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      基于充電法的滑坡深部位移監(jiān)測儀設(shè)計(jì)*

      2013-09-29 11:27:04呂中虎韓永溫張曉飛史彥新郝文杰
      關(guān)鍵詞:監(jiān)測儀控件電位

      呂中虎,韓永溫,張曉飛,張 青,史彥新,郝文杰

      (中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心 國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定071051)

      滑坡作為地質(zhì)災(zāi)害中較為嚴(yán)重的一類,其危害是不容忽視的,許多科研人員和工程技術(shù)人員都對(duì)滑坡監(jiān)測進(jìn)行了深入的研究?;卤O(jiān)測作為預(yù)防滑坡的主要手段,指通過各種方法來預(yù)測滑坡的趨勢,為滑坡治理提供科學(xué)的依據(jù)[1]。本文以充電法(電法勘探類的一種方法)[2]的基本原理為基礎(chǔ),通過觀測埋藏于滑坡面上、下不同點(diǎn)的電極在地表的電位分布與變化,從而達(dá)到滑坡位移示蹤的目的。

      1 儀器設(shè)計(jì)原理

      基于充電法原理,在滑坡體深部布設(shè)金屬球(供電電極),它們分別為 A1、A2、A3……。然后將鉆孔回填夯實(shí),保持地層結(jié)構(gòu)不變;另一供電電極B置于鉆孔足夠遠(yuǎn)處,作為無窮遠(yuǎn)電極B(距離一般選擇為最大埋深電極的20~50倍),在鉆孔附近布設(shè)多個(gè)測量電極M,測量電極N選在B電極處。首先給A1B供電,測量整個(gè)陣列MN間的電位差,繪制出此時(shí)的電位曲線,依次給A2B、A3B……供電,同樣繪制出電位曲線。按照一定時(shí)間間隔繼續(xù)進(jìn)行相同操作,對(duì)比不同時(shí)間的電位曲線,若同一供電電極的電位曲線沒有發(fā)生電位錯(cuò)動(dòng),說明該深度處未發(fā)生位移,若出現(xiàn)電位曲線不重合現(xiàn)象,則可根據(jù)等電位線移動(dòng)的方向和距離,以及觀測的相隔時(shí)間,求出滑動(dòng)方向和滑動(dòng)速度[3]。圖1為裝置示意圖。

      2 儀器設(shè)計(jì)框圖

      依據(jù)充電法的原理,結(jié)合傳統(tǒng)的直流電法儀器,設(shè)計(jì)制作的充電法滑坡監(jiān)測儀整體框圖如圖2所示。該儀器由電極轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)測量模塊、遠(yuǎn)程傳輸模塊及電源模塊4部分組成。

      電極轉(zhuǎn)換模塊在監(jiān)測儀工作過程中負(fù)責(zé)供電電極A、B及測量電極M、N的切換;信號(hào)測量模塊由電壓測量通道和電流測量通道組成,每個(gè)測量通道均由前置放大電路、10 Hz低通濾波電路、50 Hz陷波電路、主放電路組成;微處理器控制部分采用STM32微控制器作為控制核心[4-7],其在測量過程中控制供電電極 A、B和測量電極M、N的切換,同時(shí)也自動(dòng)地控制著電壓測量通道的放大倍數(shù)、采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ?;遠(yuǎn)程傳輸模塊將采集的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)射到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心通過采集軟件接收測量的數(shù)據(jù);電源模塊由蓄電池、DC/DC及其控制電路組成,提供監(jiān)測儀工作所需電壓以及為供電電極提供48 V、96 V、192 V 3種可選供電電壓。

      3 滑坡監(jiān)測儀軟件結(jié)構(gòu)

      充電法滑坡監(jiān)測儀的數(shù)據(jù)采集處理軟件主要針對(duì)STM32微控制器進(jìn)行編程,具體實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器的初始化、系統(tǒng)參數(shù)的輸入,控制供電電極切換電路,將供電電壓通過供電電極A、B供入地下,控制測量電極選擇電路,選擇合適的測量電極 M、N,讀取 M、N間的電壓值及供電電流值,然后將采集到的數(shù)據(jù)保存在U盤中,同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過遠(yuǎn)程傳輸模塊發(fā)送到控制中心。軟件主體采用C語言編寫[8],其流程圖如圖3所示。

      4 監(jiān)測中心采集軟件

      監(jiān)測中心采集軟件采用VB編寫,主要是基于WinSock控件的服務(wù)器程序的開發(fā)[9]。其主要流程及使用的主要函數(shù)如圖4所示。WinSock控件是一個(gè)ActiveX控件,允許使用傳輸控制協(xié)議 TCP(Transmission Control Protocol)和用戶 數(shù)據(jù) 協(xié) 議 UDP(User DataGram Protocol)兩個(gè)傳輸層協(xié)議。使用WinSock控件時(shí),通信雙方要使用相同的協(xié)議,當(dāng)客戶端向服務(wù)器端發(fā)出連接請(qǐng)求時(shí),服務(wù)器端不停地監(jiān)聽客戶端發(fā)出的消息。一旦連接成功,任何一方都可以通過 SendData發(fā)送數(shù)據(jù),并借助GetData把數(shù)據(jù)分離出來[10]。

      5 野外監(jiān)測實(shí)驗(yàn)

      為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的滑坡監(jiān)測儀是否能穩(wěn)定工作,選取野外試驗(yàn)場地模擬儀器處于滑坡監(jiān)測的狀態(tài)。實(shí)際選取的野外試驗(yàn)場地在烏魯木齊市郊甘河子大橋附近,地面上的30個(gè)測量電極布置成兩條平行測線,測線間距為30 cm,每個(gè)電極間隔25 cm,即A1離地面 25 cm,A2離地面50 cm;供電電極B及另一測量電極N布置在近似于無窮遠(yuǎn)處;初始時(shí)2個(gè)供電電極均布置在M8正下方,模擬滑坡監(jiān)測的初始狀態(tài),將各電極連接至滑坡監(jiān)測儀,測量不同時(shí)刻各測量電極M電位的變化。圖5為供電電極A1和A2不同位置測量電位變化圖,從圖中可以看出,電極的位置移動(dòng)與測量的點(diǎn)位曲線一一對(duì)應(yīng),說明了設(shè)計(jì)的滑坡監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。

      本文利用地球物理中的充電法原理,研制了基于充電法的滑坡監(jiān)測儀器,并經(jīng)過野外模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了所研制的滑坡監(jiān)測儀能夠長期穩(wěn)定工作。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),配以太陽能裝置,即可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的無人值守的自動(dòng)監(jiān)測。

      [1]胡小崗.GPS技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(13):362-364.

      [2]程志平.電法勘探教程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

      [3]牛建軍,張曉培,杜立志.稠油汽驅(qū)電位法動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2008,38(5):171-175.

      [4]武利珍,張文超,程春榮.基于 STM32的便攜式心電圖儀設(shè)計(jì)[J].電子器件,2009,32(5):92-95.

      [5]孫啟富,孫運(yùn)強(qiáng),姚愛琴.基于 STM32的通用智能儀表設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器,2010(10):34-36.

      [6]He Huazhi.Hardware design of a vehicle monitoring equipment based on the STM32[J].Electronic Measurement Technology,2008(12)144-146,151.

      [7]王永虹,徐煒,郝立平.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

      [8]宋恒力,董浩斌.利用SoC單片機(jī)的多功能數(shù)據(jù)采集卡[J].電子設(shè)計(jì)應(yīng)用,2004,30(3):53-54,59.

      [9]Wu Meifang,Li Lihong.Network communication based on winsock[J].Microcomputer Applications,2009(1):43,52-53.

      [10]李秀紅,黃天戍,孫忠富,等.基于GPRS/SMS的嵌入式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2007,37(6):187-192.

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