一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及测量安装方法技术

本发明专利技术公开了一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及其测量安装方法，该仪器以基准桩为不动点，通过自动测量平铺于渠道全断面的测量模块读数，实现对渠道整个断面冻胀变形的实时测量，通过实测的数据，基于各测量模块的几何关系，即可算出渠道全断面的冻胀变化量；本发明专利技术的仪器不破坏被测土体的原始状态，利用测量模块直接量测原状土体表面的冻胀变形，并将测量数据实时地记录到控制系统中，可保证监测的准确性、实时性，克服间接测量带来的误差。本发明专利技术设计合理、工艺简单、易于加工、主要配件价格低廉，从而使得该全断面冻胀变形仪器具备较高的成本优势，该全断面冻胀变形仪器适用性广，数据传输方式灵活多样，安装简便。

【技术实现步骤摘要】
一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及测量安装方法
本专利技术涉及一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及其测量安装方法，属于水利工程安全监测
本专利依托国家重点研发计划“高寒区长距离供水渠道监测预警与健康诊断技术（2017YFC0405104）”完成。
技术介绍
随着我国南水北调中线工程、新疆引额济乌一期工程等一大批输水工程的投入使用，极大地缓解了我国水资源分布不均所引起的局部地区水资源短缺的问题，但是很大一批输水工程都处于冬季冻融循环区域，随着这些输水工程陆续投入使用，渠道管理和设计部门迫切希望了解工程的实际冻胀危害和工程防冻胀措施的效果，从而为积累设计经验，指导管理部门进行渠道维护作业提供基础数据支持。传统的冻胀变形计受限于测量方式，为得到总体的冻胀变形常常需要安装到渠道表面，渠道通水过流时，往往受到水面漂浮物的破坏。而且冻胀计受限于安装环境，其基准点（不动点）常选在渠道的渠顶位置，而根据常规的冻胀变形计算结果，当渠道的渠基土发生冻胀变形时，渠顶依然有不小的冻胀变形量，这将导致测量出的冻胀变形量过小，无法有效反应出实际的冻胀破坏情况。最为关键的是，传统的冻胀变形计只能测量渠道上某一点的冻胀变形大小，选点随机性比较大，很难安装埋设在冻胀变形最大的区域，并且无法整体反映渠道的冻胀变形情况，所以如何根据实测的冻胀变形数据，推测渠道总体冻胀变形的情况，一直是困扰渠道设计和管理部门的难题。近年来随着国家和行业对输水工程多年运行安全性认识的逐渐深入，工程界迫切需要一种安装简便，适用性广，成本低廉，可自动化测量的渠道冻胀变形的监测系统。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器及其测量安装方法，实现自动化测量的渠道冻胀变形。为解决上述技术问题，本专利技术的一方面提出一种自动量测渠道全断面冻胀变形仪器，由锚固部分、量测部分和中控部分组成；所述锚固部分包括若干锚固杆，所述锚固杆由锚头、锚杆和连接装置组成，所述锚头最前端为尖锥状，锚头主体部分开有凹槽，其内安装有弹簧片，锚头后部带有螺纹；所述锚杆两端设有连接螺纹；所述连接装置包括万向节和短连接螺杆，用于连接锚杆和所述量测部分；所述量测部分包括若干测量杆，角度测量模块和位移测量模块内置于测量杆内；所述若干测量杆通过所述若干锚固杆连接在一起，并固定于渠道中所述中控部分控制角度测量模块和位移测量模块进行信号采集。作为优选方案，所述弹簧片为弧形，锚头向下压入土体的时候，由于侧向土压力的作用，弹簧片被紧紧压在锚头上，当锚头被向上拔动时，弹簧片则会慢慢向外部张开，并嵌入到土体内，提高锚头的抗拔力，保证在设计量程内锚头不会松动；该锚头分为两个尺寸，作为基准桩的，其直径为6寸，作为一般固定的，其直径为1.5cm。作为优选方案，所述连接螺杆通过公母头与连接装置链接。作为优选方案，所述不锈钢杆由一粗一细两根杆子组成，粗杆直径3.5cm，长40cm，一端加工有螺纹方便与连接装置相连，在该端通过内嵌的方式安装有高精度伺服加速度测角器，粗杆另一端加工有内径为1.5cm的内孔，内孔深20cm，在内孔的尽头，通过内嵌的方式安装有振弦式压力传感器配合高精度弹簧，在内孔壁上，开有3个环形凹槽，内嵌O型圈，用于防水防尘；细不锈钢杆外径1.5cm，一端与高精度弹簧相连，另一端加工有螺纹，方便与连接装置相连，细杆初始状态时，入粗杆内15cm，最终每根由一粗一细两根杆子组成的不锈钢杆初始长度为50cm。作为优选方案，连接装置为有三个接头的万向节，其中两个与不锈钢杆相连，一个与固定锚杆相连。作为优选方案，连接螺杆分两种尺寸，作为基准桩的采用6寸的不锈钢圆管，圆管两头加工公母螺纹，方便连接，为运输和安装方便起见，每根连接螺杆长1m；作为一般固定的，直径为1.5cm，长10cm一根。作为优选方案，所述仪器中控中的低功耗芯片机、中控芯片机、读数器、锂电池供电模块、太阳能和风能供电模块、可视化显示模块、通讯接口模块、连接线路等配件集中布置在防水的中控系统保护箱内部。太阳能、风能发电装置安装在信息采集保护箱外部。作为优选方案，所述的锂电池供电模块，安装在防水保温的电池仓内，现场通过挖坑的方式将电池仓安装在冬季冻胀区以下，以保证锂电池的工作效能，电池仓通过电源和数据线与信息采集保护箱相连。进一步，所述信息传输单元包括USB接口的存储介质通道和485、232、GPRS、无线电台和北斗短报文等远程通信通道，分别用于人工收集数据和远程自动通信。进一步，所述信息传输单元可以和外部电脑或远程控制系统进行通信传输，仪器可根据初始参数设置进行工作，也可以根据外部电脑或远程控制系统的指令进行工作。进一步，所述仪器外部电源，可以采用外部市电供电，也可以采用太阳能或风能供电，实现长期无人值守测量。进一步，所述角度测量模块，采用高精度伺服加速度测角器，当渠基土体发生冻胀时，通过角度测量模块可以测量各个部位土体的表面变形情况。进一步，所述位移测量模块，采用振弦式压力传感器配合高精度弹簧，实现对位移量大小的测量，即仪器由两根一粗一细的测量杆组成，在较粗的测量杆内安装有振弦式压力传感器，压力传感器的压力膜与高精度弹簧的一头相连，高精度弹簧的另一头与较细的测量杆一端相连；较粗的测量杆杆内加工有空洞，其内径刚好是较细的测量杆的外径，较细的测量杆安装在加工好的空洞内。测量时，将仪器的两端固定于待测土体内，当土体发生冻胀变形时，将会带动两根测量杆拉长或者压缩，通过测量振弦式压力传感器的数值，结合弹簧的压缩系数，既可算出土体的变化量。在位移测量模块中内嵌高精度温度传感器，用于量测环境温度，为了解冻胀变形的变化趋势提供基础的测量数据。进一步，所述低功耗芯片机，采用低功耗芯片为核心的微控制单元，只具有基本的自动化控制功能，设计简单，可以实现长时间无人值守，其成本低廉，损坏后，更换成本低。进一步，所述中控芯片机，采用64位单片机为核心的微控制单元，具备高容错、长命令处理等功能，能够实现复杂的程序和硬件控制。本专利技术的第二方面提出一种自动量测渠道全断面冻胀变形仪器的测量方法，包含以下步骤：所述仪器在安装调试好后，由工作人员设置初始参数，包括：测量的间隔时间、单个数据重复测量的遍数、测量的精度、测量不合格时重复测量的次数、各个量测点的编号等。仪器到达设定的测量时间或收到测量命令后，为了防止雷击等异常状况导致整个系统被破坏，低功耗芯片机先断开外部电源，切换成内部供电单元供电，接通中控芯片机电源，唤醒中控芯片机，低功耗芯片机进入休眠模式；在中控芯片机控制下，仪器开始整体自检；在中控芯片机控制下读数模块按照设定顺序，逐个读取角度测量模块和位移测量模块中的数据；数据传输至中控芯片机进行精度评判，符合设定要求的数据将传输至存储模块存放，精度不合格的数据中控系统控制读数模块重新测读，多次测读均不能满足精度要求时，生成错误信息，并跳过该角度测量模块和位移测量模块，对下一个角度测量模块和位移测量模块进行测量；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：由锚固部分、量测部分和中控部分组成；/n所述锚固部分包括若干锚固杆，所述锚固杆由锚头、锚杆和连接装置组成，所述锚头最前端为尖锥状，锚头主体部分开有凹槽，其内安装有弹簧片，锚头后部带有螺纹；所述锚杆两端设有连接螺纹；所述连接装置包括万向节和短连接螺杆，用于连接锚杆和所述量测部分；/n所述量测部分包括若干测量杆，角度测量模块和位移测量模块内置于测量杆内；/n所述若干测量杆通过所述若干锚固杆连接在一起，并固定于渠道中；/n所述中控部分控制角度测量模块和位移测量模块进行信号采集。/n

【技术特征摘要】
1.一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：由锚固部分、量测部分和中控部分组成；
所述锚固部分包括若干锚固杆，所述锚固杆由锚头、锚杆和连接装置组成，所述锚头最前端为尖锥状，锚头主体部分开有凹槽，其内安装有弹簧片，锚头后部带有螺纹；所述锚杆两端设有连接螺纹；所述连接装置包括万向节和短连接螺杆，用于连接锚杆和所述量测部分；
所述量测部分包括若干测量杆，角度测量模块和位移测量模块内置于测量杆内；
所述若干测量杆通过所述若干锚固杆连接在一起，并固定于渠道中；
所述中控部分控制角度测量模块和位移测量模块进行信号采集。


2.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述带弹簧片的锚头，弹簧片为弧形。


3.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述测量杆由一粗一细两根杆子组成，所述角度测量模块采用伺服加速度测角器，所述位移测量模块采用振弦式压力传感器；所述粗杆的一端设有与所述连接装置连接的螺纹，该端内嵌所述伺服加速度测角器，粗杆另一端设有内孔，内孔的尽头处内嵌所述振弦式压力传感器，所述细杆的首端插入内孔，尾端上设有螺纹并伸出内孔外，在所述内嵌振弦式压力传感器和细杆的首端之间连接有弹簧。


4.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：在所述内孔壁上，开有3个环形凹槽，内嵌O型密封圈。


5.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：连接装置为有三个接头的万向节，其中两个与测量杆相连，一个与锚杆相连。


6.根据权利要求1所述的自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述锚杆包括作为基准桩的锚杆和一般锚杆，基准桩的锚杆采用6寸的不锈钢圆管，长1m；一般螺杆直径为1.5cm，长10cm。


7.根据权利要求1所述的一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述中控部分由控制单元和分别与控制单元连接的内部供电单元、信息输入显示单元、信息传输单元和外部供电单元组成，所述工作单元和所述量测部分连接，所述内部供电单元用于给所述工作单元供电，所述外部供电单元用于给所述内部供电单元补充能源。


8.根据权利要求1所述的一种自动量测渠道全断面冻胀变形的仪器，其特征在于：所述控制单元、信息输入显示单元和信息传输单元设置在密封的镀锌信息采集保护箱内，太阳能板安装在信息采集保护箱外部，所述内部供电单元包括锂电池，锂电池安装在防水保温的电池仓内，电池仓安装在冬季冻胀区以下的坑内，电池仓安装电池仓通过电源和数据线与信息采集保护箱相连。


9.根据权利要求1所述的仪器的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：仪器安装调试后，设置初始参数，包括：测量的顺序、各测量模块的编号、每次测量次数、重...

【专利技术属性】
技术研发人员：李登华，张桂荣，徐海涛，蔡正银，何宁，王援生，杨团社，张贤，杨建国，汪璋淳，朱乾德，胡哲，何斌，张中流，孔洋，周彦章，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，国家能源集团新疆开都河流域水电开发有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32