角位移式水下沉降仪

黄泰，黄浚凌，喻志发

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津市港口岩土工程技术重点实验室，天津 300222；2.中交天航滨海环保浚航工程有限公司，天津 300450）

0 引言

在港口建设中，通常使用振弦式沉降仪监测软土地基的沉降量。振弦式沉降仪用于监测沉降量时存在故障率高，监测精度低，稳定性差，成本高，数据采集不直观等问题，其信号经线缆传输时易受电磁干扰而影响测量结果。

角位移式水下沉降仪可用于长期测量陆上和水下软土地基的沉降量。具有应用面宽，监测精度及灵敏度高，传输信号抗干扰性强，稳定性高，可实时直观地显示沉降量数值等特点，且安装简便，使用成本低廉。

1 组成

角位移式水下沉降仪有活塞式位移传动装置，该装置由下部套管和上部套管组成，下方连接延长杆，延长杆下端是锚固点，上方连接测量盒，测量盒上端连接钢管，钢管顶端连接沉降板[1]；该装置内有传动带子，传动带子上端连接沉降量电测装置，沉降量电测装置连接A/D转换装置，A/D转换装置通过线缆连接上方远距离的监测仪器。如图1所示。

使用方法：将沉降仪下部延长杆固定于地下不发生沉降稳定层的锚固点，沉降板固定于被测土层。通过沉降量电测装置中引出的信号线缆连接至监测仪器，可以实时读取沉降板所在土层沉降量。量程可达5 m以上、灵敏度可达0.05 mm。

2 结构及原理

2.1 活塞式位移传动装置

2.1.1 活塞

图1 角位移式水下沉降仪结构Fig.1 Stucture of the angular displacement underwater settlement sensor

活塞由上部套管和下部套管组成，两套管衔接处有防活塞脱出机构及横向限位机构。上部套管与沉降量电测装置所在金属盒及沉降板固定连接为一体，保障活塞两套管在某时间段内纵向相对移动行程即等于该时间段内所测土层的沉降量[2]。活塞内部空间填满黏稠的且可流动的防水填充材料，以保障活塞运动时沉降仪的防水性能可靠。上下套管均为坚固的不易变形的材料，如金属等。

2.1.2 活塞内的位移传递

活塞套管内有传递位移的传动带子。带子的上端即b端固定在沉降量电测装置中圆柱形绕线轮的侧面。带子作用是将活塞两套管在某时间段内纵向相对移动行程实时等量转化为带子的b端围绕圆柱形绕线轮轴心所转动的线位移量，即等于该时间段内所测土层的沉降量。

2.2 沉降量电测装置

沉降量电测装置固定于活塞式位移传动装置上方坚固的防水密封金属盒内，并引出信号线缆连接至监测仪器，线缆与沉降仪外壳连接处有防水接线端子密封。线缆内有信号线和供电线，使得测量时监测仪器内电源可为沉降量电测装置供电。沉降量电测装置内部包括位移传动机构和位移量转化为数字电信号机构。

2.2.1 位移传动

圆柱形绕线轮的轴心与角位移传感器的旋转轴相互固定且同轴。因此当圆柱形绕线轮旋转时的角位移量与角位移传感器旋转轴转动的角位移量相等且同步增减[3]。

当沉降板在某时间段内随所测土层下沉，带子的b端在圆柱形绕线轮侧面围绕其轴心所转动的线位移量即此时间段内所测土层的沉降量（或上升量）为L，圆柱形绕线轮的周长为C，此时间段内圆柱形绕线轮随带子转动的旋转角度即角位移传感器所测的此时间段内角位移增量为（单位为弧度），则L=

2.2.2 位移量转化为数字电信号

当沉降板在某时间段内随所测土层下沉（或上升）时，角位移传感器可测得此时间段内角位移增量θ。角位移传感器的类型可以用电阻式旋转编码器、绝对型光电式旋转编码器。

电阻式旋转编码器输出的模拟信号经A/D转换器转变为数字信号，此数字信号通过信号线缆将量值R从沉降仪传入监测仪器。从而保障了在长线传输中信号不会由于衰减而影响测量精准度，且测量精度不易受外界电磁信号干扰。

2.3 电路

2.3.1 信号的处理及运算

监测仪器从线缆接收到由沉降仪输出的实时数字信号，该数字信号经监测仪器内的信号处理电路后输出量值R至单片机。沉降量监测起始时间点所测的数字信号的量值R′已记录在监测仪器的内部存储器中，R′通常采用沉降仪刚埋设好时所测数值，也可自行选择所需的起始时间点的测量值。监测仪器内通过单片机程序运算使得单片机输出的数字信号量值即为自沉降量监测起始时间点至此次监测时间点之间这段时间内的被测土层沉降量L，单片机所运行的换算公式即为：L=

2.3.2 显示电路

信号的处理及运算电路内的单片机输出的数字信号量值即沉降量L。此数字信号通过显示屏驱动电路处理后，使得沉降量L实时显示在监测仪器的显示屏上[4]。

3 工程应用

在天津南港工业区某软基加固工程中的表层沉降量监测比对试验中，本设备所测得的沉降值与用全站仪所测得的沉降值结果如表1所示，差值小于1 mm，测量精度满足监测要求。角位移式水下沉降仪及测量设备如图2。

4 结语

本角位移式水下沉降仪结构简单，将线位移转换成角位移提高测量精度和准确性。应用面宽，既可用于长期测量水下软土地基的沉降量，亦可测量陆上软土地基的沉降量。监测精度及灵敏度高，传输信号抗干扰性强、稳定性高，可将沉降量数值实时直观的显示出来，且安装简便、使用成本低廉。本技术已获得国家发明专利授权（专利授权号：201210239932.2）。

表1 表层沉降量监测比对实验Table1 Comparativeexperimentsof thesurface subsidencemonitoring

图2 角位移式水下沉降仪Fig.2 Angular displacement underwater settlement sensor

[1] 解林博，许浩，陈运涛，等.海上构筑物地基自动监测系统在深水中的密封保护措施[J].中国港湾建设，2013（2）：40-43.XIE Lin-bo，XUHao，CHEN Yun-tao，et al.Seal protection measuresfor foundation automatic monitoringsystem in deep water offshorestructures[J].China Harbour Engineering，2013（2）：40-43.

[2] SPOTTSM F，SHOUPAND T E，HORNBERGER L E.机械零件设计[M].刘莹，李威，缩编.北京：机械工业出版社，2007.SPOTTS M F，SHOUPAND T E，HORNBERGER L E.Design of Machine Elements[M].Abridged by LIUYing，LIWei.Beijing：China Machine Press，2007.

[3] KUOBC，GOLNARAGHIF.自动控制系统[M].汪小帆，李翔，译.北京：高等教育出版社，2003.KUOBC，GOLNARAGHIF.Automatic Control Systems[M].Translated by WANG Xiao-fan，LI Xiang.Beijing：Higher Education Press，2003.

[4] 喻志发，杨京方，解林博，等.离岸深水构筑物的自动监测新方法[J].中国港湾建设，2012（3）：25-28.YU Zhi-fa，YANG Jing-fang，XIE Lin-bo，et al.New method for automatic monitoring of deep-water offshore structures[J].China Harbour Engineering，2012（3）：25-28.