一种地下水平位移远程自动化监测装置及监测方法与流程

1.本发明涉及地质灾害监测技术领域，特别涉及一种地下水平位移远程自动化监测装置及监测方法。


背景技术：

2.监测是保障人类居住环境、基础设施、重要构筑物等长期安全的重要措施，也是主动防范地质灾害的重要手段。位移是地质体灾变前最显著的信息，通过监测地下不同深度处的水平位移不仅能够掌控地下变形信息和特点，及时发布预警预报信息，而且有对灾害的及时有效处置具有重要意义。目前，国内外主要采用滑动式测斜仪、固定式测斜仪、阵列式测斜仪开展地下水平位移的监测。
3.滑动式测斜仪是最为常用的传统式测量技术，中国专利申请号200510097548.3公布了一种“地下岩移的监测方法”，主要包括测斜仪、二次数据采集仪、测试导槽管、升降装置，升降装置分别由上下一对（共计4个）滑轮构成，同时说明了滑动式测斜仪的人工测量步骤和数据处理方法；中国专利申请号201410008789.5公布了一种“采动覆岩层破坏水平变形的双探头探测方法”，主要包括导轮探头和无轮探头，其中导轮探头测斜仪与专利“地下岩移的监测方法”中的测斜仪相同，无轮探头仅去掉了升降装置。滑动式测斜仪需专业人员往返现场开展测量工作，按照监测间隔人工至少降低和提升2次测斜仪，浪费人力物力，不能够实现远程自动化实时监测，存在安全隐患，尤其野外滑坡监测。
4.固定式测斜仪能够测量的深度点位有限，不利于预警预报和灾害的加固处置；阵列式测斜仪是新近发展的地下水平位移测量技术，能够测量多个深部处的位移量，但难以重复利用，造价昂贵，推广应用难度大。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种地下水平位移远程自动化监测装置及监测方法，该地下水平位移远程自动化监测装置及监测方法不仅能够实现远程自动化监测，还能够多方向、多频率、多深度测量，且可重复利用，降低监测成本。
6.本发明采用的技术方案为：一种地下水平位移远程自动化监测装置，该地下水平位移远程自动化监测装置包括支撑杆、控制箱、升降旋转驱动机构和移动监测机构；所述支撑杆通过地锚螺栓固定安装于监测处的地表；所述控制箱固定安装于支撑杆的上部，其内设有蓄电池、数据采集器、数据传输器和电机智能控制器，数据采集器和电机智能控制器通过数据传输器与后台计算机无线连接，数据采集器与移动监测机构连接，电机智能控制器与升降旋转驱动机构连接，数据采集器、数据传输器和电机智能控制器、升降旋转驱动机构和移动监测机构通过蓄电池供电；所述升降旋转驱动机构固定安装于支撑杆的下部，且位于监测孔的上方，所述移动监测机构安装于监测孔内，升降旋转驱动机构与移动监测机构同轴设置，升降旋转驱动机构与移动监测机构之间通过升降控制线缆连接；所述升降旋转驱动机构通过对升降控制线缆
进行缠绕或放线，使得移动监测机构在监测孔内能够上下移动，升降旋转驱动机构自旋转后，其通过升降控制线缆能够带动移动监测机构进行方向转动。
7.进一步，所述升降旋转驱动机构包括圆形齿环座、圆形齿环、双输出轴减速电机、转动轴承和转动齿轮；所述圆形齿环固定嵌入式安装于圆形齿环座内，其顶面设有齿牙；所述齿环座的一侧通过圆管和抱箍固定安装于支撑杆的下部，且圆形齿环座和圆形齿环位于监测孔的上方与监测孔同轴；所述双输出轴减速电机的两个输出轴同轴，其中一个输出轴为升降缠绕输出轴，另一输出轴为旋转输出轴，所述升降缠绕输出轴的端头处套装转动轴承，所述旋转输出轴的端头处套装有转动齿轮，所述升降控制线缆的一端固定系于升降缠绕输出轴上；所述转动轴承和转动齿轮的外表面均设有与圆形齿环啮合的齿牙；所述双输出轴减速电机位于圆形齿环的上方，其通过转动轴承和转动齿轮与圆形齿环接触，其与电机智能控制器无线连接，其通过升降缠绕输出轴转动能够对升降控制线缆进行缠绕或放线，其通过旋转输出轴转动能够相对于圆形齿环及圆形齿环座进行转动。
8.进一步，所述移动监测机构包括上滑轮组、下滑轮组和测斜器；所述测斜器为圆柱体结构，其内部设有加速度或光纤光栅测量传感器，其顶部与上滑轮组套装连接，其底部与下滑轮组套装连接，其与数据采集器无线连接；所述升降控制线缆的另一端固定系于测斜器的顶部；所述上滑轮组和下滑轮组结构相同，均包括内盘、外盘和衔接轴承；所述衔接轴承套装在内盘的外缘，外盘套装在衔接轴承的外缘，内盘通过衔接轴承能够相对于外盘进行转动，测斜器通过内盘能够相对于外盘进行转动；所述外盘的外壁上设有等间距环绕设置若干滑轮安装杆，滑轮安装杆一端与外盘的外壁固定连接，其另一端安装有能够转动的滑轮，外盘通过滑轮能够在监测孔内的竖直方向上移动。
9.进一步，所述监测孔内还安装有测斜管，测斜管上设有若干凹槽，凹槽数量与上滑轮组、下滑轮组的滑轮数量相匹配，上滑轮组、下滑轮组的滑轮通过测斜管上的凹槽在测斜管内上下移动。
10.进一步，所述上滑轮组、下滑轮组的滑轮安装杆及滑轮的数量至少为四个。
11.进一步，所述测斜器的顶部和升降缠绕输出轴上均设有接近开关传感器，接近开关传感器与电机智能控制器连接。
12.进一步，该地下水平位移远程自动化监测装置还包括太阳能板，所述太阳能板固定安装于支撑杆的顶部；所述控制箱内还设有太阳能控制器，太阳能板通过太阳能控制器与蓄电池连接。
13.一种地下水平位移远程自动化监测方法，该地下水平位移远程自动化监测方法基于上述的地下水平位移远程自动化监测装置，包括以下步骤：步骤一，按照设计要求钻取监测孔，向监测孔内安装测斜管，向测斜管和监测孔间填砂并冲水密实；步骤二，根据升降旋转驱动机构的尺寸及监测孔位置定位地锚螺栓位置，通过地锚螺栓将支撑杆固定安装于监测处的地表，并在支撑杆上安装控制箱、升降旋转驱动机构、太阳能板，连接移动监测机构与升降旋转驱动机构之间的升降控制线缆，最后将移动监测机构放入测斜管内；步骤三，后台计算机通过数据传输器与数据采集器和电机智能控制器建立无线连接，对数据采集器和电机智能控制器设置监测深度、监测深度间隔、监测方向、及监测频率
参数；步骤四，后台计算机通过数据传输器向电机智能控制器下达指令，电机智能控制器控制双输出轴减速电机的升降缠绕输出轴转动，对缠绕在升降缠绕输出轴上的升降控制线缆进行放线动作，移动监测机构在测斜管内向下移动至监测孔孔底；步骤五，电机智能控制器控制双输出轴减速电机的升降缠绕输出轴反向转动，对升降控制线缆进行缠绕动作，移动监测机构在测斜管内向上移动直至移动至监测孔孔口处，监测机构的测斜器顶部及升降缠绕输出轴上的接近开关传感器位置接近后向电机智能控制器反馈信号，电机智能控制器控制双输出轴减速电机停止，移动监测机构的测斜器完成一次数据采集，并将数据采集结果通过传输线传输至数据采集器；步骤六，后台计算机通过数据传输器向电机智能控制器下达指令，电机智能控制器控制双输出轴减速电机的旋转输出轴转动，双输出轴减速电机相对于圆形齿环及圆形齿环座转动一定角度，同时测斜器通过内盘能够相对于外盘转动一定角度，完成移动监测机构的依次角度变换；步骤七，重复步骤四至步骤六，并将数据采集结果通过传输线传输至数据采集器；步骤八，完成测量后升降旋转驱动机构和移动监测机构回归原位，等待下一步指令，数据采集器将所有数据采集结果通过数据传输器传输至后台计算机。
14.本发明的有益效果是：该地下水平位移远程自动化监测装置包括支撑杆、控制箱、升降旋转驱动机构和移动监测机构；控制箱内设有蓄电池、数据采集器、数据传输器和电机智能控制器，数据采集器和电机智能控制器通过数据传输器与后台计算机无线连接，数据采集器与移动监测机构无线连接，电机智能控制器与升降旋转驱动机构通过线缆连接；后台计算机通过数据传输器与数据采集器和电机智能控制器建立无线连接，对数据采集器和电机智能控制器设置监测深度、监测深度间隔、监测方向、监测频率等参数；台计算机通过数据传输器向电机智能控制器下达指令，电机智能控制器即可控制升降旋转驱动机构运行，升降旋转驱动机构通过对升降控制线缆进行缠绕或放线，使得移动监测机构在监测孔内能够上下移动，升降旋转驱动机构进行自旋转，并通过升降控制线缆和接近开关传感器能够带动移动监测机构进行方向转动，进而实现远程自动化监测，多方向、多频率、多深度测量，该远程自动化监测过程可节省人力物力，降低监测成本，利于在地质灾害监测技术领域推广应用。
附图说明
15.图1为本发明的整体结构示意图；图2、图3、图4为本发明升降旋转驱动机构的结构示意图；图5为本发明移动监测机构的结构示意图；图6为本发明控制箱内的设备连接示意图；图1—5中，1—支撑杆，2—控制箱，3—升降旋转驱动机构，4—移动监测机构，5—地锚螺栓，6—监测孔，7—升降控制线缆，8—圆形齿环座，9—圆形齿环，10—双输出轴减速电机，11—转动轴承，12—转动齿轮，13—圆管，14—抱箍，15—升降缠绕输出轴，16—旋转输出轴，17—上滑轮组，18—下滑轮组，19—测斜器，20—内盘，21—外盘，22—衔接轴承，23—滑轮安装杆，24—滑轮，25—测斜管，26—凹槽，27—接近开关传感器，28—太阳能板。
具体实施方式
16.下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚，完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.如图1所示，本实施例提出了一种地下水平位移远程自动化监测装置，该地下水平位移远程自动化监测装置包括支撑杆1、控制箱2、升降旋转驱动机构3和移动监测机构4；具体的，所述支撑杆1通过地锚螺栓5固定安装于监测处的地表；所述控制箱2通过抱箍固定安装于支撑杆1的上部，控制箱2内设有蓄电池、数据采集器、数据传输器和电机智能控制器，如图6所示，数据采集器和电机智能控制器通过数据传输器与后台计算机无线连接，数据采集器与移动监测机构4连接，电机智能控制器与升降旋转驱动机构3连接，数据采集器、数据传输器和电机智能控制器、升降旋转驱动机构3和移动监测机构4通过蓄电池供电；所述升降旋转驱动机构3固定安装于支撑杆1的下部，且位于监测孔6的上方，所述移动监测机构4安装于监测孔6内，升降旋转驱动机构3与移动监测机构4同轴设置，升降旋转驱动机构3与移动监测机构4之间通过升降控制线缆7连接；所述升降旋转驱动机构3通过对升降控制线缆7进行缠绕或放线，使得移动监测机构4在监测孔6内能够上下移动，升降旋转驱动机构3自旋转后，其通过升降控制线缆7能够带动移动监测机构4进行方向转动。
18.本实施例中还给出了升降旋转驱动机构3的具体结构，如图2—4所示，所述升降旋转驱动机构3包括圆形齿环座8、圆形齿环9、双输出轴减速电机10、转动轴承11和转动齿轮12；具体的，所述圆形齿环9固定嵌入式安装于圆形齿环座8内，圆形齿环9的顶面设有齿牙。所述齿环座的一侧通过圆管13和抱箍14固定安装于支撑杆1的下部，且圆形齿环座8和圆形齿环9位于监测孔6的上方与监测孔6同轴。所述双输出轴减速电机10的两个输出轴同轴，其中一个输出轴为升降缠绕输出轴15，另一输出轴为旋转输出轴16；所述升降缠绕输出轴15的端头处套装转动轴承11，所述旋转输出轴16的端头处套装有转动齿轮12，所述升降控制线缆7的一端固定系于升降缠绕输出轴15上。所述转动轴承11和转动齿轮12的外表面均设有与圆形齿环9啮合的齿牙。所述双输出轴减速电机10位于圆形齿环9的上方，双输出轴减速电机10通过转动轴承11和转动齿轮12与圆形齿环9接触，双输出轴减速电机10与电机智能控制器连接，双输出轴减速电机10通过升降缠绕输出轴15转动能够对升降控制线缆7进行缠绕或放线，双输出轴减速电机10通过旋转输出轴16转动能够相对于圆形齿环9及圆形齿环座8进行转动。
19.升降旋转驱动机构3的具体动作过程：双输出轴减速电机10通过电机智能控制器控制，具体的电机智能控制器控制双输出轴减速电机10的旋转次数完成以下动作过程，双输出轴减速电机10能够控制其升降缠绕输出轴15或旋转输出轴16单独转动；双输出轴减速电机10受自身重力、移动监测机构4以及升降控制线缆7的拉力影响使得轴承和转动齿轮12上的齿牙与圆形齿环9上的齿牙实时保持啮合状态；如图3所示，由于转动轴承11内部滚珠作用，当升降缠绕输出轴15转动时，双输
出轴减速电机10相对于圆形齿环9及圆形齿环座8的位置不发生改变，仅升降缠绕输出轴15进行转动，进而对升降控制线缆7进行缠绕或放线动作；如图4所示，当升降缠绕输出轴15转动时，升降缠绕输出轴15带动转动齿轮12转动，此时转动齿轮12相当于主动轮，转动轴承11相当于从动轮，进而输出轴减速电机相对于圆形齿环9及圆形齿环座8进行转动动作。
20.本实施例中还给出了移动监测机构4的具体结构，如图5所示，所述移动监测机构4包括上滑轮组17、下滑轮组18和测斜器19；具体的，所述测斜器19为圆柱体结构，测斜器19内部设有加速度或光纤光栅测量传感器，测斜器19顶部与上滑轮组17套装连接，测斜器19底部与下滑轮组18套装连接，测斜器19与数据采集器连接。所述升降控制线缆7的另一端固定系于测斜器19的顶部。
21.所述上滑轮组17和下滑轮组18结构相同，均包括内盘20、外盘21和衔接轴承22；所述衔接轴承22套装在内盘20的外缘，外盘21套装在衔接轴承22的外缘，内盘20通过衔接轴承22能够相对于外盘21进行转动，测斜器19通过内盘20能够相对于外盘21进行转动。所述外盘21的外壁上设有等间距环绕设置若干滑轮安装杆23，滑轮安装杆23一端与外盘21的外壁固定连接，滑轮安装杆23的另一端安装有能够转动的滑轮24，外盘21通过滑轮24能够在监测孔6内的竖直方向上移动。进一步的，所述上滑轮组17、下滑轮组18的滑轮安装杆23及滑轮24的数量至少为四个。
22.移动监测机构4的具体动作过程：将移动监测机构4安装于监测孔6内后，移动监测机构4的上滑轮组17、下滑轮组18上的滑轮24与监测孔6的内壁接触；当双输出轴减速电机10通过升降缠绕输出轴15转动对升降控制线缆7进行缠绕动作时，移动监测机构4通过上滑轮组17、下滑轮组18上的滑轮24在监测孔6内的竖直方向上向上移动；当双输出轴减速电机10通过升降缠绕输出轴15转动对升降控制线缆7进行放线动作时，移动监测机构4通过上滑轮组17、下滑轮组18上的滑轮24在监测孔6内的竖直方向上向下移动；当双输出轴减速电机10相对于圆形齿环9及圆形齿环座8进行转动时，移动监测机构4的测斜器19受升降控制线缆7的扭矩传递作用，测斜器19通过内盘20相对于外盘21进行转动，进而完成测斜器19的角度变换。
23.进一步的，作为本实施例的优选方式，如图2和图5所示，所述测斜器19的顶部和升降缠绕输出轴15上均设有接近开关传感器27，接近开关传感器27与电机智能控制器连接。通过增设接近开关传感器27，双输出轴减速电机10对升降控制线缆7进行缠绕动作时，可避免升降缠绕输出轴15过度转动对升降控制线缆7或移动监测机构4造成损坏。
24.进一步的，作为本实施例的优选方式，如图1所示所述监测孔内还安装有测斜管25，测斜管25上设有若干凹槽26，凹槽26数量与上滑轮组17、下滑轮组18的滑轮24数量相匹配，上滑轮组17、下滑轮组18的滑轮24通过测斜管25上的凹槽26在测斜管25内上下移动。通过增设测斜管25能够使得移动监测机构4的上滑轮组17、下滑轮组18的滑轮24在测斜管25的凹槽26内移动，进而增加滑轮24的使用寿命。
25.进一步的，作为本实施例的优选方式，该地下水平位移远程自动化监测装置还包括太阳能板28，所述太阳能板28固定安装于支撑杆1的顶部；所述控制箱2内还设有太阳能控制器，太阳能板28通过太阳能控制器与蓄电池连接。通过增设太阳能板28和太阳能控制器，使得太阳能板28能够将太阳能转换为电能存储至蓄电池内，进而延长蓄电池的使用时长，减少后续蓄电池的更换频率。
26.需要说明的是，本实施例中所提及的太阳能板、太阳能控制器、蓄电池、数据采集器、数据传输器、电机智能控制器、台计算机、双输出轴减速电机、测斜器均属于现有设备，上述设备可通过市购获得，因此其内部结构、工作原理以及设备间的接线方式在此不作详细赘述。
27.一种地下水平位移远程自动化监测方法，该地下水平位移远程自动化监测方法基于上述的地下水平位移远程自动化监测装置，具体包括以下步骤：步骤一，按照设计要求钻取监测孔，向监测孔内安装测斜管25，向测斜管25和监测孔间填砂并冲水密实；步骤二，根据升降旋转驱动机构3的尺寸及监测孔位置定位地锚螺栓5位置，通过地锚螺栓5将支撑杆1固定安装于监测处的地表，并在支撑杆1上安装控制箱2、升降旋转驱动机构3、太阳能板28，连接移动监测机构4与升降旋转驱动机构3之间的升降控制线缆7，最后将移动监测机构4放入测斜管25内；步骤三，后台计算机通过数据传输器与数据采集器和电机智能控制器建立无线连接，对数据采集器和电机智能控制器设置监测深度、监测深度间隔、监测方向、监测频率等参数；步骤四，后台计算机通过数据传输器向电机智能控制器下达指令，电机智能控制器控制双输出轴减速电机10的升降缠绕输出轴15转动，对缠绕在升降缠绕输出轴15上的升降控制线缆7进行放线动作，移动监测机构4在测斜管25内向下移动至监测孔孔底；步骤五，电机智能控制器控制双输出轴减速电机10的升降缠绕输出轴15反向转动，对升降控制线缆7进行缠绕动作，移动监测机构4在测斜管25内向上移动直至移动至监测孔孔口处，监测机构的测斜器19顶部及升降缠绕输出轴15上的接近开关传感器27位置接近后向电机智能控制器反馈信号，电机智能控制器控制双输出轴减速电机10停止，移动监测机构4的测斜器19完成一次数据采集，并将数据采集结果通过传输线传输至数据采集器；步骤六，后台计算机通过数据传输器向电机智能控制器下达指令，电机智能控制器控制双输出轴减速电机10的旋转输出轴16转动，双输出轴减速电机10相对于圆形齿环9及圆形齿环座8转动一定角度，同时测斜器19通过内盘20能够相对于外盘21转动一定角度，完成移动监测机构4的依次角度变换；步骤七，重复步骤四至步骤六，并将数据采集结果通过传输线传输至数据采集器；步骤八，完成测量后升降旋转驱动机构3和移动监测机构4回归原位，等待下一步指令，数据采集器将所有数据采集结果通过数据传输器传输至后台计算机。
28.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。