一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法及系统

摘要

本发明涉及分层位移监测领域，具体涉及一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法及系统，所述一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法包括：S1、根据磁感式电阻格栅对应磁环得到磁感式电阻格栅的基础数据；S2、利用所述磁感式电阻格栅的基础数据得到对应基础输出信号；S3、利用所述基础输出信号得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果，可以通过设置专用自动化监测设备，真正实现了无人、自动化，具有可操作性强、自动化程度高，成本低，实时、准确等特点。

权利要求

1.一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法，其特征在于，包括：S1、根据磁感式电阻格栅对应磁环得到磁感式电阻格栅的基础数据；

S1‑1、根据所述磁感式电阻格栅对应磁环设置第一传感器；

S1‑2、在待监测区域外设置第二传感器；

S1‑3、利用级联液管连接所述第一传感器与第二传感器；

S1‑4、分别获取第一传感器对应第一压力数据与第二传感器对应第二压力数据；

S1‑5、利用所述第一压力数据与第二压力数据计算磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值；

S1‑5的计算式如下：

其中，St为磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值，p1为第一压力数据，p2为第二压力数据，ρ为级联液管中液体密度，g为重力加速度；

S1‑6、利用所述磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值作为磁感式电阻格栅的基础数据；

其中，第一传感器与第二传感器均为压力传感器；

S2、利用所述磁感式电阻格栅的基础数据得到对应基础输出信号；

S2‑1、获取各时刻对应基础磁感式电阻格栅的修正数据作为第一输出信号；

S2‑2、利用所述第一输出信号进行中值滤波处理得到第二输出信号；

S2‑3、利用所述第二输出信号作为基础输出信号；

S3、利用所述基础输出信号得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果；

S3‑1、去除当前基础输出信号中的最大输出信号与最小输出信号得到基础均值输出信号；

S3‑2、获取所述基础均值输出信号的极差；

S3‑3、判断所述基础均值输出信号的极差是否在筛选阈值内，若是，则利用所述基础均值输出信号的平均值作为初始输出信号，执行S3‑4，否则，返回S2‑1；

S3‑4、判断所述S3‑3的执行次数是否超过3次，若是，则利用当前时刻对应的基础均值输出信号的中值作为初始输出信号，否则，获取各初始输出信号建立测量集合；

S3‑5、利用第一传感器对应标高与测量集合得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果；

其中，筛选阈值的范围为正负0.5倍的磁感式电阻格栅宽度。

2.一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统，基于权利要求1所述的磁感式电阻格栅分层位移监测方法实现，其特征在于，包括：磁环导向管(1)、磁环(2)、磁感式电阻格栅(3)、第一压力传感器(4)、第二压力传感器(5)、级联液管(6)与控制单元(7)；

所述磁环导向管(1)设置于待监测区域内；

在所述磁环导向管(1)上均匀布设有若干个所述磁环(2)；

各所述磁环(2)上分别设置有对应磁感式电阻格栅(3)；

所述控制单元(7)与磁感式电阻格栅(3)电连接；

所述磁环导向管(1)的顶端设置有第一压力传感器(4)；

所述第二压力传感器(5)设置于待监测区域外任意固定点，所述固定点处于稳定的土层上；

所述第一压力传感器(4)与第二压力传感器(5)通过级联液管(6)连接。

3.如权利要求2所述的一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统，其特征在于，所述磁环导向管(1)设置有黑色减摩涂层。

4.如权利要求2所述的一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统，其特征在于，包括：所述控制单元(7)包括模拟转换电路芯片与PLC模块；

同一磁环导向管(1)对应的各磁感式电阻格栅(3)的末端均与模拟转换电路芯片通过通讯电缆(9)电连接；

所述模拟转换电路芯片与PLC模块通过通讯电缆(9)电连接。

说明书

一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及分层位移监测领域，具体涉及一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法及系统。

背景技术

[0002] 分层位移监测常被应用于基坑工程、大型堆载预压、真空预压区及大坝、码头等构筑物分层沉降监测中，分层位移监测的形式也比较多，如地表沉降、基坑的隆起、预压区土体分层沉降等，分层位移监测是了解地下多层土层位移特性的最重要的手段之一。

[0003] 分层位移监测实现比较复杂，主要是通过测量预埋在土体中的磁环的位移来实现的。监测机构主要由磁环、磁环导向管、读数尺、磁感蜂鸣器组成。

[0004] 传统方法是在分层沉降观测前需要将磁环预先安装在不同深度的土层中。首次观测时先人工记录每个磁环的初始位置。一段时间后土层发生沉降或隆起时会带动预先埋设在土层中的磁环一起运动。人工通过蜂鸣器和读数尺以磁环导向管管口为基点记录每个磁环的位移量。但在分层沉降观测过程中，由于磁环导向管也会随土层做相对运动，故测量完成后，需要对磁环位置进行校准。一般情况下利用水准仪测量磁环导向管管口处的标高，再对各个磁环位置进行修正，即可计算出各个磁环的实际标高。

[0005] 目前传统的监测由于人工操作工序多，操作人为误差很大，水准测量需要导测平差，效率非常低。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法及系统，通过采集不同位置的压力传感器数据获取分层位移监测结果，提升准确性加快监测效率。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法，包括：

[0008] S1、根据磁感式电阻格栅对应磁环得到磁感式电阻格栅的基础数据；

[0009] S2、利用所述磁感式电阻格栅的基础数据得到对应基础输出信号；

[0010] S3、利用所述基础输出信号得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果。

[0011] 优选的，所述根据磁感式电阻格栅对应磁环得到磁感式电阻格栅的基础数据包括：

[0012] 根据所述磁感式电阻格栅对应磁环设置第一传感器；

[0013] 在待监测区域外设置第二传感器；

[0014] 利用级联液管连接所述第一传感器与第二传感器；

[0015] 分别获取第一传感器对应第一压力数据与第二传感器对应第二压力数据；

[0016] 利用所述第一压力数据与第二压力数据计算磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值；

[0017] 利用所述磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值作为磁感式电阻格栅的基础数据；

[0018] 其中，第一传感器与第二传感器均为压力传感器。

[0019] 进一步的，利用所述第一压力数据与第二压力数据计算磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值包括：

[0020]

[0021] 其中，St为磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值，p1为第一压力数据，p2为第二压力数据，ρ为级联液管中液体密度，g为重力加速度。

[0022] 优选的，利用所述磁感式电阻格栅的基础数据得到对应基础输出信号包括：

[0023] S2‑1、获取各时刻对应基础磁感式电阻格栅的修正数据作为第一输出信号；

[0024] S2‑2、利用所述第一输出信号进行中值滤波处理得到第二输出信号；

[0025] S2‑3、利用所述第二输出信号作为基础输出信号。

[0026] 进一步的，利用所述基础输出信号得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果包括：

[0027] S3‑1、去除当前基础输出信号中的最大输出信号与最小输出信号得到基础均值输出信号；

[0028] S3‑2、获取所述基础均值输出信号的极差；

[0029] S3‑3、判断所述基础均值输出信号的极差是否在筛选阈值内，若是，则利用所述基础均值输出信号的平均值作为初始输出信号，执行S3‑4，否则，返回S2‑1；

[0030] S3‑4、判断所述S3‑3的执行次数是否超过3次，若是，则利用当前时刻对应的基础均值输出信号的中值作为初始输出信号，否则，获取各初始输出信号建立测量集合；

[0031] S3‑5、利用第一传感器对应标高与测量集合得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果；

[0032] 其中，筛选阈值的范围为正负0.5倍的磁感式电阻格栅宽度。

[0033] 一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统，包括：磁环导向管、磁环、磁感式电阻格栅、第一压力传感器、第二压力传感器、级联液管与控制单元；

[0034] 所述磁环导向管设置于待监测区域内；

[0035] 在所述磁环导向管上均匀布设有若干个所述磁环；

[0036] 各所述磁环上分别设置有对应磁感式电阻格栅；

[0037] 所述控制单元与磁感式电阻格栅电连接；

[0038] 所述磁环导向管的顶端设置有第一压力传感器；

[0039] 所述第二压力传感器设置于待监测区域外任意固定点；

[0040] 所述第一压力传感器与第二压力传感器通过级联液管连接。

[0041] 优选的，所述磁环导向管设置有黑色减摩涂层。

[0042] 优选的，包括：

[0043] 所述控制单元包括模拟转换电路芯片与PLC模块；

[0044] 同一磁环导向管对应的各磁感式电阻格栅的末端均与模拟转换电路芯片通过通讯电缆电连接；

[0045] 所述模拟转换电路芯片与PLC模块通过通讯电缆电连接。

[0046] 与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

[0047] 分层沉降位移监测在具体的工程中应用范围广泛，尤其在地面沉降、真空预压监测、地面沉降等领域内都有监测要求，一直以来人们通过尝试采用多种方法来解决分层沉降的问题，但都有一定的技术壁垒难以逾越。如传感器受外部因素影响较大、安装复杂、高成本等，故广泛推广，无法实现长期稳定的自动化监测。采用的传感器结构简单，受外部因素影响小，数据稳定可靠，可在恶劣条件下使用，并且安装方法简单方便，成本低廉，可广泛的应用于工程上长期监测。此外有效的解决了人工监测的一系列不可控因素的影响，如操作人员的人为操作误差，人工测读误差，人工处理数据可能产生的错误等，通过设置专用的自动化监测设备，具有监测频率高、无人、自动化的特点，真正解决了分层沉降自动化监测的难题。

附图说明

[0048] 图1是本发明提供的一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法的流程图；

[0049] 图2是本发明提供的一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统的具体实施示意图；

[0050] 图3是本发明提供的一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统的磁感式电阻格栅示意图；

[0051] 图4是本发明提供的一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统的控制单元电路原理图；

[0052] 图5是本发明提供的一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统的PLC模块电路图；

[0053] 附图标记：

[0054] 1、磁环导向管；2、磁环；3、磁感式电阻格栅；301、定值电阻；302、磁微动开关；4、第一压力传感器；5、第二压力传感器；6、级联液管；7、控制单元；8、贮液管；9、通讯电缆。

具体实施方式

[0055] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

[0056] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

[0057] 实施例1：本发明提供了一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法，如图1所示，包括：

[0058] S1、对磁感式电阻格栅对应磁环进行修正校准处理得到基础磁感式电阻格栅的修正数据；

[0059] S2、利用基础磁感式电阻格栅的修正数据进行滤波处理得到基础输出信号；

[0060] S3、根据所述基础输出信号得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果。

[0061] S1具体包括：

[0062] S1‑1、根据所述磁感式电阻格栅对应磁环设置第一传感器；

[0063] S1‑2、在待监测区域外设置第二传感器；

[0064] S1‑3、利用级联液管连接所述第一传感器与第二传感器；

[0065] S1‑4、分别获取第一传感器对应第一压力数据与第二传感器对应第二压力数据；

[0066] S1‑5、利用所述第一压力数据与第二压力数据计算磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值；

[0067] S1‑6、利用所述磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值作为基础磁感式电阻格栅的修正数据；

[0068] 其中，第一传感器与第二传感器均为压力传感器。

[0069] S1‑5的计算式如下：

[0070]

[0071] 其中，St为磁感式电阻格栅对应磁环的绝对位移值，p1为第一压力数据，p2为第二压力数据，ρ为级联液管中液体密度，g为重力加速度。

[0072] S2具体包括：

[0073] S2‑1、获取各时刻对应基础磁感式电阻格栅的修正数据作为第一输出信号；

[0074] S2‑2、利用所述第一输出信号进行中值滤波处理得到第二输出信号；

[0075] S2‑3、利用所述第二输出信号作为基础输出信号。

[0076] S3具体包括：

[0077] S3‑1、去除当前基础输出信号中的最大输出信号与最小输出信号得到基础均值输出信号；

[0078] S3‑2、获取所述基础均值输出信号的极差；

[0079] S3‑3、判断所述基础均值输出信号的极差是否在筛选阈值内，若是，则利用所述基础均值输出信号的平均值作为初始输出信号，执行S3‑4，否则，返回S2‑1；

[0080] S3‑4、判断所述S3‑3的执行次数是否超过3次，若是，则利用当前时刻对应的基础均值输出信号的中值作为初始输出信号，否则，获取各初始输出信号建立测量集合；

[0081] S3‑5、利用第一传感器对应标高与测量集合得到磁感式电阻格栅分层位移实时监测结果；

[0082] 其中，筛选阈值的范围为正负0.5倍的磁感式电阻格栅宽度。

[0083] 实施例2：一种磁感式电阻格栅分层位移监测系统，包括：磁环导向管、磁环、磁感式电阻格栅、第一压力传感器、第二压力传感器、级联液管与控制单元；所述磁环导向管设置于待监测区域内；在所述磁环导向管上均匀布设有若干个所述磁环；各所述磁环上分别设置有对应磁感式电阻格栅；所述磁感式电阻格栅包括定值电阻与磁微动开关，所述控制单元与磁感式电阻格栅电连接；所述第二压力传感器旁设置有贮液管与级联液管，所述各磁环导向管的顶端均分别设置有第一压力传感器；所述第二压力传感器设置于待监测区域外任意固定点，所述第一压力传感器与第二压力传感器通过级联液管连接；所述磁环导向管设置有黑色减摩涂层，所述控制单元与磁感式电阻格栅电连接包括：所述控制单元包括模拟转换电路芯片与PLC模块；所述磁感式电阻格栅的末端与控制单元的模拟转换电路芯片通过通讯电缆电连接；同一磁环导向管对应的各磁感式电阻格栅的末端均与模拟转换电路芯片通过通讯电缆电连接；所述模拟转换电路芯片与PLC模块通过通讯电缆电连接。

[0084] 实施例3：一种磁感式电阻格栅分层位移监测方法的具体实施示意，如图2所示，包括：

[0085] 1、打设钻孔，在待测地点打设钻孔，深度一般不小于20米，打设的深度越深，磁环导向管1的稳定性越好，下入磁环导向管1，为了防止磁环导向管1与土层产生过大的摩擦力而压屈导向管，需要在磁环导向管1上涂抹黑色减摩涂层。

[0086] 2、安装磁环，在磁环导向管1上标记好磁环位置，记录每个磁环2位置与磁环导向管1管顶的距离。

[0087] 3、组装：如图2所示，在每个磁环2处安装一个磁感式电阻格栅3，每个格栅尾端连接一个模拟转换电路芯片，如图3所示，所述磁感式电阻格栅3包括PCB板上由固定一系列等间距li均匀分布的常闭磁微动开关302和定值电阻301，通讯电缆9与芯片采用手拉手方式连接后并入总线，总线从导向管顶部迁出后与数模转换器连接。在磁环导向管1顶部安装第一压力传感器4、固定点处安装第二压力传感器5，所述第二压力传感器5旁设置有贮液管8与级联液管6，两个压力传感器由级联液管6相连，所述控制单元7与磁感式电阻格栅3电连接。

[0088] 4、所述控制单元7包括模拟转换电路芯片与PLC模块，组装完成后，如图4所示，主处理器PLC模块分别连接有太阳能电池控制系统、触摸屏幕、数据交换系统、电量识别控制系统、存储器时钟系统与4G无线透传模块，其中模拟量通信为模拟电路转换芯片，如图5所示，型号为STM32L151C8T6A，所述数模转换器与PLC模块连接后设备上电，测试设备运行情况，一切正常后，读取第一、第二压力传感器及每个磁阻阵列芯片的数据作为初始数据。

[0089] 5、数据通讯采集设备被集成在一个PLC模块内，包括单片机控制单元及无线数据通讯采集器。为了保证数据的稳定性及可靠性，所有的传感器由PLC控制读取数据。为了提高数据精度、减小误差，需要对数据进行可靠性验证。PLC控制单元算法为：采集五次数据，去掉最大、最小值后计算余下的三条数据极差；若极差变动超过设置的阈值时，此时PLC控制单元会重新采集数据并重复计算；若极差变动满足设置的阈值要求时，取余下的平均值作为传感器的代表值。若采集三次均不成功，则取最后一次采集的数据，再次去掉最大值与最小值，采用中间值作为传感器的代表值。

[0090] 6、监测过程：因为每个传感器要求采集的时间尽量相同，我们将采集一次成功数据的记录作为一个集合，记为一个采集批次，每个批次采集的时间差越小，精度越高，测试表明采集总时长应保证在10秒以内，满足数据采集的准确性。

[0091] 7、磁环2本次采集结果即为本次总沉降量，测量固定点的标高，经过换算即可计算出每个待测磁环2的实际标高。

[0092] 通过测量安装在磁环顶部的磁阻电阻格栅3回路中的电流值，根据换算公式计算磁环2位置之后，再利用各压力传感器的压力差换算出管口的标高对磁环2进行修正，以消除磁环导向管1管口下沉降影响，最后得到每个磁环2的标高，具体原理说明如下：

[0093] 磁感式电阻格栅：是在PCB板上由固定一系列等间距li均匀分布的常闭磁微动开关302和定值电阻301。定值电阻301阻值设为定值R（0 Ω），芯片组回路电压设为定值U（V）。当t时刻磁环磁力感应导致对应位置的磁微动开关302吸合，回路导通，此时通过测量回路上的电流值，即可计算回路中总阻值R（T Ω）：

[0094]

[0095] 此时根据间距li即可计算出磁环在t时刻的位移量Stx，计算公式为：

[0096]

[0097] 电路设计：由于定值电阻阻值较小，为了防止回路短接、可靠性及耐久性问题，特设计增加1000欧高精度定值电阻来解决防止回路短接及耐久性问题。

[0098] 分层沉降为多层沉降测量，安装有多组电阻格栅一同工作，要求所有的电阻格栅在同一时间获取数据，每组格栅都需要一股4芯电缆，安装困难，为解决以上难题，在每组电阻格栅上设计安装一个模拟转换电路芯片，用以将模拟信号软换成数字信号，采用半双工RS485总线型通讯接口，将电阻格栅标记地址后接入总线，以满足安装及设计要求。

[0099] 数据滤波：实测过程发现因为电阻格栅内部的定值电阻不可能是连续的，且阻值较小，稳压电源芯片的纹波会造成输出信号产生较大的尖峰脉冲，所以需要对输出的信号进行滤波处理，中值滤波较容易去除尖峰脉冲的影响：原理是对于一串连续输入的信号（一组数据），重新计算每一个新的输出值T的输出值(s)，相当于T=fx(s)，fx是从在以s为中心，长度为2k的原信号中（区间为[s‑k+1,s+k]），提取出这段区间内的中间值，作为T=fx(s)的结果。滤波后，数据仍然保留原始的变化趋势，同时去除了尖峰脉冲的影响。

[0100] 磁环修正：分层沉降观测过程中，由于磁环导向管也会随土层做相对运动，故每次测量完成后，需要对磁环位置进行校修正及校准。一般情况下利用水准仪测量磁环导向管管口处的标高，再对各个磁环位置进行修正，难以实现自动化监测，现利用液面相平原理，采用液位差实现磁环修正。

[0101] 在待测区域外设置一处固定点，固定点必须处于稳定的土层上，一般是将钢管打入到地下稳定、坚硬的土层上，此处发生沉降可忽略，以此作为固定点，再将第二压力传感器安装在场外固定点处；安装另一个压力传感器，将第一压力传感器安装在磁环导向管顶部，两个传感器通过液管相连（见图2）。当磁环导向管沉降时，因为液面相平原理，场外固定点与导向管处的液面高度是一致的，所以安装的第一与第二压力传感器会产生一定压力差。设此时第一、第二压力传感器的压力分别为p1、p2。根据液压差公式即可计算出磁环导向管的实际绝对位移St的计算式如下：

[0102]

[0103] 其中，ρ—液体密度（g/cm3），g—重力加速度常量（9.8N/kg），p1—1号压力传感器数值，p2—2号压力传感器数值。

[0104] 综上所述，根据磁环导向管的实际绝对位移即可对每个磁环进行修正，修正t时刻磁环的位移为：

[0105]

[0106] 其中，St’为修正后磁环位移，St管为磁环导向管的实际绝对位移，Stl为相邻上一时刻磁环位移。

[0107] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD‑ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

[0108] 本发明是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0109] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0110] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0111] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。