CN108458682A - 一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工程地质灾害监测和灾害超前预报技术领域，具体涉及一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法。所述装置包括机械传导子系统、传感子系统、采集及控制子系统、报警及显示子系统，机械传导子系统将裂缝的位移变化通过机械结构测量传导至传感子系统，传感子系统采集机械传导子系统发来的信号并计算出加速度变化量，采集及控制子系统与传感子系统电性连接，采集及控制子系统对加速度变化量进行实时计算，报警及显示子系统用于显示设备运行状态和报警功能。本发明一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置由于硬件成本比较低廉、安装便捷，适用于大规模普及使用，尤适用于对滑坡监测中的群测群防，极具推广价值。

Description

一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法

技术领域

本发明涉及工程地质灾害监测和灾害超前预报技术领域，具体涉及一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法。

背景技术

滑坡体一般要经历孕育、成形、演化、发生、发展这几个阶段，从滑坡的既有破坏、局部破坏、贯穿性破坏、碎裂性破坏和运动性破坏的过程中，滑坡坡面倾角变化、裂缝相对位移、裂缝方位角是判断与预测滑坡稳定性的重要参数；地裂缝、墙裂缝的实时监测对于分析滑坡稳定性，及时报警以保证广大群众生命财产安全和保护农业、交通、水利、能源等行业的基础设施，具有重要意义。

然而这些地质灾害数量点多，无法全面治理，所以准确有效的灾害监测是防治地质灾害的核心手段。但是现阶段普遍采用的群测群防手段可靠性低，不能做到及时预警、反应迅速、有效避险。

现阶段，对滑坡地裂缝、墙裂缝群测群防的检测技术主要有以下几种，如滑坡建筑墙裂缝测量仪、弹簧位移变换装置、GPS卫星变形监测技术。传统的广泛应用的技术设备主要是拉线式裂缝监测仪，它依靠拉线位移到一定阈值时进行报警，具有接触式、易磨损、高频性差等缺点；并且无法动态地获得裂缝的形变过程，使得监测人员无法详细的去描述裂缝位移的变换来判断滑坡的状态；而且，单纯的拉线式地裂缝检测仪只能监测出某点的二维运动方式，不能反映监测点的三维运动情况。专业化的GPS技术可以连续的、三维的、动态的显示监测点的运动情况，但是GPS设备造价过高，性价比低，并且对安装环境有一定的要求，无法在某些极端环境或天气下提供准确的测量数据，不利于群测群防大规模推广。

为此，我们提出了一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的一个主要目的在于克服现有技术中的至少一种缺陷，提供一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置及方法。

为了实现上述技术方案，本发明采用以下技术方案：

根据本发明的一个方面，提供一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，包括机械传导子系统、传感子系统、采集及控制子系统、报警及显示子系统；

其中，所述机械传导子系统将裂缝的位移变化通过机械结构测量传导至传感子系统，所述传感子系统采集机械传导子系统发来的信号并计算出加速度变化量，所述采集及控制子系统与所述传感子系统电性连接，所述采集及控制子系统对加速度变化量进行实时计算，并与所述报警及显示子系统电性连接，所述报警及显示子系统用于显示设备运行状态和报警功能。

根据本发明的一实施方式，所述机械传导子系统包括外壳、弹簧轴、轴承、绕线盘、涡卷弹簧、钢丝绳、固定螺栓，在所述外壳内设有弹簧轴，所述弹簧轴的两端均设有轴承，所述弹簧轴上套设有绕线盘，所述绕线盘与弹簧轴之间通过涡卷弹簧连接，所述钢丝绳一端缠绕于绕线盘上，其另一端由所述外壳内伸出并通过固定螺栓设置于裂缝处，所述涡卷弹簧在自身扭矩的作用下能使钢丝绳保持处于伸长的紧绷状态，所述弹簧轴将所述钢丝绳传导的位移量转换为旋转量。

根据本发明的一实施方式，所述传感子系统包括MEMS加速度传感器、MCU四象限连续解算系统，所述MEMS加速度传感器与MCU四象限连续解算系统电性连接；

其中，所述MEMS加速度传感器用于采集机械传导子系统所采集的信号，并将所述信号传递至MCU四象限连续解算系统计算出加速度变化量。

根据本发明的一实施方式，所述采集及控制子系统包括控制单元、数据传输单元，所述控制单元对信号进行实时计算，所述控制单元与数据控制单元电性连接。

根据本发明的一实施方式，所述报警及显示子系统嵌设于外壳上，所述报警及显示子系统包括：显示屏、报警指示灯、蜂鸣器及复位按钮；

所述显示屏用于显示裂缝位移变化、当前设备电量、设备运行天数的运行状态参数，所述报警指示灯、蜂鸣器用于提醒及报警，所述复位按钮用于停止蜂鸣器蜂鸣。

根据本发明的一实施方式，还包括：

数据传输子系统，与所述采集及控制子系统电性连接；

其中，所述数据传输子系统通过内设的GPRS无线信号传输装置与数据中心实现数据交互。

根据本发明的一实施方式，所述数据传输子系统将接受的信号通过GPRS无线信号传输装置传输至数据中心，同时能接受数据中心下发的数据指令，用于远程控制所述采集及控制子系统。

根据本发明的一实施方式，所述MEMS加速度传感器采用三轴MEMS加速度传感器。

根据本发明的一实施方式，所述传感子系统、采集及控制子系统、报警及显示子系统均采用内置锂电池供电。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于地质灾害群测群防裂缝监测方法，至少包括以下步骤：

S01：将设备主体在被测体上进行固定；

S02：将设备主体引出测量的钢丝绳在被测体表征裂缝的另一端进行固定；

S03：固定完成后开机；

S04：随着被测体的变形钢丝绳会产生伸缩；

S05：产生伸缩的钢丝绳带着MEMS加速度传感器进行空间旋转；

S06：由于MEMS加速度传感器是与地心成比例关系计算出相应的角度变化，计算出加速度传感器的角速度变化；

S07：根据角速度的变化从而计算出角位移；

S08：由于MEMS加速度传感器的测量原理是和大地中力垂心产生关系，根据该特性及三轴的特性，实现连续的角位移测量。

由上述技术方案可知，本发明具备以下优点和积极效果中的至少之一：

本发明通过MEMS加速度传感器获取到的加速度转换为角度，再通过角位移转换为线性测量位移。将MEMS加速度传感器获取到的数据实时进行解算，可以获取到地裂缝、墙裂缝的连续变化量，做到有效分析，快速预警。

与此同时，通过所述MEMS加速度传感器获得的初始信号为加速度值亦能够捕捉岩土体破坏的加速度波形信号，从而进一步判断岩土体结构稳定做出指导。

再进一步地，所述MEMS加速度传感器的积分角度从侧面也能够反应岩土体的倾斜变形，从而再进一步为判断岩土体结构稳定做出更深层次的指导。

综上，本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置由于硬件成本比较低廉、安装便捷，适用于大规模普及使用，非常适用于对滑坡监测中的群测群防，极具推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置的结构框图；

图2为本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置的结构示意图；

图3为本发明所述机械传导子系统的局部示意图；

图4为本发明所述传感子系统的结构框图；

图5为本发明所述采集及控制子系统的结构框图；

图6为本发明所述数据传输子系统的结构框图；

图7为本发明所述MEMS加速度传感器测量的角度示意图；

图8为本发明所述MCU四象限连续解算系统的加速度变化量计算的示意图。

附图标记说明如下：

1-机械传导子系统；11-外壳；12-弹簧轴；13-轴承；14-绕线盘；15-涡卷弹簧；16-钢丝绳；17-固定螺栓；2-传感子系统；21-MEMS加速度传感器；22-MCU四象限连续解算系统；3-采集及控制子系统；31-控制单元；32-数据控制单元；4-报警及显示子系统；41-显示屏；42-报警指示灯；43-蜂鸣器；44-复位按钮；45-数据外传天线孔；46-太阳能充电孔；47-市电充电孔；48-设备配置孔；5-数据传输子系统；51-GPRS无线信号传输装置；6-数据中心。

具体实施方式

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1～8，图1为本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置的结构框图，图2为本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置的结构示意图，图3为本发明所述机械传导子系统的局部示意图，图4为本发明所述传感子系统的结构框图，图5为本发明所述采集及控制子系统的结构框图，图6为本发明所述数据传输子系统的结构框图，图7为本发明所述MEMS加速度传感器测量的角度示意图，图8为本发明所述MCU四象限连续解算系统的加速度变化量计算的示意图。

本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，包括机械传导子系统1、传感子系统2、采集及控制子系统3、报警及显示子系统4、数据传输子系统5。所述机械传导子系统1将裂缝的位移变化通过机械结构测量传导至传感子系统2，所述传感子系统2采集机械传导子系统1发来的信号并计算出加速度变化量，所述采集及控制子系统3与所述传感子系统2电性连接，所述采集及控制子系统3对加速度变化量进行实时计算，并与所述报警及显示子系统4电性连接，所述报警及显示子系统4用于显示设备运行状态和报警功能，同时所述采集及控制子系统3与所述数据传输子系统5电性连接，所述数据传输子系统5通过内设的GPRS无线信号传输装置51与数据中心6实现数据交互。

本发明中，所述机械传导子系统1包括外壳11、弹簧轴12、轴承13、绕线盘14、涡卷弹簧15、钢丝绳16、固定螺栓17，在所述外壳11内设有弹簧轴12，所述弹簧轴12的两端均设有轴承13，所述弹簧轴12上套设有绕线盘14，所述绕线盘14与弹簧轴12之间通过涡卷弹簧15连接，所述钢丝绳16一端缠绕于绕线盘14上，其另一端由所述外壳11内伸出并通过固定螺栓17设置于裂缝处，所述涡卷弹簧15在自身扭矩的作用下能使钢丝绳16保持处于伸长的紧绷状态，所述弹簧轴12将所述钢丝绳16传导的位移量转换为旋转量。

本发明中，所述传感子系统2用于接受到由于位移、形变而产生的加速度值变化；其包括MEMS加速度传感器21、MCU四象限连续解算系统22，所述MEMS加速度传感器21与MCU四象限连续解算系统22电性连接，所述MEMS加速度传感器21用于采集机械传导子系统1所采集的信号，并将所述信号传递至MCU四象限连续解算系统22计算出加速度变化量。进一步地，所述MEMS加速度传感器21采用三轴MEMS加速度传感器。所述三轴MEMS加速度传感器属于微机械感知传感器，为现有技术，具有小体积，低功耗，低成本，高精度的优点。

参见图7、8，本发明所述MEMS加速度传感器及加速度的三轴解算，其中，θx、θy分别为三轴MEMS加速度传感器X轴、Y轴同水平面的夹角，θz为X/Y平面与水平面的夹角，即Z同水平面的夹角的补角。根据图8所述MCU四象限连续解算系统的加速度变化量计算的示意图，以及三角函数公式计算：

sinθ_x＝sinωsinθ_z，

sinθ_y＝cosωsinθ_z，

其中，ω为XY平面水平向的旋转角。由上述公式可得：

其中，Ax,out、Ay,out、Az,out分别为MEMS加速度传感器21所输出的X、Y、Z轴的加速度值，即建立了三轴加速度与三轴角度的对应关系。此时，即可求得X、Y、Z轴同水平面的夹角。

所以，当通过实时读取MEMS加速度传感器21中的AD值，即可实时结算出，XYZ三轴所转动的角度值；通过两次采集时间间隔中间各个轴的加速度差值。

综上，能够计算出：以三轴中某一轴(如Z轴)为旋转轴，其余两轴组成平面(如XY平面)所旋转的角度。

所以无论墙体是否发生前后倾斜，均能通过公式：C＝πd，计算出裂缝增大(或减小)所产生的钢丝绳的位移，即可计算出裂缝位移大小。

本发明中，利用本发明所述MEMS加速度传感器实现同轴倾斜测量。所述MEMS加速度传感器安装调平使得MEMS加速度传感器21的Z轴和旋转轴重合，即同轴重合倾斜测量；以为两轴重合，Z轴会跟随着墙体的倾斜而不断变化角度，所以Z轴方向的三轴MEMS加速度传感器所采集到的加速度值也同步发生变化。

由于采取了同轴设计，Z轴加速度值变化不会由于MEMS加速度传感器21所在转盘转动，也就是XY平面的转动而发生变化。简单来说，Z轴的加速度变化，仅与传感装置所在的墙体倾斜有关，同墙裂缝大小无关。

本发明中，采用MEMS加速度传感器21进行振动测量，由于MEMS加速度传感器21能够检测出加速度值的变化，所以当MEMS加速度传感器21不仅可以用于倾角的测量，也可以用于振动的计算。当装置固定于墙体表面以后，墙体内部微小的振动也可以对MEMS加速度传感器21的加速度值产生影响。将其中的信号进行剥离解算，即可实时监测墙体内部产生的振动变化。

本发明中，所述采集及控制子系统3包括控制单元(MCU)31、数据传输单元(DTU)32，所述控制单元(MCU)31对信号进行实时计算，所述控制单元(MCU)31与数据控制单元(DTU)32电性连接。

本发明中，所述报警及显示子系统4嵌设于外壳11上，所述报警及显示子系统4包括显示屏41、报警指示灯42、蜂鸣器43及复位按钮44；所述显示屏41用于显示裂缝位移变化、当前设备电量、设备运行天数的运行状态参数，所述报警指示灯42、蜂鸣器43用于提醒及报警，所述复位按钮44用于停止蜂鸣器43蜂鸣。进一步地，在所述外壳11的右侧面由上至下依次设有数据外传天线孔45、太阳能充电孔46、市电充电孔47、设备配置孔48，操作人员可根据实际情况采用不同的充电孔充电，操作方便快捷、安全可靠。所述显示屏41采用液晶显示屏。所述显示屏41、报警指示灯42、蜂鸣器43均能接受所述采集及控制子系统3的控制信号，当裂缝位移值超过裂缝位移阈值后，报警指示灯42闪烁，蜂鸣器43蜂鸣。

本发明中，通过所述报警及显示子系统4能实现多元报警，具体对裂缝、墙体倾斜、墙体振动的情况进行提醒报警；实时监测所测墙体的裂缝大小、倾斜角度、墙体内部振动情况。并且根据远程数据中心对以获得的数据进行动态建模和数据解算，可以对墙体未来一段时间内的变换趋势评估，从而做到提前预警。

另外，通过所述报警及显示子系统4能实现现场报警和远程报警。当裂缝的伸长量或墙体的倾斜量或墙体内部振动超过了预先设置的阈值的时候，蜂鸣器会蜂鸣报警，报警灯也会同时闪烁，以达到对周围居民的警示。同时，数据中心会向预先设置好的责任人的手机下发警示短信，提醒责任人检测点出现灾害，做到远程报警。

本发明中，所述数据传输子系统5与所述采集及控制子系统3电性连接。所述数据传输子系统5通过内设的GPRS无线信号传输装置51与数据中心6实现数据交互。进一步地，所述数据传输子系统5将接受的信号通过GPRS无线信号传输装置51传输至数据中心6，同时能接受数据中心6下发的数据指令，用于远程控制所述采集及控制子系统3。所述数据中心6可以为远程计算机数据处理中心,具有数据备份功能。

以上，所述传感子系统2、采集及控制子系统3、报警及显示子系统5、数据传输子系统5均采用内置锂电池供电。

本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测方法，包括以下步骤：

S01：将设备主体在被测体上进行固定；

S02：将设备主体引出测量的钢丝绳在被测体表征裂缝的另一端进行固定；即所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置的设备本体设置于裂缝的一端，伸出的钢丝绳16通过固定螺栓17设置于裂缝的另一端；

S03：固定完成后开机；

S04：随着被测体的变形钢丝绳会产生伸缩；

S05：产生伸缩的钢丝绳带着MEMS加速度传感器进行空间旋转；

S06：由于MEMS加速度传感器是与地心成比例关系计算出相应的角度变化，计算出加速度传感器的角速度变化；

S07：根据角速度的变化从而计算出角位移；

S08：由于MEMS加速度传感器的测量原理是和大地中力垂心产生关系，根据该特性及三轴的特性，实现连续的角位移测量。

进一步地，通过数据传输子系统进行数据传输，以及报警及显示子系统实现报警。

综上所述，本发明通过MEMS加速度传感器获取到的加速度转换为角度，再通过角位移转换为线性测量位移。将MEMS加速度传感器获取到的数据实时进行解算，可以获取到地裂缝、墙裂缝的连续变化量，做到有效分析，快速预警。与此同时，通过所述MEMS加速度传感器获得的初始信号为加速度值亦能够捕捉岩土体破坏的加速度波形信号，从而进一步判断岩土体结构稳定做出指导。再进一步地，所述MEMS加速度传感器的积分角度从侧面也能够反应岩土体的倾斜变形，从而再进一步为判断岩土体结构稳定做出更深层次的指导。

本发明所述一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置由于硬件成本比较低廉，适用于大规模普及使用，非常适用于对滑坡监测中的群测群防，极具推广价值。需要说明的是,本发明中所涉及的MEMS加速度传感器、MCU四象限连续解算系统、控制单元、数据控制单元、显示屏、报警指示灯、蜂鸣器、复位按钮、数据外传天线孔、太阳能充电孔、市电充电孔、设备配置孔、GPRS无线信号传输装置、数据中心均为现有技术。

应可理解的是，本发明不将其应用限制到本文提出的部件的详细结构和布置方式。本发明能够具有其他实施例，并且能够以多种方式实现并且执行。前述变形形式和修改形式落在本发明的范围内。应可理解的是，本文公开和限定的本发明延伸到文中和/或附图中提到或明显的两个或两个以上单独特征的所有可替代组合。本文所述的实施例说明了已知用于实现本发明的最佳方式，并且将使本领域技术人员能够利用本发明。

Claims (10)

1.一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，包括机械传导子系统、传感子系统、采集及控制子系统、报警及显示子系统；

其中，所述机械传导子系统将裂缝的位移变化通过机械结构测量传导至传感子系统，所述传感子系统采集机械传导子系统发来的信号并计算出加速度变化量，所述采集及控制子系统与所述传感子系统电性连接，所述采集及控制子系统对加速度变化量进行实时计算，并与所述报警及显示子系统电性连接，所述报警及显示子系统用于显示设备运行状态和报警功能。

2.根据权利要求1所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述机械传导子系统包括外壳、弹簧轴、轴承、绕线盘、涡卷弹簧、钢丝绳、固定螺栓，在所述外壳内设有弹簧轴，所述弹簧轴的两端均设有轴承，所述弹簧轴上套设有绕线盘，所述绕线盘与弹簧轴之间通过涡卷弹簧连接，所述钢丝绳一端缠绕于绕线盘上，其另一端由所述外壳内伸出并通过固定螺栓设置于裂缝处，所述涡卷弹簧在自身扭矩的作用下能使钢丝绳保持处于伸长的紧绷状态，所述弹簧轴将所述钢丝绳传导的位移量转换为旋转量。

3.根据权利要求1所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述传感子系统包括MEMS加速度传感器、MCU四象限连续解算系统，所述MEMS加速度传感器与MCU四象限连续解算系统电性连接；

其中，所述MEMS加速度传感器用于采集机械传导子系统所采集的信号，并将所述信号传递至MCU四象限连续解算系统计算出加速度变化量。

4.根据权利要求1所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述采集及控制子系统包括控制单元、数据传输单元，所述控制单元对信号进行实时计算，所述控制单元与数据控制单元电性连接。

5.根据权利要求1所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述报警及显示子系统嵌设于外壳上，所述报警及显示子系统包括：显示屏、报警指示灯、蜂鸣器及复位按钮。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，还包括：

数据传输子系统，与所述采集及控制子系统电性连接；

其中，所述数据传输子系统通过内设的GPRS无线信号传输装置与数据中心实现数据交互。

7.根据权利要求6所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述数据传输子系统将接受的信号通过GPRS无线信号传输装置传输至数据中心，同时能接受数据中心下发的数据指令，用于远程控制所述采集及控制子系统。

8.根据权利要求3所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述MEMS加速度传感器采用三轴MEMS加速度传感器。

9.根据权利要求1所述的一种用于地质灾害群测群防裂缝监测装置，其特征在于，所述传感子系统、采集及控制子系统、报警及显示子系统均采用内置锂电池供电。

10.一种用于地质灾害群测群防裂缝监测方法，至少包括以下步骤：

S01：将设备主体在被测体上进行固定；

S02：将设备主体引出测量的钢丝绳在被测体表征裂缝的另一端进行固定；

S03：固定完成后开机；

S04：随着被测体的变形钢丝绳会产生伸缩；

S05：产生伸缩的钢丝绳带着MEMS加速度传感器进行空间旋转；

S06：由于MEMS加速度传感器是与地心成比例关系计算出相应的角度变化，计算出加速度传感器的角速度变化；

S07：根据角速度的变化从而计算出角位移；

S08：由于MEMS加速度传感器的测量原理是和大地中力垂心产生关系，根据该特性及三轴的特性，实现连续的角位移测量。