阅读说明：本技术 一种预制式低成本测斜仪监测系统 (Prefabricated low-cost inclinometer monitoring system ) 是由 唐国华 王辅宋 刘付鹏 谢镇 刘文峰 王辅元 黄斌斌 李婧 刘国勇 姚龙 吴龙彪 于 2019-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种预制式低成本测斜仪监测系统,本发明属于土木工程领域,应用于结构安全健康监测行业。测斜仪电路板固定于传感器不锈钢舱体外壳,并通过信号电缆将每个测斜仪传感器舱电气上连接成一组,同时使用电路板灌封胶将测斜仪传感器舱的顶面和底面密封,再通过传感器舱限位装置固定在分体式测斜管上,分体式测斜管通过抱箍紧固在一起,并通过卡箍将每段紧固好的测斜管连接在一起,电缆对接插座与电缆插头对接完成每个传感器舱组之间的电气连接,测斜管底盖安装在测斜管的最底部,防止泥沙进入。(The invention relates to a prefabricated low-cost inclinometer monitoring system, belongs to the field of civil engineering, and is applied to the structural safety and health monitoring industry. The inclinometer circuit board is fixed on the sensor stainless steel cabin shell, each inclinometer sensor cabin is electrically connected into a group through a signal cable, the top surface and the bottom surface of each inclinometer sensor cabin are sealed by using a circuit board pouring sealant, the sensor cabin limiting devices are fixed on the split inclinometer pipes through the circuit board pouring sealant, the split inclinometer pipes are fastened together through hoops, each section of fastened inclinometer pipes are connected together through a hoop, the cable butt socket is in butt joint with a cable plug to complete the electrical connection between each sensor cabin group, the bottom cover of each inclinometer pipe is installed at the bottom of each inclinometer pipe, and silt is prevented from entering.)

一种预制式低成本测斜仪监测系统

技术领域

本发明涉及一种预制式低成本测斜仪监测系统，本发明属于土木工程领域，应用于结构安全健康监测行业。

背景技术

目前测斜仪的应用场景主要是基坑围护结构的内部位移监测、边坡滑坡监测、大坝、基础墙等，适用范围广、用量大，监测点要求高。测斜仪是当前对上述结构图内部位移监测最重要的传感器之一。目前监测的方法主要分人工检测和自动化在线监测两种，而且根据今后的发展趋势，实际的场景会对自动化在线监测的需求越来越大，但是目前存在的问题是，在线监测的成本非常高，每个测斜孔里面根据国标要求，至少要布置几根到十几根的测斜仪传感器，而且目前测斜仪传感器机械结构复杂，成本高，维护成本高，所以在成本和现场安装、维护等方面限制了测斜仪作为一种常用结构内部位移监测设备的推广和应用。另一个限制应用的技术局限是现场安装工序复杂，人力成本高，比如目前测斜仪的安装需要先将测斜管预制到混凝土中或者钻孔后再回填膨胀土。测斜管安装完成后，再进行测斜仪的安装，每根测斜仪首先需要用连接杆或丝杆、万向节等辅材进行连接组装，完成后再顺着测斜管内壁的导槽下放传感器，当传感器的数量较多时，传感器的下放难度和工作量都将大大增加，而且整个传感器组的重量也会增加，如果操作不当，传感器可能会滑落到测斜管底部造成不必要的麻烦。传统的方法在使用完传感器后，基本上传感器的回收价值也不高，因为传感器长期工作在有水、泥沙等的工作环境，传感器的金属壳体以及和传动结构也会相应的有损伤，即使回收，也基本无法从新售卖，也造成极大的成本浪费。

发明内容

针对上述的问题，本发明为了解决目前针对结构体、土体内部位移监测中使用的测斜仪传感器的局限性（安装复杂、成本高、不易维护）而大大限制了自动化在线监测中测斜仪的应用，从而提供一种预制式低成本测斜仪监测系统。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种预制式低成本测斜仪监测系统，它包括测斜仪电路板、传感器不锈钢舱体外壳、电路板灌封胶、信号电缆、紧固螺丝、数字式MEMS低重力加速度计、通孔式焊盘组、RS485采集主机、隔离电源、隔离RS485驱动器、微控制器、EEPROM、分体式测斜管、电缆对接插座、电缆插头、测斜仪传感器舱、传感器舱限位装置、抱箍、卡箍、测斜管底盖；

测斜仪电路板固定于传感器不锈钢舱体外壳，并通过信号电缆将每个测斜仪传感器舱电气上连接成一组，同时使用电路板灌封胶将测斜仪传感器舱的顶面和底面密封，再通过传感器舱限位装置固定在分体式测斜管上，分体式测斜管通过抱箍紧固在一起，并通过卡箍将每段紧固好的测斜管连接在一起，电缆对接插座与电缆插头对接完成每个传感器舱组之间的电气连接，测斜管底盖安装在测斜管的最底部，防止泥沙进入。

进一步的，测斜仪传感器舱通过信号电缆串联为一组，每组支架能通过电缆对接插座和电缆插头对接。

进一步的，测斜仪传感器舱固定于分体式测斜管内的传感器舱限位装置上，分体式测斜管通过抱箍紧固。

进一步的，每段分体式测斜管通过卡箍连接。

进一步的，微控制器通过I2C总线读取数字式MEMS低重力加速度计的数据并转换成角度值，同时调取EEPROM内的温度系数进行温度补偿。

本发明的有益效果：

本发明通过采用将测斜仪传感器简化设计成传感器舱，极大降低了成本、重量、和体积，使得土体内部位移测量的关键敏感部件在不失性能的条件下得到极大的简化，为实现测斜仪系统的预制提供了基础条件。同时采用分体式的测斜管，传感器的制作和安装工作完全可以在工厂预制完成，组装好后，按照每段进行包装运输，达到现场后只需要将每段测斜管通过防水航插进行电气连接，以及通过卡箍将每根测斜管连接在一起。极大的简化了现场的施工工艺，也减少了很多成本。同时由于本系统的实现成本本身很低，所以系统设计为不回收系统，无需考虑维护，依靠自身的电气隔离设计以及简化的电路系统和简单的机械结构，所以系统的可靠性也很高。如果有较为重要的监测点位，完全可以进行冗余设计，即在设计监测点位时，多布置一个监测点位即可。

附图说明

图1为本发明测斜仪传感器舱的内部结构图；

图1中：1 测斜仪电路板、2 传感器不锈钢舱体外壳、3 电路板灌封胶、4 信号电缆、5紧固螺丝、6 数字式MEMS低重力加速度计、7 通孔式焊盘组；

图2为本发明测斜仪传感器电路模块图；

图2中：8 RS485采集主机、9 隔离电源、10 隔离RS485驱动器、11 微控制器、12EEPROM、6 数字式MEMS低重力加速度计；

图3为本发明分体式测斜管的组装图；

图3中：13 分体式测斜管、14 电缆对接插座、15 电缆插头、16 测斜仪传感器舱、17 传感器舱限位装置；

图4为本发明组装好的测斜管示意图；

图4中：13 分体式测斜管、18 抱箍、19 卡箍、20 测斜管底盖；

图5为本发明测斜仪监测系统框图。

图5中：8 RS485采集主机、16 测斜仪传感器舱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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做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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：

一种预制式低成本测斜仪监测系统，它包括测斜仪电路板1、传感器不锈钢舱体外壳2、电路板灌封胶3、信号电缆4、紧固螺丝5、数字式MEMS低重力加速度计6、通孔式焊盘组7、RS485采集主机8、隔离电源9、隔离RS485驱动器10、微控制器11、EEPROM12、分体式测斜管13、电缆对接插座14、电缆插头15、测斜仪传感器舱16、传感器舱限位装置17、抱箍18、卡箍19、测斜管底盖20；

测斜仪电路板1固定于传感器不锈钢舱体外壳2，并通过信号电缆4将每个测斜仪传感器舱16电气上连接成一组，同时使用电路板灌封胶3将测斜仪传感器舱16的顶面和底面密封，再通过传感器舱限位装置17固定在分体式测斜管13上，分体式测斜管13通过抱箍18紧固在一起，并通过卡箍19将每段紧固好的测斜管连接在一起，电缆对接插座14与电缆插头15对接完成每个传感器舱组之间的电气连接，测斜管底盖20安装在测斜管的最底部，防止泥沙进入。

进一步的，测斜仪传感器舱16通过信号电缆4串联为一组，每组支架能通过电缆对接插座14和电缆插头15对接。

进一步的，测斜仪传感器舱16固定于分体式测斜管13内的传感器舱限位装置17上，分体式测斜管13通过抱箍18紧固。

进一步的，每段分体式测斜管13通过卡箍19连接。

进一步的，微控制器11通过I2C总线读取数字式MEMS低重力加速度计6的数据并转换成角度值，同时调取EEPROM12内的温度系数进行温度补偿。

本发明的工作原理介绍:为了针对目前测斜仪成本高、安装不便等问题，本发明采用预制式的方式，即测斜管和测斜仪在安装前提前预制好，并且提前将测斜仪和测斜管组装在一起，而且是按照测斜仪每节独立组装，这样只需要一次安装即可到位，无需复杂的在现场复杂的步骤和工序。而要实现测斜仪系统预制，则需要将测斜仪小型化设计，而且目前测斜仪的成本主要是测斜仪的机械机构部分的成本，本发明将机械结构简化为一个空心圆柱体，大大简化了机械加工工序和机械材料，同时也大大减轻了单个传感器的重量。

故本系统主要包括（1）传感器舱和（2）可拆卸测斜管、（3）防水航插组装成。

（1）测斜仪传感器舱：由测斜仪电路板、信号电缆、传感器不锈钢舱体外壳等组成。

（1.1）测斜仪电路板：如图1所示，采集仪电路板安装在传感器不锈钢金属舱的中间位置，在不锈钢金属舱的中间位置留有安装台阶，主要是固定电路板用，用于提供一个稳定的安装平面，同时电路板的接地通过紧固螺丝与传感器不锈钢金属舱连接在一起，提高传感器舱的抗干扰能力。

其中测斜仪电路板的电路框图如图2所示，由微控制器、隔离电源、隔离RS485驱动器、EEPROM、数字式MEMS倾角传感器组成。隔离电源和隔离RS485驱动器的作用是将测斜仪传感器从电气上与外部隔离，提高防护能力，从而提高可靠性。EEPROM用于存储传感器的参数，如温度补偿拟合系数、传感器模块号等。随着目前MEMS技术的发展，目前越来越多的半导体公司提供了更高精度的数字式MEMS加低重力速度计用作倾角测量，而且最重要的是成本更低，体积更小。目前使用最多的专用倾斜仪芯片如村田公司的SCA10x系列的芯片，单片价格都在百元以上。本发明使用的MEMS芯片能够提供14bit的精度，价格仅仅为十几元。另外本发明使用数字型MEMS加速度计，芯片直接输出重力加速度值，这样又可以省去模数转换器的成本及体积以及微控制器对模数转换器的驱动工作。微控制器可以利用有限的资源进行更多其他的工作，比如通过优化的权重算法，数据精度可以进一步提升。

（1.2）信号电缆，本发明的测斜仪传感器组采用的是总线型拓扑结构（串联结构，每个传感器舱手拉手的方式），即每个传感器舱通过RS485总线的形式级联在一起，这样的方式相比较星型连接（或者叫并联方式），具有电缆数量少，系统轻便，电缆不会因为测斜管的直径限制而限制传感器的数量。信号电缆采用4芯屏蔽线，其中四芯分别为电源正、电源负、RS485接口A端、RS485接口B端，电缆在传感器舱内分成两段，通过电路板的顶层和底层的两组通孔式焊盘一一对应的焊接在一起。

（1.3）传感器舱采用不锈钢材质，实际采用304不锈钢。传感器舱设计成空心圆柱体结构，同时在传感器舱内设置电路板的安装台阶，通过四个紧固螺丝将电路板固定在传感器舱内。将焊接好电缆的电路板固定在传感器舱内后，再使用专用电路板灌封胶将传感器舱的电路板上下两个面密封，实际中先密封电路板的顶层，带灌封胶凝固后再密封电路板的底层，灌封胶的作用主要是防止水接触电路部分，起到保护作用。

（2）可拆卸测斜管：可拆卸测斜管由分体式测斜管、抱箍、卡箍、底盖、传感器舱限位装置组成。

其中分体式测斜管是定制的沿轴向中心线切割开的PVC材质的管子，分体式的目的是可以将传感器舱提前安装在测斜管内如图3所示。分体式测斜管一般是2m一段，直径一般为50mm，因为测斜仪被做成了传感器舱的形式，没有导轮等机械结构，所以分体式测斜管可以做的直径更小。将传感器舱固定安装在分体式测斜管内壁的限位装置上后，可以使用树脂或者专用的结构胶进一步将传感器紧固在测斜管上。两半儿测斜管通过结合处的凹槽和凸槽榫接在一起，同时使用抱箍进一步将分体式测斜管箍紧扎牢。

预制好的测斜管和测斜管之间通过沟槽连接，使用卡箍将两段测斜管连接在一起，同理根据设计的深度要求，使用相应长度的以单根测斜管为单位，通过卡箍连接在一起，如图4所示。

测斜管底盖用于防止泥沙进入测斜管。相当于将地下面的测斜管的底口通过底盖密封。

（3）防水航插，使用具有IP65等级的电缆插头和电缆对接插座组成，用于每段测斜管之间，传感器组的电气连接，在完成传感器舱的安装和分体式测斜管的合并紧固后，通过防水航插将两节测斜管的信号线连接起来。

本系统具体实现方式：

本系统的核心部分传感器舱，只需要一个机加工部件，即空心的圆柱不锈钢护筒，内部铣出台阶，用于固定圆形电路板，电路板设置中心对称的4个固定螺丝孔，用于将电路板稳定平整的固定在金属护筒的端面上，同时电路板上的系统地通过走线与机械安装孔连接，同时机械安装孔通过紧固螺丝连接在传感器不锈钢舱体外壳2上，起到电磁屏蔽的作用。

一般预制的传感器舱组为三个一组（这样信号电缆在一段测斜管内需要4根），首先是将四根信号电缆分别套上传感器不锈钢舱体外壳2备用，然后将相邻两根电缆通过电路板的顶层和底层的通孔式焊盘组7焊接在一起，这样相邻两根电缆就在电气上串联在了一起，其他线缆操作类似，全部的电缆焊接完成后，再将电路板固定到刚才预套的传感器不锈钢舱体外壳2上，最后进行灌封胶的密封和防水航插的焊接工作。

传感器电路部分的主要器件如数字式MEMS低重力加速度计，可采用NXP公司的MMA8451Q，具有14位的精度和三个相互垂直的测量轴，完全满足系统的测量要求。微控制器可采用低功耗的MSP430系列单片机或者ST公司的STM32L系列的低功耗单片机。

实现过程有几个关键步骤需要注意：

（1）由于测斜仪系统引用在高精度的测量环境，所以传感器需要进行温度漂移试验，以便校正温度对测量结果的影响，在传感器舱预制完成后（一般三个传感器舱为一组），通过专用的固定工装，放置在高低温交变试验箱内，温度从-20℃到60℃范围内，每隔10℃一个档进行数据读取，并拟合成曲线，得到补偿修正系数。 得到纬度修正系数后，由操作人员通过专用软件将温度系数等相关参数一同写入到传感器舱内的EEPROM内，后面传感器在进行温度测量时，会自动从EEPROM读取温度系数进行补偿。

（2）由于MEMS加速度计芯片是振动敏感元件，如果将MEMS芯片安装在PCB正中位置，由于没有支撑的点，PCB自身的振动未受到抑制，可能会导致一定的测量误差。所以MEMS加速度计在PCB设计时，需要注意将芯片涉及到接近紧固螺丝的位置，如图1所示，MEMS芯片靠近左边的紧固螺丝，而不是在PCB的正中位置。

（3）灌封胶可采用聚氨酯材质的灌封胶，由于聚氨酯采集的灌封胶硬度适中、收缩率低、温度范围宽、防水等级高等，非常适合在本设计的场景中使用。

（4）本发明的预制式低成本测斜仪监测系统最终提供给外部的接口是RS485形式，所以只要采集主机具有RS485接口，都可以集成，如可以作为集中式数据采集系统中的子系统 ，也可以作为分布式采集系统中的一个单个测点。

（5）测斜管一般都是由2m左右一段一段的管子连接，每个2m的管子内的传感器舱布置数量可参照国标或者设计文件的要求，一般2m的管道事宜安装3个传感器舱最为合适，既能满足成本要求、也能满足测量密度的要求。

以上并非对本发明的技术范围作任何限制，凡依据本发明技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。