低功耗拉绳式裂缝计及其使用方法与流程

本发明涉及裂缝监测领域，具体涉及一种监测裂缝距离的高频、低功耗的拉绳式裂缝计及其使用方法。

背景技术：

拉绳位移传感器是直线位移传感器在结构上的精巧集成，充分结合了角度传感器和直线位移传感器的优点，该产品不管在大行程还是狭小空间安装不便的场合均可使用，现已为各个行业的位置控制与测量所广泛应用。

中国实用新型cn208635710u号专利揭示了一种拉绳式直线位移传感器，包括铝合金外壳、安装于铝合金外壳上方的电位器、安装于铝合金内部的线轮与绕线滚轮、一端缠绕于线轮以及另一端缠绕于绕线滚轮并穿出铝合金外壳的钢丝绳、安装于铝合金外壳下方的发条，其外壳端固定于裂缝的一侧，穿出铝合金外壳的钢丝绳绑定于裂缝的另一端，裂缝开裂，钢丝绳拉伸来测定裂缝的开裂位移数据。此拉绳式直线位移传感器需要人工在现场读取位移并记录数据，且需要长期现场监测，监测环境恶劣，不利于监测人员的人身安全。

随着5g技术的发展，一种远程高频监测的拉绳式裂缝计成为行业内的需要，以减少人工现场操作及危险系数，远程高频监测需要设置网络通讯以进行信号传输及远程控制，高频监测的方式需要拉绳式裂缝计长期处于工作监测状态，从而需要消耗大量功耗，因此仍需要人工定期对拉绳式裂缝计的电池进行更换，带来使用上的不便利性。

因此，有必要提供一种新的低功耗拉绳式裂缝计及其使用方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明提供一种拉绳式裂缝计及其使用方法，以实现远程高频监测、低功耗、适应性强、监测可靠的目的。

为了达到上述目的，本发明提供一种低功耗拉绳式裂缝计，包括底板及盖设于底板上的机壳，所述低功耗拉绳式裂缝计进一步包括裂缝监控器，所述裂缝监控器包括低功耗拉绳位移传感器、低功耗可配置比较器、模数转换器、微控制单元、实时时钟、低功耗蓝牙元件、lora/nb-iot远程通讯模块、金属氧化物半导体场效应管、电子罗盘、超低压电源模块、电源管理系统、开关和电池；拉绳位移传感器的模拟信号输出端通过信号线分别连接低功耗可配置比较器的信号输入端和模数转换器的模拟信号输入端，模数转换器的数字信号输出端通过信号线连接微控制单元，微控制单元还通过信号线分别连接低功耗可配置比较器、实时时钟、低功耗蓝牙元件、lora/nb-iot远程通讯模块、两个金属氧化物半导体场效应管和电子罗盘，一个金属氧化物半导体场效应管通过信号线连接模数转换器和电子罗盘，另一个金属氧化物半导体场效应管通过信号线连接lora/nb-iot远程通讯模块，电源管理系统通过信号线分别连接低功耗可配置比较器、微控制单元、金属氧化物半导体场效应管和超低压电源模块，超低压电源模块通过信号线连接拉绳位移传感器，电池通过串联了开关的导线连接电源管理系统；所述拉绳位移传感器与电池安装于底板上；低功耗可配置比较器、模数转换器、微控制单元、实时时钟、低功耗蓝牙元件、lora/nb-iot远程通讯模块、金属氧化物半导体场效应管、电子罗盘、超低压电源模块、电源管理系统与开关设置于一电路板上而固定于机壳的内部。

进一步地，所述拉绳位移传感器包括位于中间的线轮轴端、位于线轮轴端右侧的电位器端及位于线轮轴端左侧的卷簧端，线轮轴端包括绕有拉绳的轮盘，电位器端包括电阻体，卷簧端包括卷簧，拉动拉绳时，轮盘转动，卷簧随着轮盘的转动会越来越紧，同时电位器端中的电阻体的电阻值会发生变化，通过电阻值的变化计算出位移的变化。

进一步地，所述低功耗拉绳式裂缝计进一步包括海绵垫、固定片与密封圈，所述底板呈板状且两侧设有安装孔，所述电池放置于底板上，电池上放置海绵垫，固定片呈梯形状扣在海绵垫与电池上，并通过螺栓将固定片固定于底板以固定电池，海绵垫防止固定片损坏电池，密封圈呈环状卡设于底板上的凹槽内，机壳盖设于底板上，密封圈密封底板与机壳之间的缝隙。

进一步地，所述低功耗拉绳式裂缝计进一步包括防水密封装置，所述防水密封装置包括密封垫、压紧块、绝缘橡胶与拉绳接头，密封垫设有锥形突出部，密封垫嵌设于压紧块的后端，其锥形突出部突伸入压紧块的中间缺口内，绝缘橡胶卡设入拉绳接头，线轮轴端的拉绳的一端自机壳的拉绳出口端内穿出，并穿过密封垫、压紧块与绝缘橡胶后接入拉绳接头，密封垫与压紧块通过密封胶固定于机壳的拉绳出口端而形成为固定端，绝缘橡胶与拉绳接头为可拉动的自由端。

进一步地，使用时，所述低功耗拉绳式裂缝计安装于被测结构物的裂缝的一侧，所述拉绳接头通过螺丝固定于一具有安装孔的直角片，将直角片固定于裂缝的另一侧，当裂缝增大时，拉绳被拉出。

进一步地，使用时，所述低功耗拉绳式裂缝计安装于被测结构物的裂缝的一侧，所述拉绳接头通过钢丝绳连接于一吊环膨胀螺丝，将吊环膨胀螺丝固定于裂缝的另一侧，当裂缝增大时，拉绳被拉出。

进一步地，所述低功耗拉绳式裂缝计的机壳上设置有天线以与外部设备进行无线信号传输，或所述低功耗拉绳式裂缝计的机壳上设置有航插并通过航插连接线缆以与外部设备进行有线信号传输。

本发明进一步提供一种低功耗拉绳式裂缝计的使用方法，按如下步骤依次实施：

i.在被测结构物的裂缝的一侧找到相对平整的一个安装面；

ii.将低功耗拉绳式裂缝计放在所述安装面上，使底板的底部贴合在所述安装面上，用记号笔穿过底板两侧的安装孔，在该安装面上做好记号标记；

iii.使用钻头在安装面上钻孔；

iv.使用膨胀螺丝，先将拉绳式裂缝计固定在被测结构物的裂缝的一侧；

v.将拉绳式裂缝计的拉绳接头通过螺丝固定于直角片后，将直角片通过膨胀螺丝固定于被测结构物的裂缝的另一侧，通过拉绳位移传感器监测裂缝数据；

或将拉绳式裂缝计的拉绳接头通过钢丝绳连接于吊环膨胀螺丝，将吊环膨胀螺丝固定于被测结构物的裂缝的另一侧，通过拉绳位移传感器监测裂缝数据；

vi.使用智能移动终端，通过低功耗蓝牙元件唤醒裂缝监控器，此时电源管理系统的指示灯常亮，进入待配置状态；

vii.用智能移动终端读取拉绳位移传感器采集的初始裂缝数据、电子罗盘采集的初始加速度和初始地磁数据，观察数据稳定性；

viii.在数据稳定后，记录初值；用户通过所述智能移动终端设置裂缝数据预设阈值at，微控制单元一分钟内进行20-30次裂缝数据采集并自动对裂缝数据进行稳定性判断，若在1分钟内的波动小于预设阈值at则通过自检，微控制单元自动记录1分钟内裂缝数据的平均值作为初始值a0；

ix.用户通过所述智能移动终端设置裂缝数据、加速度及地磁数据正常上传时间间隔与加密上传时间间隔；

x.微控制单元根据设置的预设阈值转换为绝对的电压量并配置低功耗可配置比较器；同时根据正常上传时间间隔配置实时时钟的中断设置；

xi.所述智能移动终端完成操作后，电源管理系统的指示灯熄灭，裂缝监控器(2)进入待机模式；

xii.在所述被测结构物的裂缝数据未超过阈值的情况下，微控制单元处于待机模式，并且使模数转换器、低功耗蓝牙元件、lora/nb-iot远程通讯模块、金属氧化物半导体场效应管和电子罗盘处于休眠模式，此时裂缝监控器只有拉绳位移传感器、低功耗可配置比较器、实时时钟、超低压电源模块和电源管理系统处于工作模式，裂缝监控器的总体功耗小于100μa；

xiii.当到正常上传时间时，实时时钟产生中断信号唤醒微控制单元，微控制单元收到中断信号后控制电源管理系统向模数转换器及电子罗盘上电以进行一次裂缝值、加速度和地磁数据的采集并将采集的数据输送给微控制单元，然后控制电源管理系统向lora/nb-iot远程通讯模块上电，将微控制单元输送给lora/nb-iot远程通讯模块的裂缝值、加速度和地磁数据发送至监测云平台；

xiv.若裂缝监控器待机时，裂缝值a发生如下两种情况之一时，a>a0+at或a<a0–at，低功耗可配置比较器发出中断信号，微控制单元被唤醒并控制电源管理系统向模数转换器及电子罗盘上电以进行一次裂缝值、加速度和地磁数据的采集并将采集的数据输送给微控制单元，然后控制电源管理系统开启lora/nb-iot远程通讯模块以加密上传时间间隔的周期上传微控制单元输送给lora/nb-iot远程通讯模块(207)的裂缝值、加速度和地磁数据；

xv.监测云平台收到加密后的裂缝值、加速度和地磁数据后发出对应预警信息。

进一步地，步骤viii时，预设阈值at设为5mm，mm指裂缝长度单位；

正常上传时间间隔设为1小时一次，加密上传时间间隔设为1分钟1次。

本发明提出了一种被测结构物裂缝监测的方法及对应的硬件装置，在保证裂缝监测的实时性同时，实现了极低的功耗，从而保证监测设备长期可靠。

附图说明

图1是本发明低功耗拉绳式裂缝计的立体组合图；

图2是本发明低功耗拉绳式裂缝计的部分立体分解图；

图3是本发明低功耗拉绳式裂缝计的部分立体分解图；

图4是本发明低功耗拉绳式裂缝计的裂缝监控器的电路原理图；

图5是本发明另一种实施方式的低功耗拉绳式裂缝计的立体组合图。

图中：1、底板；2、裂缝监控器；21、线轮轴端；22、电位器端；23、卷簧端；201、拉绳位移传感器；202低功耗可配置比较器；203、模数转换器；204、微控制单元；205、实时时钟；206、低功耗蓝牙元件；207、lora/nb-iot远程通讯模块；208、金属氧化物半导体场效应管；209、电子罗盘；210、超低压电源模块；211、电源管理系统；212、开关；213、电池；3、海绵垫；4、固定片；5、密封圈；6、机壳；7、天线；7’、航插；8、防水密封装置；81、密封垫；82、压紧块；83、绝缘橡胶；84、拉绳接头；9、直角片；10、电路板。

具体实施方式

以下结合图1至图5，通过具体实施方式进一步说明本发明。

请参照图1至图4所示，一种低功耗拉绳式裂缝计，包括底板1、裂缝监控器2、海绵垫3、固定片4、密封圈5、机壳6、天线7及防水密封装置8。

底板1呈板状，其底部设有敞口向下的凹槽，底板1两侧分别设有2个安装孔。

裂缝监控器2包括低功耗拉绳位移传感器201、低功耗可配置比较器202、模数转换器203、微控制单元204、实时时钟205、低功耗蓝牙元件206、lora/nb-iot远程通讯模块207、金属氧化物半导体场效应管208、电子罗盘209、超低压电源模块210、电源管理系统211、开关212和便携式电池213。

拉绳位移传感器201的模拟信号输出端通过信号线分别连接低功耗可配置比较器202的信号输入端和模数转换器203的模拟信号输入端，模数转换器203的数字信号输出端通过信号线连接微控制单元204，微控制单元204还通过信号线分别连接低功耗可配置比较器202、实时时钟205、低功耗蓝牙元件206、lora/nb-iot远程通讯模块207、两个金属氧化物半导体场效应管208和电子罗盘209，一个金属氧化物半导体场效应管208通过信号线连接模数转换器203和电子罗盘209，另一个金属氧化物半导体场效应管208通过信号线连接lora/nb-iot远程通讯模块207，电源管理系统211通过信号线分别连接低功耗可配置比较器202、微控制单元204、金属氧化物半导体场效应管208和超低压电源模块210，超低压电源模块210通过信号线连接拉绳位移传感器201，电池213通过串联了开关212的导线连接电源管理系统211。

拉绳位移传感器201与电池213安装于底板1上；低功耗可配置比较器202、模数转换器203、微控制单元204、实时时钟205、低功耗蓝牙元件206、lora/nb-iot远程通讯模块207、金属氧化物半导体场效应管208、电子罗盘209、超低压电源模块210、电源管理系统211与开关212设置于一电路板10上而固定于机壳6的内部。

裂缝监控器2的拉绳位移传感器201包括位于中间的线轮轴端21、位于线轮轴端21右侧的电位器端22及位于线轮轴端21左侧的卷簧端23。线轮轴端21包括绕有拉绳的轮盘，电位器端22包括电阻体，卷簧端23包括卷簧。拉动拉绳时，轮盘转动，卷簧随着轮盘的转动会越来越紧，同时电位器端22中的电阻体的电阻值会发生变化，通过电阻值的变化计算出位移的变化，即裂缝的开裂程度变化。

裂缝监控器2的便携式电池213选用锂-亚硫酰氯电池，年漏电率小于1％。电池213放置于底板1上，电池213上放置海绵垫3，固定片4呈梯形状扣在海绵垫3与电池213上，并通过螺栓将固定片4固定于底板1以固定电池213，海绵垫3防止固定片4损坏电池213。电池213电量数据以1小时一次的频率上传云监测系统，便于用户了解电池213状况，当然，使用者也可以设定以其他频率上传电量数据。

密封圈5呈环状卡设于底板1上的凹槽内。

机壳6呈内空盒状，机壳6通过螺栓固定的方式盖设于底板1上，密封圈5密封底板1与机壳6之间的缝隙以达成防水防污的功效。机壳6上可设置亚克力透明观察窗，背面布设蓝牙pcb信号线(内置)与电源状态灯实现配置通讯与状态提示功能，具体的：电源状态灯中的红灯闪烁表示拉绳式裂缝计与智能移动终端正在进行蓝牙通讯，绿灯闪烁表示天线7正在向监测云平台发送数据，蓝灯闪烁表示拉绳位移传感器201正在采集裂缝数据和电子罗盘正在采集加速度和地磁数据。

机壳6上安装窄带通讯(如lora或nb-iot)天线外置sma座，内部打胶处理以实现防水，天线7安装于sma座以与外部设备进行无线信号传输并可用于将低功耗拉绳式裂缝计采集的裂缝数据、加速度和地磁数据传输至监测云平台。天线7可根据现场环境选用不同增益的玻璃钢天线或吸盘天线。

防水密封装置8包括密封垫81、压紧块82、绝缘橡胶83与拉绳接头84。密封垫81设有锥形突出部，密封垫81嵌设于压紧块82的后端，其锥形突出部突伸入压紧块82的中间缺口内，绝缘橡胶83卡设入拉绳接头84。线轮轴端21的拉绳的一端自机壳6的拉绳出口端内穿出，并穿过密封垫81、压紧块82与绝缘橡胶83后接入拉绳接头84。密封垫81由三元乙丙橡胶制成，密封垫81与压紧块82通过704密封胶固定于机壳6的拉绳出口端而形成为固定端，绝缘橡胶83与拉绳接头84为可拉动的自由端，在拉绳接头84拉动拉绳移动的过程中，密封垫81、压紧块82与绝缘橡胶83可共同形成防水效果，防止在拉绳的过程中，有水气进入低功耗拉绳式裂缝计内部。

在使用时，将低功耗拉绳式裂缝计的底板1通过螺栓安装固定于被测结构物的裂缝的一侧，将拉绳接头84通过螺丝固定于一具有安装孔的直角片9，将直角片9固定于裂缝的另一侧，当裂缝增大时，必将导致拉绳被拉出，以此来测定裂缝的位移量。当然，在其他实施方式中，也可以将拉绳接头84通过钢丝绳连接于一吊环膨胀螺丝，同时将吊环膨胀螺丝固定于裂缝的另一侧，当裂缝增大时，拉绳被拉出，同样可达到测定裂缝的位移量的目的。

本实施例使用时，按如下步骤依次实施：

i.在被测结构物的裂缝的一侧找到相对平整的一个安装面，安装面尺寸不小于150mm×300mm；

ii.将低功耗拉绳式裂缝计放在安装面上，使底板1的底部贴合在该安装面上，用记号笔穿过底板1两侧的安装孔，在该安装面上做好记号标记；

iii.使用8mm的钻头，在安装面上钻孔，深度不小于40mm；

iv.使用四颗m5膨胀螺丝，先将拉绳式裂缝计固定在被测结构物的裂缝的一侧；

v.将拉绳式裂缝计的拉绳接头84通过螺丝固定于直角片9后，将直角片9通过m5膨胀螺丝固定于被测结构物的裂缝的另一侧，通过拉绳位移传感器201监测裂缝数据；

或将拉绳式裂缝计的拉绳接头84通过钢丝绳连接于吊环膨胀螺丝，将吊环膨胀螺丝固定于被测结构物的裂缝的另一侧，通过拉绳位移传感器201监测裂缝数据；

vi.使用配置了专用app和现场蓝牙通信功能的智能移动终端，通过低功耗蓝牙元件206唤醒裂缝监控器2，此时电源管理系统211的指示灯常亮，进入待配置状态；

vii.用智能移动终端读取拉绳位移传感器201采集的初始裂缝数据、电子罗盘209采集的初始加速度和初始地磁数据，观察数据稳定性；

viii.在数据稳定后，记录初值；用户通过所述智能移动终端设置裂缝数据预设阈值at，微控制单元204一分钟内进行20-30次裂缝数据采集并自动对裂缝数据进行稳定性判断，若在1分钟内的波动小于预设阈值at(默认为5mm，mm指裂缝长度单位)则通过自检，微控制单元204自动记录1分钟内裂缝数据的平均值作为初始值a0；

ix.用户通过所述智能移动终端设置裂缝数据、加速度及地磁数据正常上传时间间隔(默认值为1小时一次)与加密上传时间间隔(默认值为1分钟1次)；

x.微控制单元204根据设置的预设阈值转换为绝对的电压量并配置低功耗可配置比较器202；同时根据正常上传时间间隔配置实时时钟205的中断设置；

xi.所述智能移动终端完成操作后，电源管理系统211的指示灯熄灭，裂缝监控器2进入待机模式；

xii.在所述被测结构物的裂缝数据未超过阈值的情况下，微控制单元204处于待机模式，并且使模数转换器203、低功耗蓝牙元件206、lora/nb-iot远程通讯模块207、金属氧化物半导体场效应管208和电子罗盘209处于休眠模式，此时裂缝监控器2只有拉绳位移传感器201、低功耗可配置比较器202、实时时钟205、超低压电源模块210和电源管理系统211处于工作模式，裂缝监控器2的总体功耗小于100μa；

xiii.当到正常上传时间时，实时时钟205产生中断信号唤醒微控制单元204，微控制单元204收到中断信号后控制电源管理系统211向模数转换器203及电子罗盘209上电以进行一次裂缝值、加速度和地磁数据的采集并将采集的数据输送给微控制单元204，然后控制电源管理系统211向lora/nb-iot远程通讯模块207上电，将微控制单元204输送给lora/nb-iot远程通讯模块207的裂缝值、加速度和地磁数据发送至监测云平台；

xiv.若裂缝监控器2待机时，裂缝值a发生如下两种情况之一时，a>a0+at或a<a0–at，低功耗可配置比较器202发出中断信号，微控制单元204被唤醒并控制电源管理系统211向模数转换器203上电以进行一次裂缝值、加速度和地磁数据的采集，然后控制电源管理系统211开启lora/nb-iot远程通讯模块207以加密上传时间间隔的周期上报监测到的裂缝、加速度和地磁数据；

xv.监测云平台收到加密后的裂缝、加速度和地磁数据后发出对应预警信息。

以上介绍了一种通过天线7进行无线信号传输的低功耗拉绳式裂缝计及其使用方法，但在实际使用过程中，可以使用有线的方式进行信号传输，请参照图5所示，图5中示出了在机壳6上开设开口以安装入航插7’，通过航插7’连接线缆以与外部设备进行有线信号传输。

本发明的各项参数及性能如下所述：

1.拉绳式裂缝计待机模式时，功耗小于100ua；

2.上述过程中的所有配置参数，可以通过智能移动终端现场蓝牙连接进行快速配置；事后也可以通过云端远程修改；

3.电池213电量数据也会和裂缝数据以1小时1次的时间间隔进行上传云监测系统，便于用户了解电池213状况；

4.正常情况下，裂缝数据每小时一次上报，电池213可连续工作5年以上；若数据采样率要求更高，或监测年限要求更长，可通过加装电池213进行扩展；

5.机壳6的拉绳出口端，添加特制防水密封装置8，并进行打胶处理，可达ip66级的密封防护；

6.可在机壳6上设置亚克力透明观察窗，背面布设蓝牙pcb信号线(内置)与电源状态灯，蓝牙pcb信号线用于与具备蓝牙通信功能的智能移动终端实现现场配置通讯，电源状态灯用于提示蓝牙通讯、信号采集及向监测云平台传输数据的状态提示功能；

7.窄带通讯(如lora或nb-iot)天线外置(机壳上安装sma座，内部打胶处理)，可根据现场环境选用不同增益的玻璃钢或吸盘天线；

8.选用低功耗拉绳位移传感器201、低功耗可配置比较器202、微控制单元204、低功耗蓝牙元件206(蓝牙元件可选择内置于微控制单元204，如采用意法半导体的stm32w系列微控制单元)，待机功耗小于100μa；

9.通过低功耗可配置比较器202，采用阈值触发模式，实现微控制单元204待机情况下的实时监测；

10.电池213选用锂-亚硫酰氯电池，年漏电率小于1％；

11.电源管理系统211具备电池电量管理与监测功能以向智能移动终端发送电池电量数据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。