（机械电子工程专业论文）路基沉降无线监测系统关键技术研究.pdf

摘要 西部山区的高等级公路建设中，桥隧比例很大，不可避免的出现大量软质岩石回填、 高填方路基。从目前投入运营的高速公路来看，普遍反映出路基沉降问题较为严重。如 何及时、准确地监测路基的沉降状况，掌握软质岩石路堤的变形规律变得尤为重要。 本文以实时性、长期性和准确性为监测设计目标，结合传感器监测技术和g p r s 无 线网络通信技术，设计开发了基于g p r s 的路基沉降无线监测系统，系统包括沉降监测 单元、数据采集单元、无线通信单元和数据库管理单元。此系统通过监测单元实时监测 路基沉降信息，并通过数据采集单元进行数据采集及存储，g p r s 通信单元可通过r s 2 3 2 接口从数据采集单元获得监测数据，并将数据无线传输到远程的计算机管理中心，管理 单元可对采集的原始数据进行分析、存储和显示，实现实时监测路基沉降状况的目的。 系统根据路基在施工和工后期间的沉降数据，反算出路基的健康状况，并探求软质岩石 路堤的变形规律，为以后在相同的地质环境下修建高速公路提供科学依据。 路基沉降无线监测系统的设计和应用不仅具有重要的现实意义，而且具有重要的科 学意义。它将对推动和发展数字化、智能化道路工程发挥积极地作用。 关键词：路基，沉降监测，g p r s ，数据采集 a bs t r a c t t h er a t i oo fb r i d g e st ot u n n e l so f h i g h - l e v e lr o a dc o n s t r u c t i o ni nt h ew e s t e r nm o u n t a i ni s v e r yl a r g e ，s oal a r g en u m b e ro fs o f tr o c kb a c kf i l l ，h i g hf i l le m b a n k m e n ta r ei n e v i t a b l e f r o m s i t u a t i o no ft h eh i g h w a yh a v i n gb e e no p e r a t e d ，am o r es e r i o u sp r o b l e m ，r o a d b e ds e t t l e m e n t ， h a sb e e nr e f l e c t e d h o wt ot i m e l ya n da c c u r a t e l ym o n i t o rt h es i t u a t i o no fr o a d b e ds e t t l e m e n t ， a n dg r a s pt h ef l e x i b l ed e f o r m a t i o no ft h es o f tr o c ke m b a n k m e n t ? i tc a t c h e sag r o w i n g c o n c e m i nt h i sp a p e r , w i t ht h er e a l - t i m e ，a c c u r a t ea n dl o n g t e r mo b j e c t i v e s ，t h ea u t h o rd e s i g n e d w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mo fr o a d b e ds e t t l e m e n tb a s e do ng p r st h r o u g ht h es e n s o ra n d w i r e l e s sw e b t e c h n o l o g y , a n di ti n c l u d e sm o n i t o r i n gu n i t ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e s ，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 sa n dd a t a b a s em a n a g e m e n tu n i t t h i ss y s t e mg a t h e rt h er e a l t i m e r o a d b e ds e t t l e m e n ti n f o r m a t i o nt h r o u g hm o n i t o r i n gu n i t ，c o l l e c ta n d s t o r a g ed a t at h r o u g hd a t a a c q u i s i t i o nu n i t ；g p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nu n i to b t a i nt h em o n i t o r i n gd a t af r o mt h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mt h r o u g hr s 2 3 2i n t e r f a c e ，a n dt r a n s m i tt h ed a t at ot h ed i s t a n tc o m p u t e r m a n a g e m e n tc e n t e rt oa n a l y z e ，s t o r e ，a n dd i s p l a yt h ep r i m a r yc o l l e c t e dd a t a , t h e nr e a l i z et h e a i mo fm o n i t o r i n gt h es i t u a t i o no fr o a d b e ds e t t l e m e n tc o n s t a n t l y a c c o r d i n gt od a t ac o l l e c t e d d u d n gt h ec o n s t r u c t i o np e r i o da n da f t e rt h ec o n s t r u c t i o np e r i o d ，t h eh e a l t hs i t u a t i o no f r o a d b e dc a nb ew o r k e do u t ，a n dt h e nt h ea u t h o re x p l o r e st h ef l e x i b l ed e f o r m m i o no ft h er o c k e m b a n k m e n t ，t op r o v i d et h es c i e n t i f i cb a s i sf o rt h ef u t u r ec o n s t r u c t i o no ft h eh i g h w a yi nt h e s a m eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e mn o t o n l yh a st h ep r a c t i c a lb u ta l s ot h e i m p o r t a n ts c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e i tw i l lp r o m o t ea n dd e v e l o pt h ed i g i t a la n di n t e l l i g e n tr o a d w o r k s k e yw o r d s ：r o a d b e d ，s e t t l e m e n tm o n i t o r i n g ，g p r s ，d a t aa c q u i s i t i o n i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丁币- 忪翻g ,谚年f 月b 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 鸹年；月夕。日 刃年，月夕。日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 项目背景及研究意义 我国公路发展很快，特别是从1 9 9 8 年以来，国家实施积极的财政政策，高速公路 得到快速发展。到2 0 0 7 年底，我国公路通车里程已超过3 5 7 3 万公里，继续保持世界 第二。在我国公路建设取得巨大成就的同时，我们也清醒地认识到我国是一个多山的国 家，山区面积占了国土面积的三分之二，山区的公路还属于低等级的公路。这样的公路 已经不能满足社会经济发展的需要，建设社会主义和谐社会要求高速公路走进大山，改 善山区交通不便、路况差的现状。 公路建设是西部开发的战略重点，西部多山区，所以西部山区高速公路建设有其自 身的特点。一方面，山区地势落差大，填、挖方量大，土源少，材料运输不便，这些使 得山区高速公路路堤的修筑技术难度增大、投资增加；另一方面，由于隧道多，在加上 削坡弃方和路堑挖方，会产生大量的弃渣、弃方，这些弃渣、弃方的处理，也成了山区 高速公路建设遇到的一个棘手的问题。 本项目依托的柞小( 柞水一小河) 高速公路是交通部规划的“四纵四横”八条西部 开发大通道中包头一茂名西部大通道高速公路的重要路段之一，项目建设条件复杂，穿 过秦岭大山脉，全线总长7 1 6 7 k m ，桥隧比例占路线总长的6 1 ，存在大量的隧道弃渣。 根据国家“十一五”科学技术发展规划提出的“坚持节约优先 、“建立环境友好型 社会 的要求。柞小高速公路建设中尽量使用隧道弃渣和削坡弃方作为路堤填料。目前 国内外有关硬质岩石填筑高路堤的研究相对较多。但柞小高速公路的隧道弃渣和削坡弃 方中存在大量软质岩石，而有关软质岩石填筑路堤方面的研究较少，公路建设中尚无设 计、施工技术规范和验收标准可循。软质岩石能否作为路堤填料以及如何用软质岩石填 筑路堤就成为国内外公路，铁路建设亟待解决的问题。 本项目来源于陕西陕西省交通厅“关于特殊软质岩石路堤浸水变形与修筑技术研 究”的科技项目。在此背景下，以软质岩石填筑的高路堤( 柞小高速2 9 标、1 0 标) 为 对象，研究针对它的沉降监测数据采集系统，对软质岩石路基沉降进行长期监测，对高 速公路的安全运营具有很大的现实意义，同时通过分析采集来的沉降数据，得到软质岩 石路堤沉降规律，为以后山区高速公路建设提供重要的科学依据。这套沉降监测系统还 可以应用于其它高层建筑沉降的监测。 第一章绪论 1 2 沉降监测现状 随着社会的不断进步和物质文明极大地提高，高层及超高层建( 构) 筑物越来越多， 沉降是高层建( 构) 筑物安全性的一个重要技术指标，直接关系到建( 构) 筑物的正常 使用年限。沉降监测很早就受到人们的重视，国家制定了高层建筑物沉降观测规范，提 出了沉降监测基本要求，如观测点、观测时间和观测精度等。 对于高填方路堤，也制定了相应的在施工过程中路基沉降监测规范，规定在施工过 程中每天监测的次数和精度等，根据监测的沉降量控制填土的速率和高度。现在监测路 基沉降的方法基本都采用传统方法一沉降板法。沉降板法是在道路施工期间在路基下铺 设一沉降板，记录其高度，在路基铺设完毕后测出沉降板高度，然后根据其差值来显示 路基沉降状况。另外还有类似的水准测量法、监测桩法和沉降水杯法等。后来，随着电 子技术和测量技术不断的发展，出现了更为精确地测量技术，如剖面沉降仪法。它是一 种精密的测量仪器，可连续测读结构物下部的地表沉降量，不影响路基的施工。 以上的监测方法基本上只能在施工期间进行，施工完成后，人们很难再准确的监测 到沉降值。早期人们对施工完成后的高速公路都是定期对高速公路路面或建筑物地面进 行检查，或者出现紧急情况时进行检测评估。此时建( 构) 筑物往往已经出现较大的沉 降或不均匀变形，评估和维修费用显著增加。 随着g p s 全球定位系统的应用不断发展，g p s 技术广泛地应用于地面沉降监测系 统中。g p s 具有覆盖范围广、精度高、速度快、全天候、全自动和测站间无需通视等优 点，目前，g p s 测量精度达到了毫米级。美国地质调查局在1 9 9 6 在圣克拉山谷河谷建 起了地面沉降监测网，确定地面高程的变化情况，而且为与将来的监测结果进行比较建 立了基准值。天津市为了尝试使用g p s 技术代替传统的水准测量方法监测地面沉降的 可行性，在市区内选择了天津北站、天津西站、天津大学和中山门桥5 个g p s 地面沉 降监测点，组成的高精度地面沉降g p s 监测网【2 1 。目前杭嘉湖地区控制面积近5 0 0 0 平 方公里的地面沉降监测网已初步建立，共包括g p s 点8 1 个 3 1 。另外，上海在进一步发 挥g p s 技术及更先进的1 n s t r 技术基础上，自主研发了地面沉降自动化监测系统，可 随时获得地面沉降数据，初步建立了地面沉降预警预报机制。 从目前沉降监测技术来看，还是主要以人工使用传统仪器测量为主，这种方法只能 在高速公路施工期间进行测量，或者在公路运营后定期的测量，不能全天候自动获取沉 降数据，需要人工逐点测量，长期人工测量费用高、误差大。g p s 技术监测路基沉降只 2 长安大学硕士学位论文 能监测到地表的沉降量，不能反映高填方路堤内部不同土质沉降状况。且g p s 监测技术 还不够成熟，价格很贵。 1 3 论文的主要研究内容 为了能够长期，有效，方便快捷的监测路基沉降状况，掌握软质岩石路基沉降规律， 本项目采用路基沉降无线监测技术，这种方法是在国内首次使用。路基沉降无线监测技 术将传感器技术、电子技术、无线网络技术和计算技术相结合，可以全天候、长期、自 动的获取高速公路的沉降信息，然后通过终端计算机的数据库管理系统处理采集的沉降 数据，自动生成沉降曲线，直观地反映路基沉降状况。 本文主要研究内容：根据国内外沉降监测技术和路基沉降理论的研究现状，结合本 项目研究目的，进行了路基沉降无线监测系统的总体方案设计。这套监测系统包括监测 单元、数据采集和数据无线发送单元、后台数据库管理系统，各个单元所做的主要工作 如下： 沉降监测单元：介绍了常用的路基沉降监测仪器，根据本项目的实际情况和要求， 对传感器做出了选型，进行了传感器的优化布设。 数据采集及数据无线发送单元：针对低功耗的需求，对c p u 进行了选型，并设计了 数据采集系统的硬件电路。设计了g p r s 无线发送模块。 后台数据库管理系统：首先介绍了管理系统的开发平台，说明了本系统的软件开发 的关键技术，重点阐述了管理系统主要功能的设计。最后介绍了数据的转化方法，通过 具体沉降数据详细分析了路基沉降规律，得出了几个结论。 全文组织结构图如图1 1 所示。 3 第一章绪论 图1 1 论文组织结构图 4 长安大学硕士学位论文 第二章路基沉降无线监测系统整体方案设计 合理选择监测方案不但能达到有效监测路基沉降状况的目的，还能降低成本，节省 人力。本文针对柞小高速软质岩石高路堤的实际情况，设计了无线监测系统的总体技术 方案。 2 1 常用沉降监测方法介绍 路基的沉降监测，根据监测内容可分为两类：地表沉降量监测和路基内部沉降量监 测【5 1 。 2 1 1 地表沉降量监测 1 、水准测量法 水准测量法目的是测定两点的高差。利用水准仪提供的水平视线竖立在两点之间 的水准尺进行观测，并通过其中一点( m 点) 的高程推算另一个点( n 点) 的高程。其 监测示意图如图2 1 所示。 图2 1 水准测量法示意图 在m 、n 两点间安置水准仪，在m 、n 两点分别竖立水准尺，利用水准仪的水平视 线分别读取m 点、n 点上的读数a 、b ，则两点的高差为：hm n = a b ， 则n 点的高程为：h n = h m + hm n 。通过测量n 点的高程变化，得出n 点的沉降量。 水准法测量精度高，但需要人工观测，而且只能在较小的范围内使用开展工作。 气 第二章路基沉降无线监测系统整体方案设计 2 、沉降板法【6 】 由地板和测杆、护套组成。底板为边长6 0 c m 、厚度为l c m 的钢板。测杆为直径3 5 c m 左右的钢管，第一段垂直固定于钢板的中央。随着填土高度的增加，分段以丝扣接长测 杆。测杆外套接塑料管保护，以免测杆受外来扰动二变形。 沉降板是目前沉降监测最常用的手段，类似的还有监测桩法沉降杯法，其优点是造 价低廉，操作简便，易于测试，但缺点也很明显，主要是影响填土压实施工，压实机械 经常撞坏沉降杆，且形成压实死角，较低压实质量。其次是一个沉降板只能测量路堤中 一点的沉降，一个断面上多放几个沉降板会严重影响压实施工。另外一个缺点是损坏后 的补救非常困难。 本项目在柞小高速1 0 标、2 9 标监测沉降遇到过沉降杆被撞坏的情况。长安大学公 路学院也用沉降板法在1 0 标、2 9 标测量路基沉降。一次施工时，撞坏了沉降杆，后来 用挖掘机、人工挖出沉降杆，再次埋上。 3 、g p s 监测法 对于大规模的区域地面沉降监测应该采用先进的全球定位系统( g p s ) 进行全方位 的测量。g p s 可借助于人造地球卫星进行三边测量定位。易受障碍物和天气的影响。 4 、卫星雷达干涉技术【7 】 卫星雷达干涉监测室一种卫星遥感技术，就是利用雷达图像的相位差来获取地面点 三维信息的技术，简单地说是采用雷达轨道参数和干涉相位计算出一系列参数，由此确 定地面点沿雷达视线方向的形变值。 它特点是分辨率高，可以敏感地监测出地面的沉降变化，能全天候工作。适用于测 量面积较大的区域，易受障碍物和天气的影响。 2 1 2 路基内部沉降监测 一般测量路基内部沉降比较困难，最常用的就是传统的连通式水平监测仪，随着测 量点的高度变化，管内或容器内的液体压力也随着变化，根据压力值的变化计算出测量 点沉降值。如水压式剖面沉降仪。水压式剖面沉降仪由沉降管和二次测试仪器组成。沉 降管为一般的p v c 管，二次测试仪器由探头、主水管、注水架组成。探头内的主要元件 是静水压力传感器所受到得静水压力是不同的。根据记录不同的静水压力，可得到不同 位置的高度，从而得到沉降值。但是这种测量方法精度低，安装、操作比较复杂，测试 时需要注水，受天气干扰大。 6 长安大学硕上学位论文 后来随着电子技术和传感器技术的不断发展，传统的连通器式水平监测仪有了很大 发展，精度越来越高，体积减小，安装也变得简单。如电子沉降监测仪。 2 2 路基沉降规律研究 高速公路路基成沉降一般由两方面引起的，这两方面的沉降机理也是完全不同的， 一方面是地基的本身沉降，地基属于承受载荷的天然载体，地基是原状土，保持着原有 土质结构，受到应力、原有地基土质结构和地下水位等诸多因素的影响。另一方面是路 堤沉降，路堤是用土、岩石和沙子等经过填筑和压实形成的，属于重塑土，受填筑是压 实技术、填筑材料本身性质和速度因素影响【4 1 。对于地基的本身沉降分析及计算，人们 已有了较多的工程实践，因而进行了较深入的研究和讨论，而对于路堤沉降计算目前还 没有成熟的方法。由于路堤填筑材料是石料或土石混填料，它的变形机理既不同于土， 也不同于整体岩石，所以路堤沉降问题是一个复杂问题。 路基沉降计算方法很多，最普遍的方法认为在载荷作用下地基中附加应力场是根据 半无限空间各向同性弹性体理论计算的，认为沉降由三部分构成：瞬时沉降、固结沉降 和次固结沉降，将三部分沉降之和相加就是地基的最终沉降量。瞬时沉降是指加荷后瞬 时发生的沉降，是由土体的侧向变形引起的，受地基本身土体结构和性质影响。计算这 部分沉降最常用方法是复合模量法。固结沉降式指加荷后由于地基土的结构骨架受力压 缩，是孔隙中水排出体积压缩引起的部分沉降，常用分层总和法计算其沉降量。次固结 沉降是指超静孔隙水压力基本消散后，主要有土粒表面结合水膜发生蠕变等引起的沉 降，常采用分层总和法根据蠕变实验确定参数求解，不过次固结沉降通常较小，通常可 以忽略。 自1 9 2 3 年太沙皇( k a r lt e r z a g h i ) 的渗透固结理论和有效应力原理问世以来，地 基沉降计算理论的研究己取得了很大发展，使得地基沉降量的计算更加方便和准确，如 b i o t 固结理论结合土的本构模型的各种有限元法【5 1 。其后，随着计算机技术和软件技术 的不断发展，人们在计算机上根据路基的特性对其建模，然后通过软件动态分析其沉降 过程，如最常用的a n s y s 分析。 以上研究沉降理论的方法所使用到得计算参数主要是通过取土样在实验室里通过 实验和一些常规施工经验获得，但是取样过程中土样不可避免地会产生扰动，破坏原有 土样的结构，将会导致实验得到的参数与土的实际参数不相符【4 】。所以，用这些方法计 7 第二章路基沉降无线监测系统整体方案设计 算的沉降量与路基实际沉降量往往相差较大。后来，随着高速公路大规模建设、传感器 和电子技术不断发展，人们通过现场实际采集大量的路基沉降数据来计算路基沉降量与 时间的关系并推算其最终沉降量，这种方法的突出优点在于避免了室内试验和理论计算 假设条件存在的不足。本文在此方法的基础上进行研究，以路基沉降试验为基础，通过 无线网络技术和传感器监测技术长期、实时采集路基沉降量，研究软质岩石路基沉降变 形规律。试验以柞水一小河高速公路建设为依托，在2 9 标、1 0 标软质岩石、高填方路 段进行路基沉降监测试验。 2 3 西部山区路基沉降监测理论 对于高填方路基，具体高度是多少还没有量化，通常认为填方高度超过l o m m 的路 基即可认为是高填方路基。高填方路基沉降是铁路、公路建设和使用过程中最常见的病 害之一，如果对高填方路基沉降没有足够地重视，则很容易引起路基沉降变形过大和不 均匀变形，严重影响公路的正常使用和驾驶安全。因此，有必要对高填方路堤进行长期 沉降监测，并对其沉降规律进行研究。对于西部山区路基，高填方路基具有如下一些特 占 ，、 1 高路堤较多，需用大量的填筑料，工程量很大，难以保证其填筑压实的质量，后 期沉降和稳定日益暴露的问题很多，对压实机和压实遍数的要求很高。另外，高路堤填 料性能复杂多样，相对于低路堤，高路堤沉降达到稳定需要很长时间； 2 西部山区隧道过多，会产生大量的弃渣、弃方，为了节省成本，将其作为填筑料。 而这些弃渣、弃方属于软质岩石，这类岩石露出地表易风化，常出现膨胀、泡水易软化， 抗压强度低。用其作为填筑料，则路基易产生基础滑移、不均匀变形，以软质岩石为填 筑料的高路堤可行性和沉降规律研究室很必要的； 3 高路堤的白重大，使路堤下地基土的沉降量比较大，在公路施工过程中，必须对 地基进行检测，控制总沉降量和沉降速度。 所以，以软质岩石为填筑料的高路基的沉降监测工作很重要的，使其成为高速施工 和工后运营管理工作的重要一部分。 8 长安大学硕+ 学位论文 2 4 路基沉降无线监测系统方案设计 2 4 1 路基沉降监测的目的 项目监测目的为： 1 - 通过沉降观测可以及时掌握路基的沉降变化情况，及时发现沉降偏大的路基，以 便在施工过程中及时处理，或控制填土速率，避免对路基的工后沉降和路面质量留下后 患。进一步找出发生沉降偏大的原因，作为以后施工的借鉴； 2 通过施工期间和工后观测的大量数据，利于研究软质岩石路堤沉降规律，而且还 能对高速公路安全运营提供保证，如果监测的沉降数据出现异常，可以提前做出预警。 2 4 2 监测系统主要功能 早期的路基沉降监测大多只能在施工期间进行，监控施工期间路基沉降量并以此为 根据控制路基施工进度和施工方案。由于路基的沉降变形时一个缓慢的过程，与运营后 路基上的车辆载荷、速度等因素有很大关系，高速公路运营期间的沉降监测显得尤为重 要。另外，研究路基沉降的变形规律是一个长期的过程，需要大量的沉降数据为之支撑， 如果依靠人工每天用测量仪器采集数据，其成本很高，而且准确度不高。这就需要一个 能长期、实时和方便的路基沉降监测系统。 本文根据监测目的和研究路基沉降规律的方法现场采集大量的沉降数据计算 沉降量与时间的关系研究路基沉降规律，并结合当前研究路基沉降监测方法的弊端，设 计了路基沉降无线监测系统，其主要功能如下： 1 、长期监测。能在施工期间进行沉降的监测，而且不影响施工。可以边施工变监 测，为高速公路的施工期间填土方案提供依据。在高速公路运营后，能持续监测路基的 沉降( 3 年左右) ，为后期研究路基沉降规律提供数据，并为道路的安全运营提供保证。 2 、数据采集。能定期、自动的获取路基的沉降量，不需要人工操作。数据能及时 地传送到监控室进行处理。这样就可以方便、低成本的采集数据，对研究路基沉降规律 是非常重要的，这也是本监测系统的一个特殊点。 3 、数据分析。监测时间约为3 年，数据量庞大，靠人工整理和分析是不现实的。 本监测系统能根据人们设定数据分析方法自动的处理数据，是该监测系统的用户直观的 查看路基的沉降状况。 9 第二章路皋沉降无线监测系统整体方案设计 2 4 3 系统总体设计 监测系统的设计应该从两方面考虑：首先，建立该系统的目的和功能。该监测系统 的目的长期监控高速公路路基沉降量，并通过数据分析为以后的道路施工提供依据。另 外，监测系统成本不能过高，监测系统中所使用的传感仪器和通信设备投资需要考虑。 本系统根据需监测的功能和监测系统设计一些基本原则，监测系统总体设计方案如 图2 2 所示。系统主要包括以下几个模块：沉降监测单元、数据采集单元、无线发送单 元和监控中心计算机等。 图 2 2 路基沉降无线监测系统框图 下面简要介绍下各个单元： 沉降监测单元：此单元选用j s 1 8 0 0 系列传感器，此传感器能自动获取数据，精 度满足软土路基沉降观测规范的 1 m n l 量程0 一l8 0 0 m mo 15 0 6 0 0 m m 数据传输先进无线网络有线人工获取 原理硅压微差压传感器振动弦传感器 标尺测量 安装体积小，安装方便 体积大，安装不便 其他自动化数据录取、全天候 无自动化数据录取人工测量、受天气影响、 天气，不受天气影响 人工费用高 从上面可以看出j s l8 0 0 系列传感器具有成本低、精度高、安装方便和自动记录 数据等优点。 3 2j s 一18 0 0 传感器监测原理 j s 一1 8 0 0 系列传感器采用硅压微差压原理，单总线结构，内部集成温度传感器。 第三章监测单元设计 3 2 1 单总线技术介绍 3 2 1 1 概述 目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有1 2 c 总线、s p i 总线和 目前常用的微机与外设之间进行数据传输的串行总线主要有1 2 c 总线、s p i 总线和s c i 总线。其中1 2 c 总线以同步串行2 线方式进行通信( 一条时钟线，一条数据线) ，s p i 总 线则以同步串行3 线方式进行通信( 一条时钟线，一条数据输入线，一条数据输出线) ， 而s c i 总线是以异步方式进行通信( 一条数据输入线，一条数据输出线) 的。这些总线 至少需要两条或两条以上的信号线。近年来，美国的达拉斯半导体公司( d a l l a s s e m i c o n d u c t o r ) 推出了一项特有的单总线( 1 - w i r eb u s ) 技术。该技术与上述总线 不同，它采用单根信号线，既可传输时钟，又能传输数据，而且数据传输是双向的，因 而这种单总线技术具有线路简单，硬件开销少，成本低廉，便于总线扩展和维护等优点 【l o 】 o 单总线适用于单主机系统，能够控制一个或多个从机设备。主机可以是微控制器， 从机可以是单总线器件，它们之间的数据交换只通过一条信号线。当只有一个从机设备 时，系统可按单节点系统操作；当有多个从设备时，系统则按多节点系统操作。其连接 框图如图3 1 所示。 信号线 电源+ 3 2 1 2 单总线工作原理【l l ，1 2 】 图3 1 单总线连接框图 顾名思义，单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。 设备( 主机或从机) 通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送 数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线，其内部等效电路如图3 2 所示。单总线 1 4 长安大学硕士学位论文 通常要求外接一个约为4 7 kq 的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。 主机和从机之间的通信可通过3 个步骤完成，分别为初始化1 - w i r e 器件、识别卜w i r e 器件和交换数据。由于它们是主从结构，只有主机呼叫从机时，从机才能应答，因此主 机访问卜w i r e 器件都必须严格遵循单总线命令序列，即初始化、r o m 命令、命令功能命 令。如果出现序列混乱，卜w i r e 器件将不响应主机( 搜索r o m 命令，报警搜索命令除外) 。 表3 2 是r o m 命令的说明，而功能命令则根据具体1 - w i r e 器件( 本论文中是j s - 1 8 0 0 传感器) 所支持的功能来确定。 图3 2 单总线的硬件接口示意图 表3 2 单总线r o m 命令及说明 r o m 命令说明 搜索r o m ( f 0 h ) 识别单总线上所有的1 - w i r e 器件的r o m 编码 读r o m ( 3 3 h ) ( 仅适合单节点) 直接读1 w i r e 器件的序列号 匹配r o m ( 5 5 h ) 寻址与指定序列号相匹配的1 - w i r e 器件 跳跃r o m ( c c h ) ( 仅适合单节点) 搜索有报警的从机设备 3 2 2j s 一1 8 0 0 传感器单总线 下面以j s 一1 8 0 0 进行压差测量为例来说明单总线的通信过程，j s - 1 8 0 0 测量一次压 差需要两次完整的通信过程m1 4 1 。 第一次：主机命令j d - 1 8 0 0 开始测量沉降值 ( 1 ) 主机发初始化命令，拉低总线，复位网络。 ( 2 ) 收到单总线器件( j s - 1 8 0 0 ) 的相应信号后，主机发r o m 命令，如5 5 h ( 匹配 1 5 第三章监测单元设计 r o m 命令) 表示接下来主机发送的是6 4 位r o m i d 来寻址器件；如果确认总线上只有一个 器件，也可以适用c c h ( 跳跃r o m 命令) 表示主机省去r o m 操作，将主机发送r a m 命令。 ( 3 ) 主机发送4 4 h 压力转换的r a m 命令，序列号匹配的j s 一1 8 0 0 将开始压力测量。 第二次：延迟7 5 0 n s 后测压结束，主机从j s - 1 8 0 0 处读取压差值。 ( 4 ) 主机发初始化命令。 ( 5 ) 主机发相应的r o m 命令。 ( 6 ) 主机发送b e h ( r e a ds c r a t c h p a d ) r a m 命令，完成指定从机设备读全部的暂 存器内容包括c r c 字节操作。读暂存器b e h 命令导致传输多达9 个字节至主机( b y t e o ： b y t e 8 ) ，数据格式如表3 3 所示。 表3 3 从机暂存器数据格式 b v t e 8b v t e 7 b y t e 6 b v t e 5 4b 、，t e 3 2 b y t e i 0 b 7 = o x 0 2 电源电压差压高度附属温度差压源码 c r cb 7 = 0 x 0 0 差压高度附温原码差压原码 b 7 = 0 x 0 1 电源电压满度温漂零点漂移非线性 六注：暂存器数据采用十六进制补码格式。 b y t e 8 ：c r c 校验码；b y t e 7 ：数据指示码( o w p d i i o w t d ) ；b y t e 6 0 为测量数据。 j s 一1 8 0 0 传感器内部主要由四部分组成：压力传感器、温度传感器、微控制器 m s p 4 3 0 f 2 0 1 3 、其他适配电路。由m s p 4 3 0 仿真的单总线器件仅支持5 中r o t d 命令中的两 种，匹配r o m 和跳跃r o m 命令。 单总线器件采用c m o s 技术，耗电量很低，工作时也只有毫瓦级。单总线器件的电 源方案出了可以直接供电以外，还可以采用“窃电”方式( 电容寄生电源) 供电，单总 线器件中带有输出电容的半波整流器，作为器件的电容寄生电源，当单总线空闲时给电 容充电。当采用“窃电”方式时，只需一根数据现就可以给器件供电。在本系统中由于 一个采集器上接的传感器比较多( 8 个) ，也为了稳定性，采用由i o 控制的单独供电 方案。 j s 一1 8 0 0 传感器是单总线器件，和其他单总线器件一样出厂时都有唯一的6 4 位i d ( 写在m s p 4 3 0 f 2 0 1 3 的r o m 中) 标识，但j s - 1 8 0 0 在使用中可以根据自己的需求改变i d 值。这也是其一大特点。这一点再具体使用时很方便的，如在一条总线上接4 个传感器， 为了记录方便和后期数据处理需要，可对其i d 进行修改，使其i d 号易读。用2 9 标0 8 断面第一层为例说明，如下： 出厂前i d使用时修改后i d 1 6 长安人学硕士学位论文 3 3 1 00 5 0 03 e 9 f1 7 2 83 3 0 0 0 8 0 03 e 9 f1 7 2 8 8 f 0 3 0 8 0 03 e 9 f17 2 88 f 0 2 0 8 0 03 e 9 fl7 2 8 5 2 0 60 7 0 03 e 9 fl7 2 8 5 2 0 40 8 0 0 3 e 9 fl7 2 8 e e 0 9 0 8 0 03 e 9 f17 2 8 e e 0 60 8 0 0 3 e 9 f17 2 8 r o m i d 采用1 6 进制格式，r o m 代码数据结构： u c h a r0 1 l r o m 8 = 0 x 2 8 ，o x l 7 ，o x 9 f ，o x 3 e ，o x 0 0 ，o x 0 5 ，o x l o ，0 x 3 3 ) ： 0 x 2 8 ： 传感器家属类型代码 o x l 7 ，o x 9 f ，o x 3 e ，o x 0 0 ，o x 0 5 ，o x l o ：传感器工d 代码 0 x 3 3 ：前字节代码c r c 很明显，修改后的i d 易读，0 8 0 0 表示0 8 断面，0 0 ，0 2 ，0 4 ，0 6 连续节点，这样 在使用时和后继的数据处理中很方便。 3 2 3j s 一1 8 0 0 传感器原理 路基沉降监测系统采用硅压阻式传感器，它是一种低功耗、高精度、单总线数字输 出、宽温度范围、高可靠性工业级产品。传感器测量原理如图3 3 所示。 为了准确测量路基沉降值，我们要选一个参考点，也就是基准点。基准点应该安置 在稳定的地基上，或者可以安装在夯入地下的一个方形铁管上，外加保护罩。基准点固 定不变，设定基准点与液管液面之间高度为h o ，传感器与液管液面之间高度为h i ，分 别测出h i 与h o 的值，h i h o 的值可看为传感器相对于基准点的高度。随着沉降的发生， 传感器的位移发生变化。h i h o 的值也会发生相应的变换，两次h i - h o 值的差即为沉降 值。路基沉降监测示意图如图3 4 所示。 1 7 * 三章监测单“设计 图3 3 传感器测量原理示意图 、：；，。 路基，二：- ：三一一- 兰砦! 冀! 鼍： 测量点 路基内责装 无线通信横块： 口 幂磊i j 二忑一：j 量j 。魏 图3 4 路基沉降监测示意圈 3 3 传感器安装及优化布置 3 3 1 传盛器的安装 基准点应该安置在稳定的地基上，或者可以安装在夯入地下的一个方形铁管上外 加保护罩。传感器的安装要在沉降板位置下挖一小坑，深度及大小以略大于传感器为准。 在地基上开挖1 个l o c m 的正方型小槽，小槽要横过地基。塑料导管安装在此槽内，传 感器要比塑料导管稍低，并留有富余的长度。沉降板和导管上边的填土应采用人工回填， 回填的材料为在沉降板周围0 4 m 范围内用粗砂回填。为保证沉降的准确测量，可以多 * 蜜大学项学位论文 安装儿个基准点。t 燥管可根据现场是否需要选用，安装时用三通安装在气管的合适位 置。沉降传感嚣及其紧固附件的安装示意如图35 所示 现场安装如图3 6 3 7 所示 圈35 传摩器安装示意图 图3 , 6 现场施工图 第三章监铡单元设计 3 3 2 传感器布设 图3 7 传感器埋设田 孤立的监测公路一个点的沉降没什么意义 路基的沉降状况，监测点过多势必会增加成本 低成本，高效益。 要形成一定数量有效监测点，a 能反映 要合理选择监测点，布置传感器，达到 高速公路距离一般都很长，但是一段距离内的路基填筑材料大体一致，结构变化也 基本相同。道路运营阻后，通常在进入此段公路的入口处车流量较大，对路基影响变化 也很大。因此想要反映整个公路的健康状态，只需要监测公路入口处就可以。这样可以 节省成本，而且能达到研究要求。 本项目选择柞小高速2 9 标、1 0 标的一段公路为实验对象，柞小公路的路基填料主 要为附近山体路基施工挖方弃料，具有大孔隙、低强度、高压缩性、易变形等特点。 2 9 标填土高度达1 2 米，宽2 2 米，处于匝道口处，每天车流量比较大。在2 9 标两 个断面a k 0 + 2 8 2 和a k 0 + 3 0 7 布置传感器，每个断面放置铺设三层传感器，2 9 标有两个 车道一个紧急停车道，每隔大约4 米布置一个传感器，在施工时挡桥预留一个直径1 5 c m 孔，再在挡墙最外面预留一个4 0 c m 4 0 c m 的洞。基准传感器、采集器和g p r s 安装在 最外面挡墙的洞内，通过孔与车道下面的传感器相连。考虑道路施工复杂性和为了沉降 监测的稳定性，我们在具体铺设传感器时，每层多布置了一套，防止传感器在道路施工 长安大学硕十学位论文 时损坏。2 9 标传感器的布置情况如图3