CN105300343B - 串联式序列节段变形监测传感装置 - Google Patents

Abstract

一种串联式序列节段变形监测传感装置，多个单元节通过万向节连接组成可任意弯曲的检测条，在所有单元节或者部分单元节上设置具有加速度监测、角度量测功能的MEMS传感器及电源，所述单元节为横截面呈多边形的多边形棱柱，多边形棱柱设有中心孔，多边形棱柱的其中一个侧面开设有安装槽；所述万向节包括设在单元节前端的轴管，轴管的前端设有万向节叉头，两万向节叉头垂直铰接在一方形滑块上，在方形滑块的中心沿轴向设置有用于装配信号线或电源线的穿线孔；万向节的各轴管圆周侧壁上设有多个限位孔，限位孔中匹配安装有限位销，限位销用来约束两轴管的弯折角度。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。

Description

串联式序列节段变形监测传感装置

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串联式序列节段变形监测传感装置。

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、扭曲或拉伸监测的串联式序列节段变形监测传感装置。

本发明的技术方案：一种串联式序列节段变形监测传感装置（SerializedDeformation Data Collector 或 SDDC），多个单元节通过万向节连接组成可任意弯曲的检测条，在所有单元节或者部分单元节上设置具有加速度监测、角度量测功能的MEMS传感器及电源，各MEMS传感器的信号线穿出后，汇总于电缆线并与无线数据采集传输系统连接，所述单元节为横截面呈多边形的多边形棱柱，多边形棱柱设有中心孔，多边形棱柱的其中一个侧面开设有安装槽；所述万向节包括设在单元节前端的轴管，轴管的前端设有万向节叉头，两万向节叉头垂直铰接在一方形滑块上，在方形滑块的中心沿轴向设置有用于装配信号线或电源线的穿线孔；万向节的各轴管圆周侧壁上设有多个限位孔，限位孔中匹配安装有限位销，限位销用来约束两轴管的弯折角度。

优选的，单元节的外侧设置防水和密封的柔性外套管。

优选的，所述多边形棱柱为三棱柱，三棱柱的其中一个侧面开设有安装槽，安装槽的深度尺寸大于中心孔的直径尺寸。

优选的，安装槽处卡装有弹性盖板。

优选的，N个定位孔沿轴管轴向排列。

优选的，N个定位孔沿轴管轴向和径向交叉排列。

优选的，部分单元节或者全部单元节内嵌装有单片机、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器，温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器均与单片机连接，单片机的的信号线穿出后，汇总于电缆线，电缆线与无线数据采集传输系统连接。

优选的，部分单元节或者全部单元节内嵌装有温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器，温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器的的信号线穿出后，均汇总于电缆线，电缆线与无线数据采集传输系统连接。

本发明的有益效果是：

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，可实现时间、加速度、角速度、角度、气压、高度、磁场等数据的实时采集，数据通过无线通道传输至主机或服务器，各项数据可以初始化。

1、单元节的横截面为多边形棱柱（如三棱柱），可增强单元节的强度；单元节的其中一个侧面上开设有安装槽，安装槽设在侧面上，最大程度的降低开槽对单元节的强度影响；万向节连接方向滑块处开有穿线孔，并将穿线孔进行倒角处理，可以从万向节中央走线路，万向节的弯转不会折断线路；万向节的各轴管圆周侧壁上设有限位孔，限位孔中匹配安装有定位销，可以自定义活动角度，活动角度范围从0度到70度可以定制。

2、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（如三维动态变化图、变化趋势图、变动实时数据）或可监控状态（如报警状态），以便确定地质变动状态。

3、本发明中各单元节上的传感器通过对自己不同时间段的旋转量对比，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。

4、本发明通过对相邻位置传感器之间的数据状态监测，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；

图2是图1中单元节的局部视图一；

图3是图2中安装槽处的横截面示意图；

图4是图1中万向节的结构示意图一；

图5是本发明在应用中因地层局部变形状态对比图；

图6是图1中万向节的结构示意图二；

图7是图1中单元节的局部视图二；

图8是图7中安装槽处的横截面示意图；

图9是四棱柱单元节的安装槽处横截面示意图；

图10是六棱柱单元节的安装槽处横截面示意图；

图中，标号1为单元节，2为万向节，3为柔性外套管，4为电缆线，5为端头固定件，6为双向MEMS传感器，1a为安装槽，1b为中心孔、1c为弹性盖板，1d为卡舌，2a为轴管，2b为万向节叉头，2c为方形连接块，2d为穿线孔，2e为限位销，2f为限位孔。

具体实施方式

实施例一：一种串联式序列节段变形监测传感装置（Serialized DeformationData Collector 或SDDC），参见图1-5，多个单元节1通过万向节2连接组成可任意弯曲的检测条，单元节1的主体为三棱柱。由于单元节长度范围较大，较长的单元节长达半米至数米，圆柱形单元节自身抗弯曲能力很弱，容易因自身变形而影响检测数据。本发明将单元节主体设置为三棱柱，明显可以提高抗弯曲强度。

三棱柱设有中心孔1b，三棱柱的其中一个侧面上开设有安装槽1a，安装槽1a的深度尺寸大于中心孔1b的直径尺寸；安装槽1a用来穿设需放置在单元节内的传感器、单片机或者电源，安装槽1a设在侧面，最大程度的降低开槽对单元节的强度影响；单元节的外侧设置防水和密封的柔性外套管3；万向节2包括设在单元节前端的轴管2a，轴管2a的前端设有万向节叉头2b，两万向节叉头2b垂直铰接在一方形连接块2c上，在方形连接块2c的中心沿轴向设置有用于装配信号线或电源线的穿线孔2d，穿线孔2d位于万向节2中心，所有数据线或电源线位于轴心，不与单元节或万向节2形成干扰，而且位于轴心的数据线或电源线摆动幅度最小，在运输或者实际使用中，万向节2的弯转不会扯断线路，达到对线路的保护；万向节2的各轴管2a圆周侧壁上设有限位孔2f，N个限位孔2f沿轴管2a的轴向排列，限位孔2f中匹配安装有限位销2e，限位销2e用来约束两轴管2a的弯折角度，可以自定义活动角度，活动角度范围从0度到70度可以定制，例如在不具有大角度变化的区域，将两单元节角度调整为0-40度范围内，则大于40度的所有变化情况都被过滤不予考虑，只需考虑传感器在0-40度范围内的数据。从而，所述限位销2e具有过滤多余不会发生的变化因素，提高计算效率和精度。单元节可以使用PVC单元管或其他材质的管件，或特制的实体杆件。

在所有单元节或者部分单元节内嵌入双向MEMS传感器6及电源，各双向MEMS传感器6的信号线穿出后，汇总于电缆线4并与无线数据采集系统连接。MEMS即微机电系统（Microelectro Mechanical Systems），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。

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传感器状态变化，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，以便确定地质变化程度。

而且，本发明中各单元节上的传感器通过对自己不同时间段的数据状态对比，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相对角度监测，可以监测地形局部拉伸或压缩变化。如图5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。

还可以在部分单元节或者全部单元节内嵌装单片机、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器，温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器均与单片机连接，单片机的的信号线穿出后，汇总于电缆线4后与无线数据采集传输系统连接，以采集尽可能多的地质信息。

实施例二：参见图6，第二种串联式序列节段变形监测传感装置，在实施例一基础上，对万向节2进行改进，N个限位孔2f沿轴管2a的轴向和径向交叉排列， 此种排列使调节万向节的角度更加精准。

实施例三：参见图7-8，第三种串联式序列节段变形监测传感装置，在实施例一基础上，对单元节1进行改进，实施例三中的安装槽1a比实施例一中的安装槽1a开口尺寸大，安装槽1a处卡装有弹性盖板1c，弹性盖板1c通过设在前端的卡舌1d卡装在安装槽1a内，安装槽1a上设有弹性盖板1c，将单元节1开槽对单元节1强度的影响降到最小。

实施例四：参见图9-10，第四种串联式序列节段变形监测传感装置，在实施例一基础上，对单元节1进行改进，单元节1为横截面呈四边形的四棱柱或横截面呈六边形的六棱柱。

Claims (7)

1.一种串联式序列节段变形监测传感装置，多个单元节通过万向节连接组成可任意弯曲的检测条，在所有单元节或者部分单元节上设置具有加速度监测、角度量测功能的MEMS传感器，各MEMS传感器的信号线穿出后，汇总于电缆线并与无线数据采集传输系统连接，其特征是：所述单元节为横截面呈多边形的多边形棱柱，多边形棱柱设有中心孔，多边形棱柱的其中一个侧面开设有安装槽，安装槽的深度尺寸大于中心孔的直径尺寸，安装槽卡装有弹性盖板；所述万向节包括设在单元节前端的轴管，轴管的前端设有万向节叉头，两万向节叉头垂直铰接在一方形滑块上，在方形滑块的中心沿轴向设置有用于装配信号线或电源线的穿线孔；万向节的各轴管圆周侧壁上设有多个限位孔，限位孔中匹配安装有限位销，限位销用来约束两轴管的弯折角度。

2.根据权利要求1所述的串联式序列节段变形监测传感装置，其特征是：单元节的外侧设置防水和密封的柔性外套管。

3.根据权利要求1所述的串联式序列节段变形监测传感装置，其特征是：所述多边形棱柱为三棱柱，三棱柱的其中一个侧面开设有安装槽。

4.根据权利要求1-3任一项所述的串联式序列节段变形监测传感装置，其特征是：N个限位孔沿轴管轴向排列。

5.根据权利要求1-3任一项所述的串联式序列节段变形监测传感装置，其特征是：N个限位孔沿轴管轴向和径向交叉排列。

6.根据权利要求4所述的串联式序列节段变形监测传感装置，其特征是：部分单元节或者全部单元节内嵌装有单片机、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器，温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器均与单片机连接，单片机的的信号线穿出后，汇总于电缆线，电缆线与无线数据采集传输系统连接。

7.根据权利要求4所述的串联式序列节段变形监测传感装置，其特征是：部分单元节或者全部单元节内嵌装有温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器，温度传感器、压力传感器、湿度传感器、陀螺仪传感器及磁场传感器的的信号线穿出后，均汇总于电缆线，电缆线与无线数据采集传输系统连接。