专利名称：离层位移监测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地层断面测量仪器，特别是涉及一种能够测量岩层间位移的离层位移监测仪。
背景技术：
目前，工程中检测位移的传感器种类较多，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。
发明内容
为弥补上述不足，本发明提供一种能精确测量岩层内部层间位移量和位移速度的离层位移监测仪。
一种离层位移监测仪，包括壳体、离层位移传感器单元和信息采集处理单元，所述的离层位移传感器单元是在支撑板上竖一支承台，在其上上设一定位轴，在该轴上设一位移转换轮，该位移转换轮的一侧连接一透明圆筒，该透明圆筒上有光栅环，在该光栅环下方，紧贴着设一固定在所述支撑板上的小光栅板，在所述光栅环内设置通过支架固定在所述支撑板上的发光管，在所述小光栅板下对应的设光敏管，所述离层位移传感器单元通过所述支撑板固定在所述壳体上，一根加有预张力的拉力线从壳体的上部引入，在所述位移转换轮上的线槽上至少绕一圈后从壳体的底部穿出，所述发光管连接电源，所述光敏管的输出端连接所述信息采集处理单元的输入端。
本发明离层位移监测仪，所述的信息采集处理单元中有一单片机控制模块，其输入口至少一路，连接所述的光敏管的输出端，所述单片机控制模块的输出分别连接显示模块、声光警报模块、压频转换模块和485通信模块，所述485通信模块连接485总线，所述压频转换模块的输出连接485总线或另设一独立输出端，上述所有模块安装在一电路板上，由一个电源转换模块提供各种所需电压供电。
本发明离层位移监测仪，在所述拉力线的引入处和穿出处各设一个阻尼夹板，所述的阻尼夹板由固定在壳体上的固定夹板和活动夹板组成，所述两夹板用紧固螺丝连接，可以调节夹板压力大小。
本发明离层位移监测仪，在所述的位移转换轮上并列设两个绕线槽，所述的拉力线从中间截断，上半截的下端在所述绕线槽中的任一个上绕若干圈后固定在该绕线槽中，下半截的上端在另一绕线槽中反向绕若干圈后固定在该绕线槽中。
本发明离层位移监测仪，在一个壳体设置至少两个离层位移传感器单元，其各自的拉力线从各自的引入处引入，从各自的穿出处穿出，所述的至少两个离层位移传感器单元的光敏管连接所述单片机控制模块的不同输入口。
本发明离层位移监测仪，所述的离层位移传感器单元和信息采集处理单元可以分处在两个壳体中。
本发明离层位移监测仪，壳体固定在外表岩层上，拉力线固定在内部的至少一个岩层上，把拉力线的直线位移通过位移转换轮变成光栅的旋转，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，并给与现场显示、及时报警和远距离传送数据。本发明离层位移监测仪，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、支撑柱体等进行现场和远距离实时自动监测。
图1是本发明离层位移监测仪第一种方案示意图；图2是本发明离层位移监测仪第二种方案示意图；图3是本发明离层位移监测仪第三种方案示意图；图4是本发明离层位移监测仪的电路方框图。
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。
本发明离层位移监测仪的第一种方案，包括离层位移传感器和信息处理采集系统两部分(见图1)，包括筒形壳体1、数码显示屏23、报警器28、上端盖2和安装有电缆接线端子27的下端盖3，其中壳体1、上端盖2、下端盖3是由金属或具有一定强度的非金属材料制成的，壳体1的直径为40～60mm，厚度为1～3mm。上端盖2和下端盖3分别用密封胶固定在壳体筒体1的两端，上面有拉力线穿过的密封孔，下端盖3安装接线端子27，数码显示屏23和报警器28安装在筒体1的外表面上。在壳体内上端盖2下面的筒体1壁上固定阻尼支撑板4，固定夹板21用螺钉安装在阻尼支撑板4上面，活动夹板20和固定夹板21之间用螺钉连接，它们之间的缝隙可通过螺钉调节，从而适度夹紧拉力线11；阻尼支撑板4、固定夹板21和活动夹板20是由硬塑材料制成的，阻尼支撑板4是直径与筒体1内径相等、厚度为3mm的圆盘，其上面有拉力线11通过的小孔，固定夹板21和活动夹板20尺寸为5×5×20mm；阻尼支撑板4下方安装支撑板5，支撑板5的尺寸及安装方式与阻尼支撑板4相同，其上面安装位移转换系统和离层位移传感器单元，其中位移转换系统包括支承台8、定位轴9、位移转换轮10、有机玻璃圆管12、光栅环13及小光栅片14等。支承台8是由硬塑料制成的、尺寸为24×24×5mm，通过螺钉固定在支撑板5上面；定位轴9是金属材料制成的，一端固定在支承台8上；位移转换轮10是硬塑料圆轮，套在定位轴9上可自由转动，轮面刻有缠绕拉力线11的绕线槽，侧面设有安装有机玻璃圆管12的凸台；有机玻璃圆管12一端固定在位移转换轮10的凸台上，在拉力线作用下，有机玻璃圆管12与位移转换轮10同步转动，另一端刻有光栅环13，该光栅环13可以是买现成的贴上，也可以直接刻上；小光栅片14安放在有机玻璃圆管12的外表面，与光栅环13相切接触，当有机玻璃圆管12转动时，光栅环13与小光栅片14产生光干涉条纹。光栅环13和小光栅片14采用10线/mm的等间距平行光栅，也可以采用密度更大的光栅，以提高测量精度；离层位移传感器单元包括、发光管17、光敏管18、小电路板15及小电路板16等。发光管17和光敏管18分别焊接在小电路板16和小电路板15上，小电路板15固定在支撑板5上，电路板16垂直地固定在电路板15的一端。发光管17置于有机玻璃圆管12的刻(贴)有光栅环13一端内侧，光敏管18置于有机玻璃圆管外侧，小光栅片14插在光栅环13和光敏管18之间，发光管发射的红外光透过有机玻璃圆管12管壁、光栅环13及小光栅片14投射到光敏管18上，将光栅环13和小光栅片14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。
阻尼支撑板6安装在支撑板5下方，阻尼支撑板6的尺寸及安装方式与阻尼支撑板4相同，固定夹板21用螺钉安装在阻尼支撑板6下面，活动夹板20和固定夹板21之间用螺钉连接，它们之间的缝隙可通过螺钉调节，从而从另一端适度夹紧拉力线11。阻尼支撑板6上面有拉力线11通过的小孔；阻尼支撑板6下方安装圆盘形控制电路板7。
控制电路板7上面安装的信息采集处理单元，包括单片机控制模块、压频转换模块、485通信模块、显示模块及电源转换模块等(见图4)。信息采集处理单元的电源模块通过电缆线中的电源线为离层位移传感器单元和信息采集处理单元供电，离层位移传感器单元的光敏管18产生的光电信号通过电缆线中信号线传送到单片机控制模块，经过自行编制的软件处理后，传输到显示模块并传送到壳体1外面的显示屏23和报警器28显示或报警，同时也将处理后的信号传输到压频转换模块转成频率信号，经过电缆线、接线端子27及外部电缆线传送到井下通信分站，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离层位移信息。实现由地面总站远距离实时自动监测煤巷顶板离层位移，信息采集处理单元还设置有485通信模块，通过485总线为远距离遥控提供通道。
拉力线11是伸缩性很小的金属线，在位移转换轮10轮槽内绕一周，其一端向上穿过阻尼支撑板4的小孔、固定夹板21和活动夹板20之间的缝隙及上端盖的密封孔直接固定在待测的岩层处。拉力线11另一端向下穿过支撑板5和阻尼支撑板6的小孔、固定夹板21和活动夹板20之间的缝隙、控制电路板7的小孔及下端盖3的密封孔绕到下端盖3外的绕线盒内。
所述的位移转换轮10另一种形式是如图2所示，该轮上刻两个绕线槽，拉力线11分为两部分，上半部分一端固定在位移转换轮10的一个绕线槽里，另一端在绕线槽里绕3至4圈，经阻尼支撑板4的小孔、固定夹板21和活动夹板20之间缝隙及上端盖密封孔固定到被测岩层上；下半部分的一端固定在位移转换轮10的另一绕线槽里，另一端在该绕线槽绕3至4圈，再经支撑板5和阻尼支撑板6的小孔、固定夹板21和活动夹板20之间缝隙、控制电路板7的小孔及下端盖3密封孔绕在壳体外的绕线盒中。
所述的离层位移监测仪在组装时，在阻尼支撑板4、支撑板5和阻尼支撑板6上分别安装相关的部件，然后用两根金属支柱把它们顺次按一定的间隔穿起来，并固定在这两根金属支柱上构成一个整体，再整体装入壳体1内，并将阻尼支撑板4、支撑板5和阻尼支撑板6固定在壳体1内壁上。当然这种组装方法不是唯一的，只要能保证离层位移传感单元能够感知拉力线和传感器的相对位移，其它的方法也可以。
所述的离层位移监测仪的圆筒壳体内可以安装两套位移转换系统和离层位移传感器单元，共用一套信息采集处理单元，如附图3所示，阻尼支撑板4上安装两套阻尼夹板19、19A，阻尼支撑板4下面安装拉力线11的导向板24，两块支撑板5、5A分为上、下两安装在导向板24下面的筒体1中间部位，其上面分别安装位移转换系统和离层位移传感器单元，两条拉力线11、11A它们的上端经过导向板24阻尼支撑板4两套阻尼夹板19、19A之间的缝隙及上端盖的密封孔分别固定在两个不同的岩层里，这样可监测两个岩层之间的离层位移。如上所述亦可在筒体1内分层安装两套以上的位移转换系统和离层位移传感器单元，各拉力线如上述安装方法，分别固定在不同的岩(煤)层上，便可同时监测两个以上岩(煤)层的离层位移。
所述的离层位移监测仪的信息采集处理单元可以单独制成信息采集处理仪，包括显示屏23、报警器28、控制电路板7、单片机控制模块、显示模块、压频转换模块、电源转换模块及接线端子27等。控制电路板7固定在壳体1上，其上面安装单片机控制模块、显示模块、压频转换模块及电源转换模块等；接线端子27通过电缆线分别与控制电路板7、离层位移传感器和井下通信分站相联。离层位移传感器的光敏管18产生的电脉冲信号，通过与电缆线直接相联的接线端子及电缆传送到信息采集处理仪，经单片机控制模块处理后在信息采集处理仪的显示屏23和报警器28显示或报警，同时通过接线端子27及电缆将压频转换模块转换的200～1000Hz频率信号传送到井下通信分站，再由此传输到地面监控总站。使用独立的信息采集处理单元可以使离层位移监测仪的安装更容易和合理，显示和警报处于更方便的地方。
离层位移监测仪的光栅环13和小光栅片14采用10线/mm的等节距平行光栅，位移转换轮10的绕线槽直径与有机玻璃圆管12上的光栅环直径相等，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。改变位移转换伦10绕线槽直径与有机玻璃圆管12直径的比例，亦可提高测量精度，例如，采用10线/mm，位移转换伦10绕线槽直径与有机玻璃圆管12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。
本实施例中的几个方案均为圆筒壳体，但并不意味着本发明必须是圆筒壳体，只要能够保证壳体、拉力线各自固定在不同的岩层上，做成什么形状都可以。
本实施例中对预拉力线施于的拉力是通过上下两个阻尼夹板完成的，但是只要能够保证拉力线绷紧，在位移转换轮上产生足够的磨擦，也可以采用其它已知的技术。
本发明离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，当发生离层位移时，拉力线11带动位移转换轮10和有机玻璃圆管12同步转动，将离层位移转换为圆弧长度，有机玻璃圆管12上的光栅环13与小光栅片14干涉形成的光栅条纹，将圆弧长度转换为光学信息，离层位移传感器单元的光敏管18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的单片机控制模块处理后，经显示模块在显示屏23和报警器28上显示或报警，同时信息采集处理单元的压频转换模块将离层位移转换为频率信号，通过井下分站传输到地面监控总站，将频率信号转换成离层位移信息，经可视化处理，显示巷道顶板及围岩离层位移变化规律图。本发明离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，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离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。本发明离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。该仪器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、制成岩体等离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。
权利要求
1.一种离层位移监测仪，包括壳体、离层位移传感器单元和信息采集处理单元，其特征是所述的离层位移传感器单元是在支撑板(5)上竖一支撑台(8)，在其上上设一定位轴(9)，在该轴(9)上设一位移转换轮(10)，该位移转换轮(10)的一侧连接一透明圆筒(12)，该透明圆筒(12)上有光栅环(13)，在该光栅环(13)下方，紧贴着设一固定在所述支撑板(5)上的小光栅板(14)，在所述光栅环(13)内设置通过支架固定在所述支撑板(5)上的发光管(17)，在所述小光栅板(14)下对应的设光敏管(18)，所述离层位移传感器单元通过所述支撑板(5)固定在所述壳体(1)上，一根加有预张力的拉力线(11)从壳体(1)的上部引入，在所述位移转换轮(10)上的线槽上至少绕一圈后从壳体(1)的底部穿出，所述发光管(17)连接电源，所述光敏管(18)的输出端连接所述信息采集处理单元的输入端。
2.根据权利要求1的离层位移监测仪，其特征是所述的信息采集处理单元中有一单片机控制模块，其输入口至少有一路输入，连接所述的光敏管(18)的输出端，所述单片机控制模块的输出分别连接显示模块、声光警报模块、压频转换模块和485通信模块，所述485通信模块连接485总线，所述压频转换模块输出连接485总线或设一独立输出端，上述所有模块安装在一电路板(7)上，由一个电源转换模块提供各种所需电压供电。
3.根据权利要求2的离层位移监测仪，其特征是在所述拉力线(11)的引入处和穿出处各设一个阻尼夹板(19、22)，所述的阻尼夹板由固定在壳体(1)上的固定夹板(21)和活动夹板(20)组成，所述两夹板(20、21)用紧固螺丝连接，可以调节夹板压力大小。
4.根据权利要求3的离层位移监测仪，其特征是在所述的位移转换轮(10)上并列设两个绕线槽(10A、10B)，所述的拉力线(11)从中间分开，上半部分的下端在所述绕线槽(10A、10B)中的任一个槽中绕若干圈后固定在该绕线槽中，下半部分的上端在另一绕线槽中反向绕若干圈后固定在该绕线槽中。
5.根据权利要求2或3或4的离层位移监测仪，其特征是在一个壳体(1)内设置至少两个离层位移传感器单元，其各自的拉力线(11、11A)从各自的引入处引入，从各自的穿出处穿出，所述的至少两个离层位移传感器单元的光敏管(18、18A)连接所述单片机控制模块的不同输入口。
6.根据权利要求5的离层位移监测仪，其特征是所述的离层位移传感器单元和信息采集处理单元分处在两个壳体中。
全文摘要
离层位移监测仪，含位移传感器和信息采集处理单元，有位移转换轮，连接有光栅环的透明筒，下设小光栅板，发光管和光敏管分处在光栅环和小光栅板外，位移传感器固定壳体上，一根拉力线紧绕在位移转换轮上的线槽上，红外对管输出端连接由单片机控制、显示、声光警报、压频转换、485通信和电源转换模块组成的信息采集处理单元输入端。位移监测仪固定在外岩层上，拉力线固定在内岩层上，拉力线的直线位移通过位移转换轮变成光栅的旋转，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，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G01B11/02GK1828220SQ200610057248
公开日2006年9月6日 申请日期2006年3月9日 优先权日2006年3月9日
发明者安里千 申请人:安里千