CN107796297A - 基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法 - Google Patents
基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107796297A CN107796297A CN201710852386.2A CN201710852386A CN107796297A CN 107796297 A CN107796297 A CN 107796297A CN 201710852386 A CN201710852386 A CN 201710852386A CN 107796297 A CN107796297 A CN 107796297A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- mrow
- magnetic field
- magnetic
- msub
- emitting elements
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
- G01B7/24—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in magnetic properties
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明针对边坡深部变形失稳监测的重大需求，提出了一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统，以及基于该监测系统的监测方法。本监测系统具有隐蔽性好、适应性强、不易受干扰等优点，且维护简便、可监测边坡中后期大变形。本监测方法的算法简单，在仅需要测量得到部分磁场梯度参数的情况下即可实现对埋设于边坡内的磁场发射元件的三维定位，从而精确地监测边坡的深部变形，实现边坡变形失稳程监测。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法。
背景技术
边坡变形是一个渐进性的过程：滑动失稳由深部变形逐渐扩展演化至表面形成滑动面。边坡临近失稳破坏时呈现突变性和随机性，因此，边坡深部变形监测尤为重要。目前边坡深部变形监测设备及方法主要有钻孔测斜仪、滑动测微计、多点位移计、电磁波时域反射(Time domain reflectometry，TDR)等，其中钻孔测斜仪、滑动测微计、多点位移计等在监测时存在测杆、电缆等仪器具有布设较繁琐的缺点，而电磁波时域反射技术仅可确定滑动面的位置，无法确定边坡滑动的方向，难以准确测量边坡的变形量，且仪器造价过高。另一方面，上述监测设备及方法在监测时均易受雨水、滚石、泥石流等环境破环，难以在野外恶劣环境下服役，需要精心维护。
针对上述现有技术之不足，有必要研究廉价、布设简单、性能稳定的边坡深部变形监测设备及方法，以能够对那些变形较大的特征点或滑动面附近测试点进行后期变形连续观测，对边坡滑动变形进行预警，从而更好地为边坡工程提供安全保障。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法，克服了在边坡深部变形监测中仪器布设较繁琐、难以在野外恶劣环境下服役以及相关算法较复杂的问题。
就监测系统而言，该监测系统包括磁场发射元件、部分张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁场发射元件的数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于各自的测点处发射磁场；所述部分张量磁力梯度仪设于边坡表面并测量各测点的磁场发射元件发出的部分磁场梯度张量，所述部分张量磁力梯度仪的数量不少于三个，且至少三个部分张量磁力梯度仪不共线；所述数据传输系统将磁场梯度张量传输至数据控制系统；所述数据控制系统根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。
进一步地，所述部分张量磁力梯度仪包括两个三轴磁场传感器、微处理器、无线数据传输模块和工程塑料外壳，两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，两个三轴磁场传感器的形心连线沿z轴方向，部分张量磁力梯度仪x、y和z轴分别与两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致；两个三轴磁场传感器的形心之间的距离为0.5米；部分张量磁力梯度仪的原点o在两个三轴磁场传感器的形心连线的中心；测量时部分张量磁力梯度仪的z轴方向竖直向上。
进一步地，所述磁场发射元件包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、万向支架、高阻尼橡胶隔震层、ABS工程塑料防渗层和高耐久性轻质混凝土外壳，所述钕铁硼永磁铁位于万向支架的中心。
就监测方法而言，包括如下步骤：
S1)在边坡内布置若干个测点，每一个测点内埋设一个磁场发射元件；在边坡表面选择n个参考点(n≥3)，且至少三个参考点不共线，在每个参考点布置一个部分张量磁力梯度仪，用于测量边坡内的各个测点处磁场发射元件的部分磁场梯度张量，选择其中一个参考点为监测时的坐标原点O，并定义监测坐标系Oxyz，其中z轴方向必须竖直向上，x轴方向和y轴方向必须与部分张量磁场梯度传感器的x轴方向和y轴方向保持一致，在监测坐标系Oxyz下，测量参考点的三维坐标(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)，并测量磁场发射元件的初始三维坐标(x，y，z)；
S2)计算磁场发射元件在参考点处的磁感应强度沿着z轴方向的变化率：
BxA和BxB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从B到A为z轴正方向；ByA和ByB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；BzA和BzB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器之间的距离，取0.5米，BxA和BxB，ByA和ByB，BzA和BzB由部分张量磁力梯度仪中的三轴磁场传感器测得；
S3)计算各参考点处磁场梯度张量的局部模量CZ,i
磁场发射元件在参考点处的磁场梯度张量的局部模量：
式(2)中，Bxz、Byz和Bzz为磁感应强度沿着z轴方向的变化率；
由于有多个参考点(不少于三个)，通过式(2)依次得到各参考点处的CZ,i，(i＝1，…n，n≥3)；
S4)计算各参考点处的参数kz,i
参考点与测点之间的几何关系为：
式中，(x，y，z)为磁场发射元件的初始三维坐标，在埋设时进行测量，为已知，(x0，y0，z0)为参考点的坐标；
磁矩参数m(mx,my,mz)，其中三个方向的磁矩分量分别为mx、my和mz。mz＝mcosθ，其中，为方位角，θ为磁偶极子的轴线与z轴的夹角，为磁偶极子的轴线在xoy平面的投影与x轴的夹角，对于磁场发射元件，钕铁硼磁铁置于万向支架的中心，钕铁硼磁铁的磁偶极子的轴向始终保持竖直，即θ＝0，可简化为m(0,0,m)，同时式(4)简化为：
kz与磁场发射元件至参考点的距离r无关，kz仅与磁场发射元件至参考点的连线和磁偶极子的轴线的夹角相关，参数kz近似为：
式中，为磁场发射元件至参考点的连线与磁偶极子的轴线的夹角，当时，参数kz的取值与对应的取值对称；
注：“取值对称”指包括正负号在内的数值相等，比如45度的取值与135度的取值一模一样；
由于有多个参考点(不少于三个)，参考点坐标(x0，y0，z0)依次取n个参考点中(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)中的每一个坐标，通过式(4)和式(5)得到各参考点处的kz,i，(i＝1，…n，n≥3)；
S5)计算磁矩m
钕铁硼磁铁在自然界中磁性恒定不变，近似认为磁矩m的数值恒定不变，则磁场发射元件的磁距m为：
式(6)中，μ0为介质磁导率，m为磁矩，CZ取初始状态各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，r取初始状态下各参考点至测点的距离，由于有n个参考点，则由式(6)得到n个磁距参数，理论上每个磁矩参数应相等，由于实际测量时误差会存在差别，对n个磁距参数求平均值得到最终的磁距m；
S6)计算边坡变形过程中磁场发射元件至各参考点的距离
边坡变形过程中，磁场发射元件至各参考点的距离ri可表示为：
式(7)中，CZ,i取边坡变形过程中各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，kz,i为各参考点处的kz参数，m为磁距；
S7)计算边坡变形过程中磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)
(X-xi)2+(Y-yi)2+(Z-zi)2＝ri 2，(i＝1，…n，n≥3) (8)
式(8)中，(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)为参考点的三维坐标，ri为磁场发射元件至参考点的距离；
求解方程(8)得到磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)，在边坡后续的变形过程中，通过连续的测量，依次通过S2)、S6)、S7)得到任意时刻磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)；
S8)边坡变形的预警
通过磁场发射元件在任意时刻的三维位移(X，Y，Z)，得到三维坐标的变化(ΔX，ΔY，ΔZ)；其中磁场发射元件的三维位移变化为：ΔX为任意时刻的X减去前一时刻的X；ΔY为任意时刻的Y减去前一时刻的Y；ΔZ为任意时刻的Z减去前一时刻的Z，通过(ΔX，ΔY，ΔZ)来判断边坡的深部变形，对边坡的安全进行预警。
本发明的有益效果：
针对边坡深部变形失稳监测的重大需求，本发明提出一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统，以及基于该监测系统的监测方法。本监测系统具有隐蔽性好、适应性强、不易受干扰等优点，且维护简便、可监测边坡中后期大变形。本监测方法的算法简单，在仅需要测量得到部分磁场梯度参数的情况下即可实现对埋设于边坡内的磁场发射元件的三维定位，从而精确地监测边坡的深部变形，实现边坡变形失稳程监测。
附图说明
图1是本发明的基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统的示意图；
图2是本发明的磁场发射元件的结构示意图；
图3是本发明的部分张量磁力梯度仪的示意图；
图4是本发明的部分张量磁力梯度仪中两个三轴磁场传感器的空间分布示意图；
附图标记：1-磁场发射元件、2-部分张量磁力梯度仪、3-数据传输系统、4-数据控制系统、5-边坡、6-钕铁硼永磁铁、7-万向支架、8-高阻尼橡胶隔震层、9-ABS工程塑料防渗层、10-高耐久性轻质混凝土外壳、11-三轴磁场传感器、12-无线数据传输模块、13-微处理器、14-电源、15-工程塑料外壳。
具体实施方式
实施例1
本实施例为一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统，如图1所示，本监测系统包括磁场发射元件1、部分张量磁力梯度仪2、数据传输系统3和数据控制系统4。
其中：磁场发射元件1的数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于各自的测点处发射磁场；部分张量磁力梯度仪2设于边坡表面并测量各测点的磁场发射元件1发出的部分磁场梯度张量，部分张量磁力梯度仪2的数量不少于三个，且至少三个部分张量磁力梯度仪2不共线；数据传输系统3将磁场梯度张量传输至数据控制系统4；数据控制系统4根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。
本监测系统的工作原理是：在参考点布置部分张量磁力梯度仪2，用于测量边坡内的各个测点处的磁场发射元件1的部分磁场梯度张量；数据传输系统3将部分张量磁力梯度仪2测得的各参考点处的部分磁场梯度张量传送至数据控制系统4；数据控制系统4采用计算机终端和网络，根据部分磁场梯度张量计算磁场发射元件1至各参考点处的距离，然后计算磁场发射元件1的位移，在此基础上，根据磁场发射元件1的位移变化，对边坡深部变形失稳进行安全评价，并进行预警。
如图2所示，磁场发射元件1包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁6、万向支架7、高阻尼橡胶隔震层8、ABS工程塑料防渗层9和高耐久性轻质混凝土外壳10，万向支架7结构与陀螺仪相同，钕铁硼永磁铁6位于万向支架的中心。
钕铁硼永磁铁6的其磁性稳定、在自然界几乎不减退而达到长期服役的目标，使其可以埋设的深度更深，当然也可以使用其他磁场发射元件来代替钕铁硼永磁铁，高阻尼橡胶隔震层8可以防止边坡深部的铁硼永磁铁在长期震动荷载和其他撞击作用下失去磁性；ABS工程塑料防渗层9具有电磁穿透率高、耐磨损、抗冲击、防渗的优点，可在雨水、岩体渗流中服役，增强钕铁硼永磁铁使用的耐久性；高耐久性混凝土外壳10可以在荒山、高原、高寒地区等恶劣环境下长期服役。钕铁硼永磁铁与万向支架(陀螺仪)的几何关系及配置，见文献(江胜华，武立群，侯建国，何英明.基于磁性标签石块的桥墩局部冲刷监测方法.重庆大学学报，2016，39(1)：88-97)，本文不在详述。
如图3所示，部分张量磁力梯度仪2包括两个三轴磁场传感器11、微处理器13、无线数据传输模块12和工程塑料外壳。两个三轴磁场传感器11分别标记为A和B，两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，两个三轴磁场传感器11的形心连线沿z轴方向，部分张量磁力梯度仪2的x、y和z轴分别与两个三轴磁场传感器11的x、y和z轴一致；两个三轴磁场传感器11的形心之间的距离为0.5米；部分张量磁力梯度仪2的原点o在两个三轴磁场传感器11的形心连线的中心；测量时部分张量磁力梯度仪的z轴方向竖直向上。由于磁场发射元件1中的钕铁硼永磁铁作为磁偶极子的轴线方向为竖直向上，相应地，采用部分张量磁力梯度仪测量时，部分张量磁力梯度仪的z轴方向必须竖直向上。两个三轴磁场传感器11测量x、y、z的磁感应强度，仅需要测量沿z轴方向的磁感应强度的变化率即可，也就是三个磁场梯度，即部分磁场梯度张量，这也是部分张量磁力梯度仪的命名由来。
实施例2
本实施例为本发明的监测方法，包括如下步骤：
S1)在边坡内布置若干个测点，每一个测点内埋设一个磁场发射元件；在边坡表面选择n个参考点(n≥3)，且至少三个参考点不共线，在每个参考点布置一个部分张量磁力梯度仪，用于测量边坡内的各个测点处磁场发射元件的部分磁场梯度张量，选择其中一个参考点为监测时的坐标原点O，并定义监测坐标系Oxyz，其中z轴方向必须竖直向上，x轴方向和y轴方向必须与部分张量磁场梯度传感器的x轴方向和y轴方向保持一致，在监测坐标系Oxyz下，测量参考点的三维坐标(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)，并测量磁场发射元件的初始三维坐标(x，y，z)；
S2)计算磁场发射元件在参考点处的磁感应强度沿着z轴方向的变化率：
BxA和BxB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从B到A为z轴正方向；ByA和ByB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；BzA和BzB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器之间的距离，取0.5米，BxA和BxB，ByA和ByB，BzA和BzB由部分张量磁力梯度仪中的三轴磁场传感器测得；
S3)计算各参考点处磁场梯度张量的局部模量CZ,i
磁场发射元件在参考点处的磁场梯度张量的局部模量：
式(2)中，Bxz、Byz和Bzz为磁感应强度沿着z轴方向的变化率；
由于有多个参考点(不少于三个)，通过式(2)依次得到各参考点处的CZ,i，(i＝1，…n，n≥3)；
S4)计算各参考点处的参数kz,i
参考点与测点之间的几何关系为：
式中，(x，y，z)为磁场发射元件的初始三维坐标，在埋设时进行测量，为已知，(x0，y0，z0)为参考点的坐标；
磁矩参数m(mx,my,mz)，其中三个方向的磁矩分量分别为mx、my和mz。mz＝mcosθ，其中，为方位角，θ为磁偶极子的轴线与z轴的夹角，为磁偶极子的轴线在xoy平面的投影与x轴的夹角，对于磁场发射元件，钕铁硼磁铁置于万向支架的中心，钕铁硼磁铁的磁偶极子的轴向始终保持竖直，即θ＝0，可简化为m(0,0,m)，同时式(4)简化为：
kz与磁场发射元件至参考点的距离r无关，kz仅与磁场发射元件至参考点的连线和磁偶极子的轴线的夹角相关，参数kz近似为：
式中，为磁场发射元件至参考点的连线与磁偶极子的轴线的夹角，当时，参数kz的取值与对应的取值对称；
注：“取值对称”指包括正负号在内的数值相等，比如45度的取值与135度的取值一模一样；
由于有多个参考点(不少于三个)，参考点坐标(x0，y0，z0)依次取n个参考点中(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)中的每一个坐标，通过式(4)和式(5)得到各参考点处的kz,i，(i＝1，…n，n≥3)；
S5)计算磁矩m
钕铁硼磁铁在自然界中磁性恒定不变，近似认为磁矩m的数值恒定不变，则磁场发射元件的磁距m为：
式(6)中，μ0为介质磁导率，m为磁矩，CZ取初始状态各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，r取初始状态下各参考点至测点的距离，由于有n个参考点，则由式(6)得到n个磁距参数，理论上每个磁矩参数应相等，由于实际测量时误差会存在差别，对n个磁距参数求平均值得到最终的磁距m；
S6)计算边坡变形过程中磁场发射元件至各参考点的距离
边坡变形过程中，磁场发射元件至各参考点的距离ri可表示为：
式(7)中，CZ,i取边坡变形过程中各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，kz,i为各参考点处的kz参数，m为磁距；
S7)计算边坡变形过程中磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)
(X-xi)2+(Y-yi)2+(Z-zi)2＝ri 2，(i＝1，…n，n≥3) (8)
式(8)中，(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)为参考点的三维坐标，ri为磁场发射元件至参考点的距离；
求解方程(8)得到磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)，在边坡后续的变形过程中，通过连续的测量，依次通过S2)、S6)、S7)得到任意时刻磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)；
S8)边坡变形的预警
通过磁场发射元件在任意时刻的三维位移(X，Y，Z)，得到三维坐标的变化(ΔX，ΔY，ΔZ)，其中磁场发射元件的三维位移变化为：ΔX为任意时刻的X减去前一时刻的X；ΔY为任意时刻的Y减去前一时刻的Y；ΔZ为任意时刻的Z减去前一时刻的Z，通过(ΔX，ΔY，ΔZ)来判断边坡的深部变形，对边坡的安全进行预警。
本监测方法的算法简单，在仅需要测量得到部分磁场梯度参数的情况下即可实现对埋设于边坡内的磁场发射元件的三维定位，从而精确地监测边坡的深部变形，实现边坡变形失稳程监测。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统，其特征在于：包括磁场发射元件、部分张量磁力梯度仪、数据传输系统和数据控制系统；所述磁场发射元件的数量为多个，埋设于边坡内部不同测点，并于各自的测点处发射磁场；所述部分张量磁力梯度仪设于边坡表面并测量各测点的磁场发射元件发出的部分磁场梯度张量，所述部分张量磁力梯度仪的数量不少于三个，且至少三个部分张量磁力梯度仪不共线；所述数据传输系统将磁场梯度张量传输至数据控制系统；所述数据控制系统根据磁场梯度张量进行计算以对边坡变形失稳全过程监测和预警。
2.根据权利要求1所述的基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法，其特征在于：所述磁场发射元件包括由内至外依次设置的钕铁硼永磁铁、万向支架、高阻尼橡胶隔震层、ABS工程塑料防渗层和高耐久性轻质混凝土外壳，所述钕铁硼永磁铁位于万向支架的中心。
3.根据权利要求2所述的基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统其特征在于：所述部分张量磁力梯度仪包括两个三轴磁场传感器、微处理器、无线数据传输模块和工程塑料外壳，两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，两个三轴磁场传感器的形心的连线沿z轴方向，部分张量磁力梯度仪x、y和z轴分别与两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致；两个三轴磁场传感器的形心之间的距离为0.5米；部分张量磁力梯度仪的原点o在两个三轴磁场传感器的形心连线的中心；测量时部分张量磁力梯度仪的z轴方向竖直向上。
4.一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1)在边坡内布置若干个测点，每一个测点内埋设一个磁场发射元件；在边坡表面选择n个参考点(n≥3)，且至少三个参考点不共线，在每个参考点布置一个部分张量磁力梯度仪，用于测量边坡内的各个测点处磁场发射元件的部分磁场梯度张量，选择其中一个参考点为监测时的坐标原点O，并定义监测坐标系Oxyz，其中：监测坐标系Oxyz的z轴方向竖直向上，监测坐标系Oxyz的x轴方向和y轴方向分别与部分张量磁力梯度仪的x轴方向和y轴方向保持一致，在监测坐标系Oxyz下，测量参考点的三维坐标，为(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)，并测量磁场发射元件的初始三维坐标，为(x，y，z)；
S2)计算磁场发射元件在参考点处的磁感应强度沿着z轴方向的变化率：
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&ap;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mi>A</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mi>B</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mi>a</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&ap;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mi>A</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mi>B</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mi>b</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mi>z</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>&ap;</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mi>A</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mi>B</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
<mi>L</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mi>c</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
BxA和BxB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从B到A为z轴正方向；ByA和ByB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；BzA和BzB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器之间的距离，取0.5米，BxA和BxB，ByA和ByB，BzA和BzB由部分张量磁力梯度仪中的三轴磁场传感器测得；
S3)计算各参考点处磁场梯度张量的局部模量CZ,i
磁场发射元件在参考点处的磁场梯度张量的局部模量为：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>Z</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msqrt>
<mrow>
<msubsup>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>x</mi>
<mi>z</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mi>z</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
<mo>+</mo>
<msubsup>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mi>z</mi>
</mrow>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
</msqrt>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(2)中，Bxz、Byz和Bzz为磁感应强度沿着z轴方向的变化率；
由于有多个参考点(不少于三个)，通过式(2)依次得到各参考点处的CZ,i，(i＝1，…n，n≥3)；
S4)计算各参考点处的参数kz,i
参考点与测点之间的几何关系为：
式中，(x，y，z)为磁场发射元件的初始三维坐标，在埋设时进行测量，为已知，(x0，y0，z0)为参考点的坐标；
磁矩参数m(mx,my,mz)，其中三个方向的磁矩分量分别为mx、my和mz；mz＝mcosθ，其中，为方位角，θ为磁偶极子的轴线与z轴的夹角，为磁偶极子的轴线在xoy平面的投影与x轴的夹角，对于磁场发射元件，钕铁硼磁铁置于万向支架的中心，钕铁硼磁铁的磁偶极子的轴向始终保持竖直，即θ＝0，可简化为m(0,0,m)，同时式(3)简化为：
kz与磁场发射元件至参考点的距离r无关，kz仅与磁场发射元件至参考点的连线和磁偶极子的轴线的夹角相关，参数kz近似为：
式中，为磁场发射元件至参考点的连线与磁偶极子的轴线的夹角，当时，参数kz的取值与对应的取值对称；
由于有多个参考点(不少于三个)，参考点坐标(x0，y0，z0)依次取n个参考点中(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)中的每一个坐标，通过式(4)和式(5)得到各参考点处的kz,i，(i＝1，…n，n≥3)；
S5)计算磁矩m
钕铁硼磁铁在自然界中磁性恒定不变，近似认为磁矩m的数值恒定不变，则磁场发射元件的磁距m为：
<mrow>
<mi>m</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msup>
<mi>&pi;r</mi>
<mn>4</mn>
</msup>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<msub>
<mi>k</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>,</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>...</mn>
<mi>n</mi>
<mo>,</mo>
<mi>n</mi>
<mo>&GreaterEqual;</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>6</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(6)中，μ0为介质磁导率，m为磁矩，CZ取初始状态各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，r取初始状态下各参考点至测点的距离，由于有n个参考点，则由式(6)得到n个磁距参数，理论上每个磁矩参数应相等，由于实际测量时误差会存在差别，对n个磁距参数求平均值得到最终的磁距m；
S6)计算边坡变形过程中磁场发射元件至各参考点的距离
边坡变形过程中，磁场发射元件至各参考点的距离ri可表示为：
<mrow>
<msub>
<mi>r</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>k</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
<mi>&mu;</mi>
<mi>m</mi>
</mrow>
<mrow>
<mn>4</mn>
<msub>
<mi>&pi;C</mi>
<mrow>
<mi>z</mi>
<mo>,</mo>
<mi>i</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mn>0.25</mn>
</msup>
<mo>,</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mn>1</mn>
<mo>,</mo>
<mn>...</mn>
<mi>n</mi>
<mo>,</mo>
<mi>n</mi>
<mo>&GreaterEqual;</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(7)中，CZ,i取边坡变形过程中各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，kz,i为各参考点处的kz参数，m为磁距；
S7)计算边坡变形过程中磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)
(X-xi)2+(Y-yi)2+(Z-zi)2＝ri 2，(i＝1，…n，n≥3) (8)
式(8)中，(xi，yi，zi)，(i＝1，…n，n≥3)为参考点的三维坐标，ri为磁场发射元件至参考点的距离；
求解方程(8)得到磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)，在边坡后续的变形过程中，通过连续的测量，依次通过S2)、S6)、S7)得到任意时刻磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)；
S8)边坡变形的预警
通过磁场发射元件在任意时刻的三维位移(X，Y，Z)，得到三维坐标的变化(ΔX，ΔY，ΔZ)；其中磁场发射元件的三维位移变化为：ΔX为任意时刻的X减去前一时刻的X；ΔY为任意时刻的Y减去前一时刻的Y；ΔZ为任意时刻的Z减去前一时刻的Z，通过(ΔX，ΔY，ΔZ)来判断边坡的深部变形，对边坡的安全进行预警。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710852386.2A CN107796297B (zh) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | 基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710852386.2A CN107796297B (zh) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | 基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107796297A true CN107796297A (zh) | 2018-03-13 |
| CN107796297B CN107796297B (zh) | 2019-12-31 |
Family
ID=61532419
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710852386.2A Expired - Fee Related CN107796297B (zh) | 2017-09-19 | 2017-09-19 | 基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107796297B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109827892A (zh) * | 2019-02-23 | 2019-05-31 | 中铁十一局集团第五工程有限公司 | 一种基于磁测的土体内部土颗粒运动轨迹的追踪办法 |
| CN110118522A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-13 | 北京北科安地科技发展有限公司 | 一种低频波发射装置及其组成的无线位移传感装置 |
| CN114855741A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-08-05 | 中南大学 | 复杂堆积体上铁路及站场路基空间长期变形智能监测方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001091313A (ja) * | 1999-09-27 | 2001-04-06 | Kowa:Kk | 地盤，岩盤等の変位計測方法 |
| CN102590765A (zh) * | 2012-02-21 | 2012-07-18 | 大连理工大学 | 一种全张量磁力梯度仪 |
| CN104061852A (zh) * | 2014-07-09 | 2014-09-24 | 江胜华 | 岩石断层剪切滑移大变形监测系统及监测方法 |
| CN105928453A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-09-07 | 西南大学 | 基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法 |
-
2017
- 2017-09-19 CN CN201710852386.2A patent/CN107796297B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001091313A (ja) * | 1999-09-27 | 2001-04-06 | Kowa:Kk | 地盤，岩盤等の変位計測方法 |
| CN102590765A (zh) * | 2012-02-21 | 2012-07-18 | 大连理工大学 | 一种全张量磁力梯度仪 |
| CN104061852A (zh) * | 2014-07-09 | 2014-09-24 | 江胜华 | 岩石断层剪切滑移大变形监测系统及监测方法 |
| CN105928453A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-09-07 | 西南大学 | 基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 江胜华 等: "基于磁偶极子的磁场梯度张量局部缩并及试验验证", 《中国惯性技术学报》 * |
| 江胜华 等: "基于磁场梯度张量缩并的岩石断层剪切滑移监测方法", 《地下空间与工程学报》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109827892A (zh) * | 2019-02-23 | 2019-05-31 | 中铁十一局集团第五工程有限公司 | 一种基于磁测的土体内部土颗粒运动轨迹的追踪办法 |
| CN110118522A (zh) * | 2019-04-24 | 2019-08-13 | 北京北科安地科技发展有限公司 | 一种低频波发射装置及其组成的无线位移传感装置 |
| CN114855741A (zh) * | 2022-04-18 | 2022-08-05 | 中南大学 | 复杂堆积体上铁路及站场路基空间长期变形智能监测方法 |
| CN114855741B (zh) * | 2022-04-18 | 2022-12-30 | 中南大学 | 复杂堆积体上铁路及站场路基空间长期变形智能监测方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107796297B (zh) | 2019-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104061852B (zh) | 岩石断层剪切滑移大变形监测系统及监测方法 | |
| CN105203626B (zh) | 铁路路基塌陷全过程演化动态监测系统及监测方法 | |
| CN106679625B (zh) | 基于北斗系统的广域范围电力铁塔高精度形变监测方法 | |
| CN105928453B (zh) | 基于自适应标距的边坡变形失稳监测系统和方法 | |
| CN101852078B (zh) | 一种双螺线管组随钻电磁测距导向系统 | |
| CN104457551B (zh) | 铁路路基塌陷监测系统及监测方法 | |
| CN107796297A (zh) | 基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法 | |
| McHenry et al. | Modeled ground magnetic signatures of flux transfer events | |
| CN107272069A (zh) | 基于磁异常梯度的磁性目标追踪方法 | |
| CN106896415A (zh) | 一种地‑井电性源短偏移距瞬变电磁探测方法 | |
| CH697492B1 (de) | Verfahren zum Schätzen der Genauigkeit azimutaler Ausrichtungen, Verfahren zum Bereitstellen einer azimutalen Ausrichtung eines tragbaren Zielgeräts und eines geschätzten Wertes deren Genauigkeit und tragbares Zielgerät. | |
| Cirone et al. | Investigation of magnetic noise in Advanced Virgo | |
| CN105241498B (zh) | 一种基于弱磁探测的直流架空输电线路弧垂和应力监测方法 | |
| CN103063122B (zh) | 基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法及装置 | |
| Yurchyshyn | Relationship between EIT posteruption arcades, coronal mass ejections, the coronal neutral line, and magnetic clouds | |
| CN109031439A (zh) | 一种基于纬度差和距离的地磁日变化数值确定方法及系统 | |
| WO2017164765A1 (ru) | Определение глубины залегания и расстояния до места прохождения коммуникаций | |
| Chwala et al. | Full tensor SQUID gradiometer for airborne exploration | |
| CN108442915B (zh) | 油井距离的确定方法和装置 | |
| CN109141382A (zh) | 一种建筑物安全检测系统 | |
| CN107063207A (zh) | 一种多级控制网测量输电电缆隧道轴线的方法 | |
| CN106767759A (zh) | 一种基于正交三位置磁检测的电网寻线用磁制导方法 | |
| Lunttila et al. | The Super-Alfvénic model of molecular clouds: predictions for Zeeman splitting measurements | |
| CN101750632B (zh) | 一种提高三元件磁测精度的方法 | |
| CN204329887U (zh) | 铁路路基塌陷监测系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20191231 Termination date: 20210919 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |