CN102607490A - 锚索沿程连续位移测量仪 - Google Patents

Abstract

公开了一种连续测量、测量范围大、自动化程度高、成本较低的锚索沿程连续位移测量仪，包括测量装置、数据传输装置、数据分析装置，测量装置由测量单元组成，测量单元包含外壳PVC管、MEMS加速度传感器和数据线，MEMS加速度传感器在外壳PVC管内并连接有数据线；数据传输装置包含数据采集器、无线发射器、无线接收器、数据存储器和太阳能电池；数据采集器分别与测量装置、无线发射器、太阳能电池相连，数据存储器分别与数据分析装置、无线接收器、太阳能电池相连，通过无线发射器和无线接收器收发数据，数据采集器与数据分析装置相连。

Description

锚索沿程连续位移测量仪

技术领域

本发明属于测量的技术领域，具体地涉及一种锚索沿程连续位移测量仪，其可用于测量锚索或锚杆的表面沿程变形。

背景技术

泥石流、边坡失稳是目前常见的地质灾害。如果能够在其发生之前监测到，就会预先采取措施，从而将损失降到最低。建筑物的变形监测是安全管理的一项重要手段。目前监测高边坡和建筑物的倾斜变形一般采用测斜仪等。这些测量仪一般采用单点测量，测量范围有限，难以自动化，造价很高。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种连续测量、测量范围大、自动化程度高、成本较低的锚索沿程连续位移测量仪。

本发明的技术解决方案是：这种锚索沿程连续位移测量仪，包括测量装置、数据传输装置、数据分析装置，测量装置由测量单元组成，测量单元包含外壳PVC管、MEMS加速度传感器和数据线，MEMS加速度传感器在外壳PVC管内并连接有数据线；数据传输装置包含数据采集器、无线发射器、无线接收器、数据存储器和太阳能电池；数据采集器分别与测量装置、无线发射器、太阳能电池相连，数据存储器分别与数据分析装置、无线接收器、太阳能电池相连，通过无线发射器和无线接收器收发数据，数据采集器与数据分析装置相连。

由于采用太阳能电池而无需额外供电，所以可以长时间野外独立工作，实现无人值守、定时间隔测量记录；数据的传递可以通过数据线传递到数据分析装置，也可以采用GPRS、或无线以太网和无线射频传递到数据分析装置；由于测量单元使用MEMS加速度传感器，就能够感知外壳的倾角并将其转换为数字信号，再通过数据采集器、数据传输装置传给数据分析装置，就能够实现锚索沿程连续位移的自动化测量，而这种测量仪较设置多个测斜仪的现有技术来说，成本低很多。

附图说明

图1示出了根据本发明的锚索沿程连续位移测量仪的测量装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明的锚索沿程连续位移测量仪的MEMS加速度传感器的结构局部放大示意图；

图3示出了根据本发明的测量装置的横截面示意图；

图4示出了采用根据本发明的锚索沿程连续位移测量仪的整体结构示意图；

图5示出了采用本发明的锚索沿程连续位移测量仪的一个测量单元的位移计算示意图；

图6示出了本发明的锚索沿程连续位移测量仪应用于边坡破坏的分析示意图。

具体实施方式

如图1、4所示，这种锚索沿程连续位移测量仪，包括测量装置10、数据传输装置、数据分析装置12，测量装置由测量单元4组成，测量单元包含外壳PVC管1、MEMS加速度传感器2和数据线5，MEMS加速度传感器2在外壳PVC管内并连接有数据线5；数据传输装置包含数据采集器13、无线发射器8、无线接收器11、数据存储器14和太阳能电池9；数据采集器13分别与测量装置10、无线发射器8、太阳能电池9相连，数据存储器14分别与数据分析装置12、无线接收器11、太阳能电池9相连，通过无线发射器8和无线接收器11收发数据，数据采集器13与数据分析装置12相连。

MEMS(如图2所示)，其实就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构，通过对电子部分使用半导体工艺和机械部分使用微机械工艺或者增加新的结构层来制作MEMS产品。MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及其它很多领域都有着十分广阔的应用前景。本发明中使用的MEMS加速度传感器只是其中一个非常小的应用分支，MEMS加速度传感器即微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-System)加速度传感器，能够感知外壳的倾角并将其转换为数字信号，再通过数据采集器13、无线接收器11与远程控制微机联通。

优选地，测量单元4的数量为多个，每个测量单元4中的MEMS加速度传感器2串联，并通过钢丝3及数据线5连接。

优选地，每个测量单元内的MEMS加速度传感器2的数量是2个，目的是分别测量两个正交方向上(E和N)的倾角。

优选地，MEMS加速度传感器2在外壳PVC管1的中心，由于采用的是PVC，忽略PVC管的变形，MEMS加速度传感器2放在PVC管中间，即可精确的测得PVC管在两个正交方向上(E和N)的倾角；同时可以避免MEMS加速度传感器受到干扰或破坏。

优选地，如图3所示，在外壳PVC管1的内部设有纤维保护套6和柔性高分子材料层7。

优选地，数据分析装置12包含服务器。

下面说明采用本发明的测量单元测量位移的原理：

①单段测量单元的位移计算：

取一段测量单元如图5，假设原来AB轴为垂直的，以杆件AB为Z轴建立空间直角坐标系，定义平面XAY中，以X轴正方向为N，Y轴正方向为E。设A点为位移“0”点，在经历时间Δt后，实测杆件的倾角变化为Δθ_N和Δθ_E，其中：B′为B端变化后的位置，B₁为B′在平面XAZ上的投影，B₂为B′在平面YAZ内的投影，B₃为B′在平面B₁B′B₂与AB轴的交点；Δθ_N为沿南北方向的夹角变化(∠BAB₁)，Δθ_E为沿东西方向的夹角变化(∠BAB₂)；在XAZ平面中，B₁B₃为B端沿南北方向上的位移，记为ΔB_N；在YAZ平面中，B₂B₃为B端沿东西方向的位移，记为ΔB_E，BB₃为B端变化到B′后，垂直高度上的位移，记为ΔB_H，以上三个方向上的位移可用下面的公式来求得：

${\mathrm{\ΔB}}_N=\frac{l}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)}}\·\tan \left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\ΔB}}_E=\frac{l}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)}}\·\tan \left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)---\left(2\right)$

${\mathrm{\ΔB}}_H=l[1-\frac{1}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)}}]---\left(3\right)$

l为测量单元的杆长

②连续多段测量单元的位移计算：

假定整个测线有N个测量单元组成，第i个单元的端点分别为i_A、i_B，倾角变化为Δθ_iN、Δθ_iE，A端的位移为Δ_iAN、Δ_iAE和Δ_iAH，则B点的位移为：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBN}}={\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iAN}}+\frac{l}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)}}\·\tan \left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)---\left(4\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBE}}={\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iAE}}+\frac{l}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)}}\·\tan \left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)---\left(5\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBH}}={\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iAH}}+l[1-\frac{1}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_N\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_E\right)}}]---\left(6\right)$

③沿程各点的累积位移推导公式：

令起点O的位移：

Δ_0N＝0       (7)

Δ_0E＝0       (8)

Δ_0H＝0       (9)

则i段B点位移为：

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBN}}=\underset{i=0}{\overset{i=N-1}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBN}}+\frac{l_i}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iN}}\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iE}}\right)}}\·\tan \left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iN}}\right)],(i=\mathrm{0,1,2}\mathrm{\ΛN}-1)---\left(10\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBE}}=\underset{i=0}{\overset{i=N-1}{\mathrm{\Σ}}}{[\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBE}}+\frac{l_i}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iN}}\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iE}}\right)}}\·\tan \left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iE}}\right)],(i=\mathrm{0,1,2}\mathrm{\ΛN}-1)---\left(11\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBH}}=\underset{i=0}{\overset{i=N-1}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{iBH}}+l_i(1-\frac{1}{\sqrt{1+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iN}}\right)+{\tan }^2\left({\mathrm{\Δ\θ}}_{\mathrm{iE}}\right)}})],(i=\mathrm{0,1,2}\mathrm{\ΛN}-1)---\left(12\right)$

应用例1

如图6给出的一边坡，在里面预埋锚索沿程连续位移测量仪，边坡的破坏变形如图红线所示，可以实时监测边坡锚索变形，对边坡的破坏起到预警作用，这时A和B端均变形到A′和B′，测得A端的位移变化后，B端的位移可参照公式(10)～(12)计算。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.锚索沿程连续位移测量仪，包括测量装置(10)、数据传输装置、数据分析装置(12)，其特征在于：测量装置由测量单元(4)组成，测量单元包含外壳PVC管(1)、MEMS加速度传感器(2)和数据线(5)，MEMS加速度传感器(2)在外壳PVC管内并连接有数据线(5)；数据传输装置包含数据采集器(13)、无线发射器(8)、无线接收器(11)、数据存储器(14)和太阳能电池(9)；数据采集器(13)分别与测量装置(10)、无线发射器(8)、太阳能电池(9)相连，数据存储器(14)分别与数据分析装置(12)、无线接收器(11)、太阳能电池(9)相连，通过无线发射器(8)和无线接收器(11)收发数据，数据采集器(13)与数据分析装置(12)相连。

2.根据权利要求1所述的锚索沿程连续位移测量仪，其特征在于：测量单元(4)的数量为多个，每个测量单元(4)中的MEMS加速度传感器(2)串联，并通过钢丝(3)及数据线(5)连接。

3.根据权利要求1或2所述的锚索沿程连续位移测量仪，其特征在于：每个测量单元内的MEMS加速度传感器的数量是2个。

4.根据权利要求1或2所述的锚索沿程连续位移测量仪，其特征在于：MEMS加速度传感器(2)在外壳PVC管(1)的中心。

5.根据权利要求1所述的锚索沿程连续位移测量仪，其特征在于：在外壳PVC管(1)的内部设有纤维保护套(6)和柔性高分子材料层(7)。

6.根据权利要求1所述的锚索沿程连续位移测量仪，其特征在于：数据分析装置(12)包含服务器。

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