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1、(10)申请公布号 CN 102305677 A (43)申请公布日 2012.01.04 CN 102305677 A *CN102305677A* (21)申请号 201110224987.1 (22)申请日 2011.08.08 G01L 1/00(2006.01) (71)申请人 中国地质大学 （武汉） 地址 430074 湖北省武汉市洪山区鲁磨路 388 号 (72)发明人 文国军 吴川 王玉丹 付先成 王瑾 (74)专利代理机构 武汉华旭知识产权事务所 42214 代理人 江钊芳 (54) 发明名称 一种岩土压力测量仪及其测量方法 (57) 摘要 本发明涉及一种岩土压力测量仪及其测。
2、量方 法， 测量仪包括测压短节、 监测部件和上位机， 测 压短节由主架、 密封腔、 母接头、 公接头、 纵板、 固 定板及横板组成， 测压短节通过管螺纹与钻杆连 接， 主架的销轴上装有纵板与横板， 固定板两端与 纵板及横板相连， 纵板下端固定有传感器架和压 力传感器， 密封腔与传感器架间装有拉簧， 监测部 件装在密封腔内 ； 本测量方法是将钻杆连同装好 监测部件的测压短节一起下放到已钻好的钻孔 内， 进行数据的采集、 存储， 采集后将钻杆从钻孔 内提出， 取出监测部件， 将存储的数据发送到上位 机， 通过软件进行处理并显示。本压力测量仪和 测量方法是针对滑坡体深部的岩土压力的直接监 测， 测量。
3、的数据更可靠直观简便地进行滑坡预测。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 7 页 CN 102305684 A1/2 页 2 1. 一种岩土压力测量仪， 包括测压短节、 监测部件、 上位机 , 其特征在于 ： 所述的测压 短节由主架、 密封腔、 母接头、 公接头、 销轴、 纵板、 固定板及横板组成， 主架与公接头、 密封 腔分别通过管螺纹连接， 密封腔下端与母接头也通过管螺纹连接， 主架上装有销轴， 销轴上 装有纵板， 纵板上端通过螺栓与横板相连接， 固定板两端通过螺栓与纵板及横板相连， 使纵 板与横板保。
4、持垂直， 纵板下端通过螺栓与两个传感器架固定， 两个传感器架内安装有压力 传感器， 密封腔上安装有带钩螺栓， 密封腔与传感器架间装有将压力传感器自动回位的拉 簧， 拉簧的挂钩一端连接在带钩螺栓上， 另一端连接在传感器架的底部 ； 测压短节与钻杆连 接且内部装有监测部件 ； 所述的监测部件为一个微处理器系统， 安装在测压短节的密封腔中 ； 监测部件由微处 理器连接的按键电路、 数据采集电路、 数据存储电路、 电源转换电路、 串口通信电路组成， 所 述的微处理器采用 P89C52X2FN 芯片， 微处理器的 P3.2、 P3.3 口与按键电路连接， 当微处理 器监测到相应 I/O 口有低电平时， 。
5、则确认有相应按键按下 ； 数据采集电路采用 ADC0809 芯 片， ADC0809 芯片的引脚 D0-D7、 ADD A-ADD C、 ALE、 ST、 OE、 EOC、 CIK 分别与微处理器的 P0.0-P0.7、 P1.0-P1.6、 ALE 口连接， ADC0809 芯片将压力传感器采集的模拟信号转换成数 字信号后输入微处理器 ； 数据存储电路采用 Micro SD 卡， Micro SD 卡的第 1 引脚 CS 经 1N4728稳压二极管D1接地， 同时经过电阻R4与微处理器的P2.0连接, Micro SD卡的第7 引脚 DO 与微处理器的 P2.3 口连接， 微处理器将数字信号。
6、经过电平转换后存入到 Micro SD 中 ； 电源转换电路由ASM1117-3.3构成， 电源转换电路与Micro SD卡连接， 将微处理器所用 的 5V 电源转换成 Micro SD 卡所需要的 3.3V 电源 ； 串口通信电路采用 MAX232 芯片， MAX232 芯片的第 12 引脚、 第 11 引脚分别与微处理器的 P3.0、 P3.1 口连接， MAX232 芯片将微处理 器的逻辑电平与上位机的电平相匹配 ； 所述的上位机采用 LabView 编制软件， 将监测部件采集到的数据进行处理、 显示， 通过 设置的串口通信设置模块、 按钮模块、 图形显示模块、 数据显示模块组成在上位机。
7、上可操作 和显示的界面。 2. 根据权利要求 1 所述的一种岩土压力测量仪， 其特征在于 ： 所述的上位机在操作和 显示的界面中设置的串口通信设置模块由串口名称选择栏、 波特率设置栏、 数据位选择栏、 奇偶校验位选择栏、 停止位选择栏组成 ； 按钮模块由清空缓存按钮、 清空显示按钮、 停止按 钮组成。 3. 一种应用权利要求 1 所述的岩土压力测量仪测量钻孔岩土压力的方法， 其特征在 于 ： 具体有如下步骤 ： 、 钻机先在可能有滑坡灾害发生的岩土体上钻孔， 钻机钻孔完成后， 将钻杆提起， 把 测压短节安装到钻杆上， 再把监测部件安装在测压短节的密封腔中， 随后启动监测部件的 按键电路中的数据。
8、采集开始按键， 则数据采集将在延时一个半小时后自动启动， 采集数据 一个小时后自动停止 ； 、 将安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度 ； 、 向上拉动栓在测压短节的横板穿绳孔上的绳索， 使安装在测压短节中的压力传感 器靠到测量点， 等待延时结束后， 压力传感器进行数据的采集， 并将采集得到的信号传输给 微处理器， 微处理器接收并处理信号后， 将信号存储到 Micro SD 卡中 ； 、 采集完规定时间的数据后， 松开向上拉的绳索， 在拉簧的回复力的作用下， 压力传 权 利 要 求 书 CN 102305677 A CN 102305684 A2/2 页 3 感器自动回复到原。
9、位， 随后将钻杆提起， 将监测部件从测压短节的密封腔中取出 ； 、 通过串口通信电路将 Micro SD 卡内存储的数据发送到微处理器， 再发送到上位机 软件上设置的串口通信模块， 上位机通过软件进一步进行处理， 处理后的数据分别以图形 和数据形式直观地显示在上位机的界面上。 权 利 要 求 书 CN 102305677 A CN 102305684 A1/5 页 4 一种岩土压力测量仪及其测量方法 技术领域 0001 本发明涉及一种通过采集和测量岩土体深部压力变化的数据用于进行滑坡预判 的仪器， 具体地说是涉及一种钻孔岩土压力测量仪及其测量方法。 背景技术 0002 我国是滑坡灾害多发的国家。
10、。 滑坡灾害常常造成人员伤亡、 道路掩埋、 房屋损毁等 破坏性灾难， 严重威胁着国家和人民的生命财产安全。因此， 准确的对滑坡灾害进行预报， 是解决问题的关键。 滑坡的发生、 发展、 演化过程， 伴随着大量宏观可测物理信息的改变， 如 地表位移、 深部位移、 地表倾角、 岩土体压力、 声发射等。通过实时捕捉上述物理信息， 可以 建立其与滑坡成灾演化阶段的映射关系进而为滑坡预测预报提供必要的基础数据。 而对这 些与滑坡相关的物理信息改变的参数进行监测的准确性、 及时性及全面性， 直接影响着滑 坡预测预报的可靠性与真实性。目前常见的滑坡灾害预测的装置及方法很多， 比如用测量 机器人测量地表位移， 。
11、用地温计来测量温度等。这些方法虽然可以通过各种计算来进行滑 坡体预判。 但由于不能准确的反应岩土体压力变化的情况从而不能简单直观有效地进行滑 坡体的预判。 本发明通过直接采集岩土体内部的压力数据为滑坡体的预判提供更为直接可 靠的基础数据。 发明内容 0003 本发明的目的在于提供一种能够直接测量岩土体内部压力的岩土压力测量仪以 及测量方法， 进而实现对滑坡灾害进行预测。 0004 为实现本发明目的， 采用的技术方案是 ： 提供一种岩土压力测量仪， 包括测压短 节、 监测部件、 上位机 , 所述的测压短节由主架、 密封腔、 母接头、 公接头、 销轴、 纵板、 固定 板及横板组成， 主架与公接头、。
12、 密封腔分别通过管螺纹连接， 密封腔下端与母接头也通过管 螺纹连接， 主架上装有销轴， 销轴上装有纵板， 纵板上端通过螺栓与横板相连接， 固定板两 端通过螺栓与纵板及横板相连， 使纵板与横板保持垂直， 纵板下端通过螺栓与两个传感器 架固定， 两个传感器架内安装有压力传感器， 密封腔上安装有带钩螺栓， 密封腔与传感器架 间装有将压力传感器自动回位的拉簧， 拉簧的挂钩一端连接在带钩螺栓上， 另一端连接在 传感器架的底部 ； 测压短节与钻杆连接且内部装有监测部件 ； 所述的监测部件为一个微处理器系统， 安装在测压短节的密封腔中 ； 监测部件由微处 理器连接的按键电路、 数据采集电路、 数据存储电路、。
13、 电源转换电路、 串口通信电路组成， 所 述的微处理器采用 P89C52X2FN 芯片， 微处理器的 P3.2、 P3.3 口与按键电路连接， 当微处理 器监测到相应 I/O 口有低电平时， 则确认有相应按键按下 ； 数据采集电路采用 ADC0809 芯 片， ADC0809 芯片的引脚 D0-D7、 ADD A-ADD C、 ALE、 ST、 OE、 EOC、 CIK 分别与微处理器的 P0.0-P0.7、 P1.0-P1.6、 ALE 口连接， ADC0809 芯片将压力传感器采集的模拟信号转换成数 字信号后输入微处理器 ； 数据存储电路采用 Micro SD 卡， Micro SD 卡的。
14、第 1 引脚 CS 经 1N4728稳压二极管D1接地， 同时经过电阻R4与微处理器的P2.0连接, Micro SD卡的第7 说 明 书 CN 102305677 A CN 102305684 A2/5 页 5 引脚 DO 与微处理器的 P2.3 口连接， 微处理器将数字信号经过电平转换后存入到 Micro SD 中 ； 电源转换电路由ASM1117-3.3构成， 电源转换电路与Micro SD卡连接， 将微处理器所用 的 5V 电源转换成 Micro SD 卡所需要的 3.3V 电源 ； 串口通信电路采用 MAX232 芯片， MAX232 芯片的第 12 引脚、 第 11 引脚分别与微处。
15、理器的 P3.0、 P3.1 口连接， MAX232 芯片将微处理 器的逻辑电平与上位机的电平相匹配 ； 所述的上位机采用 LabView 编制软件， 将监测部件采集到的数据进行处理、 显示， 通过 设置的串口通信设置模块、 按钮模块、 图形显示模块、 数据显示模块组成在上位机上可操作 和显示的界面。 0005 本发明的岩土压力测量仪， 所述的测压短节由具有管螺纹接口的公接头及母接头 实现与普通地质钻杆对接， 公接头一端接钻杆， 另一端接主架， 主架的另一端接密封腔， 密 封腔用于放置监测部件， 密封腔的另一端与母接头相接， 母接头的另一端与钻杆相接。 主架 上开有销孔， 销轴穿过纵板上端及主。
16、架上的销孔， 横板通过螺栓与纵板连接， 横板与纵板间 还通过固定板固定， 纵板下端通过螺栓固定有传感器架， 通过传感器架将压力传感器固定 紧， 纵板可绕销轴转动， 横板上穿有绳索， 当上拉绳索时带动纵板绕销轴转动从而实现将传 感器送出， 贴近钻孔壁， 当松开绳索时， 纵板、 压力传感器在拉簧回复力的作用下自动回到 原位。 0006 本发明的岩土压力测量仪， 所述的监测部件为一个微处理器系统， 放置在测压短 节的密封腔内， 用于岩土压力数据的采集与存储， 监测部件包括由一个微处理器连接的按 键电路、 数据采集电路、 数据存储电路、 电源转换电路、 串口通信电路。 按键电路用于开始数 据采集及数据。
17、传输 ； 数据采集电路用于采集压力传感器输出的数据 ； 数据存储电路用于将 采集到的数据存储到 Micro SD 卡中 ； 电源转换电路用于将微处理器所用的 5V 电源转换为 Micro SD 所用的 3.3V 电源 ； 串口通信电路用于将微处理器内的数据发送给上位机， 由上位 机软件进行数据处理。 0007 本发明所述的上位机在操作和显示的界面中设置的串口通信设置模块由串口名 称选择栏、 波特率设置栏、 数据位选择栏、 奇偶校验位选择栏、 停止位选择栏组成 ； 按钮模块 由清空缓存按钮、 清空显示按钮、 停止按钮组成。 0008 本发明还提供一种利用上述岩土压力测量仪测量钻孔岩土压力的方法，。
18、 具体有如 下步骤 ： 、 钻机先在可能有滑坡灾害发生的岩土体上钻孔， 钻机钻孔完成后， 将钻杆提起， 把 测压短节安装到钻杆上， 再把监测部件安装在测压短节的密封腔中， 随后启动监测部件的 按键电路中的数据采集开始按键， 则数据采集将在延时一个半小时后自动启动， 采集数据 一个小时后自动停止 ； 、 将安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度 ； 、 向上拉动栓在测压短节的横板穿绳孔上的绳索， 使安装在测压短节中的压力传感 器靠到测量点， 等待延时结束后， 压力传感器进行数据的采集， 并将采集得到的信号传输给 微处理器， 微处理器接收并处理信号后， 将信号存储到 Micro S。
19、D 卡中 ； 、 采集完规定时间的数据后， 松开向上拉的绳索， 在拉簧的回复力的作用下， 压力传 感器自动回复到原位， 随后将钻杆提起， 将监测部件从测压短节的密封腔中取出 ； 、 通过串口通信电路将 Micro SD 卡内存储的数据发送到微处理器， 再发送到上位机 说 明 书 CN 102305677 A CN 102305684 A3/5 页 6 软件上设置的串口通信模块， 上位机通过软件进一步进行处理， 处理后的数据分别以图形 和数据形式直观地显示在上位机的界面上。 0009 本发明的岩土压力测量仪及其测量方法具有如下优点 ： 1、 本发明的岩土压力测量仪结构简单， 其测压短节能与钻杆很。
20、好地配套， 使安装有监 测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度， 通过安装的压力传感器获取岩土体 内部压力变化的信息。 0010 2、 本发明的岩土压力测量方法是应用上述岩土压力测量仪采集钻孔内部的岩土 压力变化的信息， 存储到Micro SD卡中， 存储的数据传给上位机进行处理， 处理后的数据通 过上位机的界面上显示的图形和数据， 数据信息更准确， 可更直观简便地进行滑坡预测。 附图说明 0011 图 1 为本发明岩土压力测量仪的测压短节的结构主视示意图。 0012 图 2 为图 1 左视示意图。 0013 图 3 为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的按键电路图。 0014 图 4 。
21、为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的微处理器电路图。 0015 图 5 为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的数据采集电路图。 0016 图 6 为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的数据存储电路图。 0017 图 7 为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的电源转换电路图。 0018 图 8 为本发明岩土压力测量仪的监测部件中的串口通信电路图。 0019 图 9 为本发明岩土压力测量仪的上位机的操作界面图。 0020 上述图中 ： 1-母接头、 2-密封腔、 3-主架、 4-螺栓A、 5-螺栓B、 6-销轴、 7-公接头、 8-纵板、 9-固定板、 10-横板、 11-传感器架、 12-压力传感器、。
22、 13-带钩螺栓、 14-拉簧、 15-穿 绳孔、 16- 绳索。 具体实施方式 0021 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。 0022 实施例 1 ： 本发明一种岩土压力测量仪的测压短节的结构如图 1、 2 所示， 测压短节 由主架 3、 密封腔 2、 母接头 1、 销轴 6、 公接头 7、 纵板 8、 固定板 9 及横板 10 组成， 主架 3 的 两端分别通过管螺纹与密封腔 2 与公接头 7 连接， 密封腔 2 用于存放监测部件， 主架 3 上开 有两个对称的销轴孔， 销轴 6 从销轴孔中穿过， 纵板 8 穿过销轴 6 安装在主架 3 内， 可绕销 轴 6 自由转动， 横板 10。
23、 与纵板 8 垂直固定在一起， 为了使得固定后横板 10 与纵板 8 仍能够 保持垂直的关系， 增加了固定板 9 ； 纵板 8 下端通过螺栓 A4、 螺栓 B5 与两个传感器架 11 固 定， 两个传感器架将压力传感器 12 抱紧后安装于纵板 8 下端， 带钩螺栓 13 安装在密封腔 2 上， 拉簧 14 一端挂在带钩螺栓 13 上， 另一端挂在传感器架 11 上 ； 测压短节两端的母接头 1 和公接头 7 分别通过管螺纹与钻杆连接。 0023 绳索 16 拴在横板 10 一端的穿绳孔 15 上， 当绳索被向上拉起时， 带动纵板 8 绕销 轴 6 转动， 从而将压力传感器 12 送出主架 3，。
24、 靠到深孔内岩土壁进行岩土压力数据的采集 ； 当绳索不向上拉时， 由于拉簧 14 的回复力的作用， 压力传感器 12 自动回复到原位， 停止数 据的采集。 说 明 书 CN 102305677 A CN 102305684 A4/5 页 7 0024 本发明岩土压力测量仪的监测部件中按键电路如图 3 所示， 按键电路有两个按键 S2、 S3， 分别为数据采集开始按键和数据通信按键， 当按下数据采集开始按键 S2 后， 则在延 时一个半小时后自动开始数据采集， 采集数据一个小时后自动停止数据的采集， 当按下数 据通信按键 S3 时， 开始将微处理器内存储的数据发送到上位机进行处理。 0025 参。
25、见图 4， 为本发明监测部件中的微处理器电路， 微处理器采用 P89C52X2FN 芯片， S1 键为复位键， 当按下 S1 键时， 微处理器复位 ； 当按下 S2 键时， 则在延时一个半小时后自 动开始进行数据采集， 采集到的岩土压力信号经数据采集电路的 ADC0809 芯片后被转换成 数字信号， 该数字信号经由微处理器的 P0.0-P0.7 口输入微处理器， 经微处理器处理后再 由 P2.1 口输出端经稳压二极管 1N4728 稳压为 3.3v 的信号后输入 Micro SD 卡， 数据采集 时间满一个小时后自动停止， 当按下 S3 键时， 微处理器通过 P2.3 口将存入 Micro S。
26、D 卡内 的数据读出到微处理器内部的数据缓冲区后再将该数据通过 P3.1 口发送到上位机进行处 理。 0026 由于微处理器所能够识别的是 5V 的电平， 而 Micro SD 卡所能够识别的电平是 3.3V的电平， 即Micro SD卡所允许输入的信号电压值的最大值是3.3V， 高于这个最大值会 将 Micro SD 卡烧毁， 而经由微处理器输出的信号的最大值是 5V， 因此微处理器输出的信号 必须要经过电平转换后方可输入 Micro SD 卡。 0027 参见图 5， 本发明岩土压力测量仪的监测部件中的数据采集电路， 采用 ADC0809 芯 片， ADC0809 芯片的 D0-D7、 A。
27、DD A-ADD C、 ALE、 ST、 OE、 EOC、 cik 与微处理器的 P0.0-P0.7、 P1.0-P1.6,ALE 口连接， 将模拟信号转换成数字信号后输入微处理器， 微处理器经过电平转 换后存入数据存储芯片。 0028 参见图 6， 为监测部件中的数据存储电路， 采用 Micro SD 卡作为数据存储芯片， Micro SD 卡的第 1 引脚 CS 经 1N4728 稳压二极管 D1 接地， 同时经过电阻 R4 与微处理器的 P2.0 连接 , Micro SD 卡的第 7 引脚 DO 与微处理器的 P2.3 口连接。 0029 参见图 7， 为监测部件中的电源转换电路， 电。
28、源转换模块由 AMS1117-3.3 芯片实现 稳压 ； 电源转换模块用于将微处理器所用的 5V 电源转换为供 Micro SD 卡所用的 3.3V 电 源。 0030 参见图 8， 为监测部件中的串口通信电路， 串口通信电路采用 MAX232 芯片， MAX232 芯片的第 12 引脚、 第 11 引脚分别与微处理器的 P3.0、 P3.1 口连接， 串口通信电路用于实现 微处理器与上位机之间的数据通信， 当钻杆提出钻孔拆卸下监测部件后， 通过串口通信电 路将Micro SD卡内存储的数据发送到微处理器， 再发送到上位机软件上设置的串口通信模 块， 上位机通过软件再进一步进行处理， 处理后的。
29、数据分别以图形和数据形式直观地显示 在上位机的界面上。 0031 本发明的岩土压力测量仪的上位机通过软件显示的界面参见图 9， 上位机的软件 由 LabView 编制， 软件界面由串口通信设置模块， 按钮模块， 图形显示模块， 数据显示模块 组成。串口通信设置模块由串口名称选择栏、 波特率设置栏、 数据位选择栏、 奇偶校验位选 择栏、 停止位选择栏组成 ； 按钮模块由清空缓存按钮、 清空显示按钮、 停止按钮组成。 软件先 通过设置串口通信设置模块设置好串口通信的相关信息后将数据读入到软件的缓冲区， 经 过处理后将数据分别发送到图形显示模块和数据显示模块进行图形形式和数据形式的显 示， 按钮模块。
30、中的清空缓存按钮， 用于删除数据缓冲区内的数据 ； 清空显示按钮用于删除数 说 明 书 CN 102305677 A CN 102305684 A5/5 页 8 据显示模块中数据显示区内的数据 ； 停止按钮用于停止整个程序的运行。 0032 实施例 2 ： 本发明利用实施例 1 的岩土压力测量仪进行岩土压力测量的方法， 具体 有如下步骤 ： 、 钻机先在可能有滑坡灾害发生的岩土体上钻孔， 钻机钻孔完成后， 将钻杆提起， 把 测压短节安装到钻杆上， 再把监测部件安装在测压短节的密封腔 2 中， 随后启动监测部件 的按键电路中的数据采集开始按键， 则数据采集将在延时一个半小时后自动启动， 采集数 。
31、据一个小时后自动停止 ； 、 将安装有监测部件的测压短节随钻杆下放至各个需要测量的深度 ； 、 向上拉动栓在测压短节的横板10穿绳孔15上的绳索16， 使安装在测压短节中的压 力传感器 12 靠到测量点， 等待延时结束后， 压力传感器进行数据的采集， 并将监测得到的 信号传输给微处理器， 微处理器接收到信号经过处理后， 将信号存储到 Micro SD 卡中 ； 、 松开向上拉的绳索 16， 在拉簧 14 的回复力的作用下， 压力传感器 12 自动回复到原 位， 随后将钻杆提起， 将监测部件从测压短节的密封腔 2 中取出 ； 、 通过串口通信电路将 Micro SD 卡内存储的数据发送到微处理器。
32、， 再发送到上位机 软件上设置的串口通信模块， 上位机通过软件进一步进行处理， 处理后的数据分别以图形 和数据形式直观地显示在上位机的界面上。 0033 最后通过上位机的界面上显示的图形和数据可直观简便地进行滑坡预测。 0034 本发明的岩土压力测量仪结构简单， 使用方便。本发明的压力测量仪和测量方法 基于滑坡体深部的岩土压力的监测， 采集的数据更加可靠， 同时可通过上位机的界面上显 示的图形和数据可更加直接简便地进行滑坡预测。 说 明 书 CN 102305677 A CN 102305684 A1/7 页 9 图 1 说 明 书 附 图 CN 102305677 A CN 10230568。
33、4 A2/7 页 10 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102305677 A CN 102305684 A3/7 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 102305677 A CN 102305684 A4/7 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 102305677 A CN 102305684 A5/7 页 13 图 6 图 7 说 明 书 附 图 CN 102305677 A CN 102305684 A6/7 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 102305677 A CN 102305684 A7/7 页 15 图 9 说 明 书 附 图 CN 102305677 A 。