CN105937901A - 基于传感器集群的网络测斜系统及其测斜方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于传感器集群的网络测斜系统，包括数据采集分析计算机及与所述数据采集分析计算机电性连接的测量单元集群，所述测量单元集群中包括有若干通信连接的测量单元，所述测量单元内设置有微处理器及传感器。本发明通过埋入的测量单元会直接跟随围护体或周围土体的变形而产生倾斜，使测量数据更加精准。本系统中所有测量单元同时测量，完成20个测斜孔的测量工作仅需要30秒，工作效率大幅提高，节约了大量劳动力。能实现24小时不间断测量，而且一天可以进行几十次甚至上百次重复测量，大大提高测量数据的时效性。

Description

基于传感器集群的网络测斜系统及其测斜方法

技术领域

本发明涉及一种测斜系统，属于建筑检测工程领域。

背景技术

在岩土工程领域，测斜仪主要用于测量大地运动，诸如：可能产生在不稳固边坡（滑坡）或挖方工程周围的侧向运动等。也可用来监测堤坝、芯墙的稳定性，打桩或钻孔的布置的偏差，以及在回填、筑堤和地下储罐的土体沉陷等。为了获得测斜仪测斜管周围地层的一个完整的观测报告，有必要在测斜管周围进行一系列倾斜观测。现有的方式一般采用滑动式、固定式两种方式，滑动式测斜仪主要是通过测斜仪的滑轮在测斜管滑动槽内上下移动，分段测量测斜管的倾斜角度，通过对比多次不同时间的测量数据来计算测斜管的相对变形。

固定式测斜仪是将多个测斜仪分段固定安装在测斜管内，利用不同深度位置处的测斜仪来测量测斜管的倾斜角度，同样通过对比多次不同时间的测量数据来计算测斜管的相对变形。

但滑动式的缺点为，一次只能测量一个测点，一个测斜孔有几十个测点，每完成一个测斜孔的测量工作至少需要20分钟以上，完成20个测斜孔的测量工作则需要1整天，费时费力。

而固定式测斜仪则需要分多次连接不同深度的测斜仪所对应的电缆来进行测量，即便是串联式的固定测斜仪也需要开闭各个测斜仪的电源，虽然比滑动式测斜仪提高了工作效率，但是成本成倍增加。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种基于传感器集群的网络测斜系统及其测斜方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

基于传感器集群的网络测斜方法，包括如下步骤：

S1、选址，选定需要进行测斜位置；

S2、预埋，将测量单元预埋于土体或围护体内，当测量单元埋设在土体中时，直接打孔投入测量单元后回填；当测量单元埋设于围护体内时，可直接将测量单元绑扎于钢筋上，再浇注混凝土，或者直接在围护体结构上打孔安装；所述测量单元间距与所述测量精度之间呈反比；

S3、测量，待预埋结束后，启动数据采集分析计算机，通过系统中的数据采集分析计算机发送信号给测量单元；

S4、融合计算、比较，测量单元进行融合计算测出测量单元的方位角与三位姿态，所述融合计算之间的采样的间隔根据预设时间间隔进行采样和计算，也可以进行连续采样与计算；

S5、数据输出，将得出的数据输出至相应的显示设备。

优选地，所述测量单元为磁力传感器，每个所述磁力传感器同向安装。

优选地，所述S3中融合计算包括如下步骤：

S31、通过传感器中加速度计测量静止状态下X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度方向的夹角，从而得出测量单元的三维倾角即三维姿态；

按下式计算三维倾角：

；X轴与自然X轴夹角；

；Y轴与自然Y轴夹角；

；Z轴与自然Z轴夹角；

根据加速度计的精度设置所述微处理器的阈值，若测量数值的抖动超过阀值，则丢弃本次测量数据并重新采样；

当测量单元未统一方向安装时，各测量单元需要通过磁力计测量方位角；但当磁力计不是处于水平位置时，其测得的方位角将出现偏差，此时就需要利用测量单元当前的三维姿态角度数据进行融合计算，得到真实的方位角；

首先根据将之前的计算结果代入以下公式 , 计算Heading值。

Xh=X*cos(α)+Y*sin(β)*sin(α)-Z*cos(β)*sin(α)

Yh=Y*cos(β)+Z*sin(β)

再根据下面的公式计算方位角。

for(Xh<0)=180-[arctan(Yh/Xh)*180/π]

for(Xh>0,Yh<0)=-[arctan(Yh/Xh)*180/π]

for(Xh>0,Yh>0)=360-arctan(Yh/Xh)*180/π

for(Xh=0,Yh<0)=90

for(Xh=0,Yh>0)=270

优选地，所述S4中的不同时间段的测量数据进行比对，具体包括如下步骤：

S41、测量单元安装完成静置一段时间，待各测量单元稳定后，在一段时间内采集数据并进行平均，计算所有测量单元的姿态角度并储存下来作为基准值，以后每次测量的数据均与基准值作比较，计算出测量单元的姿态角度变化量；

根据测量单元前后的姿态角度变化量并结合各测量单元之间的间距，未统一方向安装的测量单元还应结合其方位角，通过三角函数计算出土体或围护体的变形方向与变形量。

优选地，包括数据采集分析计算机及与所述数据采集分析计算机电性连接的测量单元集群，所述测量单元集群中包括有若干通信连接的测量单元，所述测量单元内设置有微处理器及传感器。

优选地，所述传感器为磁力计传感器、多轴数字加速度传感器、陀螺仪传感器或两者或两者以上传感器的结合。

本发明的有益效果：埋入的测量单元会直接跟随围护体或周围土体的变形而产生倾斜，此种方式不会像滑动测斜仪那样产生人为的定位误差，使测量数据更加精准。本系统中所有测量单元同时测量，完成20个测斜孔的测量工作仅需要30秒，工作效率大幅提高，节约了大量劳动力。能实现24小时不间断测量，而且一天可以进行几十次甚至上百次重复测量，大大提高测量数据的时效性。

附图说明

图1是本发明的系统示意图。

图2是本发明的系统间的连接结构示意图。

具体实施方式

本发明具体揭示了一种基于传感器集群的网络测斜系统包括数据采集分析计算机及与所述数据采集分析计算机电性连接的测量单元集群3，所述测量单元集群3中包括有若干通信连接的测量单元2，所述测量单元2之间可以通过无线网5进行连接，也可以通过有线网4进行连接。

所述测量单元2内设置有微处理器及传感器，所述传感器为磁力计传感器、多轴数字加速度传感器、陀螺仪传感器或两者或两者以上传感器的结合。

根据不同的需求可以采用不同的传感器，例如，在有磁性干扰（例如预埋在有钢筋的围护体中或有磁铁矿的土体中）的情况下，可直接选用无磁力计传感器作为测量单元。但若采用磁力传感器，由于磁力计传感器是通过地球磁场来测量方位角的，当周边有磁性物质时会对其产生干扰，所以应将所有测量单元同向安装，同时，为了保证测量数据的准确性，磁力计传感器的测量数据不参与融合计算。

利用以上基于传感器集群的网络系统具体测斜方法，包括如下步骤：

S1、选址，选定需要进行测斜位置；

S2、预埋，将测量单元预埋于土体或围护体内，将测量单元预埋于土体或围护体内，当测量单元埋设在土体中时，直接打孔投入测量单元后回填；当测量单元埋设于围护体内时，可直接将测量单元绑扎于钢筋上，再浇注混凝土，或者直接在围护体结构上打孔安装；所述测量单元间距与所述测量精度之间呈反比；

S3、测量，待预埋结束后，启动数据采集分析计算机，通过系统中的数据采集分析计算机发送信号给测量单元；所述融合计算包括如下步骤：

S31、通过传感器中加速度计测量静止状态下X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度方向的夹角，从而得出测量单元的三维倾角即三维姿态；

按下式计算三维倾角：

；X轴与自然X轴夹角；

；Y轴与自然Y轴夹角；

；Z轴与自然Z轴夹角；

为了防止外部震动对测量造成影响，先根据加速度计的精度设置所述微处理器的阈值，若测量数值的抖动超过阀值，则丢弃本次测量数据并重新采样；当然，也可以使用陀螺仪监测短时间内测量单元的三维角速度来消除外部干扰。

当测量单元未统一方向安装时，各测量单元需要通过磁力计测量方位角；但是当磁力计不是处于水平位置时，其测得的方位角将出现偏差，此时就需要利用测量单元当前的三维姿态角度数据进行融合计算，得到真实的方位角；

首先根据将之前的计算结果代入以下公式 , 计算Heading值。

Xh=X*cos(α)+Y*sin(β)*sin(α)-Z*cos(β)*sin(α)

Yh=Y*cos(β)+Z*sin(β)

再根据下面的公式计算方位角。

for(Xh<0)=180-[arctan(Yh/Xh)*180/π]

for(Xh>0,Yh<0)=-[arctan(Yh/Xh)*180/π]

for(Xh>0,Yh>0)=360-arctan(Yh/Xh)*180/π

for(Xh=0,Yh<0)=90

for(Xh=0,Yh>0)=270。

S4、融合计算、比较，测量单元进行融合计算测出测量单元的方位角与三位姿态，所述测量数据进行比对，具体包括如下步骤：

S41、测量单元安装完成静置一段时间，待各测量单元稳定后，在一段时间内采集数据并进行平均，计算所有测量单元的姿态角度并储存下来作为基准值，以后每次测量的数据均与基准值作比较，计算出测量单元的姿态角度变化量；

由于各测量单元是随着土体或围护体的变形发生姿态变化的，因此根据测量单元前后的姿态角度变化量并结合各测量单元之间的间距，未统一方向安装的测量单元还应结合其方位角，通过三角函数计算出土体或围护体的变形方向与变形量。

S5、数据输出，将得出的数据输出至相应的显示设备。

本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.基于传感器集群的网络测斜方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、选址，选定需要进行测斜位置；

S2、预埋，将测量单元预埋于土体或围护体内，当测量单元埋设在土体中时，直接打孔投入测量单元后回填；当测量单元埋设于围护体内时，可直接将测量单元绑扎于钢筋上，再浇注混凝土，或者直接在围护体结构上打孔安装；所述测量单元间距与所述测量精度之间呈反比；

S3、测量，待预埋结束后，启动数据采集分析计算机，通过系统中的数据采集分析计算机发送信号给测量单元；

S4、融合计算、比较，测量单元进行融合计算测出测量单元的方位角与三位姿态，所述融合计算之间的采样的间隔根据预设时间间隔进行采样和计算，或进行连续采样与计算；

S5、数据输出，将得出的数据输出至相应的显示设备。

2.如权利要求1所述的基于传感器集群的网络测斜方法，其特征在于：所述测量单元为磁力传感器，每个所述磁力传感器同向安装。

3.如权利要求1所述的基于传感器集群的网络测斜方法，其特征在于：所述S3中融合计算包括如下步骤：

S31、通过传感器中加速度计测量静止状态下X、Y、Z三轴的加速度，利用重力加速度与其在三轴加速度传感器的X、Y、Z三轴的分量关系，计算出各轴与重力加速度方向的夹角，从而得出测量单元的三维倾角即三维姿态；

按下式计算三维倾角：

X轴与自然X轴夹角；

Y轴与自然Y轴夹角；

Z轴与自然Z轴夹角；

根据加速度计的精度自定义设置所述微处理器的阈值，若测量数值的抖动超过阀值，则丢弃本次测量数据并重新采样；

当测量单元未统一方向安装时，各测量单元需要通过磁力计测量方位角；当磁力计不是处于水平位置时，利用测量单元当前的三维姿态角度数据进行融合计算，得到真实的方位角；

首先根据将之前的计算结果代入以下公式，计算Heading值。

Xh＝X*cos(α)+Y*sin(β)*sin(α)-Z*cos(β)*sin(α)

Yh＝Y*cos(β)+Z*sin(β)

再根据下面的公式计算方位角；

for(Xh<0)＝180-[arctan(Yh/Xh)*180/π]

for(Xh>0,Yh<0)＝-[arctan(Yh/Xh)*180/π]

for(Xh>0,Yh>0)＝360-arctan(Yh/Xh)*180/π

for(Xh＝0,Yh<0)＝90

for(Xh＝0,Yh>0)＝270。

4.如权利要求1所述的基于传感器集群的网络测斜方法，其特征在于：所述S4中的不同时间段的测量数据进行比对，具体包括如下步骤：

S41、测量单元安装完成静置一段时间，待各测量单元稳定后，在一段时间内采集数据并进行平均，计算所有测量单元的姿态角度并储存下来作为基准值，以后每次测量的数据均与基准值作比较，计算出测量单元的姿态角度变化量；

根据测量单元前后的姿态角度变化量并结合各测量单元之间的间距，未统一方向安装的测量单元还应结合其方位角，通过三角函数计算出土体或围护体的变形方向与变形量。

5.基于传感器集群的网络测斜系统，其特征在于：包括数据采集分析计算机及与所述数据采集分析计算机电性连接的测量单元集群，所述测量单元集群中包括有若干通信连接的测量单元，所述测量单元内设置有微处理器及传感器。

6.如权利要求5所述的基于传感器集群的网络测斜系统，其特征在于：所述传感器为磁力计传感器、多轴数字加速度传感器、陀螺仪传感器或两者或两者以上传感器的结合。