黃泰，黃浚凌，喻志發(fā)

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術交通行業(yè)重點實驗室，天津市港口巖土工程技術重點實驗室，天津 300222；2.中交天航濱海環(huán)保浚航工程有限公司，天津 300450）

0 引言

在港口建設中，通常使用振弦式沉降儀監(jiān)測軟土地基的沉降量。振弦式沉降儀用于監(jiān)測沉降量時存在故障率高，監(jiān)測精度低，穩(wěn)定性差，成本高，數(shù)據(jù)采集不直觀等問題，其信號經線纜傳輸時易受電磁干擾而影響測量結果。

角位移式水下沉降儀可用于長期測量陸上和水下軟土地基的沉降量。具有應用面寬，監(jiān)測精度及靈敏度高，傳輸信號抗干擾性強，穩(wěn)定性高，可實時直觀地顯示沉降量數(shù)值等特點，且安裝簡便，使用成本低廉。

1 組成

角位移式水下沉降儀有活塞式位移傳動裝置，該裝置由下部套管和上部套管組成，下方連接延長桿，延長桿下端是錨固點，上方連接測量盒，測量盒上端連接鋼管，鋼管頂端連接沉降板[1]；該裝置內有傳動帶子，傳動帶子上端連接沉降量電測裝置，沉降量電測裝置連接A/D轉換裝置，A/D轉換裝置通過線纜連接上方遠距離的監(jiān)測儀器。如圖1所示。

使用方法：將沉降儀下部延長桿固定于地下不發(fā)生沉降穩(wěn)定層的錨固點，沉降板固定于被測土層。通過沉降量電測裝置中引出的信號線纜連接至監(jiān)測儀器，可以實時讀取沉降板所在土層沉降量。量程可達5 m以上、靈敏度可達0.05 mm。

2 結構及原理

2.1 活塞式位移傳動裝置

2.1.1 活塞

圖1 角位移式水下沉降儀結構Fig.1 Stucture of the angular displacement underwater settlement sensor

活塞由上部套管和下部套管組成，兩套管銜接處有防活塞脫出機構及橫向限位機構。上部套管與沉降量電測裝置所在金屬盒及沉降板固定連接為一體，保障活塞兩套管在某時間段內縱向相對移動行程即等于該時間段內所測土層的沉降量[2]。活塞內部空間填滿黏稠的且可流動的防水填充材料，以保障活塞運動時沉降儀的防水性能可靠。上下套管均為堅固的不易變形的材料，如金屬等。

2.1.2 活塞內的位移傳遞

活塞套管內有傳遞位移的傳動帶子。帶子的上端即b端固定在沉降量電測裝置中圓柱形繞線輪的側面。帶子作用是將活塞兩套管在某時間段內縱向相對移動行程實時等量轉化為帶子的b端圍繞圓柱形繞線輪軸心所轉動的線位移量，即等于該時間段內所測土層的沉降量。

2.2 沉降量電測裝置

沉降量電測裝置固定于活塞式位移傳動裝置上方堅固的防水密封金屬盒內，并引出信號線纜連接至監(jiān)測儀器，線纜與沉降儀外殼連接處有防水接線端子密封。線纜內有信號線和供電線，使得測量時監(jiān)測儀器內電源可為沉降量電測裝置供電。沉降量電測裝置內部包括位移傳動機構和位移量轉化為數(shù)字電信號機構。

2.2.1 位移傳動

圓柱形繞線輪的軸心與角位移傳感器的旋轉軸相互固定且同軸。因此當圓柱形繞線輪旋轉時的角位移量與角位移傳感器旋轉軸轉動的角位移量相等且同步增減[3]。

當沉降板在某時間段內隨所測土層下沉，帶子的b端在圓柱形繞線輪側面圍繞其軸心所轉動的線位移量即此時間段內所測土層的沉降量（或上升量）為L，圓柱形繞線輪的周長為C，此時間段內圓柱形繞線輪隨帶子轉動的旋轉角度即角位移傳感器所測的此時間段內角位移增量為（單位為弧度），則L=

2.2.2 位移量轉化為數(shù)字電信號

當沉降板在某時間段內隨所測土層下沉（或上升）時，角位移傳感器可測得此時間段內角位移增量θ。角位移傳感器的類型可以用電阻式旋轉編碼器、絕對型光電式旋轉編碼器。

電阻式旋轉編碼器輸出的模擬信號經A/D轉換器轉變?yōu)閿?shù)字信號，此數(shù)字信號通過信號線纜將量值R從沉降儀傳入監(jiān)測儀器。從而保障了在長線傳輸中信號不會由于衰減而影響測量精準度，且測量精度不易受外界電磁信號干擾。

2.3 電路

2.3.1 信號的處理及運算

監(jiān)測儀器從線纜接收到由沉降儀輸出的實時數(shù)字信號，該數(shù)字信號經監(jiān)測儀器內的信號處理電路后輸出量值R至單片機。沉降量監(jiān)測起始時間點所測的數(shù)字信號的量值R′已記錄在監(jiān)測儀器的內部存儲器中，R′通常采用沉降儀剛埋設好時所測數(shù)值，也可自行選擇所需的起始時間點的測量值。監(jiān)測儀器內通過單片機程序運算使得單片機輸出的數(shù)字信號量值即為自沉降量監(jiān)測起始時間點至此次監(jiān)測時間點之間這段時間內的被測土層沉降量L，單片機所運行的換算公式即為：L=

2.3.2 顯示電路

信號的處理及運算電路內的單片機輸出的數(shù)字信號量值即沉降量L。此數(shù)字信號通過顯示屏驅動電路處理后，使得沉降量L實時顯示在監(jiān)測儀器的顯示屏上[4]。

3 工程應用

在天津南港工業(yè)區(qū)某軟基加固工程中的表層沉降量監(jiān)測比對試驗中，本設備所測得的沉降值與用全站儀所測得的沉降值結果如表1所示，差值小于1 mm，測量精度滿足監(jiān)測要求。角位移式水下沉降儀及測量設備如圖2。

4 結語

本角位移式水下沉降儀結構簡單，將線位移轉換成角位移提高測量精度和準確性。應用面寬，既可用于長期測量水下軟土地基的沉降量，亦可測量陸上軟土地基的沉降量。監(jiān)測精度及靈敏度高，傳輸信號抗干擾性強、穩(wěn)定性高，可將沉降量數(shù)值實時直觀的顯示出來，且安裝簡便、使用成本低廉。本技術已獲得國家發(fā)明專利授權（專利授權號：201210239932.2）。

表1 表層沉降量監(jiān)測比對實驗Table1 Comparativeexperimentsof thesurface subsidencemonitoring

圖2 角位移式水下沉降儀Fig.2 Angular displacement underwater settlement sensor

[1] 解林博，許浩，陳運濤，等.海上構筑物地基自動監(jiān)測系統(tǒng)在深水中的密封保護措施[J].中國港灣建設，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.機械零件設計[M].劉瑩，李威，縮編.北京：機械工業(yè)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.自動控制系統(tǒng)[M].汪小帆，李翔，譯.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] 喻志發(fā)，楊京方，解林博，等.離岸深水構筑物的自動監(jiān)測新方法[J].中國港灣建設，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.