一種地表高精度大量程位移測量裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開一種地表高精度大量程位移測量裝置，所述裝置包括現場傳感模塊、其特征在于，所述現場傳感模塊包括保護罩體、傳感轉換裝置、位移傳感器，所述保護罩體用于安裝所述傳感轉換裝置，所述傳感轉換裝置上安裝有所述位移傳感器，所述傳感轉換裝置包括恒力彈簧、變向滑輪、位移變換裝置，所述位移傳感器上安裝有與其同軸的位移滑輪，所述位移滑輪上繞有柔性位移測線。本發明利用彈簧提供的恒力及物理量轉換機構、太陽能供電模塊、無線采發模塊等幾部等幾部分相互配合，可長時間處于野外自主工作，無需人工干預，減少人技術人員的勞動強度，結構簡單、原理清晰。
【專利說明】一種地表局精度大量程位移測量裝置
【技術領域】
[0001] 本發明屬于涉及安全預警領域，特別涉及一種地表高精度大量程位移測量裝置。
【背景技術】
[0002] 地表位移是地質災害發生及演變過程中的直接表現，地表位移的大小及位移速率 能直接反映災害體的安全與否，在地災監測應用中具有十分重要的地位。
[0003] 地質災害的發生、發展、演化過程，伴隨著大量宏觀可測物理信息的改變，如地表 位移、深部位移、地表傾角、巖土體壓力、聲發射等。這些物理信息中，又以地表位移最為直 接、直觀，通過實時捕捉，可以建立其與滑坡成災演化階段的映射關系，進而為滑坡預測預 報提供必要的基礎數據。其變形趨勢又與滑坡體所處階段存在良好的映射關系，且位移量 施測相對簡單方便，因而工程界普遍利用位移監測對滑坡體的安全狀況進行合理評價。
[0004] 地災領域的地表位移監測設備主要包括GPS、全自動全站儀、恒力拉線式地表位移 計等。
[0005] GPS:全球定位系統的簡稱，通過導航衛星與地面接收機之間的信號交互可以獲 知地面測點的絕對位移量。其監測精度依賴于衛星上的銫原子鐘，依賴于測量區域的組網 方式及數據解算方法，依賴于GPS點同時接收到的導航衛星的數量。此類方法受天氣影響 較大，雨霧天氣一般無法施測。另外，此類方法功耗較大，野外作業需配備大型太陽能電池 板及蓄電池，一旦系統斷電且未能及時恢復，由于缺少斷電期間的數據進行平差處理，監測 數據的精度將大打折扣，再者，由于需要大量數據參與平差計算，故解算出的數據實時性較 大，對突發位移變形反應不靈敏，有一定的時間滯后性。
[0006] 全自動全站儀：俗稱測量機器人，由傳統全站儀集成步進馬達、CCD影像傳感器構 成的視頻成像系統，并配置智能化的控制及應用軟件發展而形成的。利用測量機器人進行 滑坡地表變形的測量已在多個滑坡實地應用。施測時需第一次進行學習測量，以后可根據 學習記錄自動定位對焦到預設測點。與GPS技術相比，測量機器人監測的點更多、速度更 快。其缺點是需要測站與監測點之間點點通視、受外界條件的影響更大（如雨天、霧天不能 觀測）、隨距離的增加精度降低較快等。
[0007] 拉線式地表位移計：在固定點與監測點之間通過鋼線相連，鋼線繞過滑輪與重錘 連接，通過滑輪與重錘組合提供的恒力將鋼線拉直，監測點的運動帶動鋼線的運動，進而帶 動傳感探頭中角度傳感器的轉動，此類設備精度高、量程大（可以監測幾米到十幾米的位 移），且受天氣影響小，雨、霧天氣均可施測。此種方法的缺點是安裝不便，量程需求較大時 需要重錘有一定的活動空間，安裝高度受到一定限制，另外，由于其測量原理制約，安裝時 需打開裝置罩體，按順序穿繞測線，非專業人員容易出現安裝錯誤。再者，由于沒有計圈裝 置，滑輪旋轉圈數無法計算，無法得知斷電期間的位移圈數，給測量結果帶來一定隱患。
[0008] 上述幾種方法共同存在的問題是：地災現場的地表位移監測點一般安裝于現場有 一定高度的安裝臺（或桿）上，當安裝臺發生傾斜時造成頂部的監測點發生水平位移，由于 沒有傾斜誤差校正裝置，無法獲知產生此位移的根源，造成位地表位移量的誤判。
【發明內容】
[0009] 為了解決上述問題，本發明提供了一種地表高精度大量程位移測量裝置，所述裝 置包括現場傳感模塊，其特征在于：所述現場傳感模塊包括保護罩體、傳感轉換裝置、位移 傳感器，所述保護罩體用于安裝所述傳感轉換裝置，所述傳感轉換裝置上安裝有所述位移 傳感器。所述傳感轉換裝置包括恒力彈簧、變向滑輪、位移變換裝置。所述位移傳感器上安 裝有與其同軸的位移滑輪，所述位移滑輪上繞有柔性位移測線。
[0010] 進一步地，所述位移傳感器由固定于一體的大輪與小輪組成。
[0011] 進一步地，所述傳感轉換裝置包括計圈機構，該計圈機構為變速結構（可以為渦 輪蝸桿或齒輪或皮帶輪）。
[0012] 進一步地，所述測量裝置還包括安裝承臺，其作為整個測量裝置的加裝架，與保護 罩體固定，第一角位移傳感器、第二角位移傳感器、恒力彈簧、變向滑輪均安裝固定于所述 安裝承臺上。
[0013] 進一步地，第一測線用于連接所述彈簧與所述位移變換裝置，一端與所述彈簧連 接，另一端通過變向裝置繞于所述位移變換裝置上的小輪上；第二測線用于連接所述位移 變換裝置與位移監測點，一端繞于所述位移變換裝置大輪上，另一端延伸連接到被測位移 點。
[0014] 進一步地，所述第一角位移傳感器與所述安裝承臺固定，其下方設置的旋轉軸上 有蝸桿結構，所述旋轉軸下部與所述位移變換裝置固定；所述第二角位移傳感器與安裝承 臺固定，其下方設置的旋轉軸上有蝸輪結構，由于蝸輪蝸桿結構的作用，第二角位移傳感器 可將第一角位移傳感器在旋轉圈數轉換為一個較小的角度變化量。
[0015] 進一步地，所述預警模塊為遠程預警模塊時，所述測量裝置包括所述現場傳感裝 置、采發模塊、接收模塊、遠程預警模塊、上位機分析模塊，所述采發模塊采集現場傳感模塊 的信息；所述接收模塊通過網絡接收所述采發模塊采集的所述信息；所述上位機分析模塊 對所述接收模塊接收的所述信息進行分析；所述遠程預警模塊發出預警。
[0016] 進一步地，所述預警模塊為現場預警模塊時，所述測量裝置包括現場傳感裝置、采 發模塊、現場預警模塊，所述采發模塊采集現場傳感模塊的信息；所述現場預警模塊根據所 述信息發出預警。
[0017] 進一步地，所述裝置還包括供電模塊，其用于給采發模塊供電，所述采發模塊包括 時鐘模塊、數采模塊、無線模塊、預警驅動模塊、參數設置及存儲模塊。
[0018] 進一步地，所述供電模塊包括太陽能電池板、蓄電池及蓄電池充電保護電路。
[0019] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明利用彈簧提供的恒力及物理量轉 換機構、太陽能供電模塊、無線采發模塊等幾部等幾部分相互配合，可長時間處于野外自主 工作，無需人工干預，減少人技術人員的勞動強度，結構簡單、原理清晰。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020] 圖1為整個裝置系統的結構示意圖；
[0021] 圖2為現場傳感模塊的結構示意圖；
[0022] 圖3為供電模塊的結構示意圖；
[0023] 圖4為采發模塊的結構示意圖；
[0024] 圖5為現場預警模塊的結構示意圖；
[0025] 圖6為遠程預警模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0026] 如圖1所示，本發明公開的地表高精度大量程位移測量裝置包括現場傳感模塊、 供電模塊、采發模塊、接收模塊、預警模塊、上位機軟件。
[0027] 具體地，如圖2所示，現場傳感模塊包括保護罩體、傳感轉換裝置、位移傳感器等。 在現場傳感模塊中，保護罩體用于安裝傳感轉換裝置，傳感轉換裝置上安裝有角度位移傳 感器，角度位移傳感器上安裝有與其同軸的位移滑輪，位移滑輪上繞有柔性位移測線；傳感 轉換裝置包括恒力彈簧、變向滑輪、位移放大組件等。
[0028] 位移變換裝置由固定于一體的大輪與小輪組成，位移變換裝置有兩個功能，一為 將外部產生的線位移轉變為內部角位移傳感器的角度位移；二為將外部線位移量等比縮小 后經變向滑輪傳遞給恒力彈簧。
[0029] 采用變速結構作為計圈機構，第一輪與角位移傳感器1旋轉軸同心固定，第二輪 與角位移傳感器2旋轉軸同軸固定，當發生外部位移變化時，將角位移傳感器1產生的多圈 位移轉變為角位移傳感器2的一定角度的變化量，從而能實時計算出角位移傳感器1旋轉 的總圈數，解決了超大量程與測量精度之間的矛盾關系。
[0030] 變向滑輪主要起到增加彈簧伸縮量程擴展及彈簧力重定向的作用，通過此滑輪， 能使彈簧在整個機構內的活動空間最大化，最大限度的提高本裝置的測量量程。
[0031] 限位塊用于所述裝置出廠時測線的預定位，出廠時，將測線2預拉，使內部恒力彈 簧產生一定的拉伸，限位塊與測線2固定，使整個裝置內部各處產生一定的拉力，從而避免 了此裝置在運輸及安裝過程中可能出現的內部測線脫位。無需打開保護罩體即可完成此裝 置的現場安裝。
[0032] 安裝承臺用于整個測量機構的加裝架，與保護罩體固定，為各個部分提供統一的 位置參考。角位移傳感器1、角位移傳感器2、恒力彈簧、變向滑輪均安裝固定于安裝承臺 上。
[0033] 測線1用于連接彈簧與位移變換裝置，一端與彈簧連接，另一端通過變向輪繞于 位移變換裝置上的小輪上，完全傳遞角位移傳感器1旋轉軸與彈簧位移量的角位移-線位 移的轉換工作。
[0034] 測線2用于連接位移變換裝置與位移監測點，一端繞于位移變換裝置大輪上，另 一端延伸連接到被測位移點。位移變換裝置上預先繞有足夠長度的測線，預繞的測線應大 于此裝置的設計量程。
[0035] 角位移傳感器1與安裝承臺固定，其下方設置的旋轉軸上有變速結構，旋轉軸下 部與位移變換裝置固定。主要功能一是測量由外部線位移轉換得來的高精度角度位移量， 二是將產生的旋轉量通過變速結構傳遞給角度傳感器2。角位移傳感器1、變速機構、角度 傳感器2共同完成高精度大量程位移測量。
[0036] 角位移傳感器2與安裝承臺固定，其下方設置的旋轉軸上有變速結構，由于變速 結構的作用，角位移傳感器2可將角位移傳感器1在旋轉圈數轉換為一個較小的角度變化 量，從而能實現對角位移傳感器1旋轉圈數的計數功能。角位移傳感器1、變速機構、角度傳 感器2共同完成高精度大量程位移測量。
[0037] 傾角傳感器用于測量本發明裝置在使用過程中的實時傾斜角度，與裝置安裝高度 配合完成位移量校正工作。
[0038] 定向軸承用于本發明中的裝置與被測點連接時的方向自主定向。軸承與旋轉軸連 接，旋轉軸與保護罩體連接。測線2從本發明裝置引出后連接到被測點，由于有預拉力及定 向軸承的存在，本發明裝置自動旋轉角度，使出線孔與被測點自然平行，實現了此發明裝置 與被測點的自動定向功能。
[0039] 安裝法蘭作用在于本發明裝置與現場安裝點的過渡安裝。
[0040] 保護罩體為整個裝置提供統一參考點，起到各部分固定的作用。保護罩體下部有 數據輸出接口，用于輸出各類測量數據（位移量及傾斜角度）。
[0041] 預處理電路用于與內部各傳感器及對外數據接口連接，采集角位移傳感器1、角位 移傳感器2的當前角度值，根據已知的線位移與角位移之間比例關系、角位移傳感器1的旋 轉圈數，計算當前的總位移量；采集當前傾角傳感器的傾斜角度，根據設備安裝時與地面的 高度計算因安裝平臺傾斜造成的位移校正數，并根據用戶參數設置校正位移量。
[0042] 如圖3所示，本發明為一種野外用無人值守設備，供電使用了太陽能電池板+蓄電 池式的自主方式。所示供電模塊包括：太陽能電池板、蓄電池及蓄電池充電保護電路。其 中，太陽能電池板用于對蓄電池電量進行補充，是實現野外自主工作的參量來源。充電保護 電路按照蓄電池的充電特性，負責完成對蓄電池充電及電池過充保護。蓄電池則與采發模 塊連接，為采發模塊提供電能。
[0043] 采發模塊是現場數據采集、現場報警、及數據遠傳的核心裝置，其完成的主要工作 有：定時啟動（或實時在線）采集現場各類傳感器數據、現場報警閥值設置及對比、現場報 警驅動、數據遠傳及接收本地或遠程無線指令。
[0044] 如圖4所示，采發模塊主要包括時鐘模塊、數采模塊、無線模塊、預警驅動模塊。其 中，時鐘模塊用于模塊內部計時，完成定時關機、啟動，以實現永久式低功耗監測功能；數據 采集模塊用于完成與其連接的各類傳感器的數據采集及對傳感器的供電管理工作；無線模 塊用于實現傳感數據遠傳及遠程指令接收，無線模塊可以是GSM、GPRS及自建的區域化射 頻無線網線等。GSM、GPRS可實現數據的超遠程傳輸與接收，射頻網絡可實現局部數公里內 的數據傳輸及接收，實際使用時可根據具體需要單點直接遠傳或本地組網后遠傳；現場報 警驅動電路模塊則是當傳感器的變化量達到或超過預定的閥值時，采發模塊自動打開此驅 動電路開關，完成現場聲音報警。
[0045] 預警模塊包括現場預警及遠程預警兩種方式。現場預警又可分為兩種（如圖5所 示），一種是測量點處的直接連接的喇叭聲音報警，另一種是利用采發模塊內部的區域頻率 網線，通過發送報警指令，使安裝于射頻有效范圍內的射頻報警器發出報警；遠程報警也分 為兩種形式（如圖6所示），一種是計算機本地的聲光報警，另一種是利用接收模塊的無線 收發功能及計算機網絡功能，對預置的若干手機號碼或IP地址進行報警信息發送。
[0046] 上位機分析模塊用于進行數據接收、接收設備管理、數據管理、預警管理。數據接 收為實時監聽接收設備端口，對接收到的數據進行解析、篩選；接收設備管理為對接收設備 進行連接、斷開以及多臺接收設備時的協調管理工作；數據管理的主要內容為數據庫管理， 將接收到的數據根據數據庫存內數據表的結構保存數據，對數據進行實時分析比對，進而 進行更進一步的操作；預警管理為根據用戶預定的報警規則，進行本地聲光報警及遠程報 警。
[0047] 以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技 術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種地表高精度大量程位移測量裝置，所述裝置包括現場傳感模塊、其特征在于，所 述現場傳感模塊包括保護罩體、傳感轉換裝置、位移傳感器，所述保護罩體用于安裝所述傳 感轉換裝置，所述傳感轉換裝置上安裝有所述位移傳感器，所述傳感轉換裝置包括恒力彈 簧、變向滑輪、位移變換裝置，所述位移傳感器上安裝有與其同軸的位移滑輪，所述位移滑 輪上繞有柔性位移測線。
2. 根據權利要求1所述的裝置，所述位移傳感器由固定于一體的大輪與小輪組成。
3. 根據權利要求1所述的裝置，所述傳感轉換裝置包括計圈機構，該計圈機構為變速 結構，所述變速結構可以是渦輪蝸桿，也可以是齒輪或皮帶輪。
4. 根據權利要求1所述的裝置，所述測量裝置還包括安裝承臺，其作為整個測量裝置 的加裝架，與保護罩體固定，第一角位移傳感器、第二角位移傳感器、恒力彈簧、變向滑輪均 安裝固定于所述安裝承臺上。
5. 根據權利要求4所述的裝置，第一測線用于連接所述彈簧與所述位移變換裝置，一 端與所述彈簧連接，另一端通過變向裝置繞于所述位移變換裝置上的小輪上；第二測線用 于連接所述位移變換裝置與位移監測點，一端繞于所述位移變換裝置大輪上，另一端延伸 連接到被測位移點。
6. 根據權利要求4所述的裝置，所述第一角位移傳感器與所述安裝承臺固定，其下方 設置的旋轉軸上有變速結構，所述旋轉軸下部與所述位移變換裝置固定；所述第二角位移 傳感器與安裝承臺固定，其下方設置的旋轉軸上有變速結構，由于變速結構的作用，第二角 位移傳感器可將第一角位移傳感器在旋轉圈數轉換為一個較小的角度變化量。
7. 根據權利要求1所述的裝置，所述預警模塊為遠程預警模塊時，所述測量裝置包括 所述現場傳感裝置、采發模塊、接收模塊、遠程預警模塊、上位機分析模塊，所述采發模塊采 集現場傳感模塊的信息；所述接收模塊通過網絡接收所述采發模塊采集的所述信息；所述 上位機分析模塊對所述接收模塊接收的所述信息進行分析；所述遠程預警模塊發出預警。
8. 根據權利要求1所述的裝置，所述預警模塊為現場預警模塊時，所述測量裝置包括 現場傳感裝置、采發模塊、現場預警模塊，所述采發模塊采集現場傳感模塊的信息；所述現 場預警模塊根據所述信息發出預警。
9. 根據權利要求7或8所述的裝置，所述裝置還包括供電模塊，其用于給采發模塊供 電，所述采發模塊包括時鐘模塊、數采模塊、無線模塊、預警驅動模塊、參數設置及存儲模 塊。
10. 根據權利要求9所述的裝置，所述供電模塊包括太陽能電池板、蓄電池及蓄電池充 電保護電路。
【文檔編號】G01B21/02GK104061891SQ201410257537
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】魏世玉, 楊建國, 何飛, 向曉軍, 向強, 賀建波, 鄧濤, 陳立川, 吳孟, 楊富軍, 陳柏林, 趙火焱 申請人:重慶地質礦產研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
