一种可回收的软土分层沉降远程实时自动监测装置

1.本实用新型涉及岩土工程安全监测技术领域的一种一种软土沉降监测装置，具体而言是一种可回收的软土分层沉降远程实时自动监测装置。


背景技术：

2.建筑(土坝、公路、地铁、建房等)施工时以及完工后，会发生土层沉降现象，导致一系列不良后果，为掌握不同深度土层的沉降量，以及开展工程安全预警等，需要对土体的分层沉降进行监测，以免对社会造成严重的经济损失。
3.目前，对于软土分层沉降监测还是以人工监测为主的电磁式沉降仪，其工作流程可概述为：在监测场地地下竖直埋设空心沉降管，在待测土层放置沉降磁环套在沉降管上，使得磁环随土层沉降。之后检测人员利用测尺将电磁感应探头顺着沉降管往下放，当电磁感应探头感应到沉降磁环的磁场时，系统会发出提示铃声。检测人员观测此时手上刻度测尺的示数并记录，将此次和上次的数据做差得到磁环沉降量。
4.这种人工测量是通过人眼查看测尺数据，且测尺长度变长时容易晃动，不同土层磁环需要依次测量，因此测量速度慢、误差大、数据量少、实时性差,且测尺、信号电缆线易疲劳折断,机械结构的损耗较大，无法实现智能化在线监测。但由于价格相对便宜，所以仍旧是当前的主要测量。
5.而自动化在线监测的方式较少，能够实用化的更少。且都有成本高、实时性差、精度低、量程小等问题。经检索，公告号为cn107190784b名称为一种自动量测分层沉降系统的仪器及其测量安装方法的实用新型专利，采用电机将电磁感应探头缓慢放入沉降管内部，自动读数，实现自动化测量。但该专利仍旧没有解决机械化的损耗，且电机长时间运行也会带来转速误差，无法实现精确测量，磁环位置仍旧需要依次测量，实时性差。此外，公告号为cn208235488u名称为一种可重复使用的土体分层沉降远程自动监测装置的实用新型专利，采用位移传感器测量磁环位置实现自动化测量，传感器外套沉降管实现传感器的回收。但该专利并未说明所用位移传感器的测量机理以及内部具体结构，使用配重来让柔性测杆绷直，若柔性测杆发生一定程度形变则会带来系统误差，且可测量深度仅为3m，量程低，无法用于深层的土层沉降监测，在没放置沉降磁环位置也放置传感器，灵活性差，增加了测量成本，且安装过程较为复杂。
6.综上，人工测量成本低，但误差大、实时性差、检测速度慢。自动化测量成本高，但精度相对人工较高。不同的自动化装置存在其他不同的问题，如实时性、灵活性、量程等。
7.近年来，随着时代发展，对测量精度的要求越来越高，迫切需要一种操作简便，灵活性强，成本低廉，测量精度高的软土分层沉降自动化监测装置。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于解决目前我国对软土分层沉降监测的自动化程度低、精度不高、成本高、无法实现实时在线监测等问题，本实用新型提供一种可回收的软土分层沉降
远程实时自动监测装置，通过所述外管隔离土层与所述测量管，实现装置的可回收性，且通过所述主控盒处理所述霍尔传感器数据，实现软土分层沉降的高精度、低成本、灵活、操作简单、大量程的远程实时监测自动监测。
9.本实用新型采用的技术方案如下：
10.本实用新型包括内管连接件、外管、空管、测量管、沉降磁环和主控盒；外管竖直布置在土层中，外管内至少安装有一个测量管，未安装测量管的外管内通过空管安装满，空管与所述测量管通过内管连接件螺纹连接，测量管的电信号通过空管引出到地面和主控盒电连接；所述的测量管所在的外管外套装沉降磁环，沉降磁环可滑动地套接与外管外部，沉降磁环嵌入土层中一同沉降。
11.所述的测量管与沉降磁环处在同一水平位置。
12.所述测量管内沿轴向方向的直线上均匀阵列布置用于测量磁场强度的霍尔元件，各个霍尔元件串接连接，各个霍尔元件串接后数据传输线和地面上的主控盒相连接；
13.所述沉降磁环包括环形磁铁、卡接体和环形外壳；环形外壳套装在外管外，环形外壳内开设有环形腔，环形腔内安装环形磁铁，环形外壳外周沿周向方向间隔布置多个卡接体，每个卡接体沿径向布置，嵌入土层中。
14.所述卡接体一端与环形外壳之间通过自攻螺丝连接，另一端延伸并嵌入所述土层内。
15.所述的外管具体由上下两段的外管件同轴对接后通过外管连接件固定连接构成。
16.所述的空管内部设有用于自身上下两端的内管连接件之间连接的数据传输线。
17.所述主控盒通过无线传输模块和云端服务器连接通信，远程接收端通过网络传输模块和云端服务器连接通信。
18.所述测量管为不会磁化的金属圆管，上端和下端均开有内螺纹孔，内螺纹孔处安装连接内管连接件；多个所述霍尔元件沿直线均匀阵列在电路板上，电路板竖直放置在所述测量管内部。
19.所述电路板集成了多个霍尔元件信号采集电路、信号滤波电路、a/d转换电路、485通讯电路、mcu控制电路；各个霍尔元件信号采集电路的输入端和各个霍尔元件的信号输出端电连接，各个霍尔元件信号采集电路的输出依次经信号滤波电路、a/d转换电路、485通讯电路后和mcu控制电路连接。
20.本实用新型具有的有益效果是：
21.本实用新型实现了软土分层沉降的自动测量，基于霍尔效应，通过对所述霍尔元件输出数据进行分析得到所述沉降磁环的位置得到对应土层的沉降量，自动化程度高，解决了人工测量的低精度、实时性差等问题，同时解决了机械化测量自身带来的系统误差，进一步提高了精度。
22.本实用新型中除所述沉降磁环、所述外管以及所述外管连接件，其余部件均是可回收的。由于可回收性，监测成本进一步被降低，且兼容人工测量，只需取出所述外管内部的相关测量管，即可使用人工的电磁感应探头进行测量。
23.本实用新型中由于所述外管的隔离土层作用，在回收过程中不会破坏土层的状态。此外，当测量管损坏时，也可以轻易取出维修，再重新投入使用。解决了其他自动化测量装置一旦损坏整个监测点作废的弊端。
24.本实用新型灵活性强，适用不同的场景，根据实际场地计算沉降磁环安装的位置，设计不同的所述测量管与所述空管的组合，进一步降低了成本。
25.本实用新型实现在线连续实时监测，通过所述主控盒不断对每个时刻的所述霍尔元件数据进行分析得到不同土层的沉降量，实现连续实时监测。通过所述云端服务器与所述主控盒以及所述远程接收端的数据交互实现远程监测。
26.本实用新型测量量程大，通过所述外管、所述外管连接件、所述测量管、所述空管与及所述内管连接件的多级拼接，可以实现地下大深度的软土分层沉降测量。
27.本实用新型中所述的沉降磁环可以很好的保证沉降磁环竖直方向上磁感应强度分布的稳定性，即使沉降磁环与沉降管之间发生相对扭转位移也不会对竖直方向上的磁感应强度分布产生任何影响
28.本实用新型成本低，监测成本接近人工测量成本。由于本实用新型可回收利用，不可回收监测成本仅限于所述外管、所述外管连接件以及所述沉降磁环，可模块化组合使用，本实用新型的成本大大降低，远小于其他自动化测量装置。
29.与现有技术相比，本实用新型结构更简单，安装方便，并且可以回收多次重复使用，具有极高的应用价值。
附图说明
30.图1是本实用新型的整体结构示意图；
31.图2是本实用新型中监测设备安装流程图；
32.图3是本实用新型中的测量管的正视剖视图；
33.图4是本实用新型中的内管连接件的正视图；
34.图5是本实用新型中的沉降磁环的俯视剖面图；
35.图6是本实用新型中的测量管内部电路板的设计图；
36.图7是本实用新型中的主控盒内部电路板的设计图；
37.图8是本实用新型启动测量工作的总体流程示意图。
38.图中：
39.1、内管连接件，2、外管，3、空管，4、数据传输线，5、测量管，6、沉降磁环，7、霍尔元件，8、外管连接件，9、土层，10、基岩，11、主控盒，12、云端服务器，13、远程接收端，14、环形磁铁，15、卡接体，16、环形外壳。
具体实施方式
40.以下将针对本实用新型专利的可回收的软土分层沉降远程实时自动监测装置的具体结构、特点和优点等作进一步的说明，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本实用新型形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本实用新型的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。
41.将理解，当称将部件“连接”到另一个部件时，它可以直接连接到另一个部件或可
以存在中间部件。相反，当称将部件“直接连接”到另一个部件时，则表示不存在中间部件。
42.图1给出了本实用新型的整体结构示意图，并且通过图3给出本实用新型中的测量管的正视剖面图，并且通过图4给出本实用新型中的内管连接件的正视图，并且通过图5给出本实用新型中的沉降磁环的俯视剖面图，并且通过图6给出本实用新型中的测量管内部电路板的设计图，并且通过图7给出本实用新型中的主控盒内部电路板的设计图，并且通过图8给出本实用新型启动测量工作的总体流程示意图，下面就结合图1至图8来具体说明本实用新型专利。为能进一步了解本实用新型的具体结构、特点和优点，兹例举以下实例，并配合附图详细说明如下：
43.如图1所示，具体实施的装置包括内管连接件1、外管2、空管3、测量管5、沉降磁环6和主控盒11；外管2竖直布置在土层9中且位于基岩10之上，外管2内至少安装有一个测量管5，未安装测量管5的外管2内通过空管3安装满，空管3与测量管5通过如图4所示的内管连接件1螺纹连接，测量管5的电信号通过空管3引出到地面和主控盒11电连接，主控盒11置于地面上；
44.具体实施中，可以是将测量管5和空管3在外管2内依次交替布置；也可以是仅设置一个测量管5在外管2内底部，测量管5之上的外管2内布置满空管3直到达到地面；也可以是多个测量管5分别在外管2内的多处，相邻测量管5之间可以直接连接，或者布置空管3进行连接。
45.测量管5所在的外管2外套装沉降磁环6，沉降磁环6可滑动地套接与外管2外部，沉降磁环6嵌入土层9中一同沉降。测量管5与沉降磁环6处在同一水平位置，具体要求沉降磁环6位于测量管5的中部附近。
46.如图7所示，测量管5内沿轴向方向的直线上均匀阵列布置用于测量磁场强度的霍尔元件7，霍尔元件7感应磁场信号并将磁场信号转换成对应的电压信号。各个霍尔元件7串接连接，各个霍尔元件7串接后数据传输线4和地面上的主控盒11相连接；这样各个测量管5通过数据传输线4穿过空管3与主控盒11相连接。
47.如图5所示，沉降磁环6包括环形磁铁14、卡接体15和环形外壳16；环形外壳16套装在外管2外，环形外壳16内径略大于外管2，环形外壳16内开设有环形腔，环形腔内安装环形磁铁14，环形外壳16内部中空形成环形腔，环形磁铁14固定于环形外壳16的中空部分。环形外壳16外周沿周向方向间隔布置多个卡接体15，每个卡接体15沿径向布置，嵌入土层9中。
48.卡接体15一端与环形外壳16之间通过自攻螺丝连接，另一端延伸并嵌入土层9内。具体实施的卡接体15为铁片，卡在土里。
49.利用土沉降经卡接体15带动沉降磁环6移动，从而使霍尔元件与沉降磁环6发生相对位移，导致霍尔元件7周围的磁场发生变化；在霍尔效应的作用下霍尔元件7输出对应磁场变化的电信号。
50.利用数据传输线将所有霍尔元件的数据上传至主控盒。主控盒对数据进行处理和建模分析并显示，并通过无线传输模块将分析得到的沉降信息发送到云端服务器，实现远程实时自动监测。
51.外管2具体由上下两段的外管件同轴对接后通过外管连接件8固定连接构成，上下外管件之间通过外管连接件8拧入自攻螺丝相连接。具体实施的外管2为塑料材质的圆管，且内部中空。
52.空管3内部设有用于自身上下两端的内管连接件1之间连接的数据传输线4。数据传输线4穿设于各个内管连接件1。
53.测量管5内部装入霍尔元件7后灌胶用于防水，仅留出霍尔元件7的数据传输线4的接口。
54.空管3与测量管5外观尺寸一致，头尾部分含有与测量管5相同内螺纹，内部中空，但内部无电路板，不灌胶。
55.内管连接件1材质与空管3相同，头尾含有与空管3相匹配的外螺纹；内管连接件1外径与空管3相同。
56.外管2及其内的测量管5以及空管3固定在不随着土沉降发生沉降位移的基岩10上。
57.主控盒11通过无线传输模块和云端服务器12连接通信，远程接收端13通过网络传输模块和云端服务器12连接通信。主控盒11通过无线传输模块将现场结果发送至云端服务器12；远程接收端13通过网络传输接收云端服务器12数据。
58.具体实施的测量管5为不会磁化的金属圆管，上端和下端均开有内螺纹孔，内螺纹孔处安装连接内管连接件1；测量管5内部中空，且外径略小于外管2内径；多个霍尔元件7沿直线均匀阵列在电路板上，电路板竖直放置在测量管5内部。
59.如图6所示，电路板集成了多个霍尔元件信号采集电路、信号滤波电路、a/d转换电路、485通讯电路、mcu控制电路；各个霍尔元件信号采集电路的输入端和各个霍尔元件7的信号输出端电连接，各个霍尔元件信号采集电路的输出依次经信号滤波电路、a/d转换电路、485通讯电路后和mcu控制电路连接；
60.霍尔元件信号采集电路用于获取各个霍尔元件7的信号；信号滤波电路用于接收霍尔元件信号采集电路，并将干扰信号滤除后输出；a/d转换电路用于将信号滤波电路输出的电压信号转化成数字信号，输入到mcu控制电路；485通讯电路用于测量管5内部mcu与主控盒11内部的mcu进行数据交互；mcu电路用于处理霍尔元件7的数据以及数据交互。
61.远程接收端13可以是任意一种可以连接网络的显示设备。
62.数据传输线4包括供电线、通讯总线。供电线用于给各个测量管5供电；通讯总线用于主控盒11采集各个测量管5内部各个霍尔元件7的数据。
63.如图7所示，主控盒内部也设计有电路板，包括微控制器mcu、按键控制模块485通讯模块、无线通讯模块、数据存储模块和液晶显示模块；按键控制模块485通讯模块、无线通讯模块、数据存储模块、液晶显示模块均连接到微控制器mcu。
64.在无沉降磁环6位置放置空管3，且空管3与测量管5通过内管连接件1螺纹连接；各个测量管5通过数据传输线4穿过空管3与主控盒11相连接；主控盒11通过无线传输模块将现场结果发送至云端服务器12；远程接收端13通过网络传输接收云端服务器12数据。
65.参考图2所示，监测设备需要按一定步骤进行安装，其具体安装步骤如下：
66.步骤1钻孔，孔径严格要求为φ110mm，直至基岩10且应入岩至少500mm。为避免缩孔或塌孔等现象，钻头应在预装完成后再拔出并立即进行埋设。
67.步骤2预装，根据钻孔的深度和所测土层高程计算出需要外管2、外管连接件8、沉降磁环6、测量管5、空管3、内管连接件1个数，将沉降磁环6用纸绳捆扎在外管2上，并将外管2通过外管连接件8依次连接。
68.步骤3外管安装，将依次连接好的外管2以及套在外管2上固定的沉降磁环6下放到钻好的孔内，底部插入基岩10内。安装时特别注意不要晃动管子，以免沉降磁环6受力滑动。此时结构与人工监测结构类似。
69.步骤4内管连接，将测量管5、内管连接件1以及空管3依次用螺纹连接固定组成内管，且测量管5通过数据传输线4依次穿过内管连接件1、空管3连接到主控盒11。
70.步骤5内管安装，将步骤4中内管插入步骤3中安装好的外管中，并时刻关注主控盒数据，直到监测到对应磁环位置的位置，固定内外管。
71.步骤6沙土填埋，固定好内外管后，用沙土填补外管2与土层9的空隙。
72.步骤7启动测量，连接数据传输线4到主控盒11，启动开关存储磁环初始位置信息。做好监测设备安装记录，存档。制作好相应的标示牌，插在孔盖位置及传输电缆布线位置，以做标示。在每次工序转换施工时要安排专人负责看管，以防监测设备因施工或自然因素而破坏。
73.最终安装效果如图1所示。
74.作为举例，在本实例中，如图3所示，测量管5为不会磁化的金属圆管，头尾部分含有内螺纹，内部中空，且外径略小于外管2内径；多个霍尔元件7均匀阵列在电路板上，电路板竖直放置在测量管5内部，测量管5内部灌胶用于防水，仅留出数据传输线4的接口。进一步的，空管3与所属测量管5外观尺寸一致，头尾部分含有与测量管5相同内螺纹，内部中空，但内部无电路板，不灌胶。
75.需要指出的是，测量管5可以同时测量多个沉降磁环6的位置。
76.作为举例，在本实例中，如图4所示，内管连接件1材质与空管3相同，头尾含有与空管3相匹配的外螺纹，内管连接件1外径与空管3外径相同，且内部中空，可以使数据传输线4穿过。
77.作为举例，在本实例中，如图5所示，沉降磁环6包括环形磁铁14、卡接体15、环形外壳16。环形外壳16内部中空，环形磁铁14固定于环形外壳16中空部分，卡接体15一端与环形外壳16通过自攻螺丝连接，另一端嵌入土层9内；环形外壳16内径略大于外管2。而本实用新型采用的沉降磁环6是一个完整的环状圆柱永磁体，这样可以很好的保证沉降磁环6内部的磁感应强度在竖直方向是不变的，这样就可以很好的解决因为外管2与沉降磁环6发生相对旋转位移而引起霍尔元件7发生变化导致的系统误差。
78.本实用新型中测量管内部电路设计如图6所示，包括霍尔元件信号采集电路、信号滤波电路、a/d转换电路、485通讯电路、mcu控制电路，霍尔元件信号采集电路用于获取各个霍尔元件7的信号，信号滤波电路用于接收霍尔元件信号采集电路，并将干扰信号滤除后输出，a/d转换电路用于将信号滤波电路输出的电压信号转化成数字信号，输入到mcu控制电路，485通讯电路用于测量管5内部mcu与主控盒11内部的mcu进行数据交互，mcu电路用于处理霍尔元件7的数据以及数据交互。
79.本实用新型中主控盒内部电路设计如图7所示，包括485通讯电路、mcu控制电路、数据存储电路、无线通信电路、液晶显示电路、按键控制电路，485通讯电路用于与测量管5内部mcu进行数据交互。mcu电路用于计算沉降量，将沉降量存在数据存储电路中，并将数据显示到液晶屏上，以及进行数据交互，将数据通过无线通信电路发送到云端。数据存储电路用于驱动存储卡来缓存没有发送到云端的沉降数据以及测量管的相关信息。无线通信电路
用于与云端服务器进行数据交互。按键控制电路用于完成监测系统的状态控制。
80.作为举例，参考图8所示，监测设备完成安装工作后，可以进行软土分层沉降系统监测工作。其具体工作步骤如下：
81.步骤1启动监测工作模式；
82.步骤2主控盒11发出控制指令依次读取测量管5当前霍尔元件7信息计算出当前沉降磁环6位置，并将对应信息存储在存储卡中；
83.步骤3进入1秒的定时状态，等待定时结束，进入步骤4；
84.步骤4主控盒11发出控制指令依次读取测量管5当前霍尔元件7信息计算出当前沉降磁环6位置，并与步骤2中获得的初始位置做差得到沉降量，并显示到液晶屏上。进入步骤5；
85.步骤5判断是否发生沉降，若已经发生沉降现象则进入步骤7，若未发生沉降现象则进入步骤6；
86.步骤6判断距离上次发送数据是否已经过去10分钟，若已经过去10分钟，进入步骤7，否则跳回步骤3；
87.步骤7主控盒11通过无线通信电路将数据传至云端服务器12，跳回步骤3，直至监测任务结束重复上述步骤。
88.本实例中，远程接收端形式可以多样，如手机app、电脑网页或软件。
89.由此实施可见，本实用新型的创新之处体现在以下四点：
90.1)利用霍尔效应实现沉降磁环6沉降量的实时自动监测，远比人工监测以及公告号为cn107190784b名称为一种自动量测分层沉降系统的仪器及其测量安装方法的实用新型专利中的效率要高，实时性更强，精度更准确，也没有机械化测量的弊端。
91.2)外管2隔离了测量管5与土层，实现自动化监测设备的可回收。其好处在于，当测量管5发生故障时，可以不影响土层状态情况下回收测量管进行维修，且没有测量管时，可以继续使用人工监测方法进行测量，解决了现有自动化监测设备安装后无法取回，一旦损坏整个测量点作废的情况，大大减小了监测风险，同时由于可回收，降低了自动化监测的成本。
92.3)金属材质的测量管5与空管3排列组合的方式，增强了监测设备的灵活性，可以任意组合测量不同土层的沉降情况，同时进一步降低了成本。拼接式的结构使得测量的范围很大，深层土层也能监测，解决了公告号为cn208235488u名称为一种可重复使用的土体分层沉降远程自动监测装置的实用新型专利测量范围仅为3米的弊端，以及柔性测杆在沉降管内部倾斜或弯折导致测量的误差。
93.4)主控盒11携带的无线通信电路上传数据到云端服务器12实现了监测设备的远程监测，达到了正真意义上的随时随地的远程实时监控，提高了工作效率，减轻了工作人的劳动强度。
94.应当指出，以上所述实例仅是本实用新型进行了详细说明：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。