CN108716906B - 一种固定式智能测斜仪、系统和实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种固定式智能测斜仪、系统和实施方法，该测斜仪包括圆柱形腔体，在圆柱形腔体内的上、中、下位置均布置有一个微机电倾角传感器，位于中部的微机电倾角传感器附近设有有源射频识别数据传输模块、电源模块和微控制单元模块，有源射频识别数据传输模块、电源模块和微控制单元模块集成在一个IC电路板上，三个微机电倾角传感器均与微控制单元模块连接，位于上、下位置的两个微机电倾角传感器均通过中轴线线缆连接微控制单元模块，电源模块为整个测斜仪供电；所述微控制单元模块通过有源射频识别数据传输模块与外部的数据采集端连接。该测斜仪简化监测系统的布设，增强了其易用性，提高地下空间工程结构倾斜及水平位移状态变化监测的精度。

Description

一种固定式智能测斜仪、系统和实施方法

技术领域

本发明属于工程安全监测领域，具体涉及一种固定式智能测斜仪、系统和实施方法。

背景技术

随着现代化建设的进一步深入，我国正逐步加大力度进行基础工程建设，包括大量交通工程、水利水电工程、矿山矿井工程等在内的基础设施。在这些工程的建设过程中，不可避免地要对地下空间进行改造利用，例如隧道、基坑、山体边坡等的开挖。因此为了确保施工过程的顺利开展，以及保障现场人员生命财产的安全，需要对地下工程涉及到的工程结构和地质岩土环境进行必要的稳定性安全监测。

测斜仪是一种测定地下空间水平位移的原位监测仪器，它是目前应用于水利水电、交通建设、基坑开挖等岩土工程深部位移最主要的监测手段。目前深部测斜仪的主要使用方式包括人工提拉式和自动化固定式。自动化固定式测斜仪方案选择将多个测斜仪埋置在测斜管中，通过线缆将数据传输至地面数采模块再上传至远程服务器，但是，由于固定式测斜仪采用与人工测斜仪相同的结构尺寸设计，主要为一根长约1m，直径约27-30mm的杆件，内置一个伺服式或振弦式倾角传感器，测量数据通过与测斜仪连接的线缆传输至数据解调存储设备(如图5所示)。缺点在于一是仅利用一个倾角传感器的监测数据代表跨度1m距离的变形，存在一定主观误差；二是整个设备冗杂繁重，即不利于移动使用，也不利于固定安装，且测斜杆的体积和质量以及线缆的复杂性限制了测斜仪布设的数量，不仅降低了深部监测的连贯性，也加剧了设备布设和重置维修的困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种固定式智能测斜仪、系统和实施方法。该测斜仪中引入射频识别无线数据传输技术和微机电(MEMS)倾角传感器技术，突破了工程施工环境和人工测斜的约束，简化监测系统的布设，增强了测斜仪的易用性，提高地下空间工程结构倾斜及水平位移状态变化监测的精度，有助于工程人员及时把握监测对象的稳定性和安全性，进一步指导地下工程有序合理的开展。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种固定式智能测斜仪，包括圆柱形腔体，其特征在于，在圆柱形腔体内的上、中、下位置均布置有一个微机电倾角传感器，位于中部的微机电倾角传感器附近设有有源射频识别数据传输模块、电源模块和微控制单元模块，有源射频识别数据传输模块、电源模块和微控制单元模块集成在一个IC电路板上，三个微机电倾角传感器均与微控制单元模块连接，位于上、下位置的两个微机电倾角传感器均通过中轴线线缆连接微控制单元模块，电源模块为整个测斜仪供电；所述微控制单元模块通过有源射频识别数据传输模块与外部的数据采集端连接；

微控制单元模块能进行电源模块功耗管理、接受处理远程控制指令、激活和休眠IC电路板、采集三个微机电倾角传感器的监测数据。

上述的固定式智能测斜仪，智能测斜仪的监测原理过程是：根据腔体的倾斜状态，三块微机电倾角传感器分别获得不同部位的倾角值θ₁、θ₂、θ₃，取三者的平均值作为该智能测斜仪的倾斜角θ：

θ＝(θ₁+θ₂+θ₃)/3

则单个智能测斜仪测得的水平位移值S为：

S＝L×Sinθ，

其中L为智能测斜仪的长度。

一种固定式智能测斜仪系统，采用上述的智能测斜仪，其特征在于，该系统包括数据采集基站、远程服务器和终端设备，所述数据采集基站包括移动通信模块、射频信号识别芯片，通过移动通信模块与远程服务器进行数据传递，通过射频信号识别芯片与测斜仪中的有源射频识别数据传输模块进行数据传递；数据采集基站与位于最上方的测斜仪通过线缆连接，数据采集基站安装于监测对象的顶部，且位于有源射频识别数据传输模块的无线数据传输有效范围内；所述远程服务器用于存储所有上传的监测数据，对监测数据进行优化后处理并在终端设备上显示监测数据的全部后处理结果。

一种上述的固定式智能测斜仪系统的实施方法，该方法包括两种方式：

方式一，对于工程结构的倾斜监测，首先根据施工方案确定监测布设点，在结构浇筑之前将所述的智能测斜仪固定于钢筋网或钢筋笼中，待结构成型后，通过终端设备向数据采集基站发送激活指令，再通过数据采集基站向各测斜仪发送射频信号，实现通过远程指令激活智能测斜仪的目的；

方式二，对于地下空间的水平位移变形监测，首先综合地质勘探资料布设测斜管，根据测斜管的深度和工程地质条件确定埋设所述的智能测斜仪的数量，多个上述固定式智能测斜仪串联布设，相邻智能测斜仪之间通过电缆连接，埋置在测斜管内，最上方的测斜仪连接数据采集基站；待安装完成后，通过终端设备向数据采集基站发送激活指令，再通过数据采集基站向各测斜仪发送射频信号，实现通过远程指令激活智能测斜仪的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明首先通过引入射频识别无线数据传输技术和微机电(MEMS)倾角传感器技术提出了一种智能测斜仪，该智能测斜仪的使用场景侧重点在于固定埋入，且引入射频识别无线数据传输技术能减轻线缆的重度和连接复杂性，方便埋设更多的智能测斜仪；内部嵌入了三块高精度(根据选型的不同，精度最高可达0.005°)微机电(MEMS)倾角传感器，并且以取平均值的方式提高了监测数据的准确性，同时避免了因一块传感器损坏导致所在节点失效的问题。通过在地下工程结构内埋设多个智能测斜仪进行倾斜和水平位移变形监测，与数据采集基站、远程服务器和终端设备构成完整的监测系统，最终实现对地下工程结构在施工期和运营期稳定性和安全性的智能监测，解决了传统测斜监测过程中由于人工干预和系统冗杂导致的监测数据不连续和监测精度不高等问题。

本发明测斜仪中高度集成了有源射频识别数据传输模块和微控制单元模块，通过有源射频识别的方式进行数据的采集和传输，省去了复杂的数据线缆，便于系统的搭建，也简化了人工操作，更加便捷智能，整体结构精简、轻便、功耗较低，更加便于多节点布设。

本发明固定式的智能测斜仪系统实施方法，节省了大量的人力和时间，也实现了对地下工程结构的长期监测。而通过无线的轻便的系统设计，实现了智能测斜仪的密集布设，从而能获取更加连贯的监测数据。

本发明智能测斜仪突破了工程施工环境的约束，简化了监测系统布设，增强了测斜仪的易用性，避免了传统测斜工作中复杂的工作条件和人工影响限制了设备埋置的数量，提高了监测精度，同时便于远程控制管理，更加适用于可埋置于地下空间结构体内部的倾斜和水平位移变形的监测。

附图说明

图1为本发明固定式智能测斜仪的结构示意图；

图2为本发明固定式智能测斜仪系统的结构示意图；

图3为本发明的多智能测斜仪之间连接的结构示意图；

图4为本发明的智能测斜仪的监测原理示意图；

图5为现有自动化固定式测斜仪的实物图；

图中，1、2、3微机电倾角传感器，4测斜仪，5有源射频识别数据传输模块、6电源模块，7微控制单元模块，8数据采集基站，9远程服务器，10终端设备，11衔接电缆。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种固定式智能测斜仪，如图1所示，包括圆柱形腔体；在圆柱形腔体内的上、中、下位置均布置有一个微机电倾角传感器(1、2、3)，位于中部的微机电倾角传感器附近设有有源射频识别数据传输模块5、电源模块6和微控制单元模块7，有源射频识别数据传输模块5、电源模块6和微控制单元模块7集成在一个IC电路板上，三个微机电倾角传感器均与微控制单元模块连接，位于上、下位置的两个微机电倾角传感器均通过中轴线线缆连接微控制单元模块，电源模块为整个测斜仪供电；所述微控制单元模块通过有源射频识别数据传输模块5与外部的数据采集端连接。

在本实施例中，智能测斜仪的腔体为圆柱体，腔体在安装有微机电倾角传感器的位置处采用具有高强度的非金属材料制成，腔体的其他位置为不锈钢材料制成，即呈现出一段非金属材料、一段金属材料、一段非金属材料、一段金属材料、一段非金属材料的形式，相邻段之间可以通过环氧树脂粘合方式固定在一起。所述非金属材料强度不小于345MPa、可塑性好、导热系数低、无线信号穿透性强，可使用玻璃纤维增强复合材料，优选玻璃钢材料。且腔体的封合过程不可逆，具有工业级防水防尘设计。

微控制单元模块7具有电源模块功耗管理、接受处理远程控制指令、激活和休眠IC电路板(决定其是工作还是休眠)、采集三个微机电倾角传感器监测数据等功能；所述电源模块6为可充电电池，能够为整个智能测斜仪提供正常工作所需的全部电能。

微控制单元模块7依据设定的工作频率采集三处微机电倾角传感器的监测数据，取三者的均值作为该智能测斜仪的倾角值。

本发明中所述的有源射频识别数据传输模块和微控制单元模块、电源模块均可采用现有模块。

本发明智能测斜仪，腔体两端和中部三处分别嵌入高精度微机电(MEMS)倾角传感器，采用的倾角传感器原理为微机电，具体智能测斜仪监测原理过程(参见图4)是：根据腔体的倾斜状态，三块微机电倾角传感器分别获得不同部位的倾角值θ₁，θ₂，θ₃，为了计算水平位移变形，取三者的平均值作为该智能测斜仪的倾斜角θ：

θ＝(θ₁+θ₂+θ₃)/3

因此，单个智能测斜仪测得的水平位移值S为：

S_i＝L×sinθ,

其中S为水平位移值，i为某个智能测斜仪，L为智能测斜仪的长度。

图4中+、-符号表示角度偏移的方向，双轴倾角传感器会标识正负号方向，例如如果安装过程中正号指向南，则负号指向北，通过正负号即可判断角度偏移的方向。

本发明测斜仪的长度相对于现有的伺服式倾角传感器测斜仪缩短了约200mm左右，从而减少了测斜仪本身的重量，便于提高布设的密度。本申请中分别在两端和中部位置共采用三个高精度微机电倾角传感器取代了传统的单个伺服式倾角传感器。

本发明还保护一种固定式智能测斜仪系统(参见图2)，包括：上述固定式智能测斜仪，用于监测一定深度范围内地下工程结构的倾斜和水平位移变形；数据采集基站8，用于采集各智能测斜仪的监测数据并将采集的监测数据通过无线方式上传至远程服务器9；终端设备10，用于可视化显示监测数据全部后处理的结果；

所述数据采集基站包括移动通信模块、射频信号识别芯片，通过移动通信模块与远程服务器进行数据传递，通过射频信号识别芯片与测斜仪中的有源射频识别数据传输模块5进行数据传递；

数据采集基站与每个测斜仪通过有源射频识别数据传输模块5(有源射频识别数据传输模块即RFID射频信号信息传递技术)进行无线连接，同时数据采集基站与位于最上方的测斜仪通过线缆连接。有源射频识别数据传输模块以设定的频率主动将从微控制单元模块得到的监测数据传输至数据采集基站；数据采集基站安装于监测对象的顶部，且位于有源射频识别数据传输模块5的无线数据传输有效范围内；通过移动通信模块将当前时刻采集的所有监测数据上传至远程服务器；所述移动通信模块可以是GPRS、3G和4G网络，取决于布设场地附近移动通信基站的分布情况；所述远程服务器用于存储所有上传的监测数据，并对监测数据进行优化后处理，提高监测数据的精度，并在终端设备上显示监测数据的全部后处理结果。

所述监测数据的优化后处理是指，在终端设备中显示每个智能测斜仪的倾角变化、计算并显示每个智能测斜仪的水平位移、根据多个智能测斜仪的水平位移绘制监测对象的位移变化曲线等。

上述中的工作频率，均是在系统工作之前，在终端设备上进行设定的，设定的指令通过数据采集基站传递给智能测斜仪。

本发明中所述的终端设备包括且不局限于台式电脑、笔记本电脑、平板电脑等，终端设备提供丰富的功能，包括远程通过数据采集基站向全部测斜仪发送激活和频率修改指令，以及以可视化的方式展现全部监测数据的后处理结果。

本发明同时还提供了一种固定式智能测斜仪系统的实施方法，包括以下两种方式：

方式一，对于工程结构的倾斜监测，首先根据施工方案确定监测布设点，在结构浇筑之前将所述的智能测斜仪固定于钢筋网(笼)中，待结构成型后，通过终端设备向数据采集基站发送激活指令，再通过数据采集基站向各测斜仪发送射频信号，实现通过远程指令激活智能测斜仪的目的；这种工程背景下对测斜仪可以单个灵活使用，而不需要测量较长距离的累计变形；

方式二，对于地下空间的水平位移变形监测，首先综合地质勘探资料布设测斜管，根据测斜管的深度和工程地质条件确定埋设所述的智能测斜仪的数量，多个上述固定式智能测斜仪串联布设，智能测斜仪之间通过电缆连接，埋置在测斜管内，最上方的测斜仪连接数据采集基站；待安装完成后，通过终端设备向数据采集基站发送激活指令，再通过数据采集基站向各测斜仪发送射频信号，实现通过远程指令激活智能测斜仪的目的。

进一步的，方式一中所述根据施工方案确定监测布设点，其中结合结构敏感性分析，利用人工智能算法，包括且不限于深度神经网络算法、模拟退火算法、遗传算法等，对监测布设点进行优化，通过最合理的布设方案达到对结构整体全局有效的健康监测。

进一步的，方式一中所述智能测斜仪固定于钢筋网(笼)中的方式为捆绑焊接。

进一步的，方式二中相邻智能测斜仪之间的衔接距离应不超过测斜仪本身的设计长度，密集布设，绘制平滑连贯的位移曲线，有利于捕捉地下空间变形的特征软弱面深度。

实施例1

本实施例固定式智能测斜仪包括圆柱形腔体，腔体外表面具有防水防尘设计；在圆柱形腔体内的上、中、下位置均布置有一个微机电倾角传感器(1、2、3)，位于中部的微机电倾角传感器附近设有有源射频识别数据传输模块5、电源模块6和微控制单元模块7，有源射频识别数据传输模块5、电源模块6和微控制单元模块7集成在一个IC电路板上，三个微机电倾角传感器均与微控制单元模块连接，位于上、下位置的两个微机电倾角传感器均通过中轴线线缆连接微控制单元模块，电源模块为整个测斜仪供电；所述微控制单元模块通过有源射频识别数据传输模块5与外部的数据采集端连接。

本实施例中微机电倾角传感器为SCA100T-D02 MEMS双轴倾角传感器，传感器尺寸为15.6*11.4*5.2mm；

有源射频识别数据传输模块型号为NZ3801-A，包含发送器和读写器两部分；

电源模块的型号为TI BQ24230锂电池充电模块；

微控制单元模块型号为STM32L，尺寸为14*14*1.4mm，具有包括管理电源模块功耗、接受处理远程控制指令、激活和休眠模块、管理监测数据等功能。

固定式智能测斜仪系统包括上述智能测斜仪、数据采集基站8、远程服务器9和终端设备10。

在进行地下空间水平位移变形监测时，多个智能测斜仪之间通过电缆衔接，如图3所示，衔接电缆11的长度根据智能测斜仪的布设方案确定，衔接电缆11的两端为公头13，智能测斜仪的两端有与衔接电缆两端公头匹配的母头12，母头与测斜仪表面连接时设有防水垫圈14。

待系统安装完成后，首先通过移动通信网络由终端设备10向数据采集基站8发送激活指令，再由数据采集基站8向下方各测斜仪发送射频信号激活所有设备；各智能测斜仪中的有源射频识别数据传输模块以设定的频率主动将上述得到的监测数据传输至数据采集基站8，再经由移动通信网络将当前时刻采集的所有监测数据上传至远程服务器9。

本实施例中，监测数据后处理包括显示单个智能测斜仪的倾角变化、计算并显示单个智能测斜仪的水平位移、根据多个智能测斜仪的水平位移绘制监测对象的位移变化曲线等。

本实施例中终端设备为笔记本电脑，智能测斜仪的数量为5个。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请的保护范围内。

Claims (6)

1.一种固定式智能测斜仪系统的实施方法，所述固定式智能测斜仪系统包括数据采集基站、远程服务器和终端设备，采用智能测斜仪，用于监测一定深度范围内地下工程结构的倾斜和水平位移变形；所述数据采集基站包括移动通信模块、射频信号识别芯片，通过移动通信模块与远程服务器进行数据传递，通过射频信号识别芯片与测斜仪中的有源射频识别数据传输模块进行数据传递；数据采集基站与位于最上方的测斜仪通过线缆连接，数据采集基站安装于监测对象的顶部，且位于有源射频识别数据传输模块的无线数据传输有效范围内；所述远程服务器用于存储所有上传的监测数据，对监测数据进行优化后处理并在终端设备上显示监测数据的全部后处理结果；所述实施方法包括两种方式：

方式一，对于工程结构的倾斜监测，首先根据施工方案确定监测布设点，在结构浇筑之前将所述的智能测斜仪固定于钢筋网或钢筋笼中，待结构成型后，通过终端设备向数据采集基站发送激活指令，再通过数据采集基站向各测斜仪发送射频信号，实现通过远程指令激活智能测斜仪的目的；

方式二，对于地下空间的水平位移变形监测，首先综合地质勘探资料布设测斜管，根据测斜管的深度和工程地质条件确定埋设所述的智能测斜仪的数量，多个上述固定式智能测斜仪串联布设，相邻智能测斜仪之间通过电缆连接，埋置在测斜管内，最上方的测斜仪连接数据采集基站；待安装完成后，通过终端设备向数据采集基站发送激活指令，再通过数据采集基站向各测斜仪发送射频信号，实现通过远程指令激活智能测斜仪的目的；

所述智能测斜仪，包括圆柱形腔体，在圆柱形腔体内的上、中、下位置均布置有一个微机电倾角传感器，位于中部的微机电倾角传感器附近设有有源射频识别数据传输模块、电源模块和微控制单元模块，有源射频识别数据传输模块、电源模块和微控制单元模块集成在一个IC电路板上，三个微机电倾角传感器均与微控制单元模块连接，位于上、下位置的两个微机电倾角传感器均通过中轴线线缆连接微控制单元模块，电源模块为整个测斜仪供电；所述微控制单元模块通过有源射频识别数据传输模块与外部的数据采集端连接；

微控制单元模块能进行电源模块功耗管理、接受处理远程控制指令、激活和休眠IC电路板、采集三个微机电倾角传感器的监测数据；

腔体在安装有微机电倾角传感器的位置处采用具有高强度的非金属材料制成，腔体的其他位置为不锈钢材料制成；呈现出一段非金属材料、一段金属材料、一段非金属材料、一段金属材料、一段非金属材料的形式，相邻段之间通过环氧树脂粘合方式固定在一起；所述非金属材料强度不小于345MPa，使用玻璃纤维增强复合材料；

智能测斜仪的监测原理过程是：根据腔体的倾斜状态，三块微机电倾角传感器分别获得不同部位的倾角值θ₁、θ₂、θ₃，取三者的平均值作为该智能测斜仪的倾斜角θ：

θ＝(θ₁+θ₂+θ₃)/3

则单个智能测斜仪测得的水平位移值S为：

S＝L×sinθ

其中L为智能测斜仪的长度。

2.根据权利要求1所述的实施方法，其特征在于，方式一中所述根据施工方案确定监测布设点是指，结合结构敏感性分析，利用人工智能算法对监测布设点进行优化，通过最合理的布设方案达到对结构整体全局有效的健康监测。

3.根据权利要求1所述的实施方法，其特征在于，方式二中相邻智能测斜仪之间的衔接距离不超过测斜仪本身的设计长度。

4.根据权利要求1所述的实施方法，其特征在于，所述电源模块为可充电电池。

5.根据权利要求1所述的实施方法，其特征在于，所述监测数据的优化后处理是指，在终端设备中显示每个智能测斜仪的倾角变化、计算并显示每个智能测斜仪的水平位移、根据多个智能测斜仪的水平位移绘制监测对象的位移变化曲线。

6.根据权利要求1所述的实施方法，其特征在于，所述终端设备为台式电脑、笔记本电脑或平板电脑。