角位移式水下沉降儀

黃泰，黃浚凌，喻志發(fā)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.中交天航濱海環(huán)保浚航工程有限公司，天津 300450）

0 引言

在港口建設(shè)中，通常使用振弦式沉降儀監(jiān)測軟土地基的沉降量。振弦式沉降儀用于監(jiān)測沉降量時(shí)存在故障率高，監(jiān)測精度低，穩(wěn)定性差，成本高，數(shù)據(jù)采集不直觀等問題，其信號(hào)經(jīng)線纜傳輸時(shí)易受電磁干擾而影響測量結(jié)果。

角位移式水下沉降儀可用于長期測量陸上和水下軟土地基的沉降量。具有應(yīng)用面寬，監(jiān)測精度及靈敏度高，傳輸信號(hào)抗干擾性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，可實(shí)時(shí)直觀地顯示沉降量數(shù)值等特點(diǎn)，且安裝簡便，使用成本低廉。

1 組成

角位移式水下沉降儀有活塞式位移傳動(dòng)裝置，該裝置由下部套管和上部套管組成，下方連接延長桿，延長桿下端是錨固點(diǎn)，上方連接測量盒，測量盒上端連接鋼管，鋼管頂端連接沉降板[1]；該裝置內(nèi)有傳動(dòng)帶子，傳動(dòng)帶子上端連接沉降量電測裝置，沉降量電測裝置連接A/D轉(zhuǎn)換裝置，A/D轉(zhuǎn)換裝置通過線纜連接上方遠(yuǎn)距離的監(jiān)測儀器。如圖1所示。

使用方法：將沉降儀下部延長桿固定于地下不發(fā)生沉降穩(wěn)定層的錨固點(diǎn)，沉降板固定于被測土層。通過沉降量電測裝置中引出的信號(hào)線纜連接至監(jiān)測儀器，可以實(shí)時(shí)讀取沉降板所在土層沉降量。量程可達(dá)5 m以上、靈敏度可達(dá)0.05 mm。

2 結(jié)構(gòu)及原理

2.1 活塞式位移傳動(dòng)裝置

2.1.1 活塞

圖1 角位移式水下沉降儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Stucture of the angular displacement underwater settlement sensor

活塞由上部套管和下部套管組成，兩套管銜接處有防活塞脫出機(jī)構(gòu)及橫向限位機(jī)構(gòu)。上部套管與沉降量電測裝置所在金屬盒及沉降板固定連接為一體，保障活塞兩套管在某時(shí)間段內(nèi)縱向相對(duì)移動(dòng)行程即等于該時(shí)間段內(nèi)所測土層的沉降量[2]。活塞內(nèi)部空間填滿黏稠的且可流動(dòng)的防水填充材料，以保障活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)沉降儀的防水性能可靠。上下套管均為堅(jiān)固的不易變形的材料，如金屬等。

2.1.2 活塞內(nèi)的位移傳遞

活塞套管內(nèi)有傳遞位移的傳動(dòng)帶子。帶子的上端即b端固定在沉降量電測裝置中圓柱形繞線輪的側(cè)面。帶子作用是將活塞兩套管在某時(shí)間段內(nèi)縱向相對(duì)移動(dòng)行程實(shí)時(shí)等量轉(zhuǎn)化為帶子的b端圍繞圓柱形繞線輪軸心所轉(zhuǎn)動(dòng)的線位移量，即等于該時(shí)間段內(nèi)所測土層的沉降量。

2.2 沉降量電測裝置

沉降量電測裝置固定于活塞式位移傳動(dòng)裝置上方堅(jiān)固的防水密封金屬盒內(nèi)，并引出信號(hào)線纜連接至監(jiān)測儀器，線纜與沉降儀外殼連接處有防水接線端子密封。線纜內(nèi)有信號(hào)線和供電線，使得測量時(shí)監(jiān)測儀器內(nèi)電源可為沉降量電測裝置供電。沉降量電測裝置內(nèi)部包括位移傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)機(jī)構(gòu)。

2.2.1 位移傳動(dòng)

圓柱形繞線輪的軸心與角位移傳感器的旋轉(zhuǎn)軸相互固定且同軸。因此當(dāng)圓柱形繞線輪旋轉(zhuǎn)時(shí)的角位移量與角位移傳感器旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移量相等且同步增減[3]。

當(dāng)沉降板在某時(shí)間段內(nèi)隨所測土層下沉，帶子的b端在圓柱形繞線輪側(cè)面圍繞其軸心所轉(zhuǎn)動(dòng)的線位移量即此時(shí)間段內(nèi)所測土層的沉降量（或上升量）為L，圓柱形繞線輪的周長為C，此時(shí)間段內(nèi)圓柱形繞線輪隨帶子轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)角度即角位移傳感器所測的此時(shí)間段內(nèi)角位移增量為（單位為弧度），則L=

2.2.2 位移量轉(zhuǎn)化為數(shù)字電信號(hào)

當(dāng)沉降板在某時(shí)間段內(nèi)隨所測土層下沉（或上升）時(shí)，角位移傳感器可測得此時(shí)間段內(nèi)角位移增量θ。角位移傳感器的類型可以用電阻式旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)型光電式旋轉(zhuǎn)編碼器。

電阻式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，此數(shù)字信號(hào)通過信號(hào)線纜將量值R從沉降儀傳入監(jiān)測儀器。從而保障了在長線傳輸中信號(hào)不會(huì)由于衰減而影響測量精準(zhǔn)度，且測量精度不易受外界電磁信號(hào)干擾。

2.3 電路

2.3.1 信號(hào)的處理及運(yùn)算

監(jiān)測儀器從線纜接收到由沉降儀輸出的實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)，該數(shù)字信號(hào)經(jīng)監(jiān)測儀器內(nèi)的信號(hào)處理電路后輸出量值R至單片機(jī)。沉降量監(jiān)測起始時(shí)間點(diǎn)所測的數(shù)字信號(hào)的量值R′已記錄在監(jiān)測儀器的內(nèi)部存儲(chǔ)器中，R′通常采用沉降儀剛埋設(shè)好時(shí)所測數(shù)值，也可自行選擇所需的起始時(shí)間點(diǎn)的測量值。監(jiān)測儀器內(nèi)通過單片機(jī)程序運(yùn)算使得單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)量值即為自沉降量監(jiān)測起始時(shí)間點(diǎn)至此次監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)之間這段時(shí)間內(nèi)的被測土層沉降量L，單片機(jī)所運(yùn)行的換算公式即為：L=

2.3.2 顯示電路

信號(hào)的處理及運(yùn)算電路內(nèi)的單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)量值即沉降量L。此數(shù)字信號(hào)通過顯示屏驅(qū)動(dòng)電路處理后，使得沉降量L實(shí)時(shí)顯示在監(jiān)測儀器的顯示屏上[4]。

3 工程應(yīng)用

在天津南港工業(yè)區(qū)某軟基加固工程中的表層沉降量監(jiān)測比對(duì)試驗(yàn)中，本設(shè)備所測得的沉降值與用全站儀所測得的沉降值結(jié)果如表1所示，差值小于1 mm，測量精度滿足監(jiān)測要求。角位移式水下沉降儀及測量設(shè)備如圖2。

4 結(jié)語

本角位移式水下沉降儀結(jié)構(gòu)簡單，將線位移轉(zhuǎn)換成角位移提高測量精度和準(zhǔn)確性。應(yīng)用面寬，既可用于長期測量水下軟土地基的沉降量，亦可測量陸上軟土地基的沉降量。監(jiān)測精度及靈敏度高，傳輸信號(hào)抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性高，可將沉降量數(shù)值實(shí)時(shí)直觀的顯示出來，且安裝簡便、使用成本低廉。本技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)（專利授權(quán)號(hào)：201210239932.2）。

表1 表層沉降量監(jiān)測比對(duì)實(shí)驗(yàn)Table1 Comparativeexperimentsof thesurface subsidencemonitoring

圖2 角位移式水下沉降儀Fig.2 Angular displacement underwater settlement sensor

[1] 解林博，許浩，陳運(yùn)濤，等.海上構(gòu)筑物地基自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)在深水中的密封保護(hù)措施[J].中國港灣建設(shè)，2013（2）：40-43.XIE Lin-bo，XUHao，CHEN Yun-tao，et al.Seal protection measuresfor foundation automatic monitoringsystem in deep water offshorestructures[J].China Harbour Engineering，2013（2）：40-43.

[2] SPOTTSM F，SHOUPAND T E，HORNBERGER L E.機(jī)械零件設(shè)計(jì)[M].劉瑩，李威，縮編.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.SPOTTS M F，SHOUPAND T E，HORNBERGER L E.Design of Machine Elements[M].Abridged by LIUYing，LIWei.Beijing：China Machine Press，2007.

[3] KUOBC，GOLNARAGHIF.自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].汪小帆，李翔，譯.北京：高等教育出版社，2003.KUOBC，GOLNARAGHIF.Automatic Control Systems[M].Translated by WANG Xiao-fan，LI Xiang.Beijing：Higher Education Press，2003.

[4] 喻志發(fā)，楊京方，解林博，等.離岸深水構(gòu)筑物的自動(dòng)監(jiān)測新方法[J].中國港灣建設(shè)，2012（3）：25-28.YU Zhi-fa，YANG Jing-fang，XIE Lin-bo，et al.New method for automatic monitoring of deep-water offshore structures[J].China Harbour Engineering，2012（3）：25-28.