（光学工程专业论文）铁路路基剖面沉降监测系统的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i l f ll lii i ii iiji ii iifllf y 17 812 2 8 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 耩埠呜 导师签名： 高闷座 签字日期：z o fo 年6 月f 1 日签字日期：锄f 口年6 月f 7 日 fil 中图分类号：t u l 9 6 2 u d c ：5 2 8 4 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 铁路路基剖面沉降监测系统的研究 s t u d yo n t h em o n i t o r i n gs y s t e mf o rr o a d b e ds e t t l e m e n to f r a i l w a y c r o s ss e c t i o n 作者姓名：林泽鸣 导师姓名：高瞻 学位类别：工学 学科专业：光学工程 学号：0 8 1 2 2 2 0 0 职称：副教授 学位级别：硕士 研究方向：光电检测 北京交通大学 2 0 1 0 年5 月 致谢 一、 首先要感谢我的导师高瞻副教授，他有丰富扎实的理论知识，还有很多创新 的想法，在与我的分享中，不知不觉地对我的学习有了很大的帮助和影响，让我 懂得寻找自己的研究方向。他认真阅读了我的论文，并给出很多很好的修改意见， 付出极大的心血。在此衷心感谢两年来高瞻老师对我的关心和教导。 冯其波教授、张斌老师、陈世谦老师、崔建英老师、刘依真老师悉心指导我 完成了实验室的科研工作，对我在研究过程中遇到的问题提供了热心的指导和帮 助，并生活上给予了我很大的关心。在此向他们表示衷心的谢意。 此外，吴思进、杨婧、吴楠、陈筱、任纪华等同学对我的研究工作给予了大 力支持，在此向他们表达我的感激之情。感谢光电检测所的高岩、高晓婧、陈晓 、。磊、李元轩、任均宇、张涛等同学，与他们的学习交流让我受益匪浅。还要感谢 身边的各位同学、朋友，在我需要的时候给我帮助。 最后要特别感谢我的家人和女朋友，他们的支持使我能够在学校专心完成学 业，没有他们就没有我的今天。 中文摘要 中文摘要 摘要：本课题目的是研制一套系统实现远程监测铁路路基的沉降状态，为掌 握工程施工进度和避免工后路基沉降引起安全事故提供数据支持。该系统的使用 将对铁路运输起到重要的保障作用。 本论文根据实际工程的适用性，对比其它常用的路基沉降测量方法，在一般 水平测斜仪应用的基础上，研究制作一套实时自动监测铁路路基沉降位移的系统。 监测系统由一套控制部分和一个测量部分组成，控制部分主要包括单片机控制系 统、步进电机、无线通讯模块、编码器、牵引钢丝和限位保护装置，测量部分主 要包括单片机控制系统、水平测斜仪、无线通讯模块等部分。配合实验室已有的 远程数据传输设备，组成一套监测系统，达到远程监控的目的。 本论文的主要工作有： 1 、介绍各种常用的路基沉降测量方法，比较其优缺点，讨论使用水平测斜仪 作为测量手段的可行性； 2 、结合水平测斜仪的工作机理，设计监测系统的组成； 3 、具体设计监测系统各功能部分，制作电路并编写程序使其实现功能； 4 、分别于实验室环境下与实际应用环境下调试系统； 5 、通过数据处理实现系统定性及精度确认，并分析影响系统稳定性及精度的 主要因素。 该系统已安装在京沪高铁济南段，测量结果表明其工作可以满足对路基沉降 监测的精度要求。 图3 3 幅，表2 个，参考文献3 5 篇。 关键词：路基沉降；水平测斜仪；自动监测 分类号：t u l 9 6 2 abstr act a b s t r a c t t h es y s t e mw h i c hc a l lr e m o t ea n dr e a lt i m em o n i t o rr a i l w a y r o a d b e ds e t t l e m e n th a sb e e nd e v e l o p e db yu s eo fi n c l i n o m e t e r i tc a np r o v i d en e c e s s a r y d a t u mt ol e a r nt h ec o n s t r u c t i o ns c h e d u l eo fr a i l w a ya n di sb e l i e v e dt ob eh e l p f u lt ot h e s a f e t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n n l e s y s t e mi sc o n s i s t e do f t h ec o n t r o l l i n gs u b s y s t e ma n dt h em e a s u r i n gs u b s y s t e m 1 1 1 ec o n t r o l l i n gp a r ti sc o m p o s e do fs i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r 。s t e p p e rm o t o r , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e s e n c o d e r , s t e e lc a b l ea n dp r o t e c t i n ge q u i p m e n t t h em e a s u r i n g p a r ti sm a d eu po fs i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n d i n c l i n o m e t e r m a i nw o r k so ft h i sp r o j e c ta r ea sf o l l o w i n g ： 1 s e v e r a lc o m m o nm e t h o d so fm e a s u r i n go fr a i l w a yr o a d b e ds e t t l e m e n ta r e i n t r o d u c e dw i t ht h ed i s c u s s i o no ft h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s 1 1 1 ep o s s i b i l i t yo f a d o p t i n gi n c l i n o m e t e ra sam e a s u r i n gm e t h o d i sa n a l y z e da sw e l l ； 2 n l ec o n s t r u c t i o no fm e a s u r i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g n e db yr e f e r r i n gt ot h ew o r k i n g p r i n c i p l eo fi n c l i n o m e t e r ； 3 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mh a v eb e e nm a d e ； 4 t h ew h o l es y s t e mh a sb e e nt e s t e di nt h el a ba n do u t d o o r sr e s p e c t i v e l y ； 5 t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es t a b i l i t ya n dp r e c i s i o no ft h es y s t e ma r ea n a l y z e d n e s y s t e mh a d b e e ni n s t a l l e do nj i n a ns e c t i o no ft h eb e i j i n g s h a n g h a ih i 曲一s p e e d r a i l w a y n ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e mi sd e m o n s t r a t e db yt h em e a s u r e m e n t r e s u l t s k e y w o r d s ：r o a d b e ds u b s i d e n c e ：h o r i z o n t a li n c l i n o m e t e r ；a u t o m a t i c m e a s u r i n g c l a s s n 0 ：t u l 9 6 2 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 第一章绪论1 1 1 背景l 1 2 沉降测量方法1 1 3 研究目标3 第二章水平测斜仪的选用5 2 1 测斜技术：5 2 2 测斜仪原理一5 2 2 1 电子测斜仪5 2 2 2 气泡式测斜仪6 2 2 3 选用的测斜仪及相关计算6 第三章监测系统组成设计9 3 1 系统设计思想一9 3 2 系统构成与部分概述9 3 3 系统结构具体介绍1 0 3 3 1 主控部分功能设计及部件选型1 0 3 3 2 从控部分功能设计1 3 3 3 3 测量部分功能设计及部件选型：1 3 第四章电路及程序的设计1 5 4 1 电路设计15 4 1 1 主控部分的电路设计15 4 1 2 从控部分的电路设计17 4 1 3 测量部分电路设计18 4 2 软件设计2 2 4 2 1p s o cd e s i g n e r 芯片级设计2 2 4 2 2 主控部分程序设计【”5 1 2 4 4 2 3 测量部分程序设计2 8 4 3 无线数据传输系统与控制软件2 9 第五章监测效果与误差分析。3 2 北京交通大学硕 士学 位论文目录 5 1 数据处理3 2 5 1 1 单片机内程序初步处理3 2 5 1 2 控制中心的数据处理3 2 5 2 系统误差分析与应对方法3 3 5 2 1 电路上减少系统误差的处理3 3 5 2 2 机械上减少系统误差的处理3 3 5 3 监测效果3 3 5 - 3 1 实验室内测试3 3 5 3 2 现场调试3 5 5 3 3 监测数据分析3 8 第六章结论。4 1 参考文献4 2 作者简历4 4 独创性声明。4 5 学位论文数据集4 6 北京交 通 大学硕 士学位论文 绪 论 1 1 背景 第一章绪论 在交通运输工程的施工过程中以及完工后，路基沉降都是很难避免的。路基 沉降情况会影响工程进度、增加工程费，特别是工后的不均匀沉降极有可能导致 事故发生。随着经济发展，列车向着客运快速、货运重载的方向发展。列车动荷 载大幅提高，这对路基的承受能力提出了更多要求。所以不论从工程进度、费用 的控制方面考虑还是从工程质量安全方面考虑，都要对路基沉降控制有足够的重 视，从各个方面着手来控制沉降的发生。这就需要长时间连续观测，掌握路基沉 降的具体状况。路基沉降的监测数据一方面可监视填土施工过程中地基的稳定性， 从而控制填土速率；另一方面可据此推测地基的沉降变形规律，控制路堤的工后 沉降，满足设计要求。原有的早期路基沉降测试方法，如观测桩、沉降板、沉降 水杯等越来越不适应现代工程对自动化和实时性的要求。为此我们需要研制一套 全自动的实时铁路路基沉降监测系统，以满足日益增长的监测事业对自动化设备 的需求。 1 2 沉降测量方法 为了更好的了解各种检测技术的优缺点，选择一种可用作自动测量的测量方 法，需要对各种常用的路基沉降检测技术进行了解与分析。下面为大家介绍几种 常用的路基沉降监测方法： 1 传统检测方法，如监测桩法、沉降板法【 这几种方法均具有造价低，操作简便，易于测试的优点。监测桩法是利用木 桩和钢钎钉入土中，通过水准仪持平来测量土体表面的沉降量，但一个监测桩只 能观察路面上一点的沉降，只能测定地表面的沉降值，无法测试土体内部沉降。 而沉降板法是通过由底版和测杆、护套组成的装置，当沉降板底座随路基沉降时，利 用与底座相连的测杆来测得底座埋设处的路基沉降值。它的缺点首先是装置上端 伸出地面，大型机械施工时容易对其造成破坏，经常刻意的绕道行驶也会影响施 工进程；其次是一个沉降板只能测量一个点的沉降，测量多点沉降时，相互影响 很大，此外，沉降板损坏后较难补救。 2 沉降水杯法p 7 j 北京交通大学硕 士 学位 论文 绪论 沉降水杯法所使用的设备由沉降水杯、进水管、排水管、排气管、量测板等 五个部分组成，利用连通器原理测量测点处的沉降。与地面平整处埋设沉降水杯， 水杯引出三根管子至填土以外，对沉降水杯灌水每次测试都需将水杯中的气泡排 完，当土内水杯与外面进水管两端都处于同一大气压下时，并且水杯充满水并溢 流后，观测量杯中的水位，测得水杯杯口高程的变化量即为该测点的相对垂直位 移量。沉降观测采用水准仪进行，其精度可准确到l m m 。这种方法优点是构造简 单，造价低廉，缺点是3 根连接外部的管的埋设要求比较高，如果埋设不顺畅， 容易形成气泡阻塞水管，使测试无法进行。而且水受气温影响大，结冰后仪器将 无法正常工作，故此方法比较少用。 3 水压式剖面沉降测量仪【s q o j 应用比较成熟的是水压式剖面沉降测量仪，它的原理是将沉降管埋设在路基 中，在沉降管内安装有探测器，探测器通过电缆与测量仪相连接，探测器收到路 基位移变化转换成电信号输出到测量仪，测量仪显示出路基的位移数据。沉降管 为一般的p v c 管，探测器由探头、注水管、注水架组成，探头内的传感元件是静 水压力传感器。由于地基沉降的原因，探头处于不同位置时，静水压力传感器所 受到压力不同，利用连通器原理，把路基内部某一点的高程映射到路基外部，从 而得到沉降量。它的优点是：可以单独测量任意点的相对沉降值，甚至可设置较 高的测量频率以获得整个剖面的沉降曲线；测出的测量值为各点对外部测量仪的 相对高度，没有累积误差；制作简单，测试成本低。其缺点也很明显，先是受到 气温的影响大，虽然可以使用无空气的防冻液体代替水，但是由此影响造价；第 二是它的测量精度不高，要提高精度就需要换精度较高的净水压力传感器，或者 使用水银代替水，但也产生了造价和环保的问题；最重要的是，由于测量时要注 水、取水，操作步骤比较繁琐，不太适合采用此法来制造自动化测量的设备。 4 磁环分层沉降仪法u h j 】 将磁环按一定间距套在沉降管上，使用钻机打孔至持力层，将沉降管下入孔 中并用土将沉降管与孔缝隙填实，让磁环与土层同步沉降，当路堤发生沉降变形 时，带动磁环将随周围土体作同步沉降。专用的磁环分层观测仪由测头、测尺和 发声装置组成，测头放入沉降管缓缓随管滑落，感应到磁环后发出声音，外部观 测员记录测头离管口距离读数。自上而下依次逐点测定管内各磁环位置，与初始 测量到得位置相减，即可算出各测点的沉降量；或用水准仪测取沉降管管口标高， 推算出土层的沉降量。这种方法操作比较简便，测量简单，也可以用来测量一定 的侧向位移；缺点同沉降板法相同，易在施工过程中影响大型机械的压土作业， 而且在人手操作下测量精度只能到1c m 。 5 激光测距法【l 6 j 2 北京交通大学硕 士 学位论文绪 论 激光测距法是一种新型的、非接触式的立即沉降测量方法，它的实现方法是： 将标靶安放在需要测量的位置上，利用飞秒激光测距仪测量标靶沉降前后的距离 数据，再根据标靶的形状通过几何关系，推算出路基沉降量。使用伺服电机转动 可带动激光测距仪，可以对多个标靶进行测量。这种测量方法测量方式简单、速 度快，也有较高的测量精度，可以达到o 1 m m 。制约其发展的缺点是当标靶设置 较远时，激光测距仪的测量误差会迅速加大，而且在室外复杂环境下，系统的稳 定性也会受到影响。 6 水平测斜仪法 水平测斜仪是路基测量的常用工具之一，它利用重力加速度在倾斜方向上的 投影，并通过一系列电路将倾斜幅度以电压的形式输出。工作人员在沉降管内牵 引测斜仪，并通过连接到外部的电缆接到专用读数仪器上，即可得到每个点的倾 斜角度，再配合特定的测量点间距，即可得到准确的沉降数据。这种测量方法配 合高精度的距离定位设备，可使测量精度到达0 0 1 m m 的量级，并且使用方便，受 气候影响小，比较适合改装成为自动的监测系统。 经过研究对比，本项目决定将以水平测斜仪为基础，研制一套可实现远距离、 高精度、实时自动测量的路基沉降监测系统。 1 3 研究目标 基于倾斜法的原理，根据工程和现场施工环境研制测量系统。系统具有数据 测量、数据存储、数据与指令的传输功能，可测量温度进行温度补偿，按照事先 制定的通讯协议通讯，使用无线通讯模块接入g p r s 数据传输网络，根据远端计 算机的自检、测量、回传测量结果等指令做出相应动作，实现了对路基横向剖面 变形的自动测量。在此基础上，进行一定程度的容错和自保护设计，保证系统在 现场恶劣环境下长时间正常工作。 系统达到的技术参数目标： 1 、其测量灵敏度o 1 m m ，累计测量误差小于l m m ，采样间隔5 0 0 m m ，最大 截面长度可达5 0 m ； 2 、系统适应温度范围2 5 - - , 5 0 。 文章结构： 第一章介绍课题研究的意义，分析国内外一些常用的路基沉降检测方法，并 简要阐述了本课题的研究要达到的目标； 第二章分析对比两种水平测斜仪的原理、优点，提出水平测斜仪下沉降值的 计算原理； 北京交通大学硕 士学 位 论文绪论 第三章提出系统的设计思想，根据设计目标建立系统框架和选择部件，并对 各部件功能和性能进行详细介绍； 第四章论述监测系统的主体设计，包括电路设计和软件程序实现，介绍远程 数据传输系统； 第五章介绍数据处理方法，提出现场调试时所遇到的问题与采用的解决方 法，并对测量结果进行分析。 第六章总结工作结果，展望系统改进方向。 4 北京交通大学硕士学位论文水平测斜仪的选用 2 1 测斜技术 第二章水平测斜仪的选用 测斜技术的研究始于二十世纪初期，当时这项技术主要用于军事工业，用在 惯性测量系统来确定物体的空间倾斜与倾向，直到六十年代末期国内外才开始着 手研制民用测斜仪器。当代测斜技术已广泛用于土体测量、水文测量、隧道定向、 航空摄影、油井煤井测斜定向等方面的民用工业中。 1 7 - 1 9 早期的测斜仪主要是测试水平方向位移的垂向测斜仪，由于其精度高、操作 方便的优点被广泛应用于滑坡、边坡、地下结构物的变形监测。后来为了适应测 试非水平向位移的需要，如大坝上游表面混凝土的法向变形等，出现了斜坡测斜 仪，这种仪器在结构设计时将加速度计旋转了一定角度，使测头放置在斜坡上时， 以较小的角度输出。它运用于对沉降的测量具有其他常规测试方法无法比拟的优 点，日益受到了工程界的欢迎和认可，广泛应用于公路、铁路路基、房屋基础及 大型蓄水池的沉降监测中。 2 0 - 2 5 j 2 2 测斜仪原理 2 2 1 电子测斜仪 电子测斜仪的测斜原理是通过用力平衡式伺服加速度计作为敏感元件，测量 重力矢量g 在测头轴线垂直而上的分量大小，确定测头轴线相对水平的倾斜角， 据此计算出测头相对水平面的垂直位移。 力平衡式伺服加速度计由石英摆、能量转化器、放大电路、力矩器组成。当 沿系统的测量方向有加速度a 输入时，石英摆由于惯性，相对平衡位置运动，能 量转换器将此动能转换成电信号，再通过放大电路变成电流信号，放大电路输出 端链接到置于由永磁铁产生的磁场中的线圈上，由于磁场对电流的作用产生安培 力，此力作用到物体上产生加速度a ，直到石英摆再次恢复到原来的平衡位置，加 速度变为o 。根据牛顿第二定律f = m a ，结合电流通过恒定磁场中线圈所产生的安 培力公式f = b i l ，得m a = b i l ，式中b 为恒定磁场中磁感应密度，l 为线圈导线长 度。令k = m b l ，则反馈电流i = k a 。在放大电路输出端接精密上拉电阻，即可测 出输出电压u = i r = k r a ，进而推算出加速度值a 。【2 6 j 5 北京交通大学硕士学位论文水平测斜仪的选用 利用力平衡式伺服加速度计作为敏感元件的结构设计中，加速度计敏感轴应 该与测头轴线平行，重力加速度g 与加速度计的敏感轴垂直，加速度计输出电压 与重力加速度方向在敏感轴上的投影的大小成正比。当测头处于水平状态时，测 头中的传感器处于零位，矢量g 在感敏轴上的投影为零，输出电压信号为零；当 重力加速度g 与其有一夹角0 时，加速度计便感受一个重力加速度分量，输出电 信号u = k g s i n 0 。 但当将加速度计安装在测头里时，加速度计无法准确地将其敏感轴与测头轴 线保持平行，令加速度计与测头有安装偏角a ，则输出电压信号为：u o = k l g s i n a 。 这个值称为零偏，一般情况下零偏总是存在的。由于k 1 为一常数，故在a 不大的 情况下，当测头的倾角为时仪器输出电压可近似为：u = k l g s i n f i + k o 。 2 7 1 2 2 2 气泡式测斜仪 气泡式测斜仪所使用的传感器实际上是一个非常灵敏的气泡水平仪。传感器 的石英管内装满了导电液体，管内留有一个小气泡，并与当地的重力矢量保持准 直。当测斜仪倾斜时，气泡随着传感器倾斜而移动，偏离平衡位置，导电液体与 电极接触面积发生改变，由于传感器内有一个激发电极和多个接收电极，这个接 触面积会影响电极之间的电流量。通过测量电极之间的电流量的变化，依照一定 的换算方式，就可以得到传感器的倾斜度。气泡式测斜仪一般安装两个传感器， 以测量两个水平轴的倾斜度。p i n n a c l e 公司的气泡式倾斜仪测量精度可达1 豪微弧 度，约为5 7 1 0 。8 度，是一种高精度的测量仪。 2 8 j 2 2 3 选用的测斜仪及相关计算 i 测斜仪介绍 电子测斜仪经过长时间的发展，在国内已有比较成熟的技术，产品应用领域 广阔，用于监测边坡、滑坡体、堤坝、公路、防渗墙等结构的倾斜、水平位移或 沉降变形等方面。并且价格相对低廉，适合以后设备的大范围推广。 经过挑选，我们选用了北京基康公司的b g k 6 1 5 5 型m e m s 固定式测斜仪。 b g k 6 1 5 5 型m e m s 固定式水平测斜仪安装在水平分布的测斜管中，以测量不同 深度处垂直位移或大坝、填土、路基等的分层沉降。b g k 6 1 5 5 还可安装在斜坡面 上( 如堆石坝混凝土面板挠度监测) 使用，并接受任意坡度安装方向的定制。 该款测斜仪内部安装了一组微型机电系统传感器，密封在壳体内部。还放置 了热敏电阻，以便进行温度补偿。传感器和热敏电阻的电压由一根六芯屏蔽电缆 6 北京交通大学硕士学位论文水平测斜仪的选用 输出，配合自动化数据采集设备，可以自动、连续地监测，获得沿测斜管轴向的 挠度变形剖面图。主要技术指标如表2 1 ： 表2 1b g k 一6 1 5 5 主要技术指标 型n b g k 6 l5 5 标准量程士1 5 0 ( 水卜方向) 分辨率 1 0 弧秒( 士0 0 5 m m m ) 精度士o 1 f s 温度范围 2 0 8 0 供电电压 1 2 v 输出电压 士2 5 v ：l o 。 外型尺寸 ( p 3 2 x ( l ) 1 8 7 m m 耐冲击 2 k g 电路板外充安装支槊 图2 1 测斜仪结构示意图 为了可以固定测斜仪，测斜仪一端有一个安装支架，可与滑轮组件固定。一 个滑轮为定滑轮( 固定轮) ，另一个滑轮具有弹性，保证测斜仪在有槽的测斜管内 位置居中，可沿测斜管向下滑动。传感器另一端有一个突出的部件，可与连接管 或滑轮组件固定。安装时应注意仪器方向，通常a + 方向与预期位移方向一致，也 就是与被监测方向一致。滑轮组件要注意固定轮和弹性轮与倾斜的正方向一致， 并确保螺丝上紧，防止传感器旋转。 温度的变化对微型机动传感器的影响很小，通常可以忽略不计。如果发生温 度对测斜仪的测量产生影响时，可以通过测量测斜仪的工作温度来消除。测量温 度时，由于热敏电阻阻值变化非常大，因此电缆电阻通常可忽略。 2 相关参数的计算 ( 1 ) 倾斜计算 微型机电系统传感器的输出电压与水平方向倾角的正弦成比例。在+ - 1 5 度， 传感器的最大输出电压约为4 v 。换算公式为： 7 北京交通大学硕士学位论文水平测斜仪的选用 0 = s i n 。1 ( u g ) 或： s i i l 0 = u g 其中r 是测得的电压值；g 是率定标给出的仪器系数。 ( 2 ) 温度修正 g k 6 1 5 5 型测斜仪的输出量随温度的变化有一很小的改变， 1 0 c ，读数减少0 0 0 0 5 v 。因此，温度的修正可以用下述公式： s i n 0 t = o 0 0 5 ( r , 一t o ) 】g ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 即：温度每升高 ( 2 3 ) 通常情况下，温度变化非常小，可不考虑温度修正。如果要求精度较高，可 用公式“i h o 0 0 0 5 ( t 1 t o ) ”代替公式2 4 中的“r ，。另外，温度突变还可能引起结 构以及倾斜仪的突变，这将在读数上显现出来。因此，应始终记录仪器的温度并 做比较，并且尽量在仪器和结构处于温度平衡时读数，最佳监测时间是傍晚或清 晨的几个小时内。 ( 3 ) 沉降量( 挠度) 计算 第n 点偏移水平位置的值可由下面给出的公式算出 d 。= l 1s i l l q + l 2s i n 0 2 + + l 。s i n o ( 2 - 4 ) 这里l 为测斜仪两个固定轮的间距，一般为5 0 0 r a m ；0 是这段传感器测得的 水平方向的偏移角度。将之前每段偏移量累加，即得到各点相对于倾斜管管口的 水平偏移量。 如果忽略温度修正，公式2 2 代入公式2 _ 4 ，n - d 。= g l l l r l + g 2 l 2 r 2 + + g 。l 。r 。( 2 - 5 ) 为确定具体沉降量的多少，需要绘出沉降管沉降前后高程曲线并比较，二者 之差即为每点的具体沉降量，即： a d 。= g 。l 。z l r 。 ( 2 - 6 ) 8 监测系统组成设计 3 1 系统设计思想 第三章监测系统组成设计 按项目计划，监测设备最终将安装于京沪高铁济南段，经实地了解情况，该路 段将要建成截面为梯形的路基，底部长约为5 5 米，顶部长约3 5 米，高约为1 0 米。 由于高速铁路对路基的要求高，因此设计的监测设备应满足高精度、长距离的测 量要求，且要满足长期在野外工作条件，全自动完成所有测量步骤，不需要或少 需要人员进行操控。为方便管理人员及时准确的监测路基沉降，监测终端依靠无 线模块，接入g p r s 数据传输网络，实现远程监测控制。为了提高测量准确度， 系统将要进行多次测量以消除部分误差，产生的数据量非常大，因此系统必须具 备一定的数据预处理功能。最后，考虑到现场环境状况复杂，还应对将有可能出 现的情况进行预测估计，进行容错设计，保证设备在不出现巨大变化情况下能够 正常运行，并且在面对一些不可抗拒因素时有一定的自我保护能力，防止设备损 坏。 对一些具体功能的实现方法，本着从简从便的原则，尽可能的节约系统资源。 并且考虑到设备以后的推广，设计时应注意采取模块化的设计，便于系统的安装、 更换、升级。 3 2 系统构成与部分概述 本系统利用基于倾斜法的原理来实现对路基横向剖面沉降变形的测量，采用 自动控制和无线传输技术，实现路基横向剖面内不同点的沉降变形的自动测量与 数据采集。测量时，高精度测斜仪两边用钢丝绳连接，钢丝绳缠绕在绕线鼓上， 分别由电机带动，使测斜仪可在测斜管内自由滑动。利用角度编码器确定测量步 长，自动控制电机停止、转动。一次自动测量结束，各测点的倾斜测量数据通过 无线网络传输到终端，进行处理和分析。 此方案的优点在于：使用一个高精度测斜仪连续扫描测量得到横向剖面的变 形，相比埋设多个传感器大大节省了成本。其难度在于如何保证主动和从动电机 之间的同步，传感器数据的准确读出，以及如何实现在细长管道内传感器与控制 器之间的通讯与数据传输。 路基跨度大，各大功能部分集成不易实现，因此设计上整个测量系统由三部 9 北京交通大学硕士学位论文监测系统组成设计 _ _ _ _ - _ _ _ i _ - - _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ - - - i _ - _ _ _ - _ _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - i - _ _ _ _ _ - _ _ 。l 。- 。- - - _ - - - 。_ i 。_ 。_ 。_ 。- _ _ - _ _ - - 。- _ _ - - _ - - 分构成，分别是主控部分、从控部分和测量部分，如图3 1 所示。 图3 1 系统分布示意图 鲴- 3 l 甄 3 6 - 3 7 z - c 3 啦0 l 、r 一 1 6 2 ，v 。| 一： ，- ：j ：- ： ? 、? 、，： o 和i ：一。 ? ：，砷吒飙、j，、，、： 、，7 、，o ? ， 、，r 、j - ，+ 摹 ：j i 一j 巧：奠7 渤 2 2 ；4 ：，。7 。= j 。，” 、 红乙- 上1 ，囊、： 。，? ，一。l ? ， 嚣j7 掣i 是夏 o ：o & ，：翼 l ! ：z 堂鲢堡：，? ：卫兰z j2 b 堡立 学蕊：搿穗巍菇蠹澎：笋 墨：囊：浮鬈奢奠翳：鬻乞t ，：”：7 ：i 、：j 一，j + ：、? j 。：，：，o ：，一 、 疋j 酱 ：知矿： ： z2 0 ； ： 茹。3 ， ( 永平) 路基沉降系统总装翻 零住陶 设计 4 0 | 教鬣fl 鬈l 纥铡j l6 北东变通犬学噬学院i 圈写i0 0 i 3 3 系统结构具体介绍 图3 2 系统总装图 3 3 1 主控部分功能设计及部件选型 l o 组成设计 主控部分作为整个系统的主导部分，起到连接g p r s 数据传输网络、连接与 沟通沉降管内测量部分、控制主步进电机起停、控制从控部分工作与否、数据预 处理等功能。 1 单片机 主控部分要完成的工作量大、步骤繁杂，因此我们选用单片机配合相应电路 来实现主控部分对整个测量系统的控制功能。综合比较各种单片机，我们选用了 c y p r e s s 公司的p s o c ( p r o g r a m m a b l es y s t e m o n c h i p ，片上可编程系统) 系列 的c y 8 c 2 7 4 4 3 芯片，让其成为系统的大脑。这款芯片采用一个m 8 c 微控制器，最 多可集成1 0 0 种外设功能，从而节约了设计时间和板上面积，降低了功耗。方便 易用的开发工具使设计人员能够准确选择所需的外设功能，包括放大器、a d c 、 d a c 、滤波器及比较器等模拟功能以及定时器、计数器、p w m 、s p i 和u a r t 等 数字功能【2 9 】。从存储空间看，这款芯片内置高达1 6 k b 的f l a s h ，可以擦写5 0 0 0 0 次， 完全可以满足本项目大数据量、长时间自动运行的要求，此外2 5 6 k b 的s r a m 也 能实现本系统的复杂控制和计算。这款芯片的具体使用本论文将在第四章具体介 绍。 2 步进电机 纵观各种剖面沉降的测量，对传感器都是采用从外部牵引的方式使其转移位 置。本论文经过分析对比，也决定使用从外部牵引的方式，其中的重要部件就是 主步进电机和相应的驱动器件。本项目选用了质量较好的森创公司的8 6 系列的三 相混合式步进电机( 具体型号为8 6 b y g 3 5 0 b l s a k s h l 0 6 0 1 ) 和与之配对的三相 混合式步进电机细分驱动器( 具体型号为s h 一3 0 5 0 6 ) 。该款步进电机保持扭矩为 5 n m ，定位转矩为o 4 n m ，转动惯量为2 4 0 0 9 c m 2 ，使用在2 5 0 到4 0 0 的环境范围内， 可以满足提供足够的牵引动力，并能经受住室外低温的考验。而对应驱动器，它 的技术参数如表3 1 所示，p w m 驱动脉冲可很容易由单片机或简单的波形发生电 路产生，多种的细分励磁方式也足够本项目选择到合适的电机转动速度。 组成设计 表3 1 步进电机驱动器工作参数 二玉互蚋 二 = 二叠恒g 勋匝至堇砸枣f 二二二二二二 输出电流 峰值6a 相( m a x ) ( 电流可由两板拨码开关设定) 驱动方式恒相流p w m 控制 4 0 0 多啭，5 0 0 步| 转。6 0 0 多| 转，7 5 0 步| 转 1 5 0 0 步转，2 0 0 0 步转2 5 0 0 步转，3 0 0 0 励磁方式 多啭。5 0 0 0 j j f f 6 0 0 0 步| 辕，7 5 0 0 多| 辏， 1 5 0 0 0 步转，3 o o 步转 3 无线模块 无线传输的使用是本系统的实现远距离实时监控的重点。在主控部分，系统 使用了两个无线传输模块，一个用来接入g p r s 数据传输网络，另一个用来与测 量部分进行数据传输。本项目使用的无线模块为s r w f 1 0 2 1 系列中载波频率为 4 3 3 m h z 9 6 0 0 b p s 的型号，可以提供8 个信道，并能适任何标准或非标准的通讯协 议，方便本项目的编程实现。这款无线模块提供2 个串口3 种接口方式，分别是 t t l 电平u a r t 接口、r s 2 3 2 和r s - 4 8 5 ，可以直接接入芯片的u a r t 模块实现通 讯。在电气方面，在+ 5 v 的供电下，无线模块的接收电流2 8 士2 m a ，发射电流 3 8 + 2 m a ，休眠电流5 士2 u a ，在本项目使用的电源模块供电范围内。 4 角度编码器 关于确定测斜仪移动距离的方法，有两个思路。我们使用的是步进电机，可 以通过控制p w m 驱动和选择一定的励磁方式，精确输出稳定角速度，但是由于钢 丝导线在绕线鼓上的缠绕，其实际转动半径是不均匀的，因此这个方法无法精确 测量测斜仪的移动。另一个方法是在导向轮上加上编码器，通过电机缠绕导线， 导线带动导向轮转动进而带动编码器输出脉冲，再由导向轮直径、导线直径和与 编码器每圈的脉冲输出数之间的关系，只要记录编码器的脉冲就能精确测量测斜 仪的移动。这里的编码器，本项目选用的是欧姆龙公司的e 6 a 2 c s 3 c 型，2 0 0 脉 冲旋转，配合直径为2 8 m m 的导向轮和直径l m m 的导线，可以计算得每个计数脉 冲测斜仪移动距离为0 4 7 m m ，精度满足本项目的要求。这款编码器起动转矩为 l m n m 以下，惯性力矩l x l 0 1 k g i n 2 以下，只需很小的力即能带动。电气参数方 面，其供电电压为直流5 v 1 2 v ，集电极开路输出，与整个系统的供电电压匹配。 5 钢丝绳 测量部分的供电方法开始有两种设想，一种是在测量部分的电路内加入电池 1 2 一 滕精 二滞燃 w 一0，o 一 ：伽触啪 一 一。步， 一 组成设计 供电，另一种是使用牵引测量部分的钢丝绳做外部供电。考虑到电池供电需要设 计相应的充电电路和机械上的相应装置，加大了整个系统的复杂程度，再考虑到 项目使用的沉降管是p v c 管，有绝缘作用，这就使钢丝绳供电成为可能。经过综 合分析，本项目选用了钢丝绳供电方式。 牵引传感器的绳索，本项目使用一种钢丝绳，能够承受足够大的牵引力而不 断开。步进电机的转轴连接着一个自己设计的绕线鼓，钢丝绳缠绕在其上，钢丝 绳的一端伸入绕线鼓的内部，绕线鼓的中心也与外部供电电路相连接，供给测量 部分2 4 v 正电极。配合从控部分使用相同方法供给测量部分2 4 v 负电极，测量部 分的供电回路接通。这种钢丝绳电阻约为o 2 6 欧米，系统最长大约为6 0 米，测 量部分的工作电流经估算在1 0 0 m a 以下，2 4 v 供电经过钢丝绳后压降大约为2 v ， 在测量部分可接受的供电电压范围内。 6 光电开关与触点开关 最后为了确定测量部分是否已经被牵引到沉降管管口，本项目在关口处设置 了一个光电开关和一个触点开关。当测量部分被牵引到管口，将会触发光电开关， 由单片机处理信号后停止电机转动。触发距离约为l c m 。为了防止光电开关失效 引起系统无法感知测量部分是否到头，项目再使用了一个触点开关作为最后的防 护措施。 3 3 2 从控部分功能设计 由于主控部分只能提供给测量部分一个方向的牵引力，因此需要在另一端设 置从控部分，提供相反方向的牵引，这是从控部分的主要功能。 在从控部分，本项目设置了一个步进电机和相应的控制器，它的p w m 驱动电 流由一个简单的5 5 5 芯片产生。除此之外，从控部分也设置了一个光电开关和一 个触点开关，来确定测量部分是否到被拉到管口。 整个从控部分的供电由主控部分够给，从控部分的活动机制是：只要从控部 分被供电，系统便开始牵引测量部分。供电时机由主控部分的单片机掌握。 3 3 3 测量部分功能设计及部件选型 测量部分的功能是测取沉降管斜度和温度，存储数据并给主控部分发送测量 结果。作为整个测量系统的核心，测量部分工作的精确、正常程度，从根本上决 定了整个系统的总体效果能否达到预期目标。 测量部分使用的是基康公司的b g k 6 1 5 5 测斜仪，具体参数在第2 章已有详 北京交通大学硕士学位论文监测系统组成设计 细介绍，其精确的测量可以满足系统的要求。本项目设计了相应的电路对测斜仪 的电压信号和热敏电阻进行测量，其核心为c y p r e s s 公司的p s o c 系列c y 8 c 2 7 2 4 3 芯片，1 6 k 的f l a s h 按照系统的设计，一次最多可以测量8 0 米长的距离。 为了和主控部分通讯，测量部分也包含了一个无线模块。按照最开始的设计， 测量部分的每一个操作，都有相应指令由主控部分使用无线模块发送给测量部分， 但是经过现场的测试，选用的无线模块在沉降管内有效的通讯距离约为2 0 米，达 不到正常工作的要求。联想到钢丝绳的供电功能，本项目创造性的提出一个设计 思想，即传感部分在牵引过程中不供电，每次供电，测量部分便马上进行测量和 存储，因此主控部分只需将测量部分牵引到正确位置并在适当时候为测量部分供 电，而无需进行通讯联系，从而避免的使用无线模块的距离限制。这个设计的另 一个好处是，可以避免由于机械设计缺陷而引起测量部分在牵引过程中供电中断， 进而引起系统混乱的可能。 1 4 程序的设计 第四章电路及程序的设计 本章从整个系统的运作角度，对主控部分、从控部分以及测量部分电路及单 片机程序的设计进行介绍，主要包括外围电路的设计和一些次要元件的选型，还 有p s o c 单片机的配置和控制程序的详细介绍。 4 1 电路设计 4 1 1 主控部分的