可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置的制作方法

1.该实用新型涉及危岩体监测技术领域，尤其涉及可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置。


背景技术：

2.在实际监测过程中，危岩体相对于后侧或旁侧稳定岩体的相对位移方向决定了危岩体可能的崩塌滚落方向。因此如果能对危岩体的相对位移方向进行监测，专业技术人员结合地质条件就能较为准确地判断危岩体的破坏模式和崩塌方向，进而结合地形条件就可以对危岩体的崩塌滚落轨迹和威胁范围进行较为准确的判断，从而能够制定更加有效和针对性的应急防范预案，进一步确保人民群众生命财产安全。
3.目前地质灾害体的位移方向主要依靠的是gnss监测仪，这种方法可以测量地质灾害体的绝对位移方向。但gnss监测仪的监测精度依赖于卫星的数量和卫星信号的强弱，如果接收卫星信号的数量和强弱有限，则会造成较大的测量误差；且gnss监测仪的数据解算通常需要一个小时左右，具有一定的滞后性，并不能实现真正的实时监测，如果遇到在数分钟或数十分钟内崩塌的突发性危岩体，gnss监测仪可能面临监测预警失效而造成生命财产损失。另外，gnss监测仪的成本较高。


技术实现要素：

4.针对上述技术的不足，本实用新型的目的在于提供可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置，用以解决在对地质灾害体的位移方向进行测量时，现有技术中测量装置难以满足高精度测量的需求，以及难以实现对地质灾害体的位移方向进行实时监测的问题。
5.为了达到上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
6.可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置，包括在长度方向上可进行伸缩的壳体，所述壳体的内壁上设有安装杆，所述安装杆的一端与壳体内壁固定连接，所述安装杆另一端设有安装托盘，所述安装托盘与安装杆固定连接，所述安装托盘的上表面上设有带开口的环形电阻，所述环形电阻的上方设有指南针，所述指南针的中部与安装杆转动连接，所述指南针朝向环形电阻的一侧面上设有导电元件，指南针转动时，导电元件与环形电阻滑动接触；
7.还包括电性连接的供电模块、通讯模块和控制模块，所述供电模块包括电源和第一电流计，所述电源的一电极与导电元件的一端部电性连接，另一电极与环形电阻的一缺口端电性连接，所述第一电流计串接在与电源一电极连接的导线上，所述控制模块用以读取第一电流计的数值，并对危岩体相对位移进行计算，所述通讯模块用于将控制模块计算的数据进行远程传输。
8.进一步限定，所述壳体包括内壳体和外壳体，所述内壳体和外壳体首尾相接，所述内壳体的一端可在外壳体的内部进行滑动，所述安装杆设置于内壳体上，其有益之处在于，
监测装置安装之后可随着危岩体的位移而发生伸缩变化，壳体采用内壳体和外壳体伸缩滑动的方式，结构简单，安装方便。
9.进一步限定，所述内壳体和外壳体之间设有弹性件，所述弹性件的两端分别与内壳体与外壳体位于外侧的一端固定连接，且弹性件位于内壳体和外壳体的内部，其有益之处在于，处于拉伸状态的弹簧可以给内壳体和外壳体提供预紧力，使内壳体和外壳体在安装和运输的过程中不会出现脱落的情况。
10.进一步限定，所述内壳体和外壳体位于外侧的一端上设有安装接头，所述安装接头与内壳体和外壳体之间可拆卸式连接，其有益之处在于，设置安装接头的目的在于，便于本装置和危岩体进行连接和固定。
11.进一步限定，所述导电元件为导电丝或导电片。
12.进一步限定，安装时，环形电阻的开口方向与壳体的中心轴线走向一致，且环形电阻的开口指向正北方，其有益之处在于，这样的初始安装方式，便于简化危岩体相对位移方向的计算过程，同时可以使装置在批量生产时结构更为简单，生产过程质量更加可控。
13.需要指出的是，若环形电阻的开口方向和壳体的中心轴线不按正北方向安装，也不影响本装置对危岩体相对位移方向的的测量功能；只要危岩体移动带动装置壳体发生偏转，进而引起指南针和导电元件在环形电阻上偏转引起第一电流计读数发生变化，就能对危岩体相对位移方向进行测量，这儿只是提供的一种最优化的安装方式，便于简化计算过程，同时对产品的生产过程和质量进行更优化的控制。
14.进一步限定，环形电阻选取电阻率随环境温度变化小的材质，其有益之处在于，这样能减小环境温度变化引起电阻率变化所造成的测量误差。
15.进一步限定，所述托盘下部设有第二电阻和第二电流计，且第二电阻的两端与电源接通，所述第二电流计串接于第二电阻与电源之间的电路上，所述第二电阻的材质与环形电阻相同，其有益之处在于，设置第二电阻和电流计，可以在环境温度变化造成电阻率变化时准确求取环形电阻在任一时刻的电阻率，从而在计算时消除电阻率随环境温度变化的影响，使测量的结果更加准确。
16.进一步限定，所述指南针的上方设有限位齿，所述限位齿与指南针的上表面接触，所述限位齿固定于安装杆上，其有益之处在于，限位齿的设置使指南针不会因为危岩体的倾斜或是移动造成指南针上的导电元件与环形电阻脱离接触，使指南针始终与环形电阻平行接触，保证指南针上的导电元件和环形电阻的接触效果。
17.可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置的计算方法，具体步骤如下：
18.设某一时刻危岩体相对稳定岩体的位移方向(即装置安装于危岩体上的一端相对于安装于稳定岩体上的一端的方向)为x
°
时，第一电阻的接入长度为l，第一电流计的读数为i，则：
19.i＝u/(ρl/s)
20.推导出：l＝(us)/(ρi)
21.进而：x＝360(l/l0)＝360[(us)/(ρil0)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0022]
通过(1)式可在电阻率基本不变时，较为方便准确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向，(1)式中，u为电源电压，s为环形电阻的横截面积，ρ为环形电阻的电阻率，l0为环形电阻的周长；
[0023]
引入第二电阻和第二电流计时，设第二电阻的横截面积为s＇，第二电阻的接入长度为l0＇，则根据第二电流计的读数i＇可实时求得环境温度变化引起电阻率变化时，环形电阻和第二电阻的电阻率ρ：
[0024]
ρ＝(us＇)/(i＇l0＇)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0025]
将(2)式代入(1)式即可在环境温度变化引起电阻率变化时，精确求得危岩体相对位移方向为：
[0026]
x＝360(i＇/i)(l0＇/l0)(s/s＇)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
通过(3)式可在环境温度变化造成电阻率变化时，精确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向。
[0028]
特殊情况下，当第二电阻和环形电阻的长度和横截面积均相等时，即：l0＇＝l0，s＇＝s时，(3)式可化简为：
[0029]
x＝360(i＇/i)。
[0030]
当装置和环形电阻开口的初始安装方向不是正北方向时，也可以由装置安装时环形电阻开口的初始方向，推导出危岩体相对位移方向的其他相应的计算公式，这儿不再赘述。
[0031]
本技术方案的工作原理为：
[0032]
测量时，将装置的一端万向转动连接在稳定岩体上，另一端万向转动连接在危岩体上。根据现场测量条件，还可采用辅助打桩的形式，在稳定岩体和危岩体上分别打一个桩，再将装置两端分别与两个桩万向转动连接。则危岩体发生位移时，装置将被拉伸或压缩，连接在危岩体上的一端将发生水平或垂直移动。由于安装杆固定在装置外壳内表面上，安装托盘固定在安装杆上，环形电阻固定在安装托盘上，因此环形电阻的开口方向始终会随着装置中心轴线的移动而移动，但指南针的n极则会始终指向正北方向，因此危岩体位移引起装置发生移动时，接入电路的电阻长度会发生变化，进而造成电流计读数变化而进行测量。
[0033]
本技术方案所取得的技术效果如下：
[0034]
(1)本装置结构简单，安装方便，且能实现对危岩体相对位移方向的高精度的实时测量。(2)本装置的通用性和实用性强，不但能测量危岩体的相对位移，对于所有地质灾害体或者其他移动物体的相对位移，都能通过本装置测量。(3)本装置通过利用指南针在发生偏转时会始终指向正北方向的特性，来对危岩体发生位移的角度进行精准采集，再通过指南针旋转时，改变接入环形电阻的长度的方式，对危岩体产生的相对位移方向进行精准的换算，极大的提高了对危岩体相对位移方向的测量准确性，且能对危岩体的位移方向进行实时监测。(4)通过设置第二电阻和第二电流计，可以对环境温度变化造成电阻率变化引起的测量误差进行消除，从而可以在环境温度变化造成电阻率变化时，进行精确的测量。
附图说明
[0035]
图1为本装置正视图的剖视图示意图。
[0036]
图2为本装置的俯视图示意图。
[0037]
图3为本装置内部零部件的安装和导线连接示意图。
[0038]
图4为导电元件与供电模块的连接导线之间的具体连接方式示意图。
[0039]
附图编号
[0040]
壳体1、弹性件2、安装杆3、安装托盘4、环形电阻5、导电元件6、指南针7、供电模块8、控制模块9、通讯模块10、导电安装环11、连接导线12。
具体实施方式
[0041]
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
[0042]
可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置，包括在长度方向上可进行伸缩的壳体1，壳体1的内壁上设有安装杆3，安装杆3的一端与壳体1内壁固定连接，安装杆3在本具体实施方式中应当是固定于壳体1安装时的底面内侧，且垂直于壳体1的底面安装，安装杆3另一端设有安装托盘4，安装托盘4与安装杆3固定连接，安装托盘4的上表面上设有带开口的环形电阻5，环形电阻5的上方设有指南针7，指南针7的中部与安装杆3转动连接，指南针7朝向环形电阻5的一侧面上设有导电元件6，指南针7转动时，导电元件6与环形电阻5滑动接触；本实施例中为了简化计算，导电元件6安装在指南针7的n极一端，导线连接在环形电阻如图3所示的一侧，当然，导电元件6安装在指南针7的n极一端或者s极一端，或者导线连接在环形电阻5开口的任意一侧也能进行测量，只需推导出相应的计算公式即可，且在本具体实施方式中，环形电阻5开口处的宽度为1-5mm，优选为3mm，在满足加工工艺的基础上，环形电阻开口尽可能减小有助于减少本装置的测量盲区，另外，不难理解的是，由于指南针7和导电元件6在重力作用下会产生细微下垂形变，为了避免二者旋转至环形电阻5的缺口时，被环形电阻5的缺口端阻挡干涉，因此在环形电阻5开口处采用绝缘材料连接，且绝缘材料与环形电阻的表面光滑过渡。
[0043]
可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置，还包括电性连接的供电模块8、通讯模块10和控制模块9，供电模块8包括电源和第一电流计，电源的一电极与导电元件6的一端部电性连接，另一电极与环形电阻5的一缺口端电性连接，如图4所示，在本具体实施方式中，导电元件6与供电模块8之间的具体连接方式为，安装杆3上设有导电安装环11，导电安装环11和安装杆转动连接，指南针7的中部和导电元件6的一端通过导电安装环11共同转动连接在安装杆3上，导电元件6与导电安装环11外表面电性连接，且导电元件6固定于指南针7的n极一端，通过指南针7带动导电元件6进行同轴旋转，连接导线12的一端与供电模块8电性连接，连接导线12的另一端沿着安装杆3轴线方向与导电安装环11内表面电性接触，第一电流计串接在与电源一电极连接的导线上，控制模块9用以读取第一电流计的数值，并对危岩体相对位移方向进行计算，通讯模块10用于将控制模块9计算的数据进行远程传输或发送到监测终端。
[0044]
壳体1包括内壳体和外壳体，内壳体和外壳体首尾相接，内壳体的一端可在外壳体的内部进行滑动，安装杆3设置于内壳体上，壳体1采用内壳体和外壳体伸缩滑动的方式，结构简单，安装方便，滑动的方式优选可设置滑道和滑槽。
[0045]
内壳体和外壳体之间设有弹性件2，弹性件2的两端分别与内壳体与外壳体位于外侧的一端固定连接，且弹性件2位于内壳体和外壳体的内部，弹性件2在本具体实施方式中优选为弹簧，当然弹性绳也可以满足本装置的使用需求，处于拉伸状态的弹簧可以给内壳体和外壳体提供预紧力，使内壳体和外壳体在安装和运输的过程中不会出现脱落的情况。
[0046]
内壳体和外壳体位于外侧的一端上设有安装接头，安装接头与内壳体和外壳体之
间可拆卸式连接，安装接头可根据实际使用环境设置多种结构和规格，设置安装接头的目的在于，便于本装置在各种复杂地形条件下和危岩体进行连接和固定。
[0047]
导电元件6为导电丝或导电片，因为其导电效果好，导电元件6的电阻可以忽略不计。
[0048]
安装时，环形电阻的开口方向与壳体的中心轴线走向一致，且环形电阻5的开口方向指向正北方，这样的初始安装方式，可简化计算过程，同时可以使装置在批量生产时结构更为简单，生产过程质量更加可控。
[0049]
需要指出的是，若环形电阻的开口方向和壳体的中心轴线不按正北方向安装，也不影响本装置对危岩体相对位移方向的的测量功能；只要危岩体移动带动装置壳体发生偏转，进而引起指南针和导电元件在环形电阻上偏转引起第一电流计读数发生变化，就能对危岩体相对位移方向进行测量，这儿只是提供的一种最优化的安装方式，便于简化计算过程，同时对产品的生产过程和质量进行更优化的控制。
[0050]
环形电阻5选取电阻率随环境温度变化小的材质，即温度的变化对环形电阻5的阻值影响较小，这样能减小环境温度变化引起电阻率变化所造成的测量误差，如材质可以为锰铜合金，好处在于即使不设置第二电阻，也能保证本装置具有相对较高的测量精度。
[0051]
托盘下部设有第二电阻和第二电流计，且第二电阻的两端与电源接通，第二电流计串接于第二电阻与电源之间的电路上，第二电阻的材质与环形电阻相同，设置第二电阻和电流计，在计算时可以消除电阻率随环境温度变化的影响，使测量的结果更加的准确。
[0052]
指南针7的上方设有限位齿，限位齿与指南针7的上表面接触，限位齿固定于安装杆3上，且限位齿与指南针7的摩擦力很小，不会阻止指南针7的正常偏转，限位齿的设置使指南针7不会因为危岩体的倾斜或是移动造成导电元件6与环形电阻5脱离接触，使指南针7始终与环形电阻5平行滑动接触，保证导电元件6和环形电阻5的接触和导电效果。
[0053]
可测量危岩体相对位移方向的自动化监测装置的计算方法，具体步骤如下：
[0054]
设某一时刻危岩体相对稳定岩体的位移方向为x
°
时，第一电阻的接入长度为l，第一电流计的读数为i，则：
[0055]
i＝u/(ρl/s)
[0056]
推导出：l＝(us)/(ρi)
[0057]
进而：x＝360(l/l0)＝360[(us)/(ρil0)]
ꢀꢀꢀ
(1)
[0058]
通过(1)式可在电阻率基本不变时，较为方便准确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向，(1)式中，u为电源电压，s为环形电阻的横截面积，ρ为环形电阻的电阻率，l0为环形电阻的周长；
[0059]
引入第二电阻和第二电流计时，设第二电阻的横截面积为s＇，第二电阻的接入长度为l0＇，则根据第二电流计的读数i＇可实时求得环境温度变化引起电阻率变化时，环形电阻和第二电阻的电阻率ρ：
[0060]
ρ＝(us＇)/(i＇l0＇)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0061]
将(2)式代入(1)式即可在环境温度变化引起电阻率变化时，精确求得危岩体相对位移方向为：
[0062]
x＝360(i＇/i)(l0＇/l0)(s/s＇)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
通过(3)式可在环境温度变化造成电阻率变化时，精确地求得任一时刻危岩体的
相对位移方向。
[0064]
特殊情况下，当第二电阻和环形电阻的长度和横截面积均相等时，即：l0＇＝l0，s＇＝s时，(3)式可化简为：
[0065]
x＝360(i＇/i)。
[0066]
当装置和环形电阻开口的初始安装方向不是正北方向时，也可以由装置安装时环形电阻开口的初始方向，推导出危岩体相对位移方向的其他相应的计算公式，在这儿不再赘述。
[0067]
需要提前说明的是，在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0068]
以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。