CN105043338A - 序列化多维变形数据采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种序列化多维变形数据采集装置，在一个可任意弯曲的检测条外侧设置防水层，内侧设置加速度监测和双向转角度量测功能的MEMS传感器及电源，各MEMS传感器的信号线汇总于电缆线后与无线传输设备连接。本发明可以装配于钻孔或嵌入式结构中，对地质任何运动变化进行精确监测。可以对不同高程地质变动进行精确监测，通过多个不同位置的传感器自身位置变化，以及相邻位置传感器之间角度变化，将其转化成可视状态或可监控状态，以便确定地址变化程度。具有结构紧凑，检测精度高、效果好的优点。

Description

序列化多维变形数据采集装置

技术领域

本发明涉及山体或工程边坡地表变形监测技术领域，具体涉及一种用于钻孔或嵌入结构的序列化多维变形数据采集装置。

背景技术

山体边坡与滑坡是一种常见和重大的地质灾害，例如造成交通中断、河道堵塞、水库失事、建筑物坍塌、厂矿掩埋等事故，从而造成巨大的经济损失与生命财产损失。因此，对不宜处理或危险性较大的滑坡，监测其变形动态，及时预警，能够预防灾害的发生。并且对于加固处理中以及处理完的边坡，监测也能为施工提供可靠的资料，保障施工安全。

地表变形监测是边坡监测的重要组成部分，目前大多采用水准仪、全站仪等设备对边坡地表变形进行监测，但这种监测方法较为繁琐，且数据处理较为复杂，不够直观，特别是在地势条件较为险峻的地区，更增加了量测的难度。

在工程边坡领域中，基坑变形监测对建筑工程基坑的施工极为重要。实时的基坑变形监测，可以为基坑的安全施工诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取相应措施。膨胀土或其它土体边坡工程在施工期、运行期内在内部荷载作用下通常会发生水平松弛、沉降等变形，对边坡工程的安全稳定影响较大。因此，对边坡土体变形监测具有非常重要的意义。目前土体水平位移监测方法主要采用测斜管深部位移、表面观测墩位移，土体垂直位移监测方法主要采用沉降环、表面水准点等方法。国内外还没有同时监测土体边坡不同水平位置处水平松弛变形及沉降变形的专用仪器及其自动化仪器，也没有满足土体内部大变形的监测设备。已有的测量方法几乎均为人工测量，测量工作量大，不易实现实时监测，监测效果具有滞后性。

发明内容

本发明的目的是针对现有地质变形监测仪器存在监测范围小和功能不全的问题，提供一种可同时对地质局部变形、扭曲或拉伸监测的序列化多维变形数据采集装置。

本发明的技术方案：一种序列化多维变形数据采集装置（SerializedDeformationDataCollector或SDDC），多个短节通过万向节连接组成可任意弯曲的检测条，其外侧设置防水和密封的外层，在所有短节或者部分短节上设置加速度监测和双向转角度量测功能的MEMS传感器（mems传感器具有加速度检测感应和双向转角度量测功能）及电源，各MEMS传感器的信号线汇总于电缆线后与无线传输设备连接；所有短节或者部分短节包括短节组件一和短节组件二，短节组件一和短节组件二之间通过转动部件连接在一起。

在短节组件一和短节组件二的外侧设置有能够向外延伸的定位机构；或者，在防水和密封的外层的外侧套固有固定外套或固定支架，在固定外套或固定支架的外侧设置有能够向外延伸的定位机构；或者，在定位机构外侧套装有支撑外套。

所述转动部件是在短节组件一端部设置伸缩槽，在短节组件二端部设置滑块，滑块与伸缩槽配合安装并设置防脱离结构。从而，短节组件一和短节组件二不仅可以相对转动，而且可以沿轴向伸缩。

在伸缩槽内壁中心位置设置有定位槽，在滑块外侧壁设置有定位环，该定位环与定位槽配合定位。

所述定位机构是在固定支架的外侧壁固定有向外延伸的固定式定位叉；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的外侧壁固定有向外延伸的固定式定位叉。

所述定位机构是在固定支架的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有齿式定位叉，其侧面设置有齿条，并在固定支架中心安装有齿圈，齿圈与齿条啮合传动，齿圈与电机转轴传动连接；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有齿式定位叉，其侧面设置有齿条，并在短节组件一或短节组件二中心安装有齿轮，齿圈与齿条啮合传动，齿轮与电机转轴传动连接。

所述定位机构是在固定支架的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有弹性定位叉，该弹性定位叉内端连接有弹簧；同时在固定支架外侧套装有约束套，约束套可沿轴向滑动，并覆盖在弹性定位叉外侧，通过辅助拉绳连接所有约束套；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有弹性定位叉，该弹性定位叉内端连接有弹簧；同时在短节组件一或短节组件二外侧套装有约束套，约束套可沿轴向滑动，并覆盖在弹性定位叉外侧，通过辅助拉绳连接所有约束套。

所述定位机构是在固定支架的圆周表面沿轴向设置有多个折叠式定位叉，折叠式定位叉的一端通过销轴铰接在固定支架端部，折叠式定位叉的销轴上安装有扭簧，在固定支架上安装有能对折叠式定位叉进行吸合的电磁铁；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的圆周表面沿轴向设置有多个折叠式定位叉，折叠式定位叉的一端通过销轴铰接在短节组件一或短节组件二端部，折叠式定位叉的销轴上安装有扭簧，在短节组件一或短节组件二上安装有能对折叠式定位叉进行吸合的电磁铁。

所述定位机构是在固定支架的圆周表面设置多个弧形定位叉，其一端通过销轴铰接在固定支架侧面，同时在固定支架中心设置有转圏，转圏上通过连杆与各弧形定位叉端部铰接，转圏通过电机驱动旋转；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的圆周表面设置多个弧形定位叉，其一端通过销轴铰接在短节组件一或短节组件二侧面，同时在短节组件一或短节组件二中心设置有转圏，转圏上通过连杆与各弧形定位叉端部铰接，转圏通过电机驱动旋转。

另外，在部分短节或者全部短节内嵌入温度传感器、压力传感器、湿度传感器。

本发明的有益效果：本发明可以装配于钻孔或嵌入式结构中，对地质任何运动变化进行精确监测。1、可以对不同高程地质变动进行精确监测，通过多个不同位置的传感器自身位置变化，以及相邻位置传感器之间角度变化，将其转化成可视状态或可监控状态，以便确定地址变化程度。2、本发明中各短节上的位置传感器通过对自己旋转量对比，或者与相邻位置传感器的旋转量对比，可以监测因剪切或断层等因素造成的地质扭曲变化。3、本发明通过对相邻位置传感器之间距离监测，可以监测地形局部拉伸或压缩变化。从而实现全方位监测地质变化的目的，能够为地质应力分析提供依据，具有结构紧凑，检测精度高、效果好的优点。

附图说明

图1是本发明的外观结构示意图之一；

图2是本发明的外观结构示意图之二；

图3是图1的局部剖面结构示意图；

图4是图3的局部放大结构示意图之一；

图5是图3的局部放大结构示意图之二；

图6是图3中定位机构的结构示意图之一；

图7是图3中定位机构的结构示意图之二；

图8是图7的A-A剖面结构示意图；

图9是图3中定位机构的结构示意图之三；

图10是图3中定位机构的结构示意图之四；

图11是图3中定位机构的结构示意图之五；

图12是图3中定位机构的结构示意图之六；

图13是图3中定位机构的结构示意图之七；

图14是本发明在应用中因地层局部变形状态对比图。

图中，标号1为短节，2为万向节，3为转动部位，4为定位机构，5为柔性外套管，6为电缆线，7为端头固定件，8为双向MEMS传感器，9为伸缩槽，10为滑块，11为卡台，12为定位槽，13为定位环，14为约束套，15为辅助拉绳，16为导向槽，17为弹簧，18为齿圈，19为齿条，20为转圏，21为连杆，22为支撑外套，23为固定外套，24为固定支架，25为齿圈。1a为短节组件一，1b为短节组件二，4a为固定式定位叉，4b为弹性定位叉，4c为齿式定位叉，4d为折叠式定位叉，4e为弧形定位叉。

具体实施方式

实施例1：第一种序列化多维变形数据采集装置（SerializedDeformationDataCollector或SDDC），参见图1，多个短节1通过万向节2连接组成可任意弯曲的检测条，短节1可以使用PVC短管或其他材质的管件，或特制的实体杆件。任意弯曲的检测条的外侧设置套装有柔性外套管5。并且具有防水性和密封性。

参见图3，在所有短节1或者部分短节1内嵌入双向MEMS传感器8及电源，各双向MEMS传感器8的信号线汇总于电缆线6后与无线传输设备连接。MEMS即微机电系统（MicroelectroMechanicalSystems），是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。mems传感器具有加速度检测感应和双向转角度量测功能。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。

图3中，所有短节1或者部分短节1包括短节组件一1a和短节组件二1b，短节组件一1a和短节组件二1b之间通过转动部件连接在一起。如图4，该转动部件是在短节组件一1a端部设置伸缩槽9，在短节组件二1b端部设置滑块10，滑块10与伸缩槽9配合安装并进行防脱离结构。

在柔性外套管5的外侧套固有固定外套管23，固定外套管23上设置有能够向外延伸到定位机构4。在本实施例中，如图6所示，定位机构4是在固定外套管23的外侧壁沿径向固定有向外延伸的固定式定位叉4a，可通过螺栓连接。

从而，本发明不仅可以对不同高程地质变动进行精确监测，通过多个不同位置的位置传感器变化，以及相邻位置传感器之间角度变化，将其转化成可视状态或可监控状态，以便确定地址变化程度。

而且，本发明中各短节1上的位置传感器通过对自己对比，或者与相邻位置传感器的旋转量对比，可以监测因剪切或断层等因素造成的地质扭曲变化。

另外，本发明通过对相邻位置传感器之间距离监测，可以监测地形局部拉伸或压缩变化。如图14所示，实线是只通过各传感器位置变化形成的三维角度变化，虚线是增加了旋转关系位置变化和伸缩位置关系检测的结果，比只通过角度检测高出两个维度，可以更全面监测地质变化情况，能更好地为地质应力分析提供依据，具有结构紧凑，使用效果好的优点。

还可以在部分短节1或者全部短节1内嵌入温度传感器、压力传感器、湿度传感器等辅助部件，以采集尽可能多的地质信息。

实施例2：第二种序列化多维变形数据采集装置，在实施例1基础上，对转动部件进行改进，如图5所示，转动部件是在短节组件一1a端部设置伸缩槽9，在短节组件二1b端部设置滑块10，滑块10与伸缩槽9配合安装并进行防脱离结构。在伸缩槽9内壁中心位置设置有定位槽12，在滑块10外侧壁设置有定位环13，该定位环13与定位槽12配合定位。正常情况下，可确保短节组件一1a和短节组件二1b不被拉伸也不被压缩。柔性外套管5位于转动部件位置处密封固定在短节表面。

实施例3：第三种序列化多维变形数据采集装置，在实施例1基础上，对定位机构4进行改进，设计成活动式的定位机构4。如图7和图8所示，在柔性外套管5的外侧套固有固定支架24，定位机构4是在固定支架24的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有齿式定位叉4c，其侧面设置有齿条19，并在短节组件一1a或短节组件二1b中心安装有齿圈25，齿圈25与齿条19啮合传动，齿圈25安装在电机转轴上。

另外，在齿式定位叉4c的外侧套装有支撑外套22。对地层钻孔后，将检测条插入钻孔中，控制使各齿式定位叉4c伸展开，并携带支撑外套22。向钻孔中埋土封闭后使用。当需要拔出检测条时，控制各齿式定位叉4c收缩。由于支撑外套22位于土壤和齿式定位叉4c之间，且支撑外套22具有一定支撑硬度，所以不影响齿式定位叉4c收缩。收缩后的检测条可以顺利从钻孔中拔出。

实施例4：第四种序列化多维变形数据采集装置，在实施例1基础上，对定位机构4进行改进，设计成活动式的定位机构4。如图9所示，在柔性外套管5的外侧套固有固定支架24，定位机构4是在固定支架24的内侧设置导向槽16，在导向槽16内匹配安装有弹性定位叉4b，该弹性定位叉4b内端连接有弹簧17；同时在固定支架24外侧套装有约束套14，约束套14可沿轴向滑动，并覆盖在弹性定位叉4b外侧，通过辅助拉绳15连接所有约束套14。

在弹性定位叉4b的外侧套装有支撑外套22。对地层钻孔后，将检测条插入钻孔中，控制使各弹性定位叉4b伸展开，并携带支撑外套22。向钻孔中埋土封闭后使用。当需要拔出检测条时，控制各弹性定位叉4b收缩。由于支撑外套22位于土壤和弹性定位叉4b之间，且支撑外套22具有一定支撑硬度，所以不影响弹性定位叉4b收缩。收缩后的检测条可以顺利从钻孔中拔出。

实施例5：第五种序列化多维变形数据采集装置，在实施例1基础上，对定位机构4进行改进，设计成活动式的定位机构4。如图10所示，在柔性外套管5的外侧套固有固定支架24，定位机构4是在固定支架24的圆周表面沿轴向设置有多个折叠式定位叉4d，折叠式定位叉4d的一端通过销轴铰接在固定支架24，折叠式定位叉4d的销轴上安装有扭簧，在固定支架24上安装有能对折叠式定位叉4d进行吸合的电磁铁。

在折叠式定位叉4d的外侧套装有支撑外套22。对地层钻孔后，将检测条插入钻孔中，控制使各折叠式定位叉4d伸展开，并携带支撑外套22。向钻孔中埋土封闭后使用。当需要拔出检测条时，控制各折叠式定位叉4d收缩。由于支撑外套22位于土壤和折叠式定位叉4d之间，且支撑外套22具有一定支撑硬度，所以不影响折叠式定位叉4d收缩。收缩后的检测条可以顺利从钻孔中拔出。

实施例6：第六种序列化多维变形数据采集装置，在实施例1基础上，对定位机构4进行改进，设计成活动式的定位机构4。如图11所示，在柔性外套管5的外侧套固有固定支架24，定位机构4是在固定支架24的圆周表面设置多个弧形定位叉4e，其一端通过销轴铰接在固定支架24侧面，同时在固定支架24中心设置有转圏20，转圏20上通过连杆21与各弧形定位叉4e端部铰接，转圏20通过电机驱动旋转。

在弧形定位叉4e的外侧套装有支撑外套22。对地层钻孔后，将检测条插入钻孔中，控制使各弧形定位叉4e伸展开，并携带支撑外套22。向钻孔中埋土封闭后使用。当需要拔出检测条时，控制各弧形定位叉4e收缩。由于支撑外套22位于土壤和弧形定位叉4e之间，且支撑外套22具有一定支撑硬度，所以不影响弧形定位叉4e收缩。收缩后的检测条可以顺利从钻孔中拔出。

实施例7：第七种序列化多维变形数据采集装置，与实施例1基本相同，不同的是，虽然在短节组件一1a和短节组件二1b之间设置了转动部位3，但并没有在短节组件一1a或短节组件二1b外侧设置定位机构4。

实施例8：第八种序列化多维变形数据采集装置，与实施例1基本相同，不同的是，在短节组件一和短节组件二的外侧设置有能够向外延伸到定位机构。柔性外套管位于定位机构处设置让位孔，但在让位孔附近密封固定在短节表面。

实施例9：第九种序列化多维变形数据采集装置，与实施例1基本相同，不同的是，参见图12，定位机构4是在短节组件一1a或短节组件二1b的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有齿式定位叉4c，其侧面设置有齿条19，并在短节组件一1a或短节组件二1b中心安装有齿轮18，齿轮18与齿条19啮合传动，齿轮18安装在电机转轴上。在弹性定位叉4b的外侧套装有支撑外套22。对地层钻孔后，将检测条插入钻孔中，控制使各弹性定位叉4b伸展开，并携带支撑外套22。向钻孔中埋土封闭后使用。当需要拔出检测条时，控制各弹性定位叉4b收缩。由于支撑外套22位于土壤和弹性定位叉4b之间，且支撑外套22具有一定支撑硬度，所以不影响弹性定位叉4b收缩。收缩后的检测条可以顺利从钻孔中拔出。

实施例10：第十种序列化多维变形数据采集装置，与实施例1基本相同，不同的是，参见图13，定位机构4是在短节组件一1a或短节组件二1b的内侧设置导向槽16，在导向槽16内匹配安装有弹性定位叉4b，该弹性定位叉4b内端连接有弹簧17；同时在短节组件一1a或短节组件二1b外侧套装有约束套14，约束套14可沿轴向滑动，并覆盖在弹性定位叉4b外侧，通过辅助拉绳15连接所有约束套14。

在弹性定位叉4b的外侧套装有支撑外套22。对地层钻孔后，将检测条插入钻孔中，控制使各弹性定位叉4b伸展开，并携带支撑外套22。向钻孔中埋土封闭后使用。当需要拔出检测条时，控制各弹性定位叉4b收缩。由于支撑外套22位于土壤和弹性定位叉4b之间，且支撑外套22具有一定支撑硬度，所以不影响弹性定位叉4b收缩。收缩后的检测条可以顺利从钻孔中拔出。

Claims (10)

1.一种序列化多维变形数据采集装置，其特征是：多个短节通过万向节连接组成可任意弯曲的检测条，其外侧设置防水和密封的外层，在所有短节或者部分短节上设置具有加速度监测和双向转角度量测功能的MEMS传感器及电源，各MEMS传感器的信号线汇总于电缆线后与无线传输设备连接；所有短节或者部分短节包括短节组件一和短节组件二，短节组件一和短节组件二之间通过转动部件连接在一起。

2.根据权利要求1所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：在短节组件一和短节组件二的外侧设置有能够向外延伸的定位机构；或者，在防水和密封的外层的外侧套固有固定外套或固定支架，在固定外套或固定支架的外侧设置有能够向外延伸的定位机构；或者，在定位机构外侧套装有支撑外套。

3.根据权利要求1所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：所述转动部件是在短节组件一的端部设置伸缩槽，在短节组件二端部设置滑块，滑块与伸缩槽配合安装并设置防脱离结构。

4.根据权利要求3所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：在伸缩槽内壁中心位置设置有定位槽，在滑块外侧壁设置有定位环，该定位环与定位槽配合定位。

5.根据权利要求2所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：所述定位机构是在固定支架的外侧壁固定有向外延伸的固定式定位叉；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的外侧壁固定有向外延伸的固定式定位叉。

6.根据权利要求2所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：所述定位机构是在固定支架的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有齿式定位叉，其侧面设置有齿条，并在固定支架中心安装有齿圈，齿圈与齿条啮合传动，齿圈与电机转轴传动连接；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有齿式定位叉，其侧面设置有齿条，并在短节组件一或短节组件二中心安装有齿轮，齿圈与齿条啮合传动，齿轮与电机转轴传动连接。

7.根据权利要求2所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：所述定位机构是在固定支架的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有弹性定位叉，该弹性定位叉内端连接有弹簧；同时在固定支架外侧套装有约束套，约束套可沿轴向滑动，并覆盖在弹性定位叉外侧，通过辅助拉绳连接所有约束套；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的内侧设置导向槽，在导向槽内匹配安装有弹性定位叉，该弹性定位叉内端连接有弹簧；同时在短节组件一或短节组件二外侧套装有约束套，约束套可沿轴向滑动，并覆盖在弹性定位叉外侧，通过辅助拉绳连接所有约束套。

8.根据权利要求2所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：所述定位机构是在固定支架的圆周表面沿轴向设置有多个折叠式定位叉，折叠式定位叉的一端通过销轴铰接在固定支架端部，折叠式定位叉的销轴上安装有扭簧，在固定支架上安装有能对折叠式定位叉进行吸合的电磁铁；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的圆周表面沿轴向设置有多个折叠式定位叉，折叠式定位叉的一端通过销轴铰接在短节组件一或短节组件二端部，折叠式定位叉的销轴上安装有扭簧，在短节组件一或短节组件二上安装有能对折叠式定位叉进行吸合的电磁铁。

9.根据权利要求2所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：所述定位机构是在固定支架的圆周表面设置多个弧形定位叉，其一端通过销轴铰接在固定支架侧面，同时在固定支架中心设置有转圏，转圏上通过连杆与各弧形定位叉端部铰接，转圏通过电机驱动旋转；或者，所述定位机构是在短节组件一或短节组件二的圆周表面设置多个弧形定位叉，其一端通过销轴铰接在短节组件一或短节组件二侧面，同时在短节组件一或短节组件二中心设置有转圏，转圏上通过连杆与各弧形定位叉端部铰接，转圏通过电机驱动旋转。

10.根据权利要求1-9任一项所述的序列化多维变形数据采集装置，其特征是：在部分短节或者全部短节内嵌入温度传感器、压力传感器、湿度传感器。