专利名称：基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量方法及仪器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种位移测量装置，尤其是涉及一种基于地下位移测量集成传 感器的地下位移测量方法及仪器。
背景技术：
滑坡、崩塌、泥石流、地塌、地陷等危害人民生命和财产安全的地质灾害 发生前和发生时会出现地下深部的位移现象，在建筑和水利施工中也会因为挖 掘和打桩等活动出现地下深部的位移现象，前者地下位移是灾害前的征兆，后 者将是建筑和水利施工环境和质量的重要表现。因此，对地下深部位移进行监 测是防御灾害、保障建筑和水利工程质量的必要的手段。
现有对地下深部位移的监测是运用测斜方法进行地下位移测量，当地下位 移发生时，测斜管发生变形，测斜仪的测量探头产生倾斜角，测量探头的倾斜 角可在地上的显示表头上读出，经换算可得出地下的位移值。这种测斜测量仪 必须由人工操作测量探头在测斜管内从上到下的放置，才能实现测量测斜管的 倾斜角，不能自动实时连续的监测，且测量准确性与操作者的技术有关。还有，
当埋在土体深部的测斜管发生s型变形时，或发生大曲率弯曲时，测量探头无法
放下去完成测量。另外，测斜管是用铝或工程塑料制成的管子，具有较好的抗 破坏强度，当地下土质较软时，实际地下土体的位移大于测斜管的倾斜角度所 对应的位移值，这就不能准确地反映出地下的实际情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量 仪器，提出地下位移测量集成传感器单元的构成、组成地下位移测量仪器、建 立地下位移测量。
本发明采用的技术方案是
一、 一种基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量方法-本发明是由一个个地下位移测量集成传感器单元与一个地下位移测量集中
处理装置串接组成，在测量时是通过从上到下或从下到上逐一测出相邻的两个 地下位移测量集成传感器单元的相对变化量，从而测出整个从地面到地下深部 的变形情况。
二、 一种基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量仪器本发明从下而上依次是由1 m个结构相同的表示地下位移测量集成传感器 单元通过485总线串接而成，其中第m个地下位移测量集成传感器单元与地下位 移测量集中处理装置A通过485总线连接，整个由集成传感器构成的测量串封装 在热縮软橡塑管内；
所述地下位移测量集成传感器单元包括互感线圈、MCU、测斜集成电路、 485总线驱动电路、A/D转换电路、正弦电压测量电路和正弦电压发生电路； MCU分别与测斜集成电路、485总线驱动电路、正弦电压发生电路连接，根据地 下位移测量集中处理装置从485总线传来的指令，MCU经电子模拟开关控制线圈 的一端是与正弦电压测量电路相联，还与正弦电压发生电路连接，正弦电压测 量电路还经A/D转换电路与MCU连接；
所述地下位移测量集中处理装置包括另一MCU、另一485总线驱动电路和 通讯模块；另一MCU分别与另一485总线驱动电路和通讯模块连接，并通过485 总线向l m个地下位移测量集成传感器发出控制指令，通过通讯模块向远方发 送地下位移的信息。
本发明具有的有益效果是
本发明将互感线圈、测斜集成电路、通讯总线、正弦信号发生电路、正弦 信号测量电路等集成为一个测量集成单元，并将多个测量集成单元间隔一定距 离，形成地下位移测量串，再由地下位移测量集中处理装置集中处理地下各个 位置的位移量，从而形成地下位移测量仪器，建立了一种新的地下位移测量方 法。
图l是地下位移测量仪器构成示意图，图中1 m表示地下位移测量集成传感 器；A表示地下位移测量集中处理装置。
图2是地下位移测量集成传感器单元组成的图。 图3是地下位移测量集中处理装置组成的图。
图4是两个地下位移测量集成传感器单元在地下发生位移和倾斜变形的描 述图。
图5是互感线圈的感应正弦电压与线圈相对位移和夹角的三维关系模型图。 图6是流程图之一。 图7是流程图之二。
具体实施例方式
如图l所示，本发明从下而上依次是由l m个结构相同的表示地下位移测量集成传感器单元通过485总线串接而成，其中第m个地下位移测量集成传感器单 元与地下位移测量集中处理装置A通过485总线连接，整个由集成传感器构成的 测量串封装在热縮软橡塑管内；
所述地下位移测量集成传感器单元包括互感线圈、MCU、测斜集成电路、 485总线驱动电路、A/D转换电路、正弦电压测量电路和正弦电压发生电路；MCU 可选各种型号，MCU分别与测斜集成电路匿A6260Q或其他型号的测斜集成电 路、485总线驱动电路、正弦电压发生电路AD9834或其他型号的DDS信号发生 电路连接，根据地下位移测量集中处理装置从485总线传来的指令，MCU经电子 模拟开关控制线圈的一端是与正弦电压测量电路相联，还与正弦电压发生电路 连接，正弦电压测量电路AD598或其他型号的集成正弦电压测量电路还经A/D转 换电路与MCU连接；
所述地下位移测量集中处理装置包括另一MCU、另一485总线驱动电路和 通讯模块；另一MCU分别与另一485总线驱动电路和通讯模块连接，并通过485 总线向l m个地下位移测量集成传感器发出控制指令，通过通讯模块向远方发 送地下位移的信息。
1. 地下位移测量集成传感器单元
地下位移测量集成传感器单元的组成如图2所示。在图中的虚线框中是地下 位移测量集成传感器单元的电路部分，这些电路将用微小型贴片元器件，并装在 一块直径小于线圈内框内径的印刷电路板上，该电路板放入线圈内，与线圈一 起构成地下位移测量集成传感器单元。图2电路中的MCU (微控制器，也称单 片机)通过485总线，接收地下位移测量集中处理装置发来的控制指令，决定 本地下位移测量集成传感器单元的正弦电压发生电路是否工作，电子模拟开关 是将线圈与正弦电压发生电路输出端接通，还是将线圈与正弦电压测量电路输 入端接通；在既未接到将线圈与正弦发生电路输出端接通，也未接到将线圈与 正弦电压测量电路输入端接通时，单片机(MCU)通过控制线使正弦电压发生 电路休眠、使电子模拟开关与正弦电压发生电路和正弦电压测量电路都不连接。 地下位移测量集成传感器单元的软件流程框图见图6流程图1。
2. 地下位移测量仪器组成
图l是本发明提出的地下位移测量仪器组成示意图，图中地下位移测量集中 处理装置电路框图如图3所示。图3中的MCU根据测量方法，通过485总线，向各 地下位移测量集成传感器单元发出是否让正弦电压发生电路工作并接通线圈、 是否让电子模拟开关接通正弦电压测量电路执行线圈上感应的正弦电压测量、读出地下位移测量集成传感器单元的倾斜角度等控制指令；MCU将各地下位移 测量集成传感器单元测到的感应电压、倾斜角，根据测量方法得出各个地下位 移测量集成传感器单元的相对位移值和倾斜量；同时，MCU通过通讯模块与远 程或本地的综合测量集汇系统联系，这些联系包括发送测得的感应电压、倾 斜角或根据测量方法算出的相对位移值和倾斜量，接收测量控制和信号处理的 指令。必须强调，通讯模块有下列种类①GSM/GPRS通讯模块(GSM=Global System of Mobile communication,中译为全球移动通讯系统；GPRS-General Packet Radio Service,中译为通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线 分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接)；②使用无线电管理开放频 带(或频率)的各种无线通讯模块；③基于蓝牙技术的无线通讯模块(蓝牙技 术4吏用Frequency Hopping禾Q Time Divesion Muli國access技术,蓝牙的丰示准是 IEEE802.15,工作在2.4GHz频带，带宽为lMb/s，是一种支持设备短距离通信 的无线电技术)。地下位移测量集中处理装置的软件流程框图见图7流程图2。 3.地下位移测量方法
图l所描述的地下测量仪器组成是由一个个地下位移测量集成传感器单元 (简称集成传感器单元)与地下位移测量集中处理装置组成，在实际测量时是 通过从上到下逐一测出相邻的两个地下位移测量集成传感器单元的相对变化 量，从而测出整个从地面到地下深部的变形情况。图4所示的两个地下位移测量 集成传感器单元在测量时先由集中处理装置发出控制指令，让第n单元的正弦电 压发生电路启动工作并由电子模拟开关接通线圈，在第n单元的线圈端呈现电压 Mn (必须说明，每次仅有一个集成传感器单元的正弦电压发生电路被启动工作)， 此时第n单元的线圈发出正弦变化的磁场在第n+l单元的线圈上呈现感应出电压 "n+1;随即，集中处理装置发出控制指令，让第n+l单元的正弦电压测量电路由 电子模拟开关接通线圈,测得电压％+1。在测量的过程中每次仅有两个集成传感器 单元被唤醒工作，且总是第n单元的正弦电压发生电路被启动工作，并通过第n 单元的线圈发出正弦变化的磁场；而第n+l单元的正弦电压测量电路由电子模拟 开关接通第n+l单元的线圈，从而测出感应电压"w。从电磁学理论可知，在第n
单元的正弦电压发生电路发出的正弦电压"n为稳定值时，感应电压"w有效值
f/w的大小与第n单元的线圈和第n+l单元的线圈间的互感系数有关；设共有m个 集成传感器单元，初始状态为从第l单元的线圈到第m单元的线圈的轴线都在一 条直线上，并各单元两两间的轴向间距一样(见图4(a));当第n单元的线圈和第 n+l单元的线圈间发生相对平移A或者第n单元的线圈和第n+l单元的线圈的轴线产生夹角P (见图4(6))，此时两单元的线圈间的互感系数改变，感应电压"n+! 的大小随之改变。显然，感应电压"nW有效值f/n+!的大小与相对平移"的大小和 夹角^的大小有关，经实验和理论分析，得出图5所示感应电压^+1的有效值^4+1 与相对平移(位移)"和夹角P的关系模型曲线。从图2可见在地下位移测量集 成传感器单元中设计安排了测斜集成电路，该电路可测出地下位移测量集成传
感器单元与大地重力垂线的倾斜角，由此可得出第n单元线圈与第n+l单元线圈
间的夹角。地下位移测量集成传感器单元测得感应电压^w的有效值c/^和夹角e
后，根据图5的关系模型曲线，可得出第n单元线圈与第n+l单元线圈间的相对位 移丄
权利要求
1、一种基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量方法，其特征在于是由一个个地下位移测量集成传感器单元与一个地下位移测量集中处理装置串接组成，在测量时是通过从上到下或从下到上逐一测出相邻的两个地下位移测量集成传感器单元的相对变化量，从而测出整个从地面到地下深部的变形情况。
2、 一种实施权利要求l所述基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量 方法的仪器，其特征在于从下而上依次是由l m个结构相同的表示地下位移 测量集成传感器单元通过485总线串接而成。其中第m个地下位移测量集成传感 器单元与地下位移测量集中处理装置A通过485总线连接，整个由集成传感器构 成的测量串封装在热縮软橡塑管内；所述地下位移测量集成传感器单元包括互感线圈、MCU、测斜集成电路、 485总线驱动电路、A/D转换电路、正弦电压测量电路和正弦电压发生电路； MCU分别与测斜集成电路、485总线驱动电路、正弦电压发生电路连接，根据地 下位移测量集中处理装置从485总线传来的指令，MCU经电子模拟开关控制线圈 的一端是与正弦电压测量电路相联，还与正弦电压发生电路连接，正弦电压测 量电路还经A/D转换电路与MCU连接；所述地下位移测量集中处理装置包括另一MCU、另一485总线驱动电路和 通讯模块；另一MCU分别与另一485总线驱动电路和通讯模块连接，并通过485 总线向l m个地下位移测量集成传感器发出控制指令，通过通讯模块向远方发 送地下位移的信息。
全文摘要
本发明公开了一种基于地下位移测量集成传感器的地下位移测量方法及仪器。从下而上依次是由1～m个结构相同的表示地下位移测量集成传感器单元通过485总线串接而成，其中第m个地下位移测量集成传感器单元与地下位移测量集中处理装置A通过485总线连接，整个由集成传感器构成的测量串封装在热缩软橡塑管内。本发明将互感线圈、测斜集成电路、通讯总线、正弦信号发生电路、正弦信号测量电路等集成为一个测量集成单元，并将多个测量集成单元间隔一定距离，形成地下位移测量串，再由地下位移测量集中处理装置集中处理地下各个位置的位移量，从而形成地下位移测量仪器，从而测出整个从地面到地下深部的变形情况。
文档编号G01B7/02GK101435689SQ20081016314
公开日2009年5月20日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者阁 施, 雄 李, 青 李, 池金谷, 童仁园 申请人:中国计量学院