CN107462146A - 基于多互感机理的地下三维位移测量系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统与方法。包括主机以及圆柱型集成测量单元上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机；每一个圆柱型集成测量单元包括PVC空心管和外围线圈、互感线圈和电路板的，以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，对每个测量组内外围线圈和互感线圈之间的电磁互感来对两个相邻圆柱型集成测量单元之间的相对垂直位移和相对水平位移进行测量，作为单处位移量；再累积计算获得地下岩土不同深度处的位移量和总位移量。本发明能实现对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量，实现目前其他方法无法实现的对地下变形量的连续三维测量。

Description

基于多互感机理的地下三维位移测量系统与方法
技术领域
本发明涉及一种地下位移测量方法及装置，尤其是涉及一种基于多互感机理的地下位移三维测量方法及装置。
背景技术
地质灾害的发生对人类生命、环境造成不可恢复的破坏，并且阻碍人类社会的发展以及经济建设。地面形变监测，经常作为常规监测技术用于地质灾害监测，并成为灾情预测预报的重要依据。而地面形变监测只能把握地表的位移情况，不能对与地下的形变进行测量，这在很多时候不能满足对灾害的稳定性分析与预警的需要。如有一种方法对可能发生滑坡的灾害体的内部位移进行测量，了解滑移面的所在位置和深度，以及地面沉降中不同深度下岩土沉降具体数值，这灾害的预警预报有着重大意义。通过掌握灾害体的内部形变以及动态等情况，对类似地质灾害的形成机理、稳定性的分析以及预测和治理提供更有效、更全面、更科学的依据，也因此有效的减少灾害发生时所造成的损失。
目前监测地下位移主要方法为：测斜仪、引伸仪、沉降仪、TDR以及BOTDR，这些方法各有利弊。钻孔倾斜仪(测斜仪中的一种方法)目前广泛的应用于滑体的地下水平位移测量，但这种监测方法效率低，每次测试需工作人员记录大量数据，容易造成险情漏报。引伸仪与沉降仪主要是对地下垂直位移进行监测，不能消除水平位移带来的误差。对于TDR和BOTDR测量方法最主要的问题在于拉伸量不足，如光纤自身最大拉伸量只有6mm/m，往往应用在微变形监测方面，对于变形量较大的岩土形变等光纤将被拉断。这几种方法都有着他们自身的局限性，不能实现变形量的三维测量。
发明内容
为了解决背景技术中不能测量的问题，本发明的目的在于提供一种基于多互感机理的地下位移三维测量方法及装置。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统：
主要由置于地面的主机以及1～n结构相同的圆柱型集成测量单元通过电源线和485总线上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部并沿埋设地下岩土的方向串接布置，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机；
每一个圆柱型集成测量单元主要由PVC空心管和安装在PVC空心管中的外围线圈、至少一互感线圈和电路板的三个部分组成，外围线圈是紧贴绕制在PVC空心管内壁的密绕螺旋线圈，互感线圈是放置在PVC空心管内上半部分沿圆周间隔均布的四个小线圈，电路板安装在PVC空心管内部中间。
以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组。
所述的互感线圈的四个小线圈中以对称的两个为一组，分为两组线圈测量组，每组线圈测量组中的两个线圈对称布置。
本发明在圆柱型集成测量单元中布置一圈相同互感小线圈这样的结构，保证了系统在放入地下后不论地下岩土向那个方向形变，都能利用测量单元的对称性进行地下位移的测量。
所述的电路板包括以STM32芯片为中央处理芯片的MCU电路及其连接到MCU电路的正弦波发生电路、方位角测量电路、互感电压采集电路和RS485通信电路；方位角测量电路是用于通过地磁获得圆柱型集成测量单元的方位角，正弦波发生电路产生50Khz、峰峰值为2.5V的正弦交流电通入外围线圈，互感线圈中的每个小线圈均与由放大、滤波、整流组成的互感电压采集电路相连接，互感电压采集电路的输出连接到MCU电路中STM32芯片的AD采样管脚连接，外围线圈产生电磁场通过电磁感应在互感线圈生成电流，由STM32芯片对互感线圈两端的电压信号进行采集，并利用采集到的电压信号计算出相对垂直位移与相对水平位移的位移量；MCU电路输出与485通讯电路相连接，485通讯电路将得到的位移量通过通信线发送至地面上的主机。
二、一种基于多互感机理的地下三维位移测量方法：
地下岩土发生形变，带动埋设于地下岩土中的各个圆柱型集成测量单元可能发生位移，通过以下方式测量得到地下三维位移：
在圆柱型集成测量单元串接结构中，以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，对第i个测量组内外围线圈和互感线圈之间的电磁互感来对两个相邻圆柱型集成测量单元之间的相对垂直位移Δzi和相对水平位移Δxi进行测量，作为单处位移量，i＝1，2，3，…，n-1，i表示圆柱型集成测量单元的序数，n表示圆柱型集成测量单元的总数；
依据每一个圆柱型集成测量单元的尺寸大小和测量获得的各个测量组的单处位移量，通过简单数学累积计算获得地下岩土不同深度处的垂直位移量和水平位移量以及从地面到地下累计的总地下垂直位移量Sz和总地下水平位移量Sx，从而完成地下三维位移测量。
具体实施中，各组测量组的测量数据由485总线送至地面主机，主机将通过有线和无线的方式传送到远程的服务器，通过服务器的界面观察各个测量单元的数据即可知道地下不同深度处的垂直位移与水平为以及总的位移大小。
所述三维测量系统每次工作时，均仅开启一个测量组的两个圆柱型集成测量单元工作，其余圆柱型集成测量单元均关闭不工作。
测量组内两个圆柱型集成测量单元中，其中一个圆柱型集成测量单元的外围线圈和另一个圆柱型集成测量单元的互感线圈通电工作，通过外围线圈产生电磁场经电磁感应在互感线圈产生电流，检测一互感线圈中四个小线圈各自的电压值，然后再针对四个电压值用预设的数学模型进行处理获得相对垂直位移和相对水平位移。
预设的数学模型是由已知相对垂直位移和相对水平位移的两个圆柱型集成测量单元进行试验，采集到四个小线圈的电压值后结合已知的相对垂直位移用偏最小二乘法回归方法得到在不同埋设深度对应的垂直位移与电压值之间的数学模型。再用在同一埋设深度下，采集到四个小线圈的电压值后结合已知的相对水平位移用偏最小二乘法回归方法得到在不同埋设深度下不同水平位移与电压值之间的数学模型。
当地下岩土发生形变时，利用方位角测量形变方位，利用互感线圈和外围线圈测量位移，互感线圈的四个小线圈中，取形变水平方向上其中两个对称布置的线圈命名为a线圈和c线圈，再取a线圈和c线圈中垂线方向上另外两个对称布置的线圈命名为b线圈和d线圈。
由于互感之间的线圈参数已经确定，那么互感电压只与互感线圈之间的相对位置有关，外围线圈与这四个小线圈的相对位置发生变化时，这四个小线圈的互感电压也相对变化。
利用不同相对位置有不同的互感电压输出，a线圈、c线圈、b线圈和d线圈分别采集到电压值ua、ub、uc和ud，将得到的ua、ub、uc和ud电压值采用偏最小二乘法回归方法得到垂直位移与电压值的数学模型，同样也采用偏最小二乘法回归方法能够得到在不同高度下不同水平位移与电压值的数学模型，最终实现地下三维位移的测量。
本发明具有的有益效果是：
本发明是一种深入灾害体对其内部进行位移监测的方法，对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量，实现目前其他方法无法实现的对地下变形量的连续三维测量，提出了一种新的岩土地下位移测量方法，具有高测量精度的优势。
附图说明
图1是本发明测量系统的总示意图；
图2是圆柱体测量单元的结构图；
图3是圆柱体测量单元测量时的四个小线圈布置示意图；
图4是本发明电路板的组成示意图；
图5是未发生位移时测量过程图；
图6是发生位移时测量过程图；
图7是本发明具体测量过程的流程图；
图8是不同位置处4个小线圈的互感电压值与位移变化图，其中(a)是a线圈互感电压值与位移变化，(b)是b线圈互感电压值与位移变化，(c)是c线圈互感电压值与位移变化，(d)是d线圈互感电压值与位移变化；
图9是对应垂直位移下水平位移建模的确定系数。
图中：PVC空心管1、外围线圈2、互感线圈3、a线圈31、b线圈32、c线圈33、d线圈34、电路板4、主机5、通信线6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明具体实施主要由置于地面的主机5以及1～n结构相同的圆柱型集成测量单元通过电源线和485总线上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部并沿埋设地下岩土的方向串接布置以进行位移的测量，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机5。
如图2所示，每一个圆柱型集成测量单元主要由PVC空心管1和安装在PVC空心管1中的外围线圈2、至少一互感线圈3和电路板的三个部分组成，外围线圈2是紧贴绕制在PVC空心管1内壁的密绕螺旋线圈。如图3所示，互感线圈3是放置在PVC空心管1内上半部分沿圆周间隔均布的四个小线圈31、32、33、34，小线圈的绕制和密绕螺旋线圈的绕制均相同均是沿PVC空心管轴向的螺旋线布置，外围线圈2的上半部分位于互感线圈3和PVC空心管1壁之间，电路板安装在PVC空心管1内部中间。
以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组。
互感线圈3的四个小线圈中以对称的两个为一组，分为两组线圈测量组，每组线圈测量组中的两个线圈对称布置。
如图4所示，电路板包括以STM32芯片为中央处理芯片的MCU电路、正弦波发生电路、方位角测量电路、互感电压采集电路和RS485通信电路；方位角测量电路是通过地磁获得圆柱型集成测量单元的方位角，再用方位角结合外围线圈2和互感线圈3测得的垂直位移和水平位移获得每个圆柱型集成测量单元在地下岩土中的位置和圆柱型集成测量单元串接埋设的走向；正弦波发生电路产生50Khz、峰峰值为2.5V的正弦交流电通入外围线圈2，互感线圈3中的每个小线圈均与由放大、滤波、整流组成的互感电压采集电路相连接，互感电压采集电路的输出连接到MCU电路中STM32芯片的AD采样管脚连接，外围线圈2产生电磁场通过电磁感应在互感线圈3生成电流，由STM32芯片对互感线圈3两端的电压信号进行采集，并利用采集到的电压信号计算出相对垂直位移与相对水平位移的位移量；MCU电路输出与485通讯电路相连接，485通讯电路将得到的位移量通过通信线6发送至地面上的主机5。
本发明的实施例及其实施过程如下：
1、地下位移测量系装置：
如图1所示，系统中每一个测量单元从下至上编号为1号测量单元，2号测量单元，……，m号测量单元，一共有m个测量单元。埋在最下面的1测量单元是固定在基岩(这一层通常情况下认为不会移动)，并且从下至上每两个相邻的测量单元构成一个测量组如1号和2号测量单元组成为1号测量组，2号和3号组合成为2号测量组，……，m-1号和m号组成m-1号测量组，共m-1个测量组，如图1中所示。系统的测量思路为在形成测量组之后，对组内两个测量单元之间的相对垂直位移Δzi和相对水平位移Δxi进行测量(i＝1，2，3，…，m-1)。
由于每一个测量单元的大小尺寸确定，又测得各个组的位移量，那么通过简单的数学计算就能得出不同深度处的垂直位移量和水平位移量以及从地面到地下累计总地下垂直位移量Sz和总地下水平位移Sx分别是：
其中，Δzi表示垂直位移，Δxi表示相对水平位移，i表示测量组序号，m表示测量组总数。
2、测量单元结构：
如图2所示，实施的圆柱型集成测量单元的总体尺寸为高80mm，内径60mm，外径70mm。
本发明在具体实施中，在PVC空心管内上半部分沿管圆周放置12个小线圈，在测量使用时只使用12个小线圈当中的4个线圈为一组，共三组。三组互感线圈分别用于测量不同角度方向的位移，使得结果更精确。
如图3所示，在实际测量时每次只使用12个当中的4个线圈。当地下岩土发生形变时，利用方位角测量形变方位，互感线圈3的四个小线圈中，取形变水平方向上其中两个对称布置的线圈命名为a线圈和c线圈，再取a线圈和c线圈中垂线方向上另外两个对称布置的线圈命名为b线圈和d线圈。
3、测量单元工作过程：
如图4所示，以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组。测量组内两个圆柱型集成测量单元中，圆柱型集成测量单元Ⅱ的外围线圈2和圆柱型集成测量单元Ⅰ的互感线圈3通电工作，圆柱型集成测量单元Ⅱ的互感线圈3和圆柱型集成测量单元Ⅰ的外围线圈2不通电工作，通过外围线圈2产生电磁场，产生位移后经电磁感应在互感线圈3产生电流，检测一互感线圈3中四个小线圈各自的电压值。
两个测量单元之间相对位移的具体测量示意如图5、6所示。
最初被测目标体没有发生形变，两个测量单元也不发生位移保持放入地下时的状态，相对垂直位移为z0，如图5所示。
当被测目标体发生形变时，两个测量单元之间相对位移也随之发生变化，如图6所示。
图7所示为测量过程中系统工作顺序图，测量单元Ⅱ中的外围线圈通入频率与电压值都固定的正弦电压，同时中心线圈两端断开不进行电压值的采集。测量单元Ⅰ的外围线圈断开不通电也不进行采集，仅仅只对测量单元Ⅰ中的四个中心线圈的互感电压进行采集。总的来说是测量单元Ⅱ外围线圈与测量单元Ⅰ中心线圈之间的互感，利用所测得的互感电压值对两个单元之间的相对水平位移以及相对垂直位移进行测量。
需要注意的是在系统中同一个时刻只有一个测量组在工作，当一组测量完成后才进行下一组的测量。这样避免了测量组之间磁场的相互影响。由于系统最下方的测量单元是固定不动的，所以整个系统的测量顺序为从下至上测量。
利用不同相对位置有不同的互感电压输出，a线圈、c线圈、b线圈和d线圈分别采集到电压值ua、ub、uc和ud，将得到的ua、ub、uc和ud电压值采用偏最小二乘法回归方法得到垂直位移与电压值的数学模型，同样也采用偏最小二乘法回归方法能够得到在不同高度下不同水平位移与电压值的数学模型。
如图8所示，利用MATLAB软件画出实验过程中，a线圈、c线圈、b线圈和d线圈的四个线圈电压值和相应位移的三维图。
如图8中所见，在同一的水平位移下随着垂直位移的增加a、b、c和d线圈的互感电压值单调减小。
如图8中所见，在同一垂直位移下，随着水平位移的增加，a线圈的电压呈现先增加后减小，在30mm处达到最大。这样的变化趋势是因为外围线圈与中心线圈的互感有关在，当位移到30mm处时外围线圈的中心轴与a线圈的中心轴重合这时互感系数最大所以电压值最大。而b、c、d线圈的电压值单调减小，这时因为c线圈在水平位移轴线上，相对于b与d线圈c线圈与测量单元II的相对水平位移变化更大，所以c线圈互感电压值变化最快。
利用得到的全部数据建立一个垂直位移模型，对垂直位移进行了预测，利用所得到的垂直位移，在相应的垂直位移下对水平位移进行预测，每一个高度对应一个水平模型。利用偏最小二乘回归方法结合所得数据最终得到高度Z与电压值得回归方程：
在对应垂直位移为20mm下的水平位移回归方程：
X20＝36.880287+0.01149u1-0.007907u2-0.02296u3-0.01166u4
如图9所示，选取个别垂直位移下水平模型的确定系数R2。综合垂直高度模型与水平位移模型说明所建模型对垂直位移Z和水平位移X预测性能良好，回归效果显著，利用电压值预测地下位移是可行有效的方法。
由此可见，本发明方法能够实现对地下变形量的连续三维测量，能够实现对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量。

Claims (6)

1.一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：主要由置于地面的主机(5)以及1～n结构相同的圆柱型集成测量单元通过电源线和485总线上下串连组成，圆柱型集成测量单元埋设在地下岩土内部并沿埋设地下岩土的方向串接布置，圆柱型集成测量单元串接后连接到主机(5)；每一个圆柱型集成测量单元主要由PVC空心管(1)和安装在PVC空心管(1)中的外围线圈(2)、至少一互感线圈(3)和电路板的三个部分组成，外围线圈(2)是紧贴绕制在PVC空心管(1)内壁的密绕螺旋线圈，互感线圈(3)是放置在PVC空心管(1)内上半部分沿圆周间隔均布的四个小线圈(31、32、33、34)，电路板安装在PVC空心管(1)内部中间。
2.根据权利要求1所述的一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，并且每个测量组中仅一个圆柱型集成测量单元中互感线圈(3)的四个小线圈以对称的两个为一组，分为两组线圈测量组。
3.根据权利要求1所述的一种基于多互感机理的地下三维位移测量系统，其特征在于：所述的电路板包括以STM32芯片为中央处理芯片的MCU电路及其连接到MCU电路的正弦波发生电路、方位角测量电路、互感电压采集电路和RS485通信电路；方位角测量电路通过地磁获得圆柱型集成测量单元的方位角，正弦波发生电路产生50Khz、峰峰值为2.5V的正弦交流电通入外围线圈(2)，互感线圈(3)互感电压采集电路相连接，互感电压采集电路的输出连接到MCU电路中STM32芯片的AD采样管脚连接，外围线圈(2)产生电磁场通过电磁感应在互感线圈(3)生成电流，由STM32芯片对互感线圈(3)两端的电压信号进行采集，并利用采集到的电压信号计算出相对垂直位移与相对水平位移的位移量；MCU电路输出与485通讯电路相连接，485通讯电路将得到的位移量通过通信线(6)发送至地面上的主机(5)。
4.一种基于多互感机理的地下三维位移测量方法，其特征在于：
地下岩土发生形变，带动埋设于地下岩土中的各个圆柱型集成测量单元可能发生位移，通过以下方式测量得到地下三维位移：在圆柱型集成测量单元串接结构中，以每上下相邻的两个每一个圆柱型集成测量单元构成一个测量组，对每个测量组内外围线圈和互感线圈之间的电磁互感来对两个相邻圆柱型集成测量单元之间的相对垂直位移和相对水平位移进行测量，作为单处位移量；依据每一个圆柱型集成测量单元的尺寸大小和测量获得的各个测量组的单处位移量，计算获得地下岩土不同深度处的垂直位移量和水平位移量以及从地面到地下累计的总地下垂直位移量Sz和总地下水平位移量Sx，从而完成地下三维位移测量。
5.根据权利要求4所述的一种基于多互感机理的地下三维位移测量方法，其特征在于：所述三维测量系统每次工作时，均仅开启一个测量组的两个圆柱型集成测量单元工作，其余圆柱型集成测量单元均关闭不工作。
6.根据权利要求4所述的一种基于多互感机理的地下三维位移测量方法，其特征在于：测量组内两个圆柱型集成测量单元中，其中一个圆柱型集成测量单元的外围线圈(2)和另一个圆柱型集成测量单元的互感线圈(3)通电工作，通过外围线圈(2)产生电磁场经电磁感应在互感线圈(3)产生电流，检测一互感线圈(3)中四个小线圈各自的电压值，然后再针对四个电压值用预设的数学模型进行处理获得相对垂直位移和相对水平位移。
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