[发明专利]一种沉降测量专用电缆及沉降测量方法

权利要求书

1.一种沉降测量专用电缆，其特征在于：包括屏蔽信号线(1)、电源线(2)、沉降测量处理单元(3)、薄壁金属保护管(4)、填充物(5)、聚氯乙烯内护套层(6)、钢丝铠装层(7)、交联聚氯乙烯护套层(8)；

所述屏蔽信号线(1)由信号高位线芯(1-1)和信号低位线芯(1-2)外包覆一层金属网状编织屏蔽层(1-3)构成，每根线芯由导体外包覆一层绝缘层组成；

所述电源线(2)由电源正级线芯(2-1)、电源负极线芯(2-2)、电源接地线芯(2-3)构成；沿电源线(2)和屏蔽信号线(1)的长度方向，间隔设置数个沉降测量处理单元(3)，数个沉降测量处理单元(3)分别与电源线(2)和屏蔽信号线(1)并联，数个所述薄壁金属保护管(4)分别套装在每个设有沉降测量处理单元(3)的电路板外，在相邻的两个薄壁金属保护管(4)之间的屏蔽信号线(1)和电源线(2)中设有填充物(5)整体结构组成电缆芯；在电缆芯外依次设有聚氯乙烯内护套层(6)、钢丝铠装层(7)和交联聚氯乙烯外护套层(8)；

所述沉降测量处理单元(3)由电源转换电路、数据处理电路、通讯处理电路、沉降基础测量电路及测量扩展电路组成；

所述数据处理电路分别和电源转换电路、通讯处理电路、沉降测量电路、测量扩展电路连接；

所述电源转换电路包括直流/直流5伏稳压模块U1、直流5伏/直流3.3伏稳压模块U2；

所述数据处理电路包括微处理器模块U3；

所述通讯处理电路包括CAN总线通讯模块U9；

所述沉降基础测量电路包括测量基准稳压模块U4、运动测量模块I U5、运动测量模块ⅡU6；

所述测量扩展电路包括运动测量模块ⅢU7、运动测量模块ⅣU8；

所述直流/直流5伏稳压模块U1、直流5伏/直流3.3伏稳压模块U2、微处理器模块U3、测量基准稳压模块U4、运动测量模块I U5、运动测量模块ⅡU6和CAN总线通讯模块U9焊接在电路板A上，运动测量模块I U5和运动测量模块ⅡU6互呈45度角设置，

所述运动测量模块ⅢU7和运动测量模块ⅣU8焊接在电路板B上，运动测量模块ⅢU7和运动测量模块ⅣU8互呈45度角设置，

电路板A与电路板B垂直设置；

电源转换电路的直流/直流5伏稳压模块U1的电源输入脚VIN接电源线(2)电源正级线芯(2-1)，

直流/直流5伏稳压模块U1的电源地线脚DGND接电源线(2)的电源负极线芯(2-2)，

薄壁金属保护管(4)及金属网状编织屏蔽层(1-3)接电源线(2)的电源接地线芯(2-3)；

所述通讯处理电路CAN总线通讯模块U9的高位线脚CANH通过CAN总线接屏蔽信号线(1)的高位线，低位线脚CANL通过CAN总线接屏蔽信号线(1)的低位线，CAN是ISO国际标准化的串行通信协议；

所述电源转换电路的主要功能是通过直流/直流5伏稳压模块U1及直流5伏/直流3.3伏稳压模块U2，将供电电压转换为工作基准电压5V及3.3V，为微处理器模块U3、测量基准稳压模块U4、运动测量模块I U5、运动测量模块ⅡU6、运动测量模块ⅢU7、运动测量模块ⅣU8和CAN总线通讯模块U9提供基准工作电压；

由测量基准稳压模块U4提供测量基准直流3.3伏工作电压，沉降测量处理单元(3)上电后，运动测量模块I U5、运动测量模块ⅡU6、运动测量模块ⅢU7、运动测量模块ⅣU8，4片运动测量模块同时工作，各自采集当前重力加速度分量，角速度及温度，由于每片运动测量模块的精度各异，为了保证测量数据能够反映沉降处理单元整体精度，设计了四片互相呈固定角度的运动测量模块，采集的数据能够互相补充、互为验证，通过均值算法，得到一组真实反映沉降变化量的数据；

所述数据处理电路中微处理器模块U3，通过I2C总线接收沉降基础测量电路及测量扩展电路的运动测量模块I U5、运动测量模块ⅡU6、运动测量模块ⅢU7和运动测量模块ⅣU8测得的三轴角速度、加速度分量及温度数值，进行噪声抑制及温度补偿计算，并通过串口发送到通讯处理电路；

通讯处理电路接收到数据后，通过CAN总线通讯模块U9转换为CAN通讯协议，通过屏蔽信号线(1)发送至智能沉降测量网关中，CAN总线通讯模块U9带有通讯隔离功能，抗干扰能力强，保证数据上传正确稳定。

2.一种采用权利要求1所述沉降测量专用电缆的沉降测量方法，其特征在于，步骤如下：

1).对沉降的测量及感知是由多个设备系统工作完成的，包括沉降测量专用电缆、智能沉降检测网关及沉降可视化预警平台；

电缆敷设采取随管道同沟同槽施工敷设方式，电缆应在管道安装完毕后开始敷设，要求电缆沿管线方向，距管道下缘中心点50mm～500mm敷设，电缆下至少回填150mm厚细沙，电缆上覆盖至少150mm厚细沙，敷设完成后和管道一同回填；

2).测量数据通过CAN总线传输，CAN总线是ISO国际标准化的串行通信协议，已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，具有结构简单、各节点自由通讯、长传输距离、高实时性等特点；

CAN总线规定每条总线上接入的子站数量不超过110个，因此在测量一个长度为n的被测对象沉降情况时，会敷设N且N≧＝1条的沉降测量专用电缆，一台智能沉降检测网关有两个CAN总线接口，可以接入最多两条沉降测量专用电缆，智能沉降检测网关通过无线通讯方式将每个沉降测量处理单元的姿态上传到沉降可视化预警平台，完成沉降测量、显示及预警；

3)在沉降测量专用电缆敷设完成后，上电后，智能沉降检测网关轮询并记录电缆内沉降测量处理单元(3)的初始姿态；

举例说明，电缆内任一沉降测量处理单元(3)的初始姿态为电路板A处于水平状态，电路板B垂直于电路板A；运动测量模块I U5的、运动测量模块ⅡU6，

运动测量模块ⅢU7、运动测量模块ⅣU8在各自芯片内部存在一套坐标系，运动测量模块I U5对应坐标系X1，Y1，Z1；运动测量模块ⅡU6对应坐标系X2，Y2，Z2；运动测量模块ⅢU7对应坐标系X3，Y3，Z3；运动测量模块ⅣU8对应坐标系X4，Y4，Z4；按照当前姿态，重力加速度G在运动测量模块I U5的坐标系X1，Y1，Z1坐标轴方向分别产生分量b1，c1，a1，其中b1＝c1＝0，a1＝G；重力加速度G在运动测量模块ⅡU6的坐标系X2，Y2，Z2坐标轴方向分别产生分量b2，c2，a2，其中b2＝c2＝0，a2＝G；重力加速度G在运动测量模块ⅢU7的坐标系X3，Y3，Z3坐标轴方向分别产生分量b3，c3，a3，其中a3＝c3＝0，b3＝G；重力加速度G在运动测量模块ⅣU8的坐标系X4，Y4，Z4坐标轴方向分别产生分量b4，c4，a4，其中a4＝0，b4＝c4＝测量值，根据公式可以得到重力加速度与X4轴的夹角α；此时，沉降测量处理单元(3)产生了一个围绕运动测量模块I U5坐标轴Y1方向的沉降，产生了一个沉降角θ；对于动测量模块I U5，由于沉降姿态变化，产生了沉降角θ1，坐标系变为X1’，Y1’，Z1’，重力加速度G在坐标轴方向分别产生分量b1’，c1’，a1’，对于运动测量模块ⅡU6，由于沉降姿态变化，产生了沉降角θ2，坐标系变为X2’，Y2’，Z2’，重力加速度G在坐标轴方向分别产生分量b2’，c2’，a2’，对于运动测量模块ⅡU6，由于沉降姿态变化，产生了沉降角θ2，坐标系变为X2’，Y2’，Z2’，重力加速度G在坐标轴方向分别产生分量b2’，c2’，a2’，对于运动测量模块ⅢU7，由于沉降姿态变化，产生了沉降角θ3，坐标系变为X3’，Y3’，Z3’，重力加速度G在坐标轴方向分别产生分量b3’，c3’，a3’，对于运动测量模块ⅣU8，由于沉降姿态变化，产生了沉降角θ4，坐标系变为X4’，Y4’，Z4’，重力加速度G在坐标轴方向分别产生分量b4’，c4’，a4’，根据公式可以得到重力加速度与X4’轴的夹角α’,θ4＝α′-α；

至此，智能沉降检测网关得到沉降测量处理单元(3)中运动测量模块I U5，运动测量模块ⅡU6，运动测量模块ⅢU7，运动测量模块ⅣU8测量出的沉降角θ1，θ2，θ3，θ4，这四个值进行比较，其中θ1为最大值，θ3为最小值，去最后计算θ＝(θ2+θ4)/2得到沉降测量处理单元(3)的沉降角θ，可以保证精度达到0.1°；智能沉降检测网关计算出沉降测量专用电缆中若干个沉降测量处理单元(3)的沉降角θN，并通过无线远程传输的方式将若干个沉降角θN上传至沉降可视化预警平台，平台拟合N个沉降测量处理单元(3)的沉降角θN，即可反映出被测对象周围环境的沉降形变情况；

智能沉降检测网关同时接收沉降可视化预警平台下发的沉降角θ设定值，当计算出的沉降角θ超过设定值时，智能沉降检测网关向沉降可视化预警平台发出预警信息；

4).沉降测量专用电缆上电后，沉降测量专用电缆中的N个沉降测量处理单元(3)进行初始化；在不工作时，沉降测量处理单元(3)内微处理器模块U3，CAN总线通讯模块U9，运动测量模块I U5，运动测量模块ⅡU6，运动测量模块ⅢU7，运动测量模块ⅣU8会进入待机状态，等待条件触发；条件触发会有以下两种情况：

5).正常情况时，智能沉降检测网关按照一定的时间间隔通过CAN总线，依次向沉降测量专用电缆内N个沉降测量处理单元(3)发送触发信号，沉降测量处理单元(3)内CAN总线通讯模块U9接收到触发信号后会触发微处理器模块U3，运动测量模块I U5，运动测量模块ⅡU6，运动测量模块ⅢU7，运动测量模块ⅣU8快速切换进入工作模式，在完成一次数据采集得到当前X、Y、Z方向重力加速度分量及温度数据通过CAN总线传输给智能沉降检测网关后，CAN总线通讯模块U9，微处理器模块U3，运动测量模块I U5，运动测量模块ⅡU6，运动测量模块ⅢU7，运动测量模块ⅣU8再次进入待机状态，等待下一次触发；

6).发生突变性沉降时，如土壤坍塌或被外力破坏时，运动测量模块I U5、运动测量模块U6Ⅱ、运动测量模块ⅢU7、运动测量模块ⅣU8会主动切换工作模式，并触发数据处理电路及通讯处理电路恢复工作状态，微处理器模块U3主动向智能沉降检测网关发送一个报警信息，同时上传当前测量数据，智能沉降检测网关在接到报警后，暂停其他沉降测量处理单元(3)的通讯，短时间内多次轮询发送报警信息的沉降测量处理单元(3)及相邻沉降测量处理单元(3)的X、Y、Z方向的重力加速度及温度数据，以确定发生突发性沉降的规模及沉降程度，智能沉降检测网关将多次轮询的沉降角θ计算结果向沉降可视化预警平台上报，并上报预警信息；

7).沉降可视化预警平台在接收到智能沉降检测网关上传的沉降数据后进行三维模型拟合，将被测对象的当前姿态直观的映射到三维模型中，通过颜色变化反应沉降测量专用电缆内N个沉降测量处理模块(3)的沉降情况，并显示被测对象环境温度，智能沉降检测网关发送的预警报警信息，为运维及应急工作提供基础数据。