接，所述的测头模 块(3)位于所述机箱模块(2)的下端，所述的支架(1)与机箱模块(2)可手动连接和拆卸；所述的机箱模块(2)包括:指示灯(201)、按键(202)、液晶显示屏(203)、电源(204)、电 机(205)、抱箍(206)、拉绳式位移传感器(207)、STM32主控板(208)、FLASH储存芯片(209)、 三角铁(210)、无线收发模块(211)、电机座(212)、调节柱(213)、精密丝杠(214)、机箱壳体 (215)和拉绳(216);所述的指示灯(201)用于指示对应的按键(202)按下与否，所述的按键(202)用于控制 仪器的工作，所述的液晶显示屏(203)用于显示测量的数据，所述的机箱壳体(215)包括上 机箱壳体、侧机箱壳体、下机箱壳体，所述的液晶显示屏(203)与所述的侧机箱壳体相固连；所述的抱箍(206)将所述的电源(204)固定在所述的侧机箱壳体上，所述的拉绳式位移 传感器(207)通过螺栓与所述的上机箱壳体相连接，所述的拉绳式位移传感器(207)下端设 置有所述的拉绳(216 )，所述的STM32主控板(208)与所述的侧机箱壳体相连接，所述的 FLASH储存芯片(209)与所述的STM32主控板相连接，所述的无线收发模块(211)与所述的下 机箱壳体相连接，所述的电机座(212)通过螺栓固定在所述的下机箱壳体上，所述的电机 (205)与所述的电机座(212)通过螺栓相连接，所述的精密丝杠(214)通过联轴器与所述的 电机(20 5)相连接，所述的调节柱(213)侧边开有通槽，所述的调节柱(213)通过螺丝固定 在所述的下机箱壳体上；所述的拉绳式位移传感器(207)下端设置的拉绳(216)缠绕在所述精密丝杠(214)上， 拉绳与精密丝杠的摩擦力用于带动所述测头模块(3)竖直上下运动，所述的调节柱(213)用 于调节拉绳(216)垂直向上沿着精密丝杠(214)运动；所述的测头模块(3)包括:测头壳体(301)、拉环(302)、测头盖(303)、滑轮(304)、侧板 (305)、干簧管(306)、支架(307)、电压转换模块(308)、无线收发模块(309)、DM430主控板 (310)和电源(311);所述的测头壳体(301)内孔设置有螺纹，所述的测头盖(303)外柱设置有螺纹，上端设 置有圆环，所述的测头壳体(301)通过螺纹与所述的测头盖(303)相配合连接，所述的测头 壳体(301)和测头盖(303)均为黄铜材质；所述的拉绳(216)与所述的拉环(302)连接，所述的测头盖(303)通过上端设置的圆环 与所述的拉环(302)相连接，所述的侧板(305)与所述的测头壳体(301)相固连，所述的测头 壳体(301)上设置有螺纹孔，所述的滑轮(304)通过螺纹与所述的测头壳体(301)相配合连 接；所述的测头模块(3)在标准沉降管内下降时，使所述的滑轮(304)沿着标准沉降管内的 槽滑动，避免所述测头模块(3)旋转造成的测量误差，提高测量精度；所述的支架(307)分为上下两层，所述的干簧管(306)通过螺丝固定在所述支架(307) 的下层，所述的电压转换模块(308)与所述的DM430主控板(310)相连接，所述的电压转换模 块(308)、无线收发模块(309)、DM430主控板(310)和电源(311)用石蜡固定在所述的支架 (307)上层空心柱内，所述的支架(307)下端用石蜡固定在所述的测头壳体(301)中。
【文档编号】G01C5/00GK205607376SQ201620373795
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】刘续, 汪成立, 禹静, 李东升
【申请人】中国计量大学