一种实时自动监测水平变形的装置的制作方法

本实用新型涉及变形监测技术领域，具体是一种实时自动监测水平变形的装置。

背景技术：

大坝坝体、道路路基等都会遇到不同程度的水平沉降问题。随着水利科学、岩石力学、通信技术的迅猛发展，越来越多的超高坝建成并投入运行，这对坝体及坝基的实时沉降监测提出了更高的需求。

目前，在大坝等水工建筑物的沉降监测方面，主要使用静力水准仪作为监测仪器，静力水准系统是采用连通管的原理测量各测点之间相对高程变化，再通过基准点对各测点的相对位移进行附加，最终获得各测点的绝对沉降量值。但是静力水准系统存在安装过程繁琐、变化采集较慢等问题，而且会出现使用一段时间后连通管中液体减少的问题，需重新加液体、重新排出气泡、重新定位基准点等，使监测繁琐、不便利。

路基沉降会使路面结构层遭到破坏，路面的承载力降低，使用寿命缩短。对道路路基沉降量进行实时监测，及时获得道路路基发生不均匀沉降的数据，是保证道路正常运营的有效手段。目前，应用于路基沉降监测方法主要有沉降板法、横剖测试法和分层沉降法等。

沉降板测量法便于操作，容易实施，其观测精度容易控制，但需要埋置大量沉降管，操作较为复杂，而且由于道路施工条件复杂，其沉降管的保护很难保证，在整个施工期破坏率很高；横剖测试法应用较多的是水压式横剖测试仪，即运用水压原理测量监测点高程变化，传感器的高差发生变化时，引起液压的变化，探头将此变化转为电子讯号传给测读仪，得到测量数据，此法虽不影响路面正常施工，也不易被破环，但测试过程对环境要求相对苛刻，测试质量不易控制；分层沉降法可以测试不同地基深度的沉降变形值，对分析理论计算和实际测值之间的差值有很大作用，对相似工程的变形计算和预测有一定的参考价值。但分层沉降法成本较高，实施起来相对较为复杂，尤其是安设过程较难控制。

技术实现要素：

本实用新型目的在于提供一种自动实时监测水平沉降的装置，主要应用于监测坝体沉降及路基沉降，搭建实施方便，且结构简单，对测试环境要求不高，维护成本低。

一种实时自动监测水平变形的装置，包括多个通过柔性关节串联的传感器测量单元、与端部传感器测量单元通信连接的控制器及与控制器通信连接的上位机；

所述传感器测量单元内均设有微处理器、及与微处理器连接的加速度传感器采集模块、CAN总线通信模块；

所述加速度传感器采集模块，用于采集加速度传感器采集模块在 XYZ三个轴上的输出加速度；

所述微处理器，用于根据加速度传感器采集模块采集所得其在 XYZ三个轴上的输出加速度，计算出加速度传感器采集模块的XYZ 三个轴与重力矢量之间的夹角；

所述CAN总线通信模块，用于与微处理器进行通信的数据及控制信号转换成适于CAN总线传输的电平信号，同时各个传感器测量单元的CAN总线通信模块依次通过CAN总线串联连接；

所述控制器，用于接收上位机发送的控制指令，通过CAN总线通信模块发送控制指令给各个传感器测量单元的微处理器进行测量，并将实时测量值回传给上位机；

所述上位机，用于对比实时测量值与基准角度值的差异，判断道路路基沉降的范围及程度。

进一步的，所述加速度传感器采集模块为加速度计。

进一步的，所述控制器包括依次连接的太阳能充电模块、蓄电池、微处理器、通信模块、及与蓄电池和微处理器连接的CAN总线通信模块。

进一步的，所述控制器的通信模块采用光纤网络或者GPRS的方式与上位机进行通信。

本实用新型整个传感器装置以链式姿态串接，在坝体及道路路基施工时，将整个测量装置进行埋设，待路面施工完成后，记录整个测量装置的基准角度值，通过实时测量值的自动记录，实时对比实时测量值与基准角度值的差异，及时判断坝体及道路路基沉降的范围及程度，实现了坝体及路基沉降的自动监测。

附图说明

图1是本实用新型实时自动监测水平变形的装置中传感器测量单元与柔性关节的连接示意图；

图2是相邻两个传感器测量单元通过柔性关节连接的示意图；

图3是本实用新型实时自动监测水平变形的装置的电路原理框图；

图4是本实用新型的工作原理图。

图中：1—传感器测量单元，2—柔性关节，3—控制器，4—上位机，11—微处理器，12—加速度传感器采集模块，13—CAN总线通信模块，14—温度模块，31—太阳能充电模块，32—蓄电池，33—微处理器，34—通信模块，35—CAN总线通信模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-3，本实用新型实施例提供一种自动实时监测水平沉降的装置，包括多个通过柔性关节2串联的传感器测量单元1，所述传感器测量单元1固定于待测道路的路基面。具体实现时，整套装置可以在道路施工期埋设，也可以对已建成的道路进行开挖后埋设，每个传感器测量单元1通过刚度较大的保护管放置在路基面上，并记录此时的测量基准值。当路基出现不均匀沉降时，处于裂缝处的某个传感器测量单元会发生倾斜，此时采集到的这个传感器测量单元的角度值与基准值对比会产生偏差。

如图3所示，每个传感器测量单元1内均设有微处理器11、及与微处理器11连接的加速度传感器采集模块12(例如加速度计)、 CAN总线通信模块13、温度模块14。

所述加速度传感器采集模块12，用于采集加速度传感器采集模块12在XYZ三个轴上的输出加速度；

所述温度模块14，用于采集每个传感器单元内部的实时温度；

所述微处理器11，用于根据加速度传感器采集模块12采集所得其在XYZ三个轴上的输出加速度，计算出加速度传感器采集模块12 的XYZ三个轴与重力矢量(1g场)之间的夹角；

所述CAN总线通信模块13，将与微处理器11进行通信的数据及控制信号转换成适于CAN总线传输的电平信号，同时各个传感器测量单元1的CAN总线通信模块13依次通过CAN总线串联连接。

本实用新型还包括与端部传感器测量单元1通信连接的控制器3 及与控制器3通信连接的上位机4。

所述控制器3包括依次连接的太阳能充电模块31、蓄电池32、微处理器33、通信模块34、及与蓄电池32和微处理器33连接的CAN 总线通信模块35。控制器运用太阳能充电模块31给蓄电池32充电，蓄电池32的电源一方面给微处理器33供电，另一方面也通过CAN 总线中电源线，给其他的传感器测量单元1供电。考虑到户外的低功耗特性，其他的传感器测量单元在没有测量和通信任务时处于休眠状态。

所述控制器3通过CAN总线通信模块35与端部传感器测量单元 1的CAN总线通信模块13连接；控制器3通过微处理器33、通信模 34与上位机5通信连接，其作用一方面是发送通信指令给通信模块 34，使装置通过光纤网络或者GPRS的方式与上位机4进行通信，另一方面发送通信指令给CAN总线通信模块35，运用CAN总线的通信方式控制其他的传感器测量单元1。

整个测量装置内部使用CAN总线通信方式，将每个传感器测量单元1通过CAN总线的方式连接，埋设好的装置需要把CAN总线的线缆露出路面，线缆可以从道路两边的绿化带中露出，露出的线缆需要与控制器3连接。

整个装置有两种测量方式，横剖面测量及纵向测量，如图4所示。可选择在坝体及道路的横剖面处埋设该测量装置，也可以在道路的纵向面埋设，比起传统的方法，测量的范围更广。

本实用新型的工作原理为：

控制器3接收上位机4发送的测量控制指令，控制器3的微处理器33通过CAN总线通信模块35发送控制指令给各个传感器测量单元1的微处理器11，微处理器11控制与其连接的加速度传感器采集模块12测得加速度传感器采集模块12在XYZ三个轴上的加速度 AXOUT、AYOUT、AZOUT，微处理器11根据所述三个加速度计算出加速度传感器采集模块12三个轴与重力矢量之间的夹角θ、Ψ、；

每个传感器测量单元1预先按照顺序编址，根据自身设备号，通过CAN总线通信的方式分时输出传感器测量单元1的加速度传感器采集模块12三个轴与重力矢量之间的夹角给上位机4；

上位机3根据各个传感器测量单元1报送的角度值，计算出各个传感器测量单元1末端点坐标，进而得到整个装置的三维图形及在道路剖面的投影。

上位机将首次报送的坐标值作为整个装置的基准角度值，后续报送的数据作为实时测量值，可实时监测装置的三维图形及在道路剖面的投影变化，从而监测道路路基沉降的范围及程度，实现路基沉降的自动监测。

本实用新型设计的整个装置是一体的，整个传感器装置以链式姿态串接，在坝体及道路路基施工时，将整个测量装置进行埋设，待路面施工完成后，记录整个测量装置的基准角度值，通过实时测量值的自动记录，实时对比实时测量值与基准角度值的差异，及时判断道路路基沉降的范围及程度，实现了路基沉降的自动监测。

本实用新型具有如下技术特点：

1、全自动：可实现全天候、实时、连续在线监测、无线远程监测。

2、性能佳：亚毫米精度、360°全方位监测，有效防灾预警手段。

3、功能强：可测试2D及3D加速度场及位移场，用户可全面、直观的观测被测体在受荷过程中的变形及内力反应规律。

4、使用易：安装简单，在无外力破坏下，可长期免维护。

5、功耗低：选用低功耗的微处理器及元器件，在没有测量和通信任务，定时休眠。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。