CN108413920A - 一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统及方法，系统包括张力传感器、弹簧、钢丝、通信装置、供电装置；本发明主要通过实时获取高精度的张力数据以及已知的弹簧张力系数计算出精确的弹簧变形量，进而反演出地物的几何变形量。本发明在使用低成本张力传感器的前提下能够对边坡形变进行长时间、高精度的监测，成本较低，结构简单，并且施工方便，可实现长时间自动化监测预警的路堑边坡沿线边坡监测。

Description

一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统及方法

技术领域

本发明属于边坡变形监测技术领域，涉及一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统及方法，其成本低、精度高，适合公路铁路沿线等路堑边坡的长时间无人监测。

背景技术

在传统的边坡变形监测中，边坡监测与数据反馈分析是边坡工程中的一个重要环节。路堑边坡具有坡度大、范围小，数量多的特点，在监测点上使用GNSS卫星定位监测技术，则设备成本过高且容易受到高边坡导致的卫星信号严重遮挡，往往无法达到预期监测效果；使用激光测距仪、全站仪设备容易受到大雾等恶劣天气影响且监测成本也较高，不能满足大规模的野外环境下的实际应用。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统及方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统，其特征在于：包括张力传感器、弹簧、钢丝、通信装置、供电装置；以两个待监测点为例，其中一个监测点直接与弹簧相连，另外一个监测点安装张力传感器，弹簧和张力传感器之间使用钢丝连接起来并在传感器量程之内拉紧钢丝，供电装置给传感器供电后传感器获取的张力数据通过通信装置把数据回传给用户。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于张力传感器的微小位移变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：张力传感器零点校准；

在张力传感器无外力作用下，直接从张力传感器获取初始张力读数，计为F₀；

步骤2：张力传感器张力系数校准；

将弹簧通过钢丝连接至张力传感器；借助可伸缩弹簧，在测量外力F_i作用下，弹簧拉伸长度L_i,i＝1、…、N，N≥2；

步骤3：计算所得测量数据的最优张力系数估值

步骤4：确定两监测点一维相对位移及速率；

步骤5：确定监测网二维相对位移；

步骤6：获取被监测点二维坐标时间序列以及形变速率的时间序列，从而得到被监测点的形变趋势。

本发明具有如下优点：

1.施工方便；

在保证稳固和长期保存的前提下，监测点的埋设可以采用混凝土浇筑和机械钻探植入钢管的方式，此类技术成熟可靠。

2.选材方便；

现有的大部分传感器及测距仪均能达到本方法所需要的标称精度，因此施工过程中可以因地制宜，选用合适的测距产品。

3.全天候；

监测数据主要是由测距仪或传感器测量，所需电量较少，配合太阳能供电系统或蓄电池，可以达到全天候的不间断监测

4.计算简单；

方程所需要求解的参数较少，最小二乘方法是成熟可靠的方法，计算步骤简单。

5.低成本；

监测点的埋设费用低；参考点的重复利用率高；监测后续维护简单，只需要定期复测监测点的位置信息，替换部分被损坏的站点。

6.精度较高；

在保证所测数据精度的前提下，本方法所测得的被监测点的二维坐标精度较高，误差与实际值比较小于2mm。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的监测网二维监测示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统，包括张力传感器、弹簧、钢丝、通信装置、供电装置；以两个待监测点为例，其中一个监测点直接与弹簧相连，另外一个监测点安装张力传感器，弹簧和张力传感器之间使用钢丝连接起来并在传感器量程之内拉紧钢丝，供电装置给传感器供电后传感器获取的张力数据通过通信装置把数据回传给用户。

如果仅对监测点进行一维监测，不用设置参考点；如果需对监测点进行二维监测，应在监测区选取坚实稳定的点位建立2个参考点，参考点的选取可以因地制宜，由监测任务与测区的实际环境综合考虑确定，尽量达到成本与精度的平衡。参考点应当选取观测方便、易于到达的地点。参考点的施工方法应当采用打入边坡基岩内部或者穿过边坡上的潜在滑动面，保证其稳定度。然后使用全站仪等设备测量参考点与被监测点的精确坐标，坐标精度应当优于2mm；坐标系的选取可由监测任务的要求选定，不影响后续监测目的。

然后，在监测点和参考点上布设相应的监测设施。监测设备的任务是通过张力传感器数据持续监测参考点与被监测点之间的张力变化，利用本发明计算相对位移。如有必要，应当在设备上加设保护性措施，如防火、防雷、防水等措施

在位移监测设备上连接供电系统和通信系统，此处的供电系统可用有线或者太阳能电池设备，通信系统一般是指物联网设备，通信设备上述数据传输至服务器或计算芯片。

请见图1，本发明提供的一种基于张力传感器的微小位移变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1：张力传感器零点校准。

在张力传感器无外力作用下，直接从张力传感器获取的初始张力读数，计为F₀，该值将在后续计算中扣除。

步骤2：张力传感器张力系数校准。

将弹簧通过细钢丝连接至张力传感器。借助可伸缩弹簧，在外力记为F₁作用下，使弹簧由自然长度拉伸了一定长度记为L₁；类似的方法得到第i次测量外力F_i作用下，弹簧拉伸了长度L_i,i＝1,N。N≥2，根据实际情况确定。

步骤3：将步骤1和步骤2测量得到的数值，按下式计算所得测量数据的最优张力系数估值：

步骤4：两监测点一维相对位移及速率确定。

将张力传感器固定在其中一个监测点上，将细钢丝一头与张力传感器相连，另一头与弹簧相连并固定在另一个监测点上。

步骤5：按步骤4，通过通信装置可从张力传感器中实时读取张力值。顾及公式(1)，任意时刻t的张力F_t与弹簧的变形量L_t按下式确定：

步骤6：按步骤5及公式(2)，按下式确定任意两个采样时刻t_i,t_j的两监测点一维相对位移变化

其中，从张力传感器中直接读取。速率按下式确定：

步骤7：监测网二维相对位移确定。

在已知2个参考点A、B的二维坐标的情况下，不失一般性，设为A(x_a,y_a)、B(x_b,y_b)以及监测点初始状态值见图2，可按下式确定监测点P₁(x₁,y₁)相对于初值的二维坐标位移量：

其中，N为设计矩阵：

为AP基线当前时刻和初始时刻读取的张力值，为BP基线当前时刻和初始时刻读取的张力值。A、B点的精确坐标可通过GNSS定位技术进行测量，初始状态值可在第一次安装时利用全站仪等其他手段确定且只需进行一次。

步骤8：按照步骤7，可由公式(5)和(6)，利用已知点A、B确定P₁的二维坐标，再由B和P₁可确定P₂的平面坐标。以此类推，可确定后续各点的二维坐标。

按照本方法计算得出被监测点的形变量、形变方向以及形变速率。由此信息，总结监测点的形变规律和形变趋势，据此设置合适的形变位移阈值，为路堑变形监测与预防工作提供参考。

长期观测中，由步骤4至步骤8，可以得到被监测点二维坐标时间序列以及形变速率的时间序列，以此分析与描述被监测点的形变趋势。当监测到局部基线只有一个点产生了较大一维位移时，可简单按步骤7利用周围的监测点直接计算该点的二维位移量；当监测网中有较多的监测点产生一维位移时，可按步骤4至步骤7对各个点进行逐点计算。当监测网中有多余观测时，按公式(6)迭加设计矩阵，采用常规的最小二乘法可进行最优位移量的估算。

根据上述基于张力传感器的微小位移变形监测方法所得到被监测点的变形信息，可以真实的反映该区域的边坡稳定性；另外，该方法模型参数较少，数据获取简单，计算量较少。

本发明在使用低成本张力传感器的前提下能够对边坡形变进行长时间、高精度的监测，成本较低，结构简单，并且施工方便，可实现长时间自动化监测预警的路堑边坡沿线边坡监测。

本发明仅采用张力传感器即可监测边坡坡面一维或者二维位移，监测精度可达mm级，满足高精度变形监测要求。本发明精度高，成本低廉，施工简便，对技术人员专业素质要求低，特别适合坡度较大、常规GNSS测量方法无法正常使用、监测范围较小的路堑高边坡变形监测，可在恶劣天气条件下长期工作，对铁路、公路路堑边坡监测预警具有重要实用价值。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于张力传感器的微小位移变形监测系统，其特征在于：包括张力传感器、弹簧、钢丝、通信装置、供电装置；若存在两个待监测点，则其中一个监测点直接与弹簧相连，另外一个监测点安装张力传感器，弹簧和张力传感器之间使用钢丝连接起来并在传感器量程之内拉紧钢丝，供电装置给传感器供电后传感器获取的张力数据通过通信装置把数据回传给用户。

2.一种基于张力传感器的微小位移变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：张力传感器零点校准；

在张力传感器无外力作用下，直接从张力传感器获取初始张力读数，计为F₀；

步骤2：张力传感器张力系数校准；

将弹簧通过钢丝连接至张力传感器；借助可伸缩弹簧，在测量外力F_i作用下，弹簧拉伸长度L_i,i＝1、…、N，N≥2；

步骤3：计算所得测量数据的最优张力系数估值

步骤4：确定两监测点一维相对位移及速率；

步骤5：确定监测网二维相对位移；

步骤6：获取被监测点二维坐标时间序列以及形变速率的时间序列，从而得到被监测点的形变趋势。

3.根据权利要求2所述的基于张力传感器的微小位移变形监测方法，其特征在于：步骤3中，

4.根据权利要求2所述的基于张力传感器的微小位移变形监测方法，其特征在于：步骤4中的具体实现包括以下子步骤：

步骤4.1：在监测区选取坚实稳定的点位建立2个参考点，将张力传感器固定在其中一个监测点上，将钢丝一头与张力传感器相连，另一头与弹簧相连并固定在另一个监测点上；

步骤4.2：通过通信装置从张力传感器中实时读取张力值，确定任意时刻t的张力F_t与弹簧的变形量L_t关系；

步骤4.3：确定任意两个采样时刻t_i、t_j的两监测点一维相对位移变化

则：

其中，从张力传感器中直接读取；

速率为：

5.根据权利要求2所述的基于张力传感器的微小位移变形监测方法，其特征在于：步骤5中的具体实现包括以下子步骤：

步骤5.1：设2个参考点A、B的二维坐标为A(x_a,y_a)、B(x_b,y_b)以及监测点初始状态值为计算监测点P₁(x₁,y₁)相对于初值的二维坐标位移量：

其中，N为设计矩阵；

为AP₁基线当前时刻和初始时刻读取的张力值，为BP₁基线当前时刻和初始时刻读取的张力值；

步骤5.2：已知点A、B确定P₁的二维坐标，再由B和P₁确定P₂的平面坐标；以此类推，确定后续各点的二维坐标。