地面沉降分层原位监测装置及监测方法
【专利摘要】本发明涉及一种地面沉降分层原位监测装置及监测方法，其中，装置包括：下井装置、传感器探头以及监测仪器，其中，所述下井装置用于承载所述传感器探头并到达不同岩层的位置；所述传感器探头通过电缆与所述监测仪器连接，用于从底部向上对不同岩层进行探测，并回传信号给所述监测仪器；所述监测仪器，用于控制所述下井装置的动作并接收所述传感器探头回传的信号，根据接收的信号记录所述传感器探头当前所处位置的倾角值以及从底部上升的高度；本发明利用一个钻孔，实现对地面沉降的分层、自动监测。
【专利说明】地面沉降分层原位监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子监测【技术领域】，尤其涉及地面沉降分层原位监测装置及监测方法。
【背景技术】
[0002]目前我国已经有50多个城市发生地面沉降灾害，占世界之最，我国地面沉降监测以长江三角洲、华北平原和汾渭盆地作为重点区域。现阶段我国区域性地面沉降监测技术主要以InSAR、GPS、大地水准测量等方式为主，InSAR可以敏感地监测出地面沉降的变化，但是由于地面沉降一般时间跨度数年，因此受到时间去相干及大气影响等因素的限制。而GPS、大地水准测量等受设备及监测受操作人员的技能素质及职业精神等因素影响，点状监测中基岩标、分层标等方式无论从占地面积，还是钻孔等方面考虑，其前期投入巨大、施工条件苛刻，同时其无法实现区域性组网监测，限制了其发展。我国现有50多个城市和地区发生地面沉降灾害，影响范围广，随着灾害的发生发展，现有监测手段越来越不能满足目前监测的需求，因此急需研究开发一种既实用又节约成本的监测方法，实现在一井中对点状地面沉降进行自动分层监测采集，实现监测网的构建，从整体上掌握地面沉降区域的发生及发展趋势。
【发明内容】
[0003]鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基地面沉降分层原位监测装置，用以解决现有地面沉降监测成本高、监测能力有限的问题。
[0004]本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的:
[0005]本发明提供了一种地面沉降分层原位监测装置，包括:下井装置1、传感器探头2以及监测仪器，其中，
[0006]所述下井装置I，用于承载所述传感器探头2并到达不同岩层的位置；
[0007]所述传感器探头2，通过电缆与所述监测仪器连接，用于从底部向上对不同岩层进行探测，并回传信号给所述监测仪器；
[0008]所述监测仪器，用于控制所述下井装置I的动作并接收所述传感器探头2回传的信号，根据接收的信号记录所述传感器探头2当前所处位置的倾角值以及从底部上升的高度。
[0009]进一步地，所述下井装置I具体包括:电机控制接口 11、同步电机12、绞车装置13、光电编码器14、电机供电电源15，其中，所述同步电机12—端通过所述电机控制接口 11与所述控制单元5连接，另一端连接至所述绞车装置13，控制所述绞车装置13带着所述传感器探头自由的下降、提升、停止；所述光电编码器14与所述绞车装置13上的滑轮结合在一起，滑轮转动时带动所述光电编码器14旋转，所述光电编码器14输出正向脉冲信号和反向脉冲信号；电机供电电源15为同步电机供电。
[0010]进一步地，所述传感器探头2具体包括:倾角传感器23、电涡流传感器21及处理电路22，三者封装于一体；所述传感器探头2与所述监测仪器间通过电缆24连接；所述电涡流传感器21和所述倾角传感器23输出电流信号至所述监测仪器。
[0011]进一步地，所述传感器探头2上设置有两组导向25。
[0012]进一步地，所述监测仪器具体包括:编码器驱动电路3、传感器处理电路4、控制单元5、无线发射模块6以及系统电源7，其中，
[0013]所述编码器驱动电路3，用于对所述光电编码器14输出的正向脉冲信号和反向脉冲信号进行区分，然后经过时序分频后输出给控制单元5 ；
[0014]所述传感器处理电路4，用于分别将所述电涡流传感器21和所述倾角传感器22输出的电流信号转换为电压信号，然后经过电压跟随和滤波处理后输出至所述控制单元5 ；
[0015]所述控制单元5，用于采集所述编码器驱动电路3输出的正向脉冲信号和反向脉冲信号，并据此计算出电缆下行或上行的长度，进而算出传感器探头2在孔中的位置；还用于采集所述传感器电路4输出的两路电压信号，对所述电压信号进行分析处理后得到所述传感器探头2当前所处位置的倾角值；
[0016]所述无线发射模块6，用于将所述控制单元5的计算结果通过无线发射出去；
[0017]所述系统电源7，用于对系统进行供电。
[0018]进一步地，所述传感器处理电路4具体包括:两个采样电阻、电压跟随器41和滤波器42，两个采样电阻分别将所述电涡流传感器21和所述倾角传感器22输出的电流信号转换为电压信号，两路电压信号经过所述电压跟随器41以及所述滤波器42处理后，输出至电控单元5。
[0019]进一步地，所述控制单元5具体包括:微控制器51、液晶显示器52以及绞车控制电路53，其中，
[0020]所述微控制器51，用于对从所述编码器驱动电路3接收到的脉冲进行计数，据此计算得到电缆下行或上行的长度，从而算出传感器探头在孔中的位置并生成控制指令发给绞车控制电路；同时将从所述传感器处理电路4接收到的两路电压信号转换为数字信号，根据从所述涡流传感器21输出的那路电压信号判断所述传感器探头是否到达预定岩层位置，如果是，根据从所述倾角传感器22输出的电压信号计算得到所述传感器探头当前所处位置的倾角值；
[0021]所述液晶显示器，用于显示所述微控制器51接收到的信号以及处理后的结果；
[0022]所述绞车控制电路，用于根据从所述微处理器51接收到的控制指令控制所述下井装置I的动作。
[0023]进一步地,系统电源7包括:蓄电池71、第一电压转换模块72、第二电压转换模块73、第一稳压芯片74和第二稳压芯片75,蓄电池71为系统提供12V电源，通过所述第一电压转换模块72转换得到24V电压，为所述传感器探头2提供电源，通过所述第二电压转换模块73转换得到的9V电压为所述无线传输模块6提供电源，所述第一稳压芯片74将12V电压转换为5V电压，为所述液晶显示器52提供电源，所述第二稳压芯片75将5V电压转换为3.3V电压，为所述微处理器51供电。
[0024]本发明还提供了一种地面沉降分层原位监测方法，利用上述地面沉降分层原位监测装置，该方法包括:
[0025]打一钻孔，深度达到基岩，在孔中安装塑料套管，在不同层位的塑料套管外套上铁环，以基岩层的铁环作为参考点；
[0026]在井口处安装下井装置I，启动传感器探头2 ；
[0027]所述下井装置I带着传感器探头2下降并不断输出脉冲信号；
[0028]当所述传感器探头2到达塑料套管底部后，启动下井装置，开始缓慢向上提升所述传感器探头2，所述传感器探头2输出的两路电流信号被转换成电压信号；
[0029]所述控制单元5接收脉冲信号以及两路电压信号，根据所述脉冲信号计算得到电缆下行或上行的长度，从而算出所述传感器探头2从底部上升的高度；同时根据一路电压信号判断所述传感器探头2是否到达铁环位置处，如果是，根据另一路电压信号计算得到所述传感器探头2当前所处位置的倾角值；
[0030]将所述传感器探头2从底部上升的高度以及当前所处位置的倾角通过无线传输模块6至控制中心。
[0031]该方法进一步包括:
[0032]探头未接触到金属环时，电压值保持在0.8V左右，当探头接触到金属环时，电压值发生跳变，突然升高，达到1.5V左右，当电压值发生突变时，则判断到达铁环位置。
[0033]本发明有益效果如下:
[0034]本发明利用一个钻孔，实现对地面沉降的分层、自动监测。
[0035]本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0036]图1为本发明实施例所述装置的结构示意图；
[0037]图2为本发明实施例中，下井装置I的结构示意图；
[0038]图3为本发明实施例中，传感器探头2的结构示意图；
[0039]图4为本发明实施例中，编码器驱动电路3的结构示意图；
[0040]图5为本发明实施例中，为系统电源7的结构示意图。
【具体实施方式】
[0041]下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
[0042]如图1所示，图1为本发明实施例所述装置的结构示意图，具体可以包括:下井装置1、传感器探头2以及监测仪器，其中，
[0043]下井装置I，主要用于承载所述传感器探头2并到达不同岩层的位置；
[0044]传感器探头2，主要通过电缆与所述监测仪器连接，用于从底部向上对不同岩层进行探测，并回传信号给所述监测仪器；
[0045]监测仪器，主要用于控制所述下井装置I的动作并接收所述传感器探头2回传的信号，根据接收的信号记录所述传感器探头2当前所处位置的倾角值以及从底部上升的高度。
[0046]如图2所示，图2为下井装置的结构示意图，包括:包括电机控制接口 11、同步电机12、绞车装置13、光电编码器14、电机供电电源15，其中，电机控制接口 11主要是与监测仪器建立连接，控制同步电机12的正向、反向或停止转动；同步电机12连接至绞车装置13，控制绞车的绕线，在电机的作用下，传感器探头2可以自由的下降、提升、停止；光电编码器14与绞车装置13上的滑轮结合在一起，滑轮转动时带动光电编码器旋转，光电编码器输出A或B脉冲，控制单元5记录脉冲数，可以计算出电缆下行或上行的长度，从而算出传感器探头在孔中的位置；电机供电电源15产生220V交流电，为同步电机供电。
[0047]如图3所示，图3为传感器探头的结构示意图，包括:倾角传感器23、电涡流传感器21及处理电路22，三者封装于一体；传感器探头2上设置有两组导向25，方便传感器探头2在孔中自由移动，传感器探头2与监测仪器纸件间通过电缆24连接，本发明实施例中采用的电缆为4芯带钢缆，分别为电源线，地线以及两根电流输出线。电涡流传感器和倾角传感器输出的电路信号分别通过采样电路、电压跟随电路和滤波电路接至控制单元5。
[0048]上述监测仪器具体包括:编码器驱动电路3、传感器信号处理电路4、控制单元5、无线发射模块6、系统电源7，以下对各个部分予以详细说明。
[0049]如图4所示，图4为编码器驱动电路3的结构示意图，包括:两个三极管311、与非门312和74HC192计数芯片313，光电编码器14输出的A、B向脉冲，通过三极管驱动，加大了马冲信号输出电流，然后通过与非门312进行电平处理，紧接着经过计数芯片313对脉冲信号进行分频，最终将脉冲信号输出至STM32处理器51的两个GP1 口，进行计数处理，得到光电编码器的正转、反转圈数。
[0050]传感器信号处理电路4采用两个150 Ω的精密采样电阻、将电涡流传感器21和倾角传感器23输出的4-20mA的电流信号转换为0.6-3.0V电压信号，通过电压跟随器41，保证电压信号的稳定输出，再通过滤波器42，滤除高频噪声干扰，滤波器选择低通滤波，截止频率为10Hz，最后与微控制器51的两路12位AD采样端连接。
[0051]控制单元5具体包括:微控制器51、液晶显示器52以及绞车控制电路53，其中，
[0052]微控制器51，本发明实施例中采用STM32型微控制器，用于对从编码器驱动电路3接收到的脉冲进行计数，据此计算得到电缆下行或上行的长度，从而算出传感器探头2在孔中的位置并生成控制指令发给绞车控制电路；同时将利用其自带的12位AD转换器从传感器处理电路4接收到的两路电压信号转换为数字信号，根据从涡流传感器21输出的那路电压信号判断传感器探头是否到达预定岩层位置，如果是，根据从倾角传感器22输出的电压信号计算得到传感器探头2当前所处位置的倾角值；
[0053]液晶显示器52，用于显示微控制器51接收到的信号以及处理后的结果；
[0054]绞车控制电路53，用于根据从微处理器51接收到的控制指令控制下井装置I的动作。
[0055]无线发射模块6，本发明实施例中选用GF-2008AW外置式GPRS，其负责将STM32微控制器51采集到的数据通过GPRS网络发射到控制中心，同时控制中心也能发送指令控制监测主机的采样时间间隔。
[0056]如图5所示，图5为系统电源7的结构示意图，该系统电源7包括:蓄电池71、第一电压转换模块72、第二电压转换模块73、第一稳压芯片74和第二稳压芯片75,蓄电池71为系统提供12V电源，通过第一电压转换模块72(12V转24V)转换得到24V电压，为传感器探头2提供电源，第二电压转换模块73(12V转9V)转换得到的9V电压，为无线传输模块6提供电源，第一稳压芯片74 (本发明实施例中为LM2576稳压芯片)将12V电压转换为5V电压，为液晶显示器52提供电源，第二稳压芯片75 (本发明实施例中为LM1084稳压芯片)将5V电压转换为3.3V电压，为微处理器51供电。
[0057]接下来对本发明实施例所述方法进行详细说明。
[0058]本发明实施例所述监测方法利用上述监测装置，具体可以包括如下步骤:
[0059](I)打一钻孔，深度达到基岩，在孔中安装塑料套管，在不同层位的塑料套管外套上铁环，以基岩层的铁环作为参考点；
[0060](2)在井口处安装下井装置I，启动传感器探头2 ；
[0061](3)下井装置I带着传感器探头2下降并不断输出脉冲信号；
[0062](4)当传感器探头2到达塑料套管底部后，启动下井装置，开始缓慢向上提升传感器探头2，传感器探头2输出的两路电流信号被转换成电压信号；
[0063](5)控制单元5接收脉冲信号以及两路电压信号，根据脉冲信号计算得到电缆下行或上行的长度，从而算出传感器探头2从底部上升的高度；同时根据一路电压信号判断传感器探头2是否到达铁环位置处，如果是，根据另一路电压信号计算得到传感器探头2当前所处位置的倾角值；
[0064](6)将传感器探头2从底部上升的高度以及当前所处位置的倾角通过无线传输模块6至控制中心。
[0065]其中步骤(5)中是否到达铁环位置处的判断方法为:探头未接触到金属环时，电压值保持在0.8V左右，当探头接触到金属环时，电压值发生跳变，突然升高，达到1.5V左右，当电压值发生突变时，则判断到达铁环位置。
[0066]综上所述，本发明实施例提供了一种地面沉降分层原位监测装置及监测方法，具有分层监测、自动采集、远程传输的特点，只需要一个钻孔。就能实现沉降分层原位监测。
[0067]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种地面沉降分层原位监测装置，其特征在于，包括:下井装置(I)、传感器探头(2)以及监测仪器，其中， 所述下井装置(I)，用于承载所述传感器探头(2)并到达不同岩层的位置； 所述传感器探头(2)，通过电缆与所述监测仪器连接，用于从底部向上对不同岩层进行探测，并回传信号给所述监测仪器； 所述监测仪器，用于控制所述下井装置(I)的动作并接收所述传感器探头(2)回传的信号，根据接收的信号记录所述传感器探头(2)当前所处位置的倾角值以及从底部上升的高度。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述下井装置(I)具体包括:电机控制接口(11)、同步电机(12)、绞车装置(13)、光电编码器(14)、电机供电电源(15)，其中，所述同步电机(12) —端通过所述电机控制接口(11)与所述控制单元(5)连接，另一端连接至所述绞车装置(13)，控制所述绞车装置(13)带着所述传感器探头自由的下降、提升、停止；所述光电编码器(14)与所述绞车装置(13)上的滑轮结合在一起，滑轮转动时带动所述光电编码器(14)旋转，所述光电编码器(14)输出正向脉冲信号和反向脉冲信号；电机供电电源(15)为同步电机供电。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器探头(2)具体包括:倾角传感器23、电涡流传感器(21)及处理电路(22)，三者封装于一体；所述传感器探头(2)与所述监测仪器间通过电缆(24)连接；所述电涡流传感器(21)和所述倾角传感器23输出电流信号至所述监测仪器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述传感器探头(2)上设置有两组导向25。
5.根据权利要求1到4中任意一项所述的装置，其特征在于，所述监测仪器具体包括:编码器驱动电路(3)、传感器处理电路(4)、控制单元(5)、无线发射模块￠)以及系统电源(7)，其中， 所述编码器驱动电路(3)，用于对所述光电编码器(14)输出的正向脉冲信号和反向脉冲信号进行区分，然后经过时序分频后输出给控制单元(5)； 所述传感器处理电路(4)，用于分别将所述电涡流传感器(21)和所述倾角传感器22输出的电流信号转换为电压信号，然后经过电压跟随和滤波处理后输出至所述控制单元(5)； 所述控制单元(5)，用于采集所述编码器驱动电路(3)输出的正向脉冲信号和反向脉冲信号，并据此计算出电缆下行或上行的长度，进而算出传感器探头(2)在孔中的位置；还用于采集所述传感器电路4输出的两路电压信号，对所述电压信号进行分析处理后得到所述传感器探头(2)当前所处位置的倾角值； 所述无线发射模块(6)，用于将所述控制单元(5)的计算结果通过无线发射出去； 所述系统电源(7)，用于对系统进行供电。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述传感器处理电路(4)具体包括:两个采样电阻、电压跟随器(41)和滤波器(42)，两个采样电阻分别将所述电涡流传感器(21)和所述倾角传感器22输出的电流信号转换为电压信号，两路电压信号经过所述电压跟随器(41)以及所述滤波器(42)处理后，输出至电控单元(5)。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述控制单元(5)具体包括:微控制器(51)、液晶显示器(52)以及绞车控制电路(53)，其中， 所述微控制器(51)，用于对从所述编码器驱动电路(3)接收到的脉冲进行计数，据此计算得到电缆下行或上行的长度，从而算出传感器探头在孔中的位置并生成控制指令发给绞车控制电路；同时将从所述传感器处理电路(4)接收到的两路电压信号转换为数字信号，根据从所述涡流传感器(21)输出的那路电压信号判断所述传感器探头是否到达预定岩层位置，如果是，根据从所述倾角传感器(22)输出的电压信号计算得到所述传感器探头当前所处位置的倾角值； 所述液晶显示器，用于显示所述微控制器(51)接收到的信号以及处理后的结果； 所述绞车控制电路，用于根据从所述微处理器(51)接收到的控制指令控制所述下井装置⑴的动作。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，系统电源(7)包括:蓄电池(71)、第一电压转换模块(72)、第二电压转换模块(73)、第一稳压芯片(74)和第二稳压芯片(75),蓄电池(71)为系统提供12V电源，通过所述第一电压转换模块(72)转换得到24V电压，为所述传感器探头2提供电源，通过所述第二电压转换模块(73)转换得到的9V电压为所述无线传输模块(6)提供电源，所述第一稳压芯片(74)将12V电压转换为5V电压，为所述液晶显示器(52)提供电源，所述第二稳压芯片(75)将5V电压转换为3.3V电压，为所述微处理器(51)供电。
9.一种地面沉降分层原位监测方法，利用上述地面沉降分层原位监测装置，其特征在于，包括: 打一钻孔，深度达到基岩，在孔中安装塑料套管，在不同层位的塑料套管外套上铁环，以基岩层的铁环作为参考点； 在井口处安装下井装置(I)，启动传感器探头(2); 所述下井装置(I)带着传感器探头(2)下降并不断输出脉冲信号； 当所述传感器探头(2)到达塑料套管底部后，启动下井装置，开始缓慢向上提升所述传感器探头(2)，所述传感器探头(2)输出的两路电流信号被转换成电压信号； 所述控制单元(5)接收脉冲信号以及两路电压信号，根据所述脉冲信号计算得到电缆下行或上行的长度，从而算出所述传感器探头(2)从底部上升的高度；同时根据一路电压信号判断所述传感器探头(2)是否到达铁环位置处，如果是，根据另一路电压信号计算得到所述传感器探头(2)当前所处位置的倾角值； 将所述传感器探头(2)从底部上升的高度以及当前所处位置的倾角通过无线传输模块(6)至控制中心。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，进一步包括: 探头未接触到金属环时，电压值保持在0.8V左右，当探头接触到金属环时，电压值发生跳变，突然升高，达到1.5V左右，当电压值发生突变时，则判断到达铁环位置。
【文档编号】G01C5/00GK104132640SQ201410406204
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】张青, 吕中虎, 史彦新, 孟宪玮, 张晓飞, 郝文杰, 韩永温, 曾克, 杨卓静, 蒿书利 申请人:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心