一种分布式注浆过程动态监测装置及方法与流程

1.本发明属于数据采集技术领域，尤其涉及一种分布式注浆过程动态监测装置及方法。


背景技术：

2.注浆技术是用液压、气压或电化学的方法，将某些经过一定时间后能够固化的浆液注入到岩土石的孔隙、裂缝中，使岩土成为强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，这种技术已被广泛地应用在地下水害防治、岩体加固和岩溶塌陷填充等领域。
3.在注浆过程中需要对注浆效果进行检测和评估，高密度电阻率法（multi
‑
electrode resistivity method）作为一种无伤检测方法被大量应用在注浆效果监测中。高密度电阻率法采用一次布置多个电极的数据采集方式，对注浆后区域进行电阻率检测。
4.在现有的使用高密度电阻率法进行注浆效果监测的应用中，采用集中式或分布式的设计，大多为单独使用主机或将主机与转换器结合使用，单独使用主机时将导致可用的通道数较少，而将主机与转换器组合时需要大量的连接线材。高密度电法在枣庄某建设场采空区注浆效果检测中的应用（孟庆鲁等2017）、高密度电法在乌鲁木齐东北某煤田采空区注浆效果检测中的应用（赵利华等2017）、高密度电法在云桂铁路路基岩溶注浆检测的应用（马文涛等2015）采用中地装（重庆）地质仪器公司生产的 duk
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2a 高密度电法系统和重庆奔腾数控技术研究所生产的wdjd－3多功能数字直流激电仪及 wdzj－3多路电极转换器。这两种测量仪器目前的最新版本为duk
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4和wgmd
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9，附图１为wgmd
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9系统的组配件构成图。其中 wgmd
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9系统包括测量主机wda
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1、多路电极转换器 wdzj
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4、电池组和掌上电脑组合使用，带蓝牙无线通讯技术的掌上电脑遥控仪器主机，距仪器主机10米范围内，可实现设置参数、启动测量、传输显示测量结果。单独使用 wda
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1主机进行测量时，最多支持60个电极通道，可以通过连接电极转换器支持更多的电极通道，测量通道的测量范围为
±
80v（24位a/d）。虽然这些检测系统会使用掌上电脑通过蓝牙模块对主机进行操控，但是蓝牙模块的传输距离有限，最远只能覆盖10m的范围，无法满足更远距离大跨度数据采集时的数据传输。
5.中国专利cn106570227a“一种超高密度电法的电极排列优化方法及装置”中，采集装置包括主控设备和若干智能电极，智能电极采用独立的单片机进行控制，电极转换速度快，主控装置与智能电极间通过zigbee技术无线传输数据，减少了现场的布线。但是该专利中每一个智能电极都需配备一个单片机控制系统和zigbee模块，在进行扩展更多的通道时，成本较大。


技术实现要素：

6.本发明提供一种分布式注浆过程动态监测装置及方法，能够通过多个数据采集终端组成的数据采集系统对注浆区域的视电阻率的变化进行监测。
7.本发明是这样实现的，一种分布式注浆过程动态监测装置，包括：用户控制终端，所述用户控制终端具有第一数据传输模块；
数据采集系统，所述数据采集系统包括一条或多条用于对注浆区域视电阻率进行采集的数据采集通道，每条所述数据采集通道包括一个数据采集终端或通过级联串口级联的多个数据采集终端，每个所述数据采集终端具有第二数据传输模块；zigbee网络，所述zigbee网络包括第一数据传输模块和第二数据传输模块，所述第一数据传输模块和第二数据传输模块均为zigbee模块，所述第一数据传输模块为协调器，所述第二数据传输模块为路由器或终端；多个所述数据采集终端中，其中一个数据采集终端作为数据采集主机终端，并通过zigbee网络与所述用户控制终端进行通信；剩余所述数据采集终端作为数据采集从机终端，并通过串口级联线接收数据采集主机终端的控制指令。
8.进一步的，每个所述数据采集终端分别被配置为拥有不同且固定的id号，所述用户控制终端被配置为通过id号向对应的数据采集终端发送控制命令，所述数据采集主机终端通过id号向数据采集从机终端发送控制命令。
9.进一步的，所述用户控制终端还包括第一控制模块和触屏显示模块，所述触屏显示模块为液晶触摸屏，所述液晶触摸屏显示所述第一控制模块中的界面显示程序；所述液晶触摸屏被配置为根据用户的操作产生触摸信号并传输至第一控制模块；所述第一控制模块被配置为接收所述液晶触摸屏的触摸信号，判断触摸位置，获得控制指令，将控制指令通过第一数据传输模块传输至数据采集终端。
10.进一步的，所述用户控制终端设置有第一供电模块，所述数据采集终端设置有第二供电模块，所述第一供电模块包括用于为用户控制终端供电的12v充电电池，所述第二供电模块包括用于为数据采集终端供电的12v充电电池和用于为接地电极供电的电池组。
11.进一步的，所述数据采集终端还包括级联串口、第二控制模块、模数转换模块、串行控制电路和继电器组，多个所述数据采集终端的级联串口之间依次通过电缆电性连接，形成一条数据采集通道；所述第二控制模块包括mcu和mcu核心电路，所述mcu与第二数据传输模块电性连接，将采集的数据通过zigbee网络送到用户控制终端；所述模数转换模块包括ads1263芯片和模数转换电路，所述ads1263芯片具有第一转换通道和第二转换通道。
12.进一步的，每个所述数据采集终端包括8个模拟开关，所述串行控制电路包括30个电极，所述继电器组包括60个继电器，每个电极连接两个继电器和两个模拟开关；每个模拟开关的一个通道端口与一个电极连接，所述mcu输出串行控制数据控制继电器的开关。
13.进一步的，每个所述数据采集终端分别设置有第一级联插头和第二级联插头，所述数据采集终端的第一级联插头与上一数据采集终端的第二级联插头电性连接，所述数据采集终端的第二级联插头与下一数据采集终端的第一级联插头电性连接；当id号较小的数据采集终端与id号较大的数据采集终端连接时，id号较小的数据采集终端作为主机，id号较大的数据采集终端作为从机；所述主机通过串口与所述从机通信，所述从机接收串口指令并控制继电器组对相应的电极进行放电控制，所述主机通过与从机相连的端口进行电压采集，采集完成后主机将数据通过第二数据传输模块发送到用户控制终端。
14.本发明还提供一种基于上述分布式注浆过程动态监测装置的监测方法，包括以下步骤：s1、将电极插到待测注浆区域的上方，把电缆头插入数据采集终端中的插头；s2、连接供电电池组，打开数据采集系统的电源开关，将用户控制终端与数据采集
系统通过zigbee网络连接配对；s3、在用户控制终端上选择需要连接的数据采集终端id号，用户控制终端发送指令至相应id号的数据采集终端；s4、数据采集终端响应用户控制终端的命令，进行数据采集；s5、数据采集完成后，数据采集主机终端将数据打包发送到用户控制终端；s6、用户控制终端将接收到的数据存储到sd卡中。进一步的，步骤s3中，具体包括：用户控制终端进行自检，输入采集的电极数选择高密度电法的电极排列方式；用户控制终端将操作指令打包发送到对应id号的数据采集终端。
15.进一步的，步骤s4中，具体包括：数据采集系统接收到控制指令后，mcu向74hc595串行输出继电器控制二进制码，74hc595将串行的二进制码转换为q1到q8端口的并行输出；超过8位的二进制码通过q7s继续串行输出到下一个74hc595直到8个74hc595将mcu输出的60位串行二进制码转换为并行输出，控制60个继电器的开关来选择30个电极中的两个作为a、b电极接到电池组的正极和负极；a、b电极放电时，mcu通过ads1263读取仪表运放u1输出到ain6上的电阻r6上的电压；放电50ms后mcu控制需要选通的电极所连接的adg5208，将30个电极中的2个选择为m、n电极，分别连接到仪表运放u2的两个输入端；控制分压模拟开关选择r4作为分压电阻，将m、n电极之间的电压减小为1/20进行预检测电压，若预检测电压小于10mv则选择更小的分压电阻，直到检测到的电压大于10mv后才开始进行数据采集；根据接收到的采集的通道数和高密度电法电极排列方式重复上述进行多次的电极选通和电压采集。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明仅用一个用户控制终端通过zigbee网络与数据采集系统中的多个数据采集终端进行连接并进行操控，以监测注浆区域在注浆过程中的视电阻率变化情况，进而实现对注浆效果的评价。zigbee网络相比现有技术中的蓝牙传输模块，数据传输的范围更大节点连接数量更多。同时本发明中的装置还能够通过电缆线将多个数据采集终端的级联串口连接在一起，以此来实现电极通道的扩展，进行更大区域的监测，确保最终采集到的数据兼具良好的准确性和可靠性。
附图说明
17.图1为本发明的分布式注浆过程动态监测装置结构图；图2为本发明中的数据采集终端结构图；图3为本发明的级联串口电路示意图；图4为本发明的ads1263模数转换电路示意图；图5为本发明的串行电极控制电路示意图。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
19.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
20.实施例1本发明提供一种技术方案：一种分布式注浆过程动态监测装置，包括：用户控制终端，用户控制终端包括第一控制模块、第一供电模块、触屏显示模块和第一数据传输模块，第一控制模块与第一供电模块、触屏显示模块、第一数据传输模块连接；数据采集系统，数据采集系统包括一条或多条数据采集通道，通过数据采集通道对注浆区域的视电阻率进行采集，数据采集通道包括一个数据采集终端或通过级联串口级联的多个数据采集终端，每个数据采集终端包括第二数据传输模块、级联串口、第二控制模块、模数转换模块、串行控制电路、第二供电模块、电极、继电器组，第二控制模块包括mcu和mcu核心电路；第一数据传输模块和第二数据传输模块均为zigbee模块，用户控制终端中的zigbee模块为协调器，数据采集终端中的zigbee模块为路由器或终端；以及zigbee网络，zigbee网络包括用户控制终端中的zigbee模块和数据采集终端中的zigbee模块；多个数据采集终端中，其中一个数据采集终端作为数据采集主机终端通过zigbee网络与用户控制终端进行通信，其余数据采集终端作为数据采集从机终端通过串口级联线接收数据采集主机终端的控制指令。
21.其中，每个数据采集终端被配置为拥有固定的id号，每个数据采集终端的id号不同；用户终端被配置为通过id号向对应的数据采集终端发送控制命令；数据采集通道中的数据采集主机终端通过id号向数据采集从机终端发送控制命令；多个数据采集终端的级联串口之间依次连接电缆，形成一条数据采集通道；具体地，触屏显示模块为液晶触摸屏，液晶触摸屏显示第一控制模块中的界面显示程序；液晶触摸屏被配置为根据用户的操作产生触摸信号并传输至第一控制模块；第一控制模块被配置为接收液晶触摸屏的触摸信号，判断触摸位置，获得控制指令，将控制指令通过zigbee模块传输至数据采集终端。
22.第一供电模块为12v的充电电池，给用户控制终端供电。第二供电模块包括12v的充电电池和电池组，12v的充电电池为数据采集终端供电，电池组为接地电极供电。
23.模数转换模块包括ads1263芯片、模数转换电路；ads1263芯片包括第一转换通道和第二转换通道；第一转换通道，ads1263芯片上的ain6和ain7用于采集电池组的输出电流在取样
电阻r6上产生的电压大小，ain6的输入前级连接一个ina128仪表运放，ina128仪表运放连接一个r1反馈电阻将r6两端的电压放大11倍；第二转换通道，ads1263芯片上的ain8和ain9用于采集电极m和n间的电压差，ain9的输入前级连接一个adg5208模拟开关；adg5208模拟开关通过mcu控制从s1~s4四个端口中选择一个电阻与电阻r5构成分压电路，使得电极m和n之间的电压最高可减小为1/20，电极m和n之间的输入电压差最多为18v；mcu连接zigbee模块，将采集的数据通过zigbee网络送到用户终端。
24.本实施方式中，串行电极控制电路包括30个电极，每个电极连接两个继电器和两个模拟开关；继电器组包括60个继电器，继电器的控制端通过74lvc4245与74hc595相连，由mcu输出串行控制数据来控制继电器的开关；每个数据采集系统包括8个adg5208模拟开关，每个adg5208的一个通道端口与一个电极连接，通过mcu控制adg5208来控制电极连接到仪表运放u2的in
‑
、in 或断开。
25.其中，每个数据采集终端包括两个级联插头j1和j2，j1与上一数据采集终端的j2连接，j2与下一数据采集终端的j1连接；级联串口使用电缆线连接到两个不同的数据采集终端的级联插头；当id号较小的数据采集终端与id号较大的数据采集终端连接时，id号较小的数据采集终端作为主机，id号较大的数据采集终端作为从机；主机通过串口usart2_txd和usart2_rxd与从机通信，从机负责接收串口指令并控制继电器组对相应的电极进行放电控制，主机通过与从机相连的m和n端口进行电压采集；采集完成后主机将数据通过zigbee模块发送到用户控制终端；power 连接到电池组的正极，power
‑
连接到电池组的负极。
26.实施例2本实施例为一分布式注浆过程动态监测装置，其装置结构图参见图1，该装置由一个用户控制终端和数据采集系统组成，数据采集系统中包含一条或多条数据采集通道，数据采集通道包含一个或多个数据采集终端。
27.用户控制终端由一块stm32f407开发板、12v充电电池、液晶触摸屏和zigbee模块构成。stm32f407作为用户控制终端的mcu，在用户控制终端的mcu上有编写好的界面显示程序，可通过液晶触摸屏显示和人机交互。整个用户控制终端使用12v的充电电池供电。
28.根据用户的操作，用户控制终端的mcu接收到液晶触摸屏的触摸信号，通过判断这些信号的触摸位置获取操作指令，通过zigbee模块将对应的操作指令发送出去。
29.用户控制终端与数据采集系统之间使用zigbee网络进行通信。在zigbee网络中，与用户控制终端相连的zigbee模块作为协调器，其余与数据采集系统相连的zigbee模块作为路由器或终端。每个数据采集终端有各自的id号，通过id号用户终端可以对对应的数据采集终端发送控制命令。
30.数据采集终端结构图参见图2，数据采集终端主要由zigbee模块、级联串口、stm32f103核心电路、ads1263模数转换电路、串行电极控制电路、电池组、继电器组和电极、电缆组成。
31.zigbee模块为市面上可购买到的cc2530模块。stm32f103核心电路为该芯片能够
正常工作的最小系统电路。
32.ads1263模数转换电路示意图参见图4，32位的模数转换芯片ads1263被使用了两组转换通道。
33.第一组转换通道，ain6和ain7为一组，用于采集电池组的输出电流在电阻r6上产生的电压大小，在ain6的输入前级为一个ina128仪表运放，接了一个r1反馈电阻将r6两端的电压放大11倍；第二组转换通道，ain8和ain9为一组，用于采集电极m和n间的电压差，ain9的输入前级接了一个adg5208模拟开关，由mcu控制可从s1 ～s4四个端口中选择一个电阻与电阻r5构成分压电路，使得电极m和n之间的电压最高可减小为1/20，电极m和n之间的输入电压差最多为18v。
34.采集完成后通过串口将数据发送给cc2530，再通过zigbee网络发送到用户终端。
35.本实施方式中，串行电极控制电路示意图参见图5，每根电极被接到两个继电器和两个模拟开关上。继电器组一共包括60个继电器，两两一组接到一个电极上，共30个电极。
36.继电器的控制端通过74lvc4245与74hc595相连，由mcu向74hc595输出串行控制数据来控制继电器的开关，从而将电极连通到电池组的正极、负极或断开。
37.每个数据采集终端有8个用于控制电极与u2的输入通道通断的adg5208模拟开关，两两一组，每个adg5208的一个通道端口与一个电极相连，30个电极使用了60个通道，通过mcu控制adg5208来控制电极连接到仪表运放u2的in
‑
、in 或断开。
38.终上所述，串行电极控制电路实现的功能就是将一个电极选择接到电池组的正极或负极、仪表运放的同相输入端或反相输入端或者断开。
39.其中，级联串口的电路示意图参见图3，每个数据采集终端有两个级联插头，将j1与上一数据采集终端的j2相连、j2与下一数据采集终端的j1相连，通过级联串口可以将数据采集终端两两之间连接，实现电极端口数量的扩展。每个数据采集终端都有一个固定的id号，当小的id号的数据采集终端与大id号的数据采集终端相连时，id号小的采集系统作为主机，id号大的作为从机。主机通过mcu的串口引脚usart2_txd和usart2_rxd与从机通信，从机只负责接收串口指令并控制继电器组对相应的电极进行放电控制，而主机通过与从机相连的电极m和n端口进行电压采集。
40.采集完成后主机将数据通过zigbee模块发送到用户控制终端。power 连接到电池组的正极，power
‑
连接到电池组的负极。
41.实施例3本实施例为一种分布式注浆过程动态采集方法，该方法使用上述实施例中的装置进行操作。
42.该方法包括以下步骤：s1、将电极插到实验室模拟的待测注浆区域的上方，并把电缆头插入数据采集系统中的插头；s2、接上电池组，打开数据采集系统的电源开关，使用控制终端通过zigbee与其配对连接；s3、连接成功后，在控制终端上选择需要连的数据采集终端id号，对其进行操作：首先进行自检，然后输入采集的电极数选择高密度电法的电极排列方式等操作后，控制终
端将所有的操作指令打包发送到对应id号的数据采集终端；s4、数据采集终端接收到控制指令后，mcu根据指令进行对应的操作，向74hc595串行输出继电器控制二进制码，74hc595将串行的二进制码转换为q1到q8的并行输出，超出8位的二进制码通过q7s继续串行输出到下一个74hc595直到8个74hc595将mcu输出的60位串行二进制码转换为并行输出，控制60个继电器的开关来选择30个电极中的两个作为a、b电极接到电池组的正极和负极；a、b电极放电时，通过ads1263读取仪表运放u1输出到ain6上的电阻r6上的电压，放电50ms后mcu控制需要选通的电极连接的adg5208，将30个电极中的2个选择为m、n电极，分别连接到仪表运放u2的两个输入端，之后mcu先控制分压模拟开关选择r4作为分压电阻，将m、n电极之间的电压减小为1/20进行预检测电压，若预检测电压小于10mv则选择更小的分压电阻直到检测到的电压大于10mv完成一次采集，根据接收到的采集电极数和高密度电法排列方式重复上述进行多次的电极选通和电压采集。
43.s5、完成采集后，数据控制终端将数据打包发送到用户控制终端，用户控制终端将接收到的数据存储到sd卡中。
44.如果有多台数据采集终端通过电缆线进行级联，低id号的数据采集终端会作为主机接收用户控制终端的指令，并对其他数据采集终端进行控制。
45.在步骤s4，如果电极号超过自身所控制的30号电极，则通过电缆线控制从机打开对应的继电器，或adg5208，选择a、b和m、n电极。
46.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。