一种地表高精度大量程位移测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种地表高精度大量程位移测量装置，所述装置包括现场传感模块、其特征在于，所述现场传感模块包括保护罩体、传感转换装置、位移传感器，所述保护罩体用于安装所述传感转换装置，所述传感转换装置上安装有所述位移传感器，所述传感转换装置包括恒力弹簧、变向滑轮、位移变换装置，所述位移传感器上安装有与其同轴的位移滑轮，所述位移滑轮上绕有柔性位移测线。本发明利用弹簧提供的恒力及物理量转换机构、太阳能供电模块、无线采发模块等几部等几部分相互配合，可长时间处于野外自主工作，无需人工干预，减少人技术人员的劳动强度，结构简单、原理清晰。
【专利说明】一种地表局精度大量程位移测量装置

【技术领域】
[0001] 本发明属于涉及安全预警领域，特别涉及一种地表高精度大量程位移测量装置。

【背景技术】
[0002] 地表位移是地质灾害发生及演变过程中的直接表现，地表位移的大小及位移速率 能直接反映灾害体的安全与否，在地灾监测应用中具有十分重要的地位。
[0003] 地质灾害的发生、发展、演化过程，伴随着大量宏观可测物理信息的改变，如地表 位移、深部位移、地表倾角、岩土体压力、声发射等。这些物理信息中，又以地表位移最为直 接、直观，通过实时捕捉，可以建立其与滑坡成灾演化阶段的映射关系，进而为滑坡预测预 报提供必要的基础数据。其变形趋势又与滑坡体所处阶段存在良好的映射关系，且位移量 施测相对简单方便，因而工程界普遍利用位移监测对滑坡体的安全状况进行合理评价。
[0004] 地灾领域的地表位移监测设备主要包括GPS、全自动全站仪、恒力拉线式地表位移 计等。
[0005] GPS:全球定位系统的简称，通过导航卫星与地面接收机之间的信号交互可以获 知地面测点的绝对位移量。其监测精度依赖于卫星上的铯原子钟，依赖于测量区域的组网 方式及数据解算方法，依赖于GPS点同时接收到的导航卫星的数量。此类方法受天气影响 较大，雨雾天气一般无法施测。另外，此类方法功耗较大，野外作业需配备大型太阳能电池 板及蓄电池，一旦系统断电且未能及时恢复，由于缺少断电期间的数据进行平差处理，监测 数据的精度将大打折扣，再者，由于需要大量数据参与平差计算，故解算出的数据实时性较 大，对突发位移变形反应不灵敏，有一定的时间滞后性。
[0006] 全自动全站仪：俗称测量机器人，由传统全站仪集成步进马达、CCD影像传感器构 成的视频成像系统，并配置智能化的控制及应用软件发展而形成的。利用测量机器人进行 滑坡地表变形的测量已在多个滑坡实地应用。施测时需第一次进行学习测量，以后可根据 学习记录自动定位对焦到预设测点。与GPS技术相比，测量机器人监测的点更多、速度更 快。其缺点是需要测站与监测点之间点点通视、受外界条件的影响更大（如雨天、雾天不能 观测）、随距离的增加精度降低较快等。
[0007] 拉线式地表位移计：在固定点与监测点之间通过钢线相连，钢线绕过滑轮与重锤 连接，通过滑轮与重锤组合提供的恒力将钢线拉直，监测点的运动带动钢线的运动，进而带 动传感探头中角度传感器的转动，此类设备精度高、量程大（可以监测几米到十几米的位 移），且受天气影响小，雨、雾天气均可施测。此种方法的缺点是安装不便，量程需求较大时 需要重锤有一定的活动空间，安装高度受到一定限制，另外，由于其测量原理制约，安装时 需打开装置罩体，按顺序穿绕测线，非专业人员容易出现安装错误。再者，由于没有计圈装 置，滑轮旋转圈数无法计算，无法得知断电期间的位移圈数，给测量结果带来一定隐患。
[0008] 上述几种方法共同存在的问题是：地灾现场的地表位移监测点一般安装于现场有 一定高度的安装台（或杆）上，当安装台发生倾斜时造成顶部的监测点发生水平位移，由于 没有倾斜误差校正装置，无法获知产生此位移的根源，造成位地表位移量的误判。


【发明内容】

[0009] 为了解决上述问题，本发明提供了一种地表高精度大量程位移测量装置，所述装 置包括现场传感模块，其特征在于：所述现场传感模块包括保护罩体、传感转换装置、位移 传感器，所述保护罩体用于安装所述传感转换装置，所述传感转换装置上安装有所述位移 传感器。所述传感转换装置包括恒力弹簧、变向滑轮、位移变换装置。所述位移传感器上安 装有与其同轴的位移滑轮，所述位移滑轮上绕有柔性位移测线。
[0010] 进一步地，所述位移传感器由固定于一体的大轮与小轮组成。
[0011] 进一步地，所述传感转换装置包括计圈机构，该计圈机构为变速结构（可以为涡 轮蜗杆或齿轮或皮带轮）。
[0012] 进一步地，所述测量装置还包括安装承台，其作为整个测量装置的加装架，与保护 罩体固定，第一角位移传感器、第二角位移传感器、恒力弹簧、变向滑轮均安装固定于所述 安装承台上。
[0013] 进一步地，第一测线用于连接所述弹簧与所述位移变换装置，一端与所述弹簧连 接，另一端通过变向装置绕于所述位移变换装置上的小轮上；第二测线用于连接所述位移 变换装置与位移监测点，一端绕于所述位移变换装置大轮上，另一端延伸连接到被测位移 点。
[0014] 进一步地，所述第一角位移传感器与所述安装承台固定，其下方设置的旋转轴上 有蜗杆结构，所述旋转轴下部与所述位移变换装置固定；所述第二角位移传感器与安装承 台固定，其下方设置的旋转轴上有蜗轮结构，由于蜗轮蜗杆结构的作用，第二角位移传感器 可将第一角位移传感器在旋转圈数转换为一个较小的角度变化量。
[0015] 进一步地，所述预警模块为远程预警模块时，所述测量装置包括所述现场传感装 置、采发模块、接收模块、远程预警模块、上位机分析模块，所述采发模块采集现场传感模块 的信息；所述接收模块通过网络接收所述采发模块采集的所述信息；所述上位机分析模块 对所述接收模块接收的所述信息进行分析；所述远程预警模块发出预警。
[0016] 进一步地，所述预警模块为现场预警模块时，所述测量装置包括现场传感装置、采 发模块、现场预警模块，所述采发模块采集现场传感模块的信息；所述现场预警模块根据所 述信息发出预警。
[0017] 进一步地，所述装置还包括供电模块，其用于给采发模块供电，所述采发模块包括 时钟模块、数采模块、无线模块、预警驱动模块、参数设置及存储模块。
[0018] 进一步地，所述供电模块包括太阳能电池板、蓄电池及蓄电池充电保护电路。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用弹簧提供的恒力及物理量转 换机构、太阳能供电模块、无线采发模块等几部等几部分相互配合，可长时间处于野外自主 工作，无需人工干预，减少人技术人员的劳动强度，结构简单、原理清晰。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1为整个装置系统的结构示意图；
[0021] 图2为现场传感模块的结构示意图；
[0022] 图3为供电模块的结构示意图；
[0023] 图4为采发模块的结构示意图；
[0024] 图5为现场预警模块的结构示意图；
[0025] 图6为远程预警模块的结构示意图。

【具体实施方式】
[0026] 如图1所示，本发明公开的地表高精度大量程位移测量装置包括现场传感模块、 供电模块、采发模块、接收模块、预警模块、上位机软件。
[0027] 具体地，如图2所示，现场传感模块包括保护罩体、传感转换装置、位移传感器等。 在现场传感模块中，保护罩体用于安装传感转换装置，传感转换装置上安装有角度位移传 感器，角度位移传感器上安装有与其同轴的位移滑轮，位移滑轮上绕有柔性位移测线；传感 转换装置包括恒力弹簧、变向滑轮、位移放大组件等。
[0028] 位移变换装置由固定于一体的大轮与小轮组成，位移变换装置有两个功能，一为 将外部产生的线位移转变为内部角位移传感器的角度位移；二为将外部线位移量等比缩小 后经变向滑轮传递给恒力弹簧。
[0029] 采用变速结构作为计圈机构，第一轮与角位移传感器1旋转轴同心固定，第二轮 与角位移传感器2旋转轴同轴固定，当发生外部位移变化时，将角位移传感器1产生的多圈 位移转变为角位移传感器2的一定角度的变化量，从而能实时计算出角位移传感器1旋转 的总圈数，解决了超大量程与测量精度之间的矛盾关系。
[0030] 变向滑轮主要起到增加弹簧伸缩量程扩展及弹簧力重定向的作用，通过此滑轮， 能使弹簧在整个机构内的活动空间最大化，最大限度的提高本装置的测量量程。
[0031] 限位块用于所述装置出厂时测线的预定位，出厂时，将测线2预拉，使内部恒力弹 簧产生一定的拉伸，限位块与测线2固定，使整个装置内部各处产生一定的拉力，从而避免 了此装置在运输及安装过程中可能出现的内部测线脱位。无需打开保护罩体即可完成此装 置的现场安装。
[0032] 安装承台用于整个测量机构的加装架，与保护罩体固定，为各个部分提供统一的 位置参考。角位移传感器1、角位移传感器2、恒力弹簧、变向滑轮均安装固定于安装承台 上。
[0033] 测线1用于连接弹簧与位移变换装置，一端与弹簧连接，另一端通过变向轮绕于 位移变换装置上的小轮上，完全传递角位移传感器1旋转轴与弹簧位移量的角位移-线位 移的转换工作。
[0034] 测线2用于连接位移变换装置与位移监测点，一端绕于位移变换装置大轮上，另 一端延伸连接到被测位移点。位移变换装置上预先绕有足够长度的测线，预绕的测线应大 于此装置的设计量程。
[0035] 角位移传感器1与安装承台固定，其下方设置的旋转轴上有变速结构，旋转轴下 部与位移变换装置固定。主要功能一是测量由外部线位移转换得来的高精度角度位移量， 二是将产生的旋转量通过变速结构传递给角度传感器2。角位移传感器1、变速机构、角度 传感器2共同完成高精度大量程位移测量。
[0036] 角位移传感器2与安装承台固定，其下方设置的旋转轴上有变速结构，由于变速 结构的作用，角位移传感器2可将角位移传感器1在旋转圈数转换为一个较小的角度变化 量，从而能实现对角位移传感器1旋转圈数的计数功能。角位移传感器1、变速机构、角度传 感器2共同完成高精度大量程位移测量。
[0037] 倾角传感器用于测量本发明装置在使用过程中的实时倾斜角度，与装置安装高度 配合完成位移量校正工作。
[0038] 定向轴承用于本发明中的装置与被测点连接时的方向自主定向。轴承与旋转轴连 接，旋转轴与保护罩体连接。测线2从本发明装置引出后连接到被测点，由于有预拉力及定 向轴承的存在，本发明装置自动旋转角度，使出线孔与被测点自然平行，实现了此发明装置 与被测点的自动定向功能。
[0039] 安装法兰作用在于本发明装置与现场安装点的过渡安装。
[0040] 保护罩体为整个装置提供统一参考点，起到各部分固定的作用。保护罩体下部有 数据输出接口，用于输出各类测量数据（位移量及倾斜角度）。
[0041] 预处理电路用于与内部各传感器及对外数据接口连接，采集角位移传感器1、角位 移传感器2的当前角度值，根据已知的线位移与角位移之间比例关系、角位移传感器1的旋 转圈数，计算当前的总位移量；采集当前倾角传感器的倾斜角度，根据设备安装时与地面的 高度计算因安装平台倾斜造成的位移校正数，并根据用户参数设置校正位移量。
[0042] 如图3所示，本发明为一种野外用无人值守设备，供电使用了太阳能电池板+蓄电 池式的自主方式。所示供电模块包括：太阳能电池板、蓄电池及蓄电池充电保护电路。其 中，太阳能电池板用于对蓄电池电量进行补充，是实现野外自主工作的参量来源。充电保护 电路按照蓄电池的充电特性，负责完成对蓄电池充电及电池过充保护。蓄电池则与采发模 块连接，为采发模块提供电能。
[0043] 采发模块是现场数据采集、现场报警、及数据远传的核心装置，其完成的主要工作 有：定时启动（或实时在线）采集现场各类传感器数据、现场报警阀值设置及对比、现场报 警驱动、数据远传及接收本地或远程无线指令。
[0044] 如图4所示，采发模块主要包括时钟模块、数采模块、无线模块、预警驱动模块。其 中，时钟模块用于模块内部计时，完成定时关机、启动，以实现永久式低功耗监测功能；数据 采集模块用于完成与其连接的各类传感器的数据采集及对传感器的供电管理工作；无线模 块用于实现传感数据远传及远程指令接收，无线模块可以是GSM、GPRS及自建的区域化射 频无线网线等。GSM、GPRS可实现数据的超远程传输与接收，射频网络可实现局部数公里内 的数据传输及接收，实际使用时可根据具体需要单点直接远传或本地组网后远传；现场报 警驱动电路模块则是当传感器的变化量达到或超过预定的阀值时，采发模块自动打开此驱 动电路开关，完成现场声音报警。
[0045] 预警模块包括现场预警及远程预警两种方式。现场预警又可分为两种（如图5所 示），一种是测量点处的直接连接的喇叭声音报警，另一种是利用采发模块内部的区域频率 网线，通过发送报警指令，使安装于射频有效范围内的射频报警器发出报警；远程报警也分 为两种形式（如图6所示），一种是计算机本地的声光报警，另一种是利用接收模块的无线 收发功能及计算机网络功能，对预置的若干手机号码或IP地址进行报警信息发送。
[0046] 上位机分析模块用于进行数据接收、接收设备管理、数据管理、预警管理。数据接 收为实时监听接收设备端口，对接收到的数据进行解析、筛选；接收设备管理为对接收设备 进行连接、断开以及多台接收设备时的协调管理工作；数据管理的主要内容为数据库管理， 将接收到的数据根据数据库存内数据表的结构保存数据，对数据进行实时分析比对，进而 进行更进一步的操作；预警管理为根据用户预定的报警规则，进行本地声光报警及远程报 警。
[0047] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技 术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种地表高精度大量程位移测量装置，所述装置包括现场传感模块、其特征在于，所 述现场传感模块包括保护罩体、传感转换装置、位移传感器，所述保护罩体用于安装所述传 感转换装置，所述传感转换装置上安装有所述位移传感器，所述传感转换装置包括恒力弹 簧、变向滑轮、位移变换装置，所述位移传感器上安装有与其同轴的位移滑轮，所述位移滑 轮上绕有柔性位移测线。
2. 根据权利要求1所述的装置，所述位移传感器由固定于一体的大轮与小轮组成。
3. 根据权利要求1所述的装置，所述传感转换装置包括计圈机构，该计圈机构为变速 结构，所述变速结构可以是涡轮蜗杆，也可以是齿轮或皮带轮。
4. 根据权利要求1所述的装置，所述测量装置还包括安装承台，其作为整个测量装置 的加装架，与保护罩体固定，第一角位移传感器、第二角位移传感器、恒力弹簧、变向滑轮均 安装固定于所述安装承台上。
5. 根据权利要求4所述的装置，第一测线用于连接所述弹簧与所述位移变换装置，一 端与所述弹簧连接，另一端通过变向装置绕于所述位移变换装置上的小轮上；第二测线用 于连接所述位移变换装置与位移监测点，一端绕于所述位移变换装置大轮上，另一端延伸 连接到被测位移点。
6. 根据权利要求4所述的装置，所述第一角位移传感器与所述安装承台固定，其下方 设置的旋转轴上有变速结构，所述旋转轴下部与所述位移变换装置固定；所述第二角位移 传感器与安装承台固定，其下方设置的旋转轴上有变速结构，由于变速结构的作用，第二角 位移传感器可将第一角位移传感器在旋转圈数转换为一个较小的角度变化量。
7. 根据权利要求1所述的装置，所述预警模块为远程预警模块时，所述测量装置包括 所述现场传感装置、采发模块、接收模块、远程预警模块、上位机分析模块，所述采发模块采 集现场传感模块的信息；所述接收模块通过网络接收所述采发模块采集的所述信息；所述 上位机分析模块对所述接收模块接收的所述信息进行分析；所述远程预警模块发出预警。
8. 根据权利要求1所述的装置，所述预警模块为现场预警模块时，所述测量装置包括 现场传感装置、采发模块、现场预警模块，所述采发模块采集现场传感模块的信息；所述现 场预警模块根据所述信息发出预警。
9. 根据权利要求7或8所述的装置，所述装置还包括供电模块，其用于给采发模块供 电，所述采发模块包括时钟模块、数采模块、无线模块、预警驱动模块、参数设置及存储模 块。
10. 根据权利要求9所述的装置，所述供电模块包括太阳能电池板、蓄电池及蓄电池充 电保护电路。
【文档编号】G01B21/02GK104061891SQ201410257537
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2014年6月11日
【发明者】魏世玉, 杨建国, 何飞, 向晓军, 向强, 贺建波, 邓涛, 陈立川, 吴孟, 杨富军, 陈柏林, 赵火焱 申请人:重庆地质矿产研究院