测斜仪的设计与实现

2009年 第7期 物流工程与管理

第31卷 总第181期 LOGISTICS ENGINEERING AND MANAGEMENT

【收稿日期】2009-06-28 【作者简介】胡立强（1978-），男，硕士，助教，研究方向：嵌入式在自动化中应用。

・物流技术・

测斜仪的设计与实现

□ 胡立强，闫德立，石彦辉，何朝峰

（石家庄铁道学院，河北 石家庄 050043）

【摘 要】测斜仪是一种能有效的精确地测量土层内部水平位移或变形的工程检测仪器，应用其工作原理同样可以检测临时或永久性地下结构(如桩、连续墙、沉井等)周壁的深层次水平位移及倾斜角度。文中介绍了该仪器的工作原理、组成模块及各机构之间的相互联系。

【关键词】测斜仪；水平位移；地下结构

【中图分类号】 TP206+

1 【文献标识码】 b 【文章编号】 1674-4993（2009）07-0062-02

Design and Realization of Clinoretee

□ HU Li-qiang, YAN De-li, SHI Yan-hui, HE Chao-feng(Shijiazhuang Railway Institute, Shijiazhuang 050043，China)

【Abstract】Clinoretee is a kind of effective accurately measuring soil horizontal displacement or inside. According the principle of its work,it can also be temporary or permanent detection of underground structure (such as pile, continuous wall, open caisson, etc.) weeks of the wall and the Angle displacement of deep level. This paper introduces the working principle and composition of the instrument module and the relationship between agencies.

【Key words】Clinoretee；Horizontal displacement；Underground structure

1 引言

测斜技术是确定物体在空间的倾斜和倾向的专门技术，它应用于空间飞行器的惯性测量系统、岩体倾向判断、土程钻孔轨迹监测等许多方面。若在岩体上使用，一般选取岩体表面以下一定深度的位置作为相对稳定点，每隔一定距离观测该段岩体的倾斜度变化，从而推算得到水平位移，并最终可得到每个测点相对于稳定点的水平位移，及早地了解深层岩体的运行变化状况，掌握边坡岩体的内在运行形态，如发现异常，即可采取有效措施。 2 测斜仪的工作原理

测斜仪的测斜原理是通过测头传感器加速度计测量重力矢量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。当测头处于竖直状态时，测头中的传感器处于零位，石英饶性伺服加速度计的敏感轴处于水平状态，矢量g 在感敏轴上的投影为零，此时的加速度计输出值为零，称为零偏，一般情况下零偏总是存在的。当加速度计与水平面存在一倾角度时，加速度计输出一个电压信号:01sin k g k U out +=θ。

测量时，当测头在测斜导管内自下而上以一定间距(可设定0.5 m)逐段滑动测量时，测头内的传感器敏感地反映出测斜导管在每一深度处的倾斜角度变化，从而得到测斜导管每段连续变化的水平位移增量∆i，即∆i=L sin θ，式中L 为测点间距，把每段的水平位移增量自下而上逐段累加，便得到不同深度及孔口的总位移量δ

i=∆i =∑θsin L 。测斜仪经过单片机控制模块

分析及处理，直接在液晶屏上显示被测点的水平位移量值∆x 和倾角θ变化量。 3 硬件设计

测斜仪系统以单片机为控制核心，以相应的传感器为测试手段，以A/D 转换器作为模数转换的工具，以显示器件进行相关参数显示，以相应的通信手段搭建起单片机与计算机的桥梁，最终实现基于单片机的高精度测斜仪系统。 3.1 系统硬件的总体结构

根据随钻测斜仪的数学模型及测试功能，整个系统可以划分为四部分:A/D 数据采集，单片机控制，液晶显示和计算机，如图1所示。A/D 部分实现对七路传感器模拟信号的采集与数字转换。单片机部分为整个系统的核心，控制A/D 进行数据采集，对采集信号进行处理，控制液晶显示，并通过RS232与计算机通信。

图1 测斜系统框图

3.2 主板电路的设计

主板电路以89C51单片机为控制中心，实现了将测量采集到的信号数据进行A/D 转换后，输入到单片微控制器中

第7期 胡立强等：测斜仪的设计与实现 63

进行数据处理，然后输出信号，对小直流电机的正反转控制，测量设定及液晶显示，同时设有对系统进行复位控制及低电压检测电路，信号存储电路，串行实时时钟电路，光电耦合电路，起振电路及DC-DC电压转换电路等部分。

A/D转换：单片机对MAXIM公司生产的ICL7135转换器的设置，完成数据采集过程以及数据采集方式的控制，实现对外部所感测模拟量(电压信号)的采集。

4 系统软件的总体结构

软件设计包括下位机与上位机的设计。控制功能由下位机实现，上位机进行数据的传输与显示，数据的传输机制应遵循可靠和易维护这个原则。

4.1 下位机软件设计

在编写单片机应用系统程序时，更着重于程序本身的编写效率，改善程序的可读性和可移植性，我们采用高级语言C语言编程。C语言是一种源于UNIX操作系统的语言，它是一种结构化语言，可以产生紧凑的代码，而且开发出的系统易于维护，可靠性高，可移植性好。

uVision2支持所有的Keil 8051工具，包括C编译器，宏汇编器，连接/定位器，目标代码到HEX的转换器。C51是一个杰出的优化编译器，已通过很多步骤以确保产生的代码是最有效率的(最小和/或最快)。编译器通过分析初步的代码产生最终的最有效率的代码序列，在运行效率和速度上可以和汇编程序得到的代码相媲美。下位机软件采用模块化的设计思想，由数据采集模块、软件滤波模块、LCD液晶显示模块、与上位机通信模块等组成。

4.2 上位机软件设计

本系统采用的是PC机和单片机组成的上下位机系统，上下位机之间通过串口进行通信。在VC6.0环境下开发上位机程序。利用VC提供的Active X控件Microsoft Communication Control(简称MSComm控件)编写的上位机控制程序，完成了89C51单片机和PC机之间的RS232串行通讯，达到了实际要求。应用软件的工作主要是通过232接口把二进制数据采集、分析，保存数据、打印数据。EXCEL 作为数据储存介质。

4.3 事件驱动法程序编写过程如下

①打开vc++6.0集成开发环境，首先建立一个基于对话框的MFC应用程序“高精度随钻测斜仪系统”，在设置项目选项时必须选上ActiveX Controls，其他的按缺省值设置。

②选择Project菜单下面的Add To Project子菜单中的Components and controls选项，在弹出的对话框中双击Registered ActiveX Controls项，在出现的注册过的ActiveX控件列表中，选择Microsoft Communications Control, version 6.0，单击Insert按钮将其插入到Project 中，接受缺省的选项。这时生成一个名为CMSComm的C++类，并且在对话框编辑器里将出现MSComm控件图标。③打开Class Wizard在Member Variables选项卡，选择类CMyDIg，为IDC MSCOMMI添加控制变量m-ctrlComm。③打开Class Wizard在Message Maps选项卡中，选择类CMyDIg，选择IDC MSCOMMI，为其添加串口事件消息处理函数OnComm()。这个函数是用来处理串口消息事件的。每当串口接收到数据，就会产生一个串口接收缓冲区中有字符的消息事件，函数OnComm()就会执行。在OnComm()函数中，添加所需要的代码。④打开串口，并且设置串口参数。在主对话框的CMyD1g::OnInitDialog()添加初始化串口代码。⑤当发生串口事件时，系统会调用串口事件处理函数OnComm。⑥在主对话框中添加其他控件并编写程序代码，实现端口选择、通信、测量、退出、显示等功能，主要显示井斜、方位、高边工具面、磁性工具面、温度等参数。

5 测斜仪监测测试过程及其应用

首先将测斜仪置入测斜管内，要使导向轮完全进入导向槽内。方向应为导向轮的正向与被测位移坐标(+ X)的正向一致时测值为正，相反为负。然后根据电缆上标明的记号，每基本长度测读一次测斜管轴线相对基准轴线的倾角。测试方式应遵循下面要点:当测斜管下部可靠固定在基岩中(埋入深度应大于5000mm)，可认定基岩没有位移。此时-测量可至下而上测读一次，直至管口;当测斜管底部悬挂(底部未与基岩固定)，此时测量应由上至下进行测量。

根据测斜仪的参数和有关计算公式编制计算机程序，监

2。

图2 计算机程序流程图

[参考文献]

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