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专利名称：一种用于检测管桩倾斜程度的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及岩土工程地基基础测试领域，更具体涉及一种用于检测管桩倾斜程度的装置，适用于预制管桩施工验收工作。
背景技术：
地基基础施工中，管桩施工是最基础也是最重要的一步。预制桩是管桩施工中比较普遍使用的一种方式。预制桩通常在工厂或施工现场制成，施工时用沉桩设备将桩打入、 压入或振入土中，有木桩、混凝土桩、钢桩等，中国建筑施工领域采用较多的主要是混凝土桩和钢桩两类。常用的混凝土桩有混凝土实心方桩和预应力混凝土空心管桩，常用的钢桩有钢管桩和H型钢桩。其中混凝土空心管桩(以下简称管桩)最为常见，管桩为正圆柱体， 轴线为直线，垂直于轴线的任意截面的外轮廓为相同的圆形，因其坚固耐久、施工速度快、 能承受较大的荷载而应用广泛。目前管桩除广泛应用于工业与民用建筑外，还大量应用于铁路、公路、港口、桥梁、 水利工程等领域。管桩产品已有较完善的标准体系，如《GB 13476-1999先张法预应力混凝土管桩》、《03SG409预应力混凝土管桩》、((JC 888-2001先张法预应力混凝土薄壁管桩》、 《JC/T 947-2005先张法预应力混凝土管桩用端板》、《JC/T 950-2005预应力高强混凝土管桩用硅砂粉》、《JC/T 948-2005混凝土制品用脱模剂》、((JC/T540-2006混凝土制品用低碳冷拔钢丝》等。管桩施工验收也有明确的规范要求，如《GB/T 19496-2004钻芯检测离心高强混凝土抗压强度试验方法》、((GB50202-2002建筑地基基础工程施工质量验收规范》、 ((DB42/489-2008预应力混凝土管桩基础技术规范(湖北省地方规范)》等。在管桩施工中，常常由于地质条件、施工条件、施工工艺等因素，导致管桩出现倾斜，使得管桩在施工过程中易受到损伤。同时管桩垂直倾斜角度的偏差也会影响管桩的竖向承载力或水平抗剪力，给上部建筑物留下隐患。上述规范对管桩的垂直度，即垂直倾斜角度的偏差有着明确的要求，因此在施工过程中应及时检测管桩倾斜程度、控制纠偏其垂直度。管桩由于其外部几何形状非常规则，检测其倾斜程度实际上就是检测施工中或施工后管桩轴线的垂直倾斜角度。管桩倾斜会影响上部建筑物结构的受力状态，这种影响不仅仅与管桩轴线相对于铅垂线的倾斜有关，还与管桩轴线倾斜的方位有关，也就是说检测管桩倾斜程度应该同时检测两个角度垂直倾斜角B——自管桩桩顶指向管桩桩底的管桩轴线相对于铅垂线的角度和水平方位角A——自管桩桩顶指向管桩桩底的管桩轴线在水平面上的投影相对于正北方位的角度。传统的管桩倾斜程度检测方法是采用数字水平尺进行测量，不仅操作复杂、效率低、精度差，而且不能直接测得管桩的垂直倾斜角度，并且只是单方向的测量，无法测得两个方向的角度，已不能满足实际需要。现有技术中尚无快速有效的检测管桩倾斜程度的方法，也没有专业的测量管桩倾斜程度的装置，只能采用通用的测斜仪装置进行测量。现有技术中的电子测斜仪装置多针对滑坡区和深洞开挖土体的侧向位移监测，以及提坝结构变形监测、地层位移监测等，并非专门针对管桩研制。其中可用于管桩测斜的并不多，如国产LS160水平尺、瑞士莱卡D5激光测距仪等。国产LS160水平尺用于测量水平尺表面与水平面夹角，虽然价格便宜，但精度较低，仅能达到0. Γ，且其仅能测量垂直倾斜角B，不能测量水平方位角�。�另外，其使用段式数码管显示测量结果，需要手动记录数据， 加大了操作人员的工作量，因此并不便适用于管桩测斜工作。瑞士莱卡D5激光测距仪功能全面，主要功能为激光测距，兼具测斜功能，可用于测量仪器表面与水平面夹角，并有分析软件，但其与国产LS160水平尺一样仅能测量垂直倾斜角B，不能测量水平方位角�。�精度也只能达到0. Γ，且其价格较贵，也并非专业测斜工具，也不便适用于管桩测斜工作。另外， 现有技术的电子测斜仪装置均无报表功能，需要操作人员手动编制报表，后期工作量比较繁琐。因此，需要开发出一种专检测量管桩倾斜程度的装置及方法，能够准确、经济、方便、 快捷地进行施工过程中的管桩测斜纠偏。

实用新型内容本实用新型的目的是在于提供了一种用于检测管桩倾斜程度的装置，结构简单、 成本低，测量精度高，操作方便，经济实用。价格仅为进口产品瑞士莱卡D5价格的1/3，实现了准确、经济、方便、快捷的要求。为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术措施本实用新型采用垂直方向的倾斜传感器如两轴加速度计测量管桩的垂直倾斜角 B，采用水平方向的倾斜传感器如电子罗盘测量管桩的水平方位角Α。一方面，测量垂直倾斜角B的原理为静态物体在倾斜情况下，其重力加速度会在倾斜方向上有一个分量。在每个已知的轴上测量该分量的大�。�利用该分量与重力加速度的值进行相关的运算便可以得出每个轴相对于水平面的倾角。当保证管桩倾斜装置垂直方向的倾斜传感器的某条轴线与被测管桩母线平行时便可以方便地测量出管桩的垂直倾斜角B。另一方面，测量水平方位角A 的原理为由于地磁场的作用，磁阻芯片在不同的方向的输出值是不一样的。电子罗盘利用检测地磁场的原理来检测罗盘本身与地磁北极的夹角，即为管桩的水平方位角Α。一种用于检测管桩倾斜程度的装置，该管桩倾斜检测装置包括主控单元、命令输入单元、传感器单元、信号调理单元、A/D转换单元(C8051F350)、存储单元、显示单元、通信接口，其特征在于命令输入单元与主控单元相连，传感器单元依次经过信号调理单元及 A/D转换单元后与主控单元相连，存储单元与主控单元直接相连，显示单元与主控单元相连，通信接口与主控单元相连，存储单元包括SD卡以及Flash存储器。所述的传感器单元包括电子罗盘(DCM220)，所述电子罗盘直接与所述主控单元相连。所述的传感器单元包括加速度计(SCAIOOTDO》，所述信号调理单元(放大器 0PA2340)包括依次相连的幅值变换单元(放大器0PA2340)、低通滤波单元，所述的加速度计依次经过所述的信号调理单元中的幅值变换单元、低通滤波单元及A/D转换单元后与主控单元相连。所述的传感器单元包括温度传感器，所述的温度传感器直接与所述主控单元相连。所述的存储单元包括SD卡以及Flash存储器。[0016]更具体所述的命令输入单元与主控单元相连，传感器单元与信号调理单元相连， 传感器单元中的电子罗盘(DCM220)直接与主控单元相连，传感器单元中的加速度计与信号调理单元相连，加速度计(SCAIOOTDO》依次经过信号调理单元中的幅值变换单元(放大器0PA2340)、低通滤波单元及A/D转换单元(C8051F350)后与主控单元相连，电子罗盘 (DCM220)直接与主控单元相连，温度传感器(DS18B20)直接与主控单元相连，传感器单元中的加速度计并非直接与主控单元相连，而是依次经过信号调理单元(放大器0PA2340)及 A/D转换单元(C8051F350)后再与主控单元相连。A/D转换单元与信号调理单元及主控单元相连，存储单元包括SD卡以及Flash存储器，均与主控单元相连。显示单元与主控单元相连，通信接口(USB)与主控单元相连。各组成部分分别执行各项功能命令输入单元用于输入操作指令；传感器单元用于采集被测管桩测点处的各种有用信息，将这些信息转换为电信号，传输给主控单元；加速度计用于测量管桩的垂直倾斜角B，电子罗盘用于测量管桩的水平方位角A，温度传感器用于最后合成管桩倾角时提供多点温度补偿。一种检测管桩倾斜程度的检测方法，其步骤是A、装置自检。管桩倾斜检测装置各组成部分包括主控单元、命令输入单元、传感器单元、信号调理单元、A/D转换单元、存储单元、显示单元、通信接口依次启动，装置准备工作。B、读取电子罗盘。主控单元直接读取电子罗盘的输出值。C、采样X轴加速度、采样Z轴加速度。加速度计输出模拟电压信号，需经信号调理单元进行幅值变换和低通滤波、再经A/D转换单元转换为数字量后才能被主控单元处理。D、由X轴加速度和Z轴加速度解算俯仰角，并进行卡尔曼滤波，得到加速度计平面与水平面的纵向夹角即俯仰角(Pitch)。Ε、采样Y轴加速度、采样Z轴加速度。F、由Y轴加速度和Z轴加速度解算横滚角，并进行卡尔曼滤波，得到加速度计平面与水平面的横向夹角即横滚角(Roll)。G、由俯仰角(Pitch)和横滚角(Roll)合成垂直倾斜角。H、获取3-6个测点(电路板上均勻分布的3-6个测点)温度、进行多点温度补偿。I、显示、存储结果。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点第一，测量精度和准确度明显提高， 例如，本实用新型的装置垂直倾斜角B精度可达0. 01°或0. 01%、水平方位角A精度可达 1°，而国产LS160水平尺仅能达到0. 1°。第二，操作更为方便快捷，例如，本实用新型的装置可通过IXD屏幕直接显示垂直倾斜角B水平方位角A，且自动生成报表，而国产LS160 水平尺需要操作人员手工记录检测结果、整理报表。第三，操作人性化，例如本实用新型的装置可在检测结果超过预警值时(如垂直倾斜角度0.6°或百分比1%)自动进行声音报警、低电情况下报警。第四，更为经济实用，由于本实用新型定位为专用管桩倾斜检测装置， 提高专用性能的同时精简了结构、降低了成本，价格仅为进口产品瑞士莱卡D5价格的1/3。 因此，完全实现了前文所述准确、经济、方便、快捷的要求。

图1为一种用于检测管桩倾斜程度的装置结构示意框图。[0029]其中102-主控单元(MCU STM32) ； 104-命令输入单元(键盘、触摸屏)；106-传感器单元(包括加速度计、电子罗盘、温度传感器)；108-信号调理单元(幅值变换单元、 低通滤波单元)；110-A/D转换单元(单片机C8051F350) ；112-存储单元(SD卡、FLASH存储器)；114-显示单元(320M40TFT，液晶驱动�？镠X8347) ；116-通信接口(USB转串口 CP2102 ；RS232 接口 ST3232ECTR) ； 120-加速度计(SCA100TD02) ；122-电子罗盘(DCM220)； 124-幅值变换单元(放大器0PA2340) ； 126-低通滤波单元；128-SD卡；130-FLASH存储器； 132-温度传感器。图2为一种检测管桩倾斜程度的检测方法流程图。图3为图2所示管桩倾斜检测方法中计算垂直倾斜角的坐标示意图。图4为图2所示管桩倾斜检测方法中计算水平方位角的坐标示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型的实施例作进一步详细的说明。虽然本实用新型将结合实施例进行阐述，但应理解这并非意指将本实用新型限定于这些实施例。相反，在本实用新型各种范围内所定义的可选项，可修改项和等同项。结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进行详细的说明，以使本实用新型的特性和优点更为明显。本文描述的实施例将结合通常概念上计算机可执行的指令进行描述。计算机可执行的指令指可被一台或多台计算机或其它类似设备执行的计算机可用的媒介，如程序模块。通常来说，程序�？榘�括执行特定任务、或对特定抽象数据类型进行操作的例行程序、 对象、组件，数据结构等等。程序�？榈墓δ芸筛�据不同实施例的需求进行组合或拆分。通过具体实例，但非限制，计算机可用的媒介可包括计算机存储媒介及通信媒介。 计算机存储媒介包括易失性的及非易失性的、可移除的及不可移除的，可实施于任何方法或技术的媒介，用于存储信息，如计算机可读指令、数据结构、程序�？榧捌渌�数据。计算机存储媒介包括，但不仅限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存存储器及其它存储器技术、只读压缩光盘(⑶-ROM)、数字多用途光盘(DVD)及其它光学存储技术、盒式磁带、磁性碟片存储器及其它磁性存储器，及其它可用来存储信息的媒介。通信媒介可为一调制数据信号中的计算机可读的指令、数据结构、程序模块及其它数据，调制数据信号包括任何信息传递媒介，如载波或其它传输机制。术语“调制数据信号^示为了将信息加载在某个信号上，将此信号的某种或多种特性进行了设置或改变。例如，但不仅限于，通信媒介可包括有线媒介及无线媒介。有线媒介如有线网络、直线连接。无线媒介如声波、射频(RF)、红外及其它。上述任意组合同样也应包含在计算机可读媒介的范围内。此外，在以下对本实用新型的详细描述中，为了提供一个针对本实用新型的完全的理解，阐明了大量的具体细节。然而，本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本实用新型同样可以实施。在另外的一些实例中，对于大家熟知的方案、流程、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本实用新型之主旨。请参阅图1，一种用于检测管桩倾斜程度的装置的优选实施方式的硬件结构示意框图。如图1所示，一种用于检测预制管桩倾斜装置，该倾斜装置100由主控单元102 (MCU
6STM32)、命令输入单元104(按键)、传感器单元106、信号调理单元108、A/D转换单元110、 存储单元112、显示单元114、通信接口 116组成，其中传感器单元106、信号调理单元108、 存储单元112还包含子单元。具体来说，传感器单元106包括加速度计120、电子罗盘122、 温度传感器132 ；信号调理单元108包括幅值变换单元IM及低通滤波单元126 ；存储单元112包括SD卡1 及Flash存储器130。命令输入单元104(操作按键)与主控单元 102 (MCU STM32)相连，传感器单元106中的电子罗盘122(DCM220)直接与主控单元102相连，传感器单元106中的加速度计120(SCA100TD(^)与信号调理单元108相连，加速度计 120(SCA100TD02)依次经过信号调理单元108中的幅值变换单元124 (放大器0PA2340)、低通滤波单元1 及A/D转换单元110后与主控单元102 (MCU STM32)相连，温度传感器132 直接与主控单元102相连。A/D转换单元110与信号调理单元108及主控单元102相连，存储单元112包括存储测量数据的SD卡128以及存储汉字字库及临时缓存用的Flash存储器130 (FLASH)，均与主控单元102直接相连。显示单元114与主控单元102相连，通信接口 116与主控单元102相连，分别执行各项功能。主控单元102为管桩倾斜检测装置100的核心部分，用于控制整个管桩倾斜装置100的运作，例如主控单元可选用ARM7核心的STM32 系列微控制器(MCU)。命令输入单元104与主控单元102相连，用于输入操作指令。例如， 命令输入单元104可选用普通8按键矩阵键盘，或触摸屏。当操作人员按下开始按键时，传感器106开始采集倾角信息，主控单元102读取数据、计算垂直倾斜角B及水平方位角A ；当操作人员按下存储按键时，主控单元102将缓存于其片内的数据按照预定的格式存储于SD 卡128中。传感器单元106包括加速度计120、电子罗盘122以及温度传感器132，其中加速度计120与信号调理单元108相连，电子罗盘122以及温度传感器132直接与主控单元102 相连，使用过程直接与被测管桩的某个测点接触，采集被测管桩测点处的相关信息，将这些信息转换为电信号，传输给信号调理单元108或主控单元102。加速度计120为垂直方向的倾斜传感器(SCA100TD02)，例如芬兰VTI科技生产的士90°量程2轴加速度计SCA100TD02，加速度计120输出信号依次经过信号调理单元108 中的幅值变换单元124、低通滤波单元1 及A/D转换单元110后与主控单元102相连，用于测量管桩的垂直倾斜角B。SCA100TD02型加速度计120输出方式可为SPI和模拟量，本实用新型中采用模拟量输出方式，其输出分辨率为0. 0025°。电子罗盘122为水平方向的倾斜传感器(磁阻芯片)，例如深圳瑞芬科技生产的二维电子罗盘DCM220，电子罗盘122直接与主控单元102相连，用于测量管桩的水平方位角 A0 DCM220型电子罗盘122包含单片机(AtmelSL)和补偿电路(磁偏角补偿和硬铁补偿)， 不需要再对其输出的数据进行滤波和补偿，仅根据通信协议的输出格式获取相应的数据并重新对其正北零度进行归零即可。DCM220型电子罗盘122输出方式为1 或SCI格式的数据，输出结果为0-360°的角度。1 或SCI格式直接被主控单元102接收并转换为倾角和方位角，不需要再做模数转换。温度传感器132(DS18B20)直接与主控单元102相连，不用作倾斜检测，用于最后合成管桩倾角时提供多点温度补偿。由于温度对加速度计120的0°基准输出和敏感度有影响，例如SCA100TD02型加速度计120的温度曲线见其数据手册，主控单元102将在最后结合温度传感器132量取的温度采用适当的算法矫正漂移误差和温度误差，进行温度补偿和零度校准。如图1所示，传感器单元106中的加速度计120并非直接与主控单元102相连，而是先依次经过信号调理单元108及A/D转换单元110后再与主控单元102相连。信号调理单元108包括幅值变换单元IM及低通滤波单元126，幅值变换单元IM将加速度计120的输出变换为适合A/D转换单元110处理的幅值范围，例如，若采用SCA100T型加速度计120， 其输出信号为0-5V，而A/D转换单元110的信号输入范围为0-2. 5V，则幅值变换单元IM应将加速度计120的输出衰减为原来的1/2。例如，幅值变换单元IM可采用放大器0PA2340 搭建，本领域普通技术人员可以理解，在此不复赘述。低通滤波单元1 可采用常规RC滤波器，用于滤去信号中高频杂波。加速度计120采集的信号经过幅值变换单元IM及低通滤波单元126后传输至A/D转换单元110。A/D转换单元110与信号调理单元108及主控单元102相连，用于将采集、调理后的模拟信号转换为数字信号，以方便主控单元102处理。例如，A/D转换单元110可采用集成混合信号片上系统型MCU C8051F350。申请人用到的是C8051F350型MCU的片内对位八/ D，采样率IkHz，包含可编程增益放大器(PGA)，并具有片内校准功能。A/D转换单元110与主控单元102之间可使用UART通信，例如C8051F350与STM32通信时，波特率可设为115200， 通信帧格式可如表1所示设置。数据缓存于主控单元102内部RAM中，主控单元102在计算倾角时取出缓冲区内的数据先进行滤波处理，再进行代数运算获得倾角值。表1C8051F350与STM32通信帧格式
帧开头标识1帧开头标识2有效数据1有效数据2有效数据η有效数据长度Nl数据总长度N2帧结束标识1帧结束标识1OXFEOXFD丄 BYTEIBYTEN BYTE丄 BYTE丄 BYTEOXEFOXDF存储单元112包括SD卡128以及Flash存储器130，均与主控单元102直接相连。 SD卡1 用于存储最终的检测结果及相关信息。当操作人员通过命令输入单元104输入存储命令时，例如按下存储按键时，主控单元102将缓存于其片内Flash的数据按照预定的数据记录格式存储于SD卡1 中。主控单元102对SD卡1 构建文件系统，将管桩数据直接存储在一个预先建立的文件夹内，以TXT格式存储，今后可直接读取并生成报表文件，方便通用。在SD卡128内移植文件系统能够大大的简化对SD卡128内数据的操作，只需调用最基本的函数便可以对文件进行各种操作。SD卡128的操作代码目前已经有人完成了，经过简单的移植即可对SD卡1 进行读写操作，常见的文件系统有UC0S2公司的UC/FS、周立功用于教学的ZLG/FS、开源的文件系统efsl和i^atFs。本实施方式中移植的是!^atFs的改良版本TFF(Tiny FAT Filesystem)0. 06。TFF是专门针对ARM7系列单片机改良的FAT32文件系统，可在网络上获取。SD卡1 存储容量较大例如，假设打包后每组数据占用20byte， 存储容量为999根桩、每桩100个数据，则共需要1000*10(^20 = 2M byte的空间。目前普遍的SD卡1 容量为2G或4G，足够使用。SD卡128与主控单元102采用SPI方式通信。 SD卡1 存储的管桩数据格式可根据检测需要预先设定，例如，可采用如表2所示管桩数据存储格式表2管桩数据存储格式
权利要求1.一种用于检测管桩倾斜程度的装置，该管桩倾斜检测装置(100)包括主控单元 (102)、命令输入单元(104)、传感器单元(106)、信号调理单元(108)、A/D转换单元(110)、 存储单元(112)、显示单元(114)、通信接口( 116)，其特征在于命令输入单元(104)与主控单元(102 )相连，传感器单元(106 )依次经过信号调理单元(108 )及A/D转换单元(110 )后与主控单元(102)相连，存储单元(112)与主控单元(102)直接相连，显示单元(114)与主控单元(102)相连，通信接口(116)与主控单元(102)相连，存储单元(112)包括SD卡(1 ) 以及Flash存储器(130)。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测管桩倾斜程度的装置，其特征在于所述的传感器单元(106)包括电子罗盘(122)，所述电子罗盘(122)直接与所述主控单元(102)相连。
3.根据权利要求1所述的一种用于检测管桩倾斜程度的装置，其特征在于所述的传感器单元(106)包括加速度计(120)，所述信号调理单元(108)包括依次相连的幅值变换单元(1对)、低通滤波单元(1 )，所述的加速度计(120)依次经过所述的信号调理单元(108) 中的幅值变换单元(1对)、低通滤波单元(126)及A/D转换单元(110)后与主控单元(102) 相连。
4.根据权利要求1所述的一种用于检测管桩倾斜程度的装置，其特征在于所述的传感器单元(106)包括温度传感器(132)，所述的温度传感器(132)直接与所述主控单元 (102)相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于检测管桩倾斜程度的装置，其特征在于所述的存储单元(112)包括SD卡(1 )以及Flash存储器(130)。
专利摘要本实用新型公开了一种用于检测管桩倾斜程度的装置，该管桩倾斜装置包括主控单元、命令输入单元、传感器单元、信号调理单元、A/D转换单元、存储单元、显示单元、通信接口，命令输入单元与主控单元相连，传感器单元与信号调理单元相连，传感器单元中的电子罗盘直接与主控单元相连，传感器单元中的加速度计与信号调理单元相连，电子罗盘直接与主控单元相连，温度传感器直接与主控单元相连，传感器单元依次经过信号调理单元及A/D转换单元后再与主控单元相连，存储单元包括SD卡以及Flash存储器，均与主控单元直接相连，显示单元与主控单元相连，通信接口与主控单元相连。结构简单、成本低，测量精度高，操作方便，经济实用，实现了准确、经济、方便、快捷。
文档编号G01C9/00GK201935688SQ201020638999
公开日2011年8月17日 申请日期2010年12月2日 优先权日2010年12月2日
发明者代卫兵, 刘俊杰, 张 杰, 杨永波, 胡纯军 申请人:武汉中岩科技有限公司