一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置及其测量方法
阅读说明：本技术 一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置及其测量方法 (Dangerous rock body inclination direction real-time automatic measuring device and measuring method thereof ) 是由 谭淋耘 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置及其测量方法,包括通过外部支撑杆固定于危岩体上的装置外壳,装置外壳内部设置控制单元和安装轴,安装轴与安装托盘固定连接；安装托盘外缘开设环形安装槽,环形安装槽内容置第一电阻,第一电阻上开设开口；转动轴件与安装轴固定连接,转动轴件与支撑杆转动连接,支撑杆与安装托盘之间设置有用于减小摩擦力的滚动环,支撑杆上开设安装槽,安装槽内容置有连接导线,连接导线的一端与导电接头电连接；导电接头与第一电阻滑动连接；连接导线的另一端通过导线与电源中的第一电源电连接。本发明安装简便,结构简单,能够稳定的测量出危岩体的倾斜方向。(The invention relates to a dangerous rock body inclination direction real-time automatic measuring device and a measuring method thereof, wherein the dangerous rock body inclination direction real-time automatic measuring device comprises a device shell which is fixed on a dangerous rock body through an external supporting rod, a control unit and an installation shaft are arranged in the device shell, and the installation shaft is fixedly connected with an installation tray; the outer edge of the mounting tray is provided with an annular mounting groove, a first resistor is accommodated in the annular mounting groove, and an opening is formed in the first resistor; the rotating shaft is fixedly connected with the mounting shaft, the rotating shaft is rotatably connected with the supporting rod, a rolling ring for reducing friction force is arranged between the supporting rod and the mounting tray, a mounting groove is formed in the supporting rod, a connecting lead is contained in the mounting groove, and one end of the connecting lead is electrically connected with the conductive connector; the conductive joint is connected with the first resistor in a sliding manner; the other end of the connecting wire is electrically connected with a first power supply in the power supplies through a wire. The device is simple and convenient to install, simple in structure and capable of stably measuring the inclination direction of the dangerous rock mass.)
技术领域
本发明涉及倾斜方向测量领域，特别是涉及一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置及其测量方法。
背景技术
危岩体是指一些岩体虽然还没有发生崩塌，但具备发生崩塌的主要地质条件，有些岩体已经出现了崩塌前兆现象，因此预示不久可能发生崩塌的岩体。危岩体是潜在的崩塌体。我国是一个山体地貌形态复杂的国家，危岩体崩落是山区常见的一种地质灾害；危岩体崩落具有突发性极强、破坏力大等特点，严重威胁着交通要道、山区居民正常生产生活；在我国，每年由于危岩体崩落而造成大量人员伤亡及重大经济损失。
危岩体的防治过程中，要准确预测危岩体失稳崩落的时间和崩落方向基本不可能。危岩体在发展破坏的过程中，不同岩石块体之间相互力作用的变化会引起危岩体倾斜方向的改变，因此危岩体的倾斜方向并不是一成不变的，危岩体倾斜方向的实时、准确判断非常困难；对于绝大多数危岩体的崩塌方向与危岩体的倾斜方向是一致的，因此，实时测量危岩体的倾斜方向，既可以对危岩体的发展变化过程和趋势提供参考数据，也能实时、准确地判断危岩体可能的崩落方向，对于及时制定防灾撤离预案和确保人民群众生命财产安全具有重要的现实意义，目前缺乏危岩体倾斜方向的实时、自动化测量装置。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置，解决了危岩体倾斜方向的实时、自动化、准确测量问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本方案提供一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置，其包括通过外部支撑杆固定于危岩体上的装置外壳，装置外壳内部设置控制单元和安装轴，安装轴与安装托盘固定连接；安装托盘外缘开设环形安装槽，环形安装槽内容置第一电阻，第一电阻上开设开口；
转动轴件与安装轴固定连接，转动轴件与支撑杆转动连接，支撑杆与安装托盘之间设置有用于减小摩擦力的滚动环，支撑杆上开设安装槽，安装槽内容置有连接导线，连接导线的一端与导电接头电连接；导电接头与第一电阻滑动连接；连接导线的另一端通过导线与电源中的第一电源电连接；电源中的第一电源通过导线依次与第一电流计和第一电阻开口处的一端端面电连接。
本发明安装简便，结构简单，危岩体倾斜时，支撑杆会随安装托盘的倾斜而偏转到危岩体倾斜方向上，造成接入电阻长度变化使得电阻大小变化，从而引起电流大小的变化，以此来测得不同时刻的危岩体倾斜方向。
进一步地，第一电阻开口处与导线电连接的一端喷涂绝缘漆层。
喷涂绝缘漆层有效的防止电路短路，稳定获取测量数据。
进一步地，电源中的第二电源通过导线依次与第二电流计和第二电阻电连接，第二电阻与第一电阻的材质相同。
第二电阻与第一电阻具有相同材质，在同一时刻第二电阻与第一电阻具有相同的电阻率，用于消除环境温度变化造成的电阻率变化所引起的测量误差。
进一步地，电源中的第一电源与连接导线之间的导线上设置第一保护电阻，电源中的第三电源通过导线依次与第三电流计和第二保护电阻电连接。第一保护电阻和第二保护电阻的材质相同。
第一保护电阻和第二保护电阻具有相同材质，在同一时刻第一保护电阻与第二保护电阻具有相同的电阻率，第一保护电阻和第二保护电阻用于消除环境温度变化造成的电阻率变化所引起的测量误差。
进一步地，安装托盘下方设置圆形导轨，圆形导轨通过连接杆固定于安装轴上，圆形导轨内容置可随安装托盘偏转而自由滚动的球形磁铁，圆形导轨底部设置有用于定位球形磁铁初始位置的铁块，铁块可沿圆形导轨底部滑动。
球形磁铁使装置测量更为灵敏。
进一步地，装置外壳内的底部设置有用于固定安装轴的支撑座，支撑杆末端表面设置有用于增加下滑力的配重体，支撑杆末端底面设置用于与球形磁铁相配合的铁片。
支撑座用于固定、支撑、连接安装轴，配重体用于增大支撑杆随安装托盘偏转而调整的下滑力，使整个装置能更加灵敏，感应微小的危岩体倾斜方向变化，铁片用于与球形磁铁相配合带动支撑杆更为灵敏的偏转。
进一步地，控制单元包括控制模块和通讯模块，以及为控制模块和通讯模块提供电源的供电模块。
控制模块对供电模块和通讯模块开关进行控制，可下达数据采集频率和数据发送频率的调整指令，并根据该指令接通供电模块和通讯模块开关，数据采集频率和数据发送频率可以不同，控制模块可接收第一电流计的测量数据，通过接入第一电阻的长度变化使得电阻大小变化，从而引起第一电流计电流大小的变化，即某一时刻的电流值对应危岩体的倾斜方向，以此来测得不同时刻的危岩体倾斜方向；控制模块有一存储设备，可对监测数据进行存储，供电模块用于提供电源，通讯模块用于将控制模块得到的倾斜方向数据传送至远程上位机，能够在温度变化的复杂条件下，实时、自动、稳定的测量出危岩体的倾斜方向。
另一方面，本方案还提供一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：
当危岩体倾斜方向为X°时，读取第一电流计读数I；
则：
I＝U/[ρ·(X/360)·L/S]；
当I≠0时，计算出危岩体倾斜方向为：
X＝360US/(IρL)；
其中，U为电源中第一电源的电压，ρ为第一电阻的电阻率，L为第一电阻的总长度，S为第一电阻的横截面积。
进一步地，当危岩体倾斜方向为X°时，读取第一电流计的读数I1，第二电流计的读数I2；
则：
I1＝U/[ρ·(X/360)·L1/S1]；
I2＝U/(ρ·L2/S2)；
其中，L1为第一电阻的总长度，S1为第一电阻的横截面积，L2为第二电阻的长度，S2为第二电阻的横截面积；U为电源中的第一电源、第二电源的电压，ρ为第一电阻和第二电阻在危岩体倾斜方向为X°时的电阻率；
当I1≠0时，根据第一电流计的读数I1，第二电流计的读数I2计算出危岩体倾斜方向为：
X＝360[(S1/S2)(I2/I1)(L2/L1)]；
当第一电阻和第二电阻的长度和横截面积均相等时，即：L1＝L2，S1＝S2，计算出危岩体倾斜方向为：
X＝360·(I2/I1)。
进一步地，当危岩体倾斜方向为X°时，读取第一电流计的读数I1，第二电流计的读数I2，第三电流计的读数I3，则：
I1＝U/{[ρ1·(X/360)·L1/S1]+ρ2·L2/S2}；
I2＝U/(ρ1·L3/S3)；
I3＝U/(ρ2·L4/S4)；
其中，L1为第一电阻的总长度，S1为第一电阻的横截面积；L2为第一保护电阻的长度，S2为第一保护电阻的横截面积；L3为第二电阻的总长度，S3为第二电阻的横截面积；L4为第二保护电阻的长度，S4为第二保护电阻的横截面积；U为电源中的第一电源、第二电源和第三电源的电压，ρ1为第一电阻和第二电阻的电阻率，ρ2为第一保护电阻和第二保护电阻的电阻率。
当I≠0时，危岩体倾斜方向为：
X＝360[(S1/S3)(I2/I1)(L3/L1)-(S1/S3)(S4/S2)(I2/I3)(L3/L1)(L2/L4)]；
当第一电阻和第二电阻的总长度和横截面积均相等，第一保护电阻和第二保护电阻的长度和横截面积均相等时，即：L1＝L3，S1＝S3，L2＝L4，S2＝S4，计算得到：
X＝360·[(I2/I1)-(I2/I3)]。
本发明的有益效果为：本发明结构简单，安装方便，有效的防止电路造成短路，能实时、自动、安全稳定的准确测量出危岩体倾斜时的倾斜方向变化。
附图说明
图1为一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置的结构示意图。
图2为一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置安装托盘结构示意图。
图3为一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置电路接线法示意图。
图4为一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置电路接线法示意图。
图5为一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置电路接线法示意图。
图6为一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置内部结构示意图。
其中，1、装置外壳；2、外部支撑杆；3、支撑座；4、安装轴；5、安装托盘；6、转动轴件；7、第一电阻；8、连接导线；9、供电模块；10、控制模块；11、通讯模块；12、支撑杆；13、配重体；14、导电接头；15、滚动环；16、第一电流计；17、绝缘漆层；18、电源；19、第一保护电阻；20、第二保护电阻；21、第二电流计；22、第二电阻；23、第三电流计；24、球形磁铁；25、铁块；26、连接杆；27、圆形导轨；28、铁片。
具体实施方式
对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的实施例一，如图1、图2和图3所示，本方案的一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置，其包括：
装置外壳1，装置外壳1内部包括安装轴4、安装托盘5、支撑座3和控制单元。
安装轴4与安装托盘5固定连接，支撑座3用于固定连接安装轴4。安装托盘5表面为圆形、圆锥形或者圆环形，在装置初始安装时，安装托盘5为水平状态或者安装托盘5的旋转轴为竖直状态。
当危岩体倾斜时，安装轴4和安装托盘5随危岩体倾斜而随之倾斜，带动支撑杆12转动到危岩体倾斜方向上。
安装托盘5外缘开设有环形安装槽，环形安装槽内容置有第一电阻7，第一电阻7呈环形结构，在第一电阻7上开设有开口，第一电阻7开口处的一端端面与导线电连接，第一电阻7开口处与导线电连接的一端喷涂绝缘漆层17，开口两端近于无缝连接。
绝缘漆层17长度为1mm～10mm，绝缘漆层17的长度根据制造工艺水平和测试量程进行优选，绝缘漆层17不会影响第一电阻7表面的光滑性，不会影响导电接头14在第一电阻7表面的滑动，绝缘漆层17能够避免第一电阻7开口处短路，第一电阻7开口端面之间近于无缝连接，使第一电阻7开口处与两侧形成光滑表面，能够使导电接头14在第一电阻7开口处也能平滑滑动，增加装置测量的稳定性和准确性，第一电阻7为环形能够与安装槽相适配。
绝缘漆层17的材质为醇酸漆、环氧漆或有机硅漆。
为了使第一电阻7的电阻率近似为恒定值，从而提高本装置测量精度，一方面第一电阻7选用对温度变化不敏感的材质，另一方面本装置应尽可能安装在温度变化不大的环境中。
转动轴件6与安装轴4固定连接，转动轴件6与支撑杆12转动连接，支撑杆12与安装托盘5之间设置滚动环15，支撑杆12末端表面设置配重体13。
装置初始安装时，第一电阻7开口的中心和支撑杆12正对正北方向。
当危岩体倾斜时，安装托盘5随之倾斜，支撑杆12在配重体13的重力作用下会自动调整至危岩体倾斜方向上，滚动环15所起主要作用是减小支撑杆12和安装托盘5之间的摩擦力，配重体13所起主要作用是增大支撑杆12随安装托盘5偏转而调整的下滑力，从而使整个装置能更加灵敏，感应微小的危岩体倾斜方向变化。
支撑杆12上容置连接导线8，连接导线8与导电接头14连接，导电接头14与第一电阻7滑动连接，连接导线8另一端与电源18电连接，电源18依次与第一电流计16和第一电阻7开口处喷涂绝缘漆层17的一端端面电连接。
当危岩体倾斜时，安装托盘5随之倾斜，支撑杆12在配重体13的重力作用下会偏转到危岩体倾斜方向上，连接导线8与导电接头14通过接入第一电阻7的长度变化使得电阻大小发生变化，从而引起第一电流计16读数大小的变化，以此来测得不同时刻的危岩体倾斜方向。
控制模块10对供电模块9和通讯模块11的开关进行控制，可下达数据采集频率和数据发送频率的调整指令，并根据该指令接通供电模块9和通讯模块11的开关，数据采集频率和数据发送频率可以不同，控制模块10可接收第一电流计16的测量数据，通过接入第一电阻7长度变化使得第一电阻7大小变化，从而引起第一电流计16的电流大小的变化，即某一时刻的电流值对应危岩体的倾斜方向，以此来测得不同时刻的危岩体倾斜方向，控制模块10内有一存储设备，可对监测数据进行存储；供电模块9用于提供电源，通讯模块11用于将控制模块10得到的倾斜方向数据传送至远程上位机，能够在温度变化不大的环境中稳定的测量出危岩体的倾斜方向，当第一电阻7选用电阻率对温度变化不大的材质时，还可以在环境温度变化时实时、自动、准确、稳定的测量出危岩体的倾斜方向。
供电模块9内部可以容置电源18。
控制模块10可以为S7-200 SMART PLC控制模块，也可以为51单片机控制模块等。
本实施例的工作原理为：
安装本发明时，通过旋转安装轴4或者安装托盘5或者装置外壳1，使第一电阻7的开口方向对准正北方向(0°或360°方向)，并将支撑杆12的停放位置调整至绝缘漆层17靠近第一电阻7开口的端部附近，此时导电接头14与第一电阻7的连接断开。
当危岩体倾斜时，安装托盘5随之倾斜，支撑杆12在配重体13的重力作用下会偏转到危岩体倾斜方向上，从而使导电接头14接入的第一电阻7长度发生变化，从而根据第一电流计16的读数可求得危岩体倾斜方向。
本发明安装简便，结构简单，设置绝缘漆层17有效的防止电路短路，危岩体倾斜时，支撑杆12会偏转到危岩体倾斜方向上，造成接入第一电阻7的长度变化使得电阻大小变化，从而引起第一电流计16电流大小的变化，以此来测得不同时刻的危岩体倾斜方向。
根据本申请的实施例二，本实施例包括实施例一的全部方案。
如图1、图2和图4所示，电源18中的第二电源通过导线依次与第二电流计21和第二电阻22电连接。
第一电阻7和第二电阻22的材质相同,随环境温度变化在同一时刻具有相同的电阻率。
第一电阻7和第二电阻22接入的电源电压相同。
本实施例的工作原理包括实施例一全部工作原理，其相同部分不再赘述，以下为在实施例一的基础上，不同的工作原理，具体包括：
当环境温度变化时，第一电阻7的电阻率会发生变化，实施例一的测量结果会随第一电阻7的电阻率变化而产生一定的计算和测量误差，在实施例二中增设第二电流计21和第二电阻22，根据第二电流计21的读数可以实时计算出第二电阻22的电阻率，由于第一电阻7和第二电阻22的材质相同，也即是可以根据第二电流计21的读数实时计算出第一电阻7的电阻率，从而有效避免环境温度变化时第一电阻7的电阻率变化而造成的计算和测量误差。
本发明安装简便，结构简单，能有效避免环境温度变化时第一电阻7的电阻率变化而造成的计算和测量误差，同时有效的防止电路造成短路，能实时、自动、安全稳定的准确测量出危岩体倾斜时的方向变化。
根据本申请的实施例三，包括实施例二的全部技术方案，但不包括实施例二中设置的绝缘漆层17，本方案具体包括：
如图1、图2和图5所示，电源18中的第三电源通过导线依次与第三电流计23和第二保护电阻20电连接，连接导线8与电源18的第一电源电连接的连接导线上设置第一保护电阻19。
第一保护电阻19和第二保护电阻20的材质相同，随环境温度变化在同一时刻具有相同的电阻率。
第二电阻22和第二保护电阻20用于实时求取温度变化条件下，任一时刻第一电阻7或者第一保护电阻19的电阻率。
第二电阻22和第二保护电阻20开设的目的主要是用于实时求取环境温度变化时第一电阻7的电阻率和第一保护电阻19的电阻率。从而避免环境温度变化造成第一电阻7和第一保护电阻19的电阻率变化所引起的测量误差，实现准确地测量危岩体倾斜方向。
本实施例的工作原理包括实施例二全部工作原理，其相同部分不再赘述，以下为在实施例二的基础上，不同的工作原理，具体包括：
危岩体倾斜时，支撑杆12会偏转到危岩体倾斜方向上，造成第一电阻7接入长度变化使得第一电阻7大小变化，从而引起第一电流计16电流大小的变化，第二电阻22和第二保护电阻20的开设能够实时求取出环境温度变化时第一电阻7和第一保护电阻19的电阻率，从而能在环境温度变化时、电阻的电阻率变化的条件下，准确地测量出不同时刻的危岩体倾斜方向。
根据本申请的实施例四，本实施例包括实施例一、实施例二和实施例三的全部方案。如图2、图3、图4、图5和图6所示，圆形导轨27通过与连接杆26连接固定于安装托盘5下方，圆形导轨27内容置球形磁铁24，圆形导轨27底部或侧面设置铁块25。球形磁铁24可以在圆形导轨27内自由滚动，铁块25可以沿圆形导轨27底部或侧面滑动。
本实施例的工作原理包括实施例一、实施例二、实施例三的全部工作原理，其相同部分不再赘述，以下为在实施例一、实施例二、实施例三的基础上，不同的工作原理，具体包括：
当装置倾斜时，球形磁铁24可以在圆形导轨27内运动到最低位置，并带动安装托盘5上的外部支撑杆12偏转，支撑杆12末端底面设置铁片28，铁片28用于与球形磁铁24相配合带动支撑杆12偏转，在装置初始安装时，安装托盘5为水平状态，通过滑动铁块25吸引球形磁铁24至正北方向。铁块25对球形磁铁24吸引力有限，当装置倾斜，球形磁铁24即会在自身重力作用下滚动，带动支撑杆12进行更为灵敏的偏转，从而实现更高精度的测量。
电源18包括第一电源、第二电源和第三电源；第一电源、第二电源和第三电源内均包括独立的正负电极。
实施例一至实施例四中的第一电源、第二电源和第三电源均为电源18中的子电源，且第一电源、第二电源和第三电源功能独立，均包括独立的正负极。
根据本申请的实施例五，本方案的一种危岩体倾斜方向实时自动化测量装置的测量方法，包括以下步骤：
当危岩体倾斜方向为X°时，读取第一电流计读数I；
则：
I＝U/[ρ·(X/360)·L/S]；
当I≠0时，计算出危岩体倾斜方向为：
X＝360US/(IρL)；
其中，U为电源18中的第一电源的电压，ρ为第一电阻7的电阻率，L为第一电阻7的总长度，S为第一电阻7的横截面积。
根据本申请的实施例六，其包括：
当危岩体倾斜方向为X°时，读取第一电流计16的读数I1，第二电流计21的读数I2；
则：
I1＝U/[ρ·(X/360)·L1/S1]；
I2＝U/(ρ·L2/S2)；
其中，L1为第一电阻7的总长度，S1为第一电阻7的横截面积，L2为第二电阻22的长度，S2为第二电阻22的横截面积；U为电源18中第一电源和第二电源的电压，ρ为第一电阻7和第二电阻22在危岩体倾斜方向为X°时的电阻率；
当I1≠0时，根据第一电流计16的读数I1，第二电流计21的读数I2计算出危岩体倾斜方向为：
X＝360[(S1/S2)(I2/I1)(L2/L1)]；
当第一电阻7和第二电阻22的长度和横截面积均相等时，即：L1＝L2，S1＝S2，计算出危岩体倾斜方向为：
X＝360·(I2/I1)；
根据本申请的实施例七，其包括：
当危岩体倾斜方向为X°时，读取某一时刻第一电流计16的读数I1，第二电流计21的读数I2，第三电流计23的读数I3，则：
I1＝U/{[ρ1·(X/360)·L1/S1]+ρ2·L2/S2}；
I2＝U/(ρ1·L3/S3)；
I3＝U/(ρ2·L4/S4)；
其中，L1为第一电阻7的总长度，S1为第一电阻7的横截面积；L2为第一保护电阻19的长度，S2为第一保护电阻19的横截面积；L3为第二电阻22的总长度，S3为第二电阻22的横截面积；L4为第二保护电阻20的长度，S4为第二保护电阻20的横截面积；U为电源18中的第一电源、第二电源和第三电源的电压，ρ1为第一电阻7和第二电阻22的电阻率，ρ2为第一保护电阻19和第二保护电阻20的电阻率。
当I1≠0时，危岩体倾斜方向为：
X＝360[(S1/S3)(I2/I1)(L3/L1)-(S1/S3)(S4/S2)(I2/I3)(L3/L1)(L2/L4)]；
当第一电阻7和第二电阻22的总长度和横截面积均相等，第一保护电阻19和第二保护电阻20的长度和横截面积均相等时，即：L1＝L3，S1＝S3，L2＝L4，S2＝S4，计算得到：
X＝360·[(I2/I1)-(I2/I3)]；
本发明结构简单，安装方便，能有效避免环境温度变化时第一电阻7和第一保护电阻19的电阻率变化而造成的计算和测量误差，并有效的防止电路造成短路，能大大减小环境温度变化造成电阻率变化所引起的误差，能实时、自动、安全稳定的准确测量出危岩体倾斜时的方向变化。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。