基于多互感机理的地下三维位移测量系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统与方法。包括主机以及圆柱型集成测量单元上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机；每一个圆柱型集成测量单元包括PVC空心管和外围线圈、互感线圈和电路板的，以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，对每个测量组内外围线圈和互感线圈之间的电磁互感来对两个相邻圆柱型集成测量单元之间的相对垂直位移和相对水平位移进行测量，作为单处位移量；再累积计算获得地下岩土不同深度处的位移量和总位移量。本发明专利技术能实现对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量，实现目前其他方法无法实现的对地下变形量的连续三维测量。

Underground three-dimensional displacement measurement system and method based on multi mutual inductance mechanism

The invention discloses a three dimensional displacement measurement system and method based on the mechanism of multiple mutual inductance. Including the host and cylindrical integrated measuring unit on which are connected in series, cylindrical integrated measuring unit buried in underground rock and soil, the cylindrical integrated measuring unit connected in series and connected to the host; each cylindrical integrated measuring unit comprises a PVC hollow tube and the outer coil, inductance coil and the circuit board, with two per a cylindrical type adjacent each integrated measuring unit consists of a set of measurements, for each measurement group including internal and external electromagnetic transformer between the coil and the transformer coil of two adjacent cylindrical integrated measuring unit relative vertical displacement and the relative horizontal displacement was measured as a single displacement and cumulative displacement; calculation of underground rock soil at different depths and total displacement. The invention can realize the three-dimensional measurement of the deformation caused by various reasons below the surface, so as to achieve the continuous 3D measurement of underground deformation which other methods cannot achieve at present.

【技术实现步骤摘要】
基于多互感机理的地下三维位移测量系统与方法
本专利技术涉及一种地下位移测量方法及装置，尤其是涉及一种基于多互感机理的地下位移三维测量方法及装置。
技术介绍
地质灾害的发生对人类生命、环境造成不可恢复的破坏，并且阻碍人类社会的发展以及经济建设。地面形变监测，经常作为常规监测技术用于地质灾害监测，并成为灾情预测预报的重要依据。而地面形变监测只能把握地表的位移情况，不能对与地下的形变进行测量，这在很多时候不能满足对灾害的稳定性分析与预警的需要。如有一种方法对可能发生滑坡的灾害体的内部位移进行测量，了解滑移面的所在位置和深度，以及地面沉降中不同深度下岩土沉降具体数值，这灾害的预警预报有着重大意义。通过掌握灾害体的内部形变以及动态等情况，对类似地质灾害的形成机理、稳定性的分析以及预测和治理提供更有效、更全面、更科学的依据，也因此有效的减少灾害发生时所造成的损失。目前监测地下位移主要方法为：测斜仪、引伸仪、沉降仪、TDR以及BOTDR，这些方法各有利弊。钻孔倾斜仪(测斜仪中的一种方法)目前广泛的应用于滑体的地下水平位移测量，但这种监测方法效率低，每次测试需工作人员记录大量数据，容易造成险情漏报。引伸仪与沉降仪主要是对地下垂直位移进行监测，不能消除水平位移带来的误差。对于TDR和BOTDR测量方法最主要的问题在于拉伸量不足，如光纤自身最大拉伸量只有6mm/m，往往应用在微变形监测方面，对于变形量较大的岩土形变等光纤将被拉断。这几种方法都有着他们自身的局限性，不能实现变形量的三维测量。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中不能测量的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于多互感机理的地下位移三维测量方法及装置。本专利技术采用的技术方案是：一、一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统：主要由置于地面的主机以及1～n结构相同的圆柱型集成测量单元通过电源线和485总线上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部并沿埋设地下岩土的方向串接布置，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机；每一个圆柱型集成测量单元主要由PVC空心管和安装在PVC空心管中的外围线圈、至少一互感线圈和电路板的三个部分组成，外围线圈是紧贴绕制在PVC空心管内壁的密绕螺旋线圈，互感线圈是放置在PVC空心管内上半部分沿圆周间隔均布的四个小线圈，电路板安装在PVC空心管内部中间。以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组。所述的互感线圈的四个小线圈中以对称的两个为一组，分为两组线圈测量组，每组线圈测量组中的两个线圈对称布置。本专利技术在圆柱型集成测量单元中布置一圈相同互感小线圈这样的结构，保证了系统在放入地下后不论地下岩土向那个方向形变，都能利用测量单元的对称性进行地下位移的测量。所述的电路板包括以STM32芯片为中央处理芯片的MCU电路及其连接到MCU电路的正弦波发生电路、方位角测量电路、互感电压采集电路和RS485通信电路；方位角测量电路是用于通过地磁获得圆柱型集成测量单元的方位角，正弦波发生电路产生50Khz、峰峰值为2.5V的正弦交流电通入外围线圈，互感线圈中的每个小线圈均与由放大、滤波、整流组成的互感电压采集电路相连接，互感电压采集电路的输出连接到MCU电路中STM32芯片的AD采样管脚连接，外围线圈产生电磁场通过电磁感应在互感线圈生成电流，由STM32芯片对互感线圈两端的电压信号进行采集，并利用采集到的电压信号计算出相对垂直位移与相对水平位移的位移量；MCU电路输出与485通讯电路相连接，485通讯电路将得到的位移量通过通信线发送至地面上的主机。二、一种基于多互感机理的地下三维位移测量方法：地下岩土发生形变，带动埋设于地下岩土中的各个圆柱型集成测量单元可能发生位移，通过以下方式测量得到地下三维位移：在圆柱型集成测量单元串接结构中，以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，对第i个测量组内外围线圈和互感线圈之间的电磁互感来对两个相邻圆柱型集成测量单元之间的相对垂直位移Δzi和相对水平位移Δxi进行测量，作为单处位移量，i＝1，2，3，…，n-1，i表示圆柱型集成测量单元的序数，n表示圆柱型集成测量单元的总数；依据每一个圆柱型集成测量单元的尺寸大小和测量获得的各个测量组的单处位移量，通过简单数学累积计算获得地下岩土不同深度处的垂直位移量和水平位移量以及从地面到地下累计的总地下垂直位移量Sz和总地下水平位移量Sx，从而完成地下三维位移测量。具体实施中，各组测量组的测量数据由485总线送至地面主机，主机将通过有线和无线的方式传送到远程的服务器，通过服务器的界面观察各个测量单元的数据即可知道地下不同深度处的垂直位移与水平为以及总的位移大小。所述三维测量系统每次工作时，均仅开启一个测量组的两个圆柱型集成测量单元工作，其余圆柱型集成测量单元均关闭不工作。测量组内两个圆柱型集成测量单元中，其中一个圆柱型集成测量单元的外围线圈和另一个圆柱型集成测量单元的互感线圈通电工作，通过外围线圈产生电磁场经电磁感应在互感线圈产生电流，检测一互感线圈中四个小线圈各自的电压值，然后再针对四个电压值用预设的数学模型进行处理获得相对垂直位移和相对水平位移。预设的数学模型是由已知相对垂直位移和相对水平位移的两个圆柱型集成测量单元进行试验，采集到四个小线圈的电压值后结合已知的相对垂直位移用偏最小二乘法回归方法得到在不同埋设深度对应的垂直位移与电压值之间的数学模型。再用在同一埋设深度下，采集到四个小线圈的电压值后结合已知的相对水平位移用偏最小二乘法回归方法得到在不同埋设深度下不同水平位移与电压值之间的数学模型。当地下岩土发生形变时，利用方位角测量形变方位，利用互感线圈和外围线圈测量位移，互感线圈的四个小线圈中，取形变水平方向上其中两个对称布置的线圈命名为a线圈和c线圈，再取a线圈和c线圈中垂线方向上另外两个对称布置的线圈命名为b线圈和d线圈。由于互感之间的线圈参数已经确定，那么互感电压只与互感线圈之间的相对位置有关，外围线圈与这四个小线圈的相对位置发生变化时，这四个小线圈的互感电压也相对变化。利用不同相对位置有不同的互感电压输出，a线圈、c线圈、b线圈和d线圈分别采集到电压值ua、ub、uc和ud，将得到的ua、ub、uc和ud电压值采用偏最小二乘法回归方法得到垂直位移与电压值的数学模型，同样也采用偏最小二乘法回归方法能够得到在不同高度下不同水平位移与电压值的数学模型，最终实现地下三维位移的测量。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术是一种深入灾害体对其内部进行位移监测的方法，对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量，实现目前其他方法无法实现的对地下变形量的连续三维测量，提出了一种新的岩土地下位移测量方法，具有高测量精度的优势。附图说明图1是本专利技术测量系统的总示意图；图2是圆柱体测量单元的结构图；图3是圆柱体测量单元测量时的四个小线圈布置示意图；图4是本专利技术电路板的组成示意图；图5是未发生位移时测量过程图；图6是发生位移时测量过程图；图7是本专利技术具体测量过程的流程图；图8是不同位置处4个小线圈的互感电压值与位移变化图，其中(a)是a线圈互感电压值与位移变化，(b)是b线圈互感电压值与位移变化，(c)是c线圈互感电压值与位移变化，(d)是d线圈互感电压值与位移变化；图9是对应垂直本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：主要由置于地面的主机(5)以及1～n结构相同的圆柱型集成测量单元通过电源线和485总线上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部并沿埋设地下岩土的方向串接布置，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机(5)；每一个圆柱型集成测量单元主要由PVC空心管(1)和安装在PVC空心管(1)中的外围线圈(2)、至少一互感线圈(3)和电路板的三个部分组成，外围线圈(2)是紧贴绕制在PVC空心管(1)内壁的密绕螺旋线圈，互感线圈(3)是放置在PVC空心管(1)内上半部分沿圆周间隔均布的四个小线圈(31、32、33、34)，电路板安装在PVC空心管(1)内部中间。

【技术特征摘要】
1.一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：主要由置于地面的主机(5)以及1～n结构相同的圆柱型集成测量单元通过电源线和485总线上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部并沿埋设地下岩土的方向串接布置，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机(5)；每一个圆柱型集成测量单元主要由PVC空心管(1)和安装在PVC空心管(1)中的外围线圈(2)、至少一互感线圈(3)和电路板的三个部分组成，外围线圈(2)是紧贴绕制在PVC空心管(1)内壁的密绕螺旋线圈，互感线圈(3)是放置在PVC空心管(1)内上半部分沿圆周间隔均布的四个小线圈(31、32、33、34)，电路板安装在PVC空心管(1)内部中间。2.根据权利要求1所述的一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，并且每个测量组中仅一个圆柱型集成测量单元中互感线圈(3)的四个小线圈以对称的两个为一组，分为两组线圈测量组。3.根据权利要求1所述的一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：所述的电路板包括以STM32芯片为中央处理芯片的MCU电路及其连接到MCU电路的正弦波发生电路、方位角测量电路、互感电压采集电路和RS485通信电路；方位角测量电路通过地磁获得圆柱型集成测量单元的方位角，正弦波发生电路产生50Khz、峰峰值为2.5V的正弦交流电通入外围线圈(2)，互感线圈(3)互感电压采集电路相连接，互感电压采集电路的输出连接到MCU电路中STM32芯片的AD采样管脚连接，外围线圈(2)产生电磁场通过电磁感应在互感线圈(3)生成电流，由STM32...

【专利技术属性】
技术研发人员：李青，蔡庆东，申屠南瑛，贾生尧，童仁园，王燕杰，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33