CN103335918B - 一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置，包括设置于监测模型中的监测器，监测器通过数据线将采集的数据信号导入数据信息处理系统，数据信息处理系统对数据分析处理并反馈，转化为电信号，传输至通过单片机操控的四维实体显示器中。该装置能够实时监测地下环境的多物理场数据信息，并在四维显示器上进行可视化表达，以揭示浆液在三维岩体中的扩散规律，研究浆液和岩体的相互作用机制，推动对地下工程突水突泥灾害注浆控制关键技术的研究，从而优化注浆工艺，有效地控制突水突泥等灾害事故的发生。

Description

一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置

技术领域

本发明涉及一种信息监测技术，尤其是一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置。

背景技术

二十一世纪人类进入了地下空间建设开发的新时代，预计到2020年，我国铁路隧道建设数量将达到10000座，总里程将达到10000千米。在地下工程建设过程中经常遭遇含水构造等不良地质条件，导致重大突水突泥灾害事故频发，给国家和社会造成了巨大的人员伤亡和经济损失。目前注浆加固是治理和控制地下工程突水突泥灾害的重要手段，但由于地质环境的不可视性，导致注浆过程中浆液的扩散路径难以确定，无法对注浆加固机理进行有效的研究。针对上述现状，亟需开发出一种能够实时监测地下环境的多物理场数据信息的监测系统来解决地下环境不可见的“强隐蔽性”技术难题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置，该装置能够实时监测地下环境的多物理场数据信息，并在四维显示器上进行可视化表达，以揭示浆液在三维岩体中的扩散规律，研究浆液和岩体的相互作用机制，推动对地下工程突水突泥灾害注浆控制关键技术的研究，从而优化注浆工艺，有效地控制突水突泥等灾害事故的发生。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置，包括设置于监测模型中的监测器，监测器通过数据线将采集的数据信号导入数据信息处理系统，数据信息处理系统对数据分析处理并反馈，转化为电信号，传输至通过单片机操控的四维实体显示器中。

所述监测器包括光纤光栅渗压传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅多点位移计和光纤光栅流速计。

所述光纤光栅渗压传感器，其量程为0～1MPa，精度为0.1%，分辨率为1KPa。

所述光纤光栅温度传感器，其量程为-40～120℃，精度为1%，分辨率为1℃。

所述的光纤光栅应变传感器，其量程为-2500～2500με，精度为0.2%，分辨率为1με。

所述的光纤光栅多点位移计，其量程为0～15cm，精度为0.01%，分辨率为10μm。

所述的光纤光栅流速计，其量程为0～1m/s，精度为5%，分辨率为0.05m/s。

所述四维实体显示器是由八个单元显示模块通过相邻单元显示模块的超强磁铁相互吸合组装而成的方形框体，每一块单元显示模块均由八个平面板通过超强磁铁吸合叠加组成一个透明的立体结构。

所述每一个平面板的四个边角处均设有超强磁铁，相邻平面板通过超强磁铁之间的吸力相互结合。

所述超强磁铁为第三代稀土永磁钕铁硼磁铁。

所述每一个平面板上均布设8行8列的灯槽、行列导线槽及用于镶嵌超强磁铁的凹槽，所述8行8列的灯槽设置有全彩LED，每个全彩LED含有4个引脚，分别代表公共端和RGB，RGB代表三原色，对应三个引脚，分别由三根超细导线引出，采用8×8点阵线路连接平面板上的全部全彩LED，使其成为一个整体。

在每一行导线槽内，用三根超细导线串联该行的全彩LED，每根超细导线对应不同的RGB引脚，在每一列导线槽内，用一根超细导线将所有公共端引脚串联，所有行列导线槽内的超细导线引至右下角的出口处汇总，并与单片机的对应接口连接；其中每一行内和每一列内的八个全彩LED是串联连接，行与行以及列与列之间是并联关系，即八路横向并联RGB控制全彩LED及八路纵向并联GND控制全彩LED。

所述超细导线为直径为0.22mm的超细铁氟龙高温导线。

所述平面板为透光率在92%以上的高透纯亚克力板。

所述全彩LED为F5全彩RGB雾状四脚共阳直插LED灯珠。

所述单片机类型有Arm、AVR mega328p和AVR mega2560三种型号，分别对应层分配控制器、层控制器和LED控制器；单片机通过RS-232总线与计算机主机相连，主机通过iic通信控制所有模块。

本发明的监测原理为:将监测器植入要监测的模型中，监测器感知场的属性特征的动态变化，采集数据信号导入数据信息处理系统，经监数据信息处理系统对数据分析处理并反馈，转化为电信号，通过单片机操控四维实体显示器中LED真彩发光二极管的光彩变化，从而直观展示属性场各种性状的变化，如图1所示。

监测器进行多物理场数据信息的高精度采集，监测器包括光纤光栅渗压传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅多点位移计、光纤光栅流速计。

数据信息处理系统实现对采集到的多场信息参数进行处理计算（包括解析坐标、边界处理、线性拟合、耦合分析等），记录保存数据并实时分析多场信息参数变化，能够实现多场信息数据的快速切换，通过与单片机控制系统的有效衔接，实现光信号在四维实体显示器上的色度变化展示。

四维实体显示器，实现实时反映多物理场数据信息的功能。

四维实体显示器的技术方案如下：

平面尺寸设计：四维显示器主要由各向同性有机透明材料亚克力板、直径为0.22mm的超细铁氟龙高温导线、直径为5mm的全彩LED灯、环氧树脂等材料或元件制作完成。首先，将透明度在92%以上的高透亚克力材料，切割成尺寸为300mm×300mm×40mm的8块小板，在每一块亚克力板上按照设计尺寸雕刻出8行8列的灯槽、行列导线槽及用于镶嵌超强磁铁的凹槽，如图2所示。然后，对这8块小板的各面以及孔槽表面进行抛光处理，以保证整板具有高透视性。

线路设计：在每一个平面板上布设8行8列的全彩LED，每个全彩LED含有4个引脚，分别代表公共端和RGB（RGB代表三原色，对应三个引脚，分别由三根导线引出），采用8×8点阵线路连接面板上的全部LED，使其成为一个整体，如图3所示。以右下角线槽出口为基准，对亚克力板面上的线槽进行编号，列编号从右至左分别为1-8，行编号从下至上分别为1-8。在每一个行槽内，用三根超细导线串联该行的LED，每根导线对应不同的RGB引脚。在每一个列槽内，用一根超细导线将所有公共端引脚进行串联。最后，将所有行列线槽内的导线引至右下角的出口处进行汇总，并与单片机的对应接口连接，如图4所示。

显示器整体控制设计：四维显示器由八个单元显示模块组成，每一个单元显示模块由八个平面板叠加组成，八个平面板编号从上至下分别为1-8，如图5所示。显示器的整体控制由单片机系统实现，单片机控制系统所包含的单片机类型有Arm、AVR mega328p和AVRmega2560三种型号，分别对应层分配控制器、层控制器和LED控制器。单片机控制系统通过RS-232总线与计算机主机相连，主机通过iic通信控制所有模块，从而实现数据的可视化展示。该系统以分层控制的方式，采用扫阵的技术手段，以实现数据信息的一一对应和LED单控，从而达到精确表达数据信息的效果。

单元显示模块及拼接设计：在每一个平面板的四个边角处均设有超强磁铁，相邻平面板通过超强磁铁之间的吸力相互结合，最终构成一个透明的立体单元显示模块。单元显示模块之间也是通过相邻单元之间的超强磁铁相互吸合组装成四维显示器。单元显示模块及其拼接效果如图6所示。

本发明的有益效果是：

1通过科学密布于模型内的监测器，动态监测模型内部场的属性特征变化，实现了三维物理模型的立体实时动态展示。

2通过强力吸铁石的吸附作用使各块亚克力板吸合在一起，简化了加工工艺，方便了装置组装与拆卸，解决了整合装置不可维修的技术难题。

3可以灵活地将多个小的透明体叠加组合成试验需要的多种展示模型，可操作性强，灵活性好，同时方便较大显示装置的运输。

4运用高通透性亚克力板作为主体材料，灯线槽采用无影胶灌注技术，保证了整个三维展示装置高度的通透性，以及其整体展示效果、灯光平衡效果、景深层次效果等。

5运用科学行列编号方法，对复杂的线路进行准确分编，实现复杂电路灯光单控效果，以及采用八路横向并联RGB控制LED及八路纵向并联GND控制LED，实现有效的灯路行列分别控制。

6.用全彩LED发光二级管不同颜色的动态变化，直观动态地展现各个属性场数据在不同区间的性状，不仅有效表达了场的整体外形，对数据信息在各个分区间也有清晰具体的表达。

7采用0.22mm透明导线以及外径5mmLED发光二级管，焊锡法连接电路，实现了细微材料的精细化有效化作业。

附图说明

图1监测系统整体示意图；

图2显示器单板的平面尺寸和灯槽分布图；

图3显示器单板面的线路设计图；

图4显示器单板面内导线的汇总和引出图；

图5显示器整体控制设计图；

图6单元显示模块及其拼接效果示意图；

其中：1.监测模型，2.监测器，3数据信息处理系统；4.单片机；5.四维实体显示器；6.全彩LED；7.超细导线；8.平面板;9.超强磁铁；10.导线槽；11单元显示模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1-6所示，用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置，包括设置于监测模型1中的监测器2，监测器2通过数据线将采集的数据信号导入数据信息处理系统3，数据信息处理系统3对数据分析处理并反馈，转化为电信号，传输至通过单片机4操控的四维实体显示器5中。

应用时，将监测器2植入要监测的模型1中，监测器2感知场的属性特征的动态变化，采集数据信号导入数据信息处理系统3，经监数据信息处理系统3对数据分析处理并反馈，转化为电信号，通过单片机4操控四维实体显示器5中LED真彩发光二极管的光彩变化，从而直观展示属性场各种性状的变化，如图1所示。

监测器2包括光纤光栅渗压传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅多点位移计和光纤光栅流速计。监测器2用于对多物理场数据信息的高精度采集。

光纤光栅渗压传感器，其量程为0～1MPa，精度为0.1%，分辨率为1KPa。光纤光栅温度传感器，其量程为-40～120℃，精度为1%，分辨率为1℃。光纤光栅应变传感器，其量程为-2500～2500με，精度为0.2%，分辨率为1με。光纤光栅多点位移计，其量程为0～15cm，精度为0.01%，分辨率为10μm。光纤光栅流速计，其量程为0～1m/s，精度为5%，分辨率为0.05m/s。

数据信息处理系统3实现对采集到的多场信息参数进行处理计算（包括解析坐标、边界处理、线性拟合、耦合分析等），记录保存数据并实时分析多场信息参数变化，能够实现多场信息数据的快速切换，通过与单片机4控制系统的有效衔接，实现光信号在四维实体显示器5上的色度变化展示。

四维实体显示器5具有实现实时反映多物理场数据信息的功能。

四维实体显示器5是由八块单元显示模块11通过相邻单元显示模块的超强磁铁9相互吸合组装而成的方形框体，每一块单元显示模块11均由八个平面板8通过超强磁铁9吸合叠加组成一个透明的立体结构。

每一个平面板8的四个边角处均设有超强磁铁9，相邻平面板8通过超强磁铁9之间的吸力相互结合。超强磁铁9为第三代稀土永磁钕铁硼磁铁。

每一个平面板8上均布设8行8列的灯槽、行列导线槽10及用于镶嵌超强磁铁9的凹槽，所述8行8列的灯槽设置有全彩LED6，每个全彩LED6含有4个引脚，分别代表公共端和RGB，RGB代表三原色，对应三个引脚，分别由三根超细导线7引出，采用8×8点阵线路连接平面板8上的全部全彩LED6，使其成为一个整体。

在每一行导线槽10内，用三根超细导线7串联该行的全彩LED，每根超细导线7对应不同的RGB引脚，在每一列导线槽10内，用一根超细导线7将所有公共端引脚串联，所有行列导线槽10内的超细导线7引至右下角的出口处汇总，并与单片机4的对应接口连接。其中每一行内和每一列内的八个全彩LED是串联连接，行与行以及列与列之间是并联关系，即八路横向并联RGB控制全彩LED及八路纵向并联GND控制全彩LED。

超细导线7为直径为0.22mm的超细铁氟龙高温导线。平面板8为透光率在92%以上的高透纯亚克力板。全彩LED6为F5全彩RGB雾状四脚共阳直插LED灯珠。

四维实体显示器5的技术方案如下：

平面尺寸设计：四维显示器5主要由各向同性有机透明材料亚克力板、直径为0.22mm的超细铁氟龙高温导线、直径为5mm的全彩LED6、环氧树脂等材料或元件制作完成。首先，将透明度在92%以上的高透亚克力材料，切割成尺寸为300mm×300mm×40mm的8块小板，在每一块亚克力板上按照设计尺寸雕刻出8行8列的灯槽、行列导线槽10及用于镶嵌超强磁铁的凹槽，如图2所示。然后，对这8块小板的各面以及孔槽表面进行抛光处理，以保证整板具有高透视性。

线路设计：在每一个平面板上布设8行8列的全彩LED6，每个全彩LED6含有4个引脚，分别代表公共端和RGB（RGB代表三原色，对应三个引脚，分别由三根导线引出），采用8×8点阵线路连接面板上的全部LED6，使其成为一个整体，如图3所示。以右下角线槽出口为基准，对亚克力板面上的线槽进行编号，列编号从右至左分别为1-8，行编号从下至上分别为1-8。在每一个行槽内，用三根超细导线串联该行的LED，每根导线对应不同的RGB引脚。在每一个列槽内，用一根超细导线将所有公共端引脚进行串联。最后，将所有行列导线槽10内的导线7引至右下角的出口处进行汇总，并与单片机4的对应接口连接，如图4所示。

显示器整体控制设计：四维显示器5由八个单元显示模块组成，每一个单元显示模块由八个平面板叠加组成，八个平面板编号从上至下分别为1-8，如图5所示。显示器的整体控制由单片机系统实现，单片机控制系统所包含的单片机类型有Arm、AVR mega328p和AVR mega2560三种型号，分别对应层分配控制器、层控制器和LED控制器。单片机控制系统通过RS-232总线与计算机主机相连，主机通过iic通信控制所有模块，从而实现数据的可视化展示。该系统以分层控制的方式，采用扫阵的技术手段，以实现数据信息的一一对应和LED单控，从而达到精确表达数据信息的效果。

单元显示模块11及拼接设计：在每一个平面板8的四个边角处均设有超强磁铁9，相邻平面板8通过超强磁铁9之间的吸力相互结合，最终构成一个透明的立体单元显示模块11。单元显示模块11之间也是通过相邻单元之间的超强磁铁9相互吸合组装成四维实体显示器5。单元显示模块及其拼接效果如图6所示。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种用于地质工程灾害治理三维物理模型试验监测装置，其特征是，包括设置于监测模型中的监测器，监测器通过数据线将采集的数据信号导入数据信息处理系统，数据信息处理系统对数据分析处理并反馈，转化为电信号，传输至通过单片机操控的四维实体显示器中；

所述四维实体显示器是由八块单元显示模块通过相邻单元显示模块的超强磁铁相互吸合组装而成的方形框体，每一块单元显示模块均由八个平面板通过超强磁铁吸合叠加组成一个透明的立体结构；

所述每一个平面板上均布设8行8列的灯槽、行列导线槽及用于镶嵌超强磁铁的凹槽，所述8行8列的灯槽设置有全彩LED，每个全彩LED含有4个引脚，分别代表公共端和RGB，RGB代表三原色，对应三个引脚，分别由三根超细导线引出，采用8×8点阵线路连接平面板上的全部全彩LED，使其成为一个整体。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述监测器包括光纤光栅渗压传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅应变传感器、光纤光栅多点位移计和光纤光栅流速计。

3.如权利要求2所述的装置，其特征是，所述光纤光栅渗压传感器，其量程为0～1MPa，精度为0.1％，分辨率为1KPa；

所述光纤光栅温度传感器，其量程为-40～120℃，精度为1％，分辨率为1℃；

所述的光纤光栅应变传感器，其量程为-2500～2500με，精度为0.2％，分辨率为1με；

所述的光纤光栅多点位移计，其量程为0～15cm，精度为0.01％，分辨率为10μm；

所述的光纤光栅流速计，其量程为0～1m/s，精度为5％，分辨率为0.05m/s。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述每一个平面板的四个边角处均设有超强磁铁，相邻平面板通过超强磁铁之间的吸力相互结合；所述超强磁铁为第三代稀土永磁钕铁硼磁铁。

5.如权利要求1所述的装置，其特征是，在每一行导线槽内，用三根超细导线串联该行的全彩LED，每根超细导线对应不同的RGB引脚，在每一列导线槽内，用一根超细导线将所有公共端引脚串联，所有行列导线槽内的超细导线引至右下角的出口处汇总，并与单片机的对应接口连接，其中每一行内和每一列内的八个全彩LED是串联连接，行与行以及列与列之间是并联关系，即八路横向并联RGB控制全彩LED及八路纵向并联GND控制全彩LED。

6.如权利要求5所述的装置，其特征是，所述超细导线为直径为0.22mm的超细铁氟龙高温导线；所述平面板为透光率在92％以上的高透纯亚克力板。

7.如权利要求5所述的装置，其特征是，所述全彩LED为F5全彩RGB雾状四脚共阳直插LED灯珠。

8.如权利要求1所述的装置，其特征是，所述单片机类型有Arm、AVR mega328p和AVR mega2560三种型号，分别对应层分配控制器、层控制器和LED控制器；单片机通过RS-232总线与计算机主机相连，主机通过iic通信控制所有模块。