CN109458924B - 基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统及方法,包括：包括：数据采集模块、信息传输模块、控制模块、监测数据处理模块、监测数据管理模块、数据分析预测模块及移动服务端。本公开采用将十轴传感器、金属丝与土工格栅相结合的方法，利用十轴传感器实时收集土工格栅监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，将金属丝连入电路，对金属丝电阻进行实时监测，并将以上数据传给服务器或者云端存储，进行后期数据处理与分析可得土工格栅监测点的变形量和位移，实现对结构破坏情况的动态监测，从而根据已有数据对结构破坏的发展进行预测，以便及时采取相应的防护措施。

Description

基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统及方法

技术领域

本公开涉及土木工程监测技术领域，特别是涉及基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统及方法。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将信息按一定规律转换成电信号，进行传输、处理、存储、显示、记录等。传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

十轴传感器，是四种传感器的组合：3轴加速传感器、3轴陀螺仪、3轴电子罗盘(地磁传感器)和一个压力传感器。四个部分作用不同，相互配合，是手机、平板电脑、游戏机等电子产品中常用的运动感测追踪元件，应用于各类软件、游戏中的交互控制。此外，还有GPS接收器和一个主处理器。主处理器用于采集传感器数据，运行航位推测算法和卡尔曼滤波算法。目前应用较广泛的是九轴传感器，而十轴传感器在其基础上增加了压力传感器，用于提高定位精确度。但无论是十轴传感器还是九轴传感器，都容易受到环境磁场及气流和天气状况等多方面的影响，对最终的结果造成干扰。

近年来我国地质灾害频发，严重地影响到了人民的生产生活以及生命财产安全。不仅破坏了大量的工程设施，同时也造成了巨大的经济浪费，极大地阻碍了我国的可持续发展的进行。为此，进行地质灾害防治技术的探讨分析具有极强的现实意义。然而，如果要减少地质灾害带来的损失，对灾难进行预测、预防是必须要解决的难题。

目前土木工程中多采用土工格栅做防护网，以稳定边坡。现阶段地质灾害的预测多通过观测结构的位移或变形量来实现，而位移或变形量仅通过肉眼观测所得到的结果受主观因素影响大，人为误差较大，且细微破坏以及内部区域的破坏无法通过肉眼观测，而现阶段的数值模拟由于缺乏实验对比，不具有代表性。现有的地质灾害预测方法受假设条件与实际存在较大不符的限制，所得预测结果往往与实测值之间存在较大差异，可靠性差，因此地质灾害预测方法有待进一步的研究。

现有技术中虽然存在利用阻值嵌入土工格栅方法利用电阻应变原理对地质结构进行数据采集，实现对地基位移的在线监测，但单个阻值系统采集的数据建立的模型容易出现数据偏差，没有纠错体制的系统在数据处理上也不够成熟，因此现在急需一种对于地质灾害中对结构造成破坏的可视化测试，又能够形成相互纠错的监测预警系统的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统及方法,本公开采用将十轴传感器、金属丝与土工格栅相结合的方法，利用十轴传感器实时收集土工格栅监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据；将金属丝连入电路，对金属丝电阻进行实时监测，进行后期数据处理与分析可得土工格栅监测点的变形量和位移，实现对结构破坏情况的动态监测，从而根据已有数据对结构破坏的发展进行预测，以便及时采取相应的防护措施。

基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，包括：数据采集模块、信息传输模块、控制模块、监测数据处理模块、监测数据管理模块、数据分析预测模块及移动服务端；

所述数据采集模块包括：阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅；

所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅通过所述信息传输模块将采集的数据分别传输到所述控制模块和监测数据处理模块对采集的数据进行进一步处理；

所述控制模块通过所述信息传输模块与所述监测数据处理模块进行数据交互；

所述监测数据管理模块一端与所述监测数据处理模块连接，一端与所述数据分析预测模块连接，另一端通过无线网络与所述移动服务端进行信息交互。

进一步的，所述阻值机敏格栅包括：土工格栅及金属丝；

所述金属丝外紧密包裹一层绝缘层；

多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内。

进一步的，所述十轴传感器阻值机敏格栅包括：土工格栅、金属丝及十轴传感器芯片；

所述土工格栅包括：上肋条及下肋条；

所述上肋条或下肋条中必有一方连接侧设有凹槽；

所述十轴传感器芯片外设有一层绝缘防护层，所述十轴传感器芯片通过粘结剂与绝缘防护层紧密连接，所述十轴传感器通过粘结剂嵌入所述凹槽中；

所述上肋条与下肋条通过超声波焊接无缝隙连接；

所述多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内。

进一步的，当地质灾害发生时，所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅也会发生变形并产生位移；

所述十轴传感器阻值机敏格栅嵌入的十轴传感器芯片能够采集监测点加速度、角度、角速度、磁场、海拔、气压及地理坐标的数据信息；

所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅中嵌入的金属丝随同土工格栅发生变形，导致电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流变化的数据信息；

所述监测数据处理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅在监测点实时采集的数据信息后，对采集的数据信息进行分析处理后得到三维层面的变形情况；

所述监测数据管理模块根据所述监测数据处理模块的处理结果对监测点坐标对应的阻值变化的三维层面变形情况与十轴传感器芯片采集处理的三维层面变形情况进行相互矫正。

进一步的，通过所述十轴传感器芯片分析得到的变形情况为第一变形量，通过所述金属丝得到的变形情况为第二变形量，对两组数据采集的变形情况进行相互较正；

当第一变形量和第二变形量大致相同且均超过限定值时；则认定地质结构被破坏；

当第一变形量和第二变形量数值大致相同且均未超过限定值时；则认定地质结构处于安全使用状态；

当第一变形量超过限定值，而第二变形量数据为0时；则认定地质结构被破坏，金属丝故障；

当第一变形量数据为0，而第二变形量超过限定值时；则认定地质结构被破坏，十轴传感器芯片故障。

进一步的，所述数据分析预测模块从所述监测数据管理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅采集的数据信息及相应的处理结果，并进行进一步预测分析；

所述数据分析预测模块将预测分析结果传输到所述监测数据管理模块；

所述监测数据管理模块通过图形、报表的方式向所述移动服务端进行分析预测结果展示。

进一步的，当所述数据分析预测模块预测的变形量或位移量超过了设定值时，所述监测数据管理模块向所述移动服务端发布预警消息。

进一步的，将所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅通过交叉结合的方式进行铺设；

所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅之间能够通过拼装方式进行连接。

基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统的使用方法，包括步骤如下：

十轴传感器阻值机敏格栅嵌入的十轴传感器芯片能够采集监测点加速度、角度、角速度、磁场、海拔、气压及地理坐标的数据信息；阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅中嵌入的金属丝随同土工格栅发生变形，导致电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流变化的数据信息；

监测数据处理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅在监测点实时采集的数据信息后，对采集的数据信息进行分析处理后得到三维层面的变形情况；

监测数据管理模块根据所述监测数据处理模块的处理结果对监测点坐标对应的阻值变化的三维层面变形情况与十轴传感器芯片采集处理的三维层面变形情况进行相互矫正。

数据分析预测模块从所述监测数据管理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅采集的数据信息及相应的处理结果，并进行进一步预测分析；

数据分析预测模块将预测分析结果传输到所述监测数据管理模块；

监测数据管理模块通过图形、报表的方式向所述移动服务端进行分析预测结果展示；

当所述数据分析预测模块预测的变形量或位移量超过了设定值时，所述监测数据管理模块向所述移动服务端发布预警消息。

进一步的，还包括步骤如下：

施工时，每一层阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅铺设完成后，随即通过控制模块及时对十轴传感器芯片与金属丝进行灵敏度调试；

阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅全部铺设完成后，进行初始化设置。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开通过将十轴传感器、金属丝嵌入到土工格栅中而获得的数据精准，可靠性强，可以准确地反映出地质结构内部的破坏情况，有助于对地质结构破坏的过程进行分析和研究，可以作为相关科学研究的辅助和对照，节省大量的野外实验时间，为地质破坏影响的研究提供依据。

2、本公开在实时观测土工格栅受力情况的同时，能够同步预测土工格栅后续的变形趋势，达到预测结构破坏趋势的目的，从而在裂缝发生初期，及时采取相应的补救措施，有利于工程安全，防止灾害的发生的同时也能节省大量的人力物力财力，经济可靠。

3、本公开相比于通过实验和数值模拟，能够通过在结构中布置层层叠加的嵌有十轴传感器芯片的阻值机敏格栅，从三维层次对结构的破坏情况进行分析监测，而不仅仅是通过肉眼观测，利用嵌入金属丝的土工格栅进行试验，实时观测结构破坏的整个发展过程，使得破坏的发展可视性和可控性增强。

4、本公开采用将金属丝和芯片嵌入土工格栅的方式，对土工格栅的功能特性影响较小，同时可进行量化生产，流水线操作，操作简单，施工方便，不需要进行二次操作，一次安装好即可使用。

5、本公开可通过多种方式进行校正，通过阻值机敏格栅的电阻应变原理，可以获得土工格栅的位移，而十轴传感器的芯片可以实时收集土工格栅监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，分析后也可得位移，两者获得的位移相互校正，可以验证结果的准确性。

6、本公开中的金属丝之间采用并联方式，可保证当其中一根金属丝发生故障时，其他金属丝能正常运作；而金属丝中的金属小段采用串联，可保证金属丝中任一部分出现故障时，整根金属丝停止运作，导致电路中的总电阻值大幅增大，可将故障锁定至某一确定的金属丝，节省时间人力物力，确保系统的稳定性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开的结构框架示意图；

图2为本公开的阻值机敏格栅的截面示意图；

图3为本公开的阻值机敏格栅的示意图；

图4为本公开的嵌有十轴传感器芯片的阻值机敏新型格栅截面示意图；

图5为本公开的嵌有十轴传感器芯片的阻值机敏新型格栅示意图；

图6为本公开的金属丝电路连接示意图；

图7为本公开的十轴传感器芯片嵌入土工格栅示意图；

其中，1为土工格栅，2为绝缘防护层，3为金属丝，4为十轴传感器芯片，5为上肋条，6为下肋条。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在地质灾害预测方法不足的问题，为了解决如上的技术问题，本公开提出了一种基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统及方法。

现阶段地质灾害对结构造成的破坏，仅能通过实验阶段的肉眼观测，或缺乏可靠实验的数值模拟阶段进行，但缺乏对比的实验和模拟，其可靠性有待探究。而通过土工格栅可以准确地反映出结构内部的破坏情况，获得的数据精准，可靠性强，有助于对结构破坏的过程进行分析和研究，可以作为相关科学研究的辅助和对照，节省大量的野外实验时间，为地质破坏影响的研究提供依据。

目前地质灾害的观测仅停留在肉眼可观阶段，地质灾害肉眼可观时，所造成的灾害可能已经无法补救，且补救耗费的人力物力财力及困难程度都将远远大于提前做好预防措施。而本公开提出的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，将在实时观测土工格栅受力情况的同时，同步预测土工格栅后续的变形趋势，达到预测结构破坏趋势的目的，从而在裂缝发生初期，及时采取相应的补救措施，有利于工程安全，也可节省大量的人力物力财力，经济可靠。

相比于通过实验和数值模拟，本公开中的测试系统通过在结构中布置层层叠加的嵌有十轴传感器芯片的阻值机敏格栅，可从三维层次对结构的破坏情况进行分析监测，而不仅仅是通过肉眼观测，利用嵌入金属丝的土工格栅进行试验，实时观测结构破坏的整个发展过程，使得破坏的发展可视性和可控性增强。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本公开的技术方案。

实施例1

如图1所示，为本公开的结构框架示意图；基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，包括：数据采集模块、信息传输模块、控制模块、监测数据处理模块、监测数据管理模块、数据分析预测模块及移动服务端。

数据采集模块包括：阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅；

阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅通过所述信息传输模块将采集的数据分别传输到所述控制模块和监测数据处理模块对采集的数据进行进一步处理；

控制模块通过所述信息传输模块与所述监测数据处理模块进行数据交互；

监测数据管理模块一端与所述监测数据处理模块连接，一端与所述数据分析预测模块连接，另一端通过无线网络与所述移动服务端进行信息交互。

如图2所示，为本公开的阻值机敏格栅的截面示意图；如图3所示，为本公开的阻值机敏格栅的示意图；阻值机敏格栅包括：土工格栅及金属丝；金属丝外紧密包裹一层绝缘层；多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内。

在一些实施例中，将金属丝选用三根，均匀嵌入在土工格栅内部，在防止金属丝故障导致部分数据无法采集。

十轴传感器阻值机敏格栅包括：土工格栅、金属丝及十轴传感器芯片；所述土工格栅包括：上肋条及下肋条；上肋条或下肋条中必有一方连接侧设有凹槽；十轴传感器芯片外设有一层绝缘防护层，所述十轴传感器芯片通过粘结剂与绝缘防护层紧密连接，所述十轴传感器通过粘结剂嵌入所述凹槽中；上肋条与下肋条通过超声波焊接无缝隙连接；多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内。

如图7所示，为本公开的十轴传感器芯片嵌入土工格栅示意图，在一些实施例中每个格栅横向和纵向均嵌入三根金属丝，确保每个十轴传感器芯片都有至少纵横各一根金属丝与十轴传感器芯片紧紧贴合设置，连接十轴传感器芯片的导线部分可从格栅的网孔沿格栅边缘接出，金属丝和芯片外部用绝缘层包裹住。在其他一些实施例中，金属丝可以为两根，可以为四根，根据土工格栅的宽厚不同及实际情况的不同，可以更改金属丝的数量及金属丝设置的位置。

在一些实施例中，将金属丝选用两根，均匀嵌入在土工格栅两侧，可以选择嵌入在土工格栅的上肋条中，可以选择嵌入在土工格栅的下肋条中，可以一根金属丝嵌入土工格栅的上肋条中另一根金属丝嵌入土工格栅的下肋条中，也可以选择在上肋条与下肋条嵌入两根金属丝，将芯片嵌入土工格栅中心位置，使金属丝与芯片之间相隔一定距离，便于两部分分别与土工格栅连接紧密，便于土工格栅的微小应变也能通过金属丝和芯片捕捉到。

本公开采用将金属丝和芯片嵌入土工格栅的方式，对土工格栅的功能特性影响较小，同时可进行量化生产，流水线操作，操作简单，施工方便，不需要进行二次操作，一次安装好即可使用。

将十轴传感器的芯片部分嵌入土工格栅中，基于十轴传感器的土工格栅由三部分组成，上肋条、下肋条以及十轴传感器的芯片部分，其中要求嵌入的芯片部分在保证性能稳定的情况下尽可能小，以确保嵌入部分不会影响格栅本身的强度特性，十轴传感器的芯片部分结构简单，体积小，可根据需要制成能满足其性能要求的最小尺寸，嵌入格栅中，实现收集数据的功能，同时为了避免芯片被空气或尘土腐蚀而影响其特性，应在芯片外添加一层绝缘防护层，在绝缘防滑层与格栅之间、芯片与绝缘防护层之间使用粘结剂，使其粘结紧密，以保证格栅的微小变化都能通过芯片感应到。上肋条与下肋条之间的连接可通过连接块经超音波焊接，使得上肋条与下肋条结合更加紧密，提高焊接部位的强度和抗剪力，增强其使用寿命。

基于十轴传感器的阻值机敏格栅破坏测试系统，是将十轴传感器的芯片部分和金属丝分别嵌入土工格栅中，其中在土工格栅中监测点选取格栅交叉点处，结合现有的工程实例，从实际工程中挑选出具有代表性的变形监测点进行着重监测。

本申请采用多种格栅结合的方法，将嵌有十轴传感器芯片的土工格栅埋入地基或坝体等需要监测变形的工程中，相对安全的部位可采用阻值机敏格栅，安全部位可采用普通土工格栅。而根据金属丝电阻大小随横截面积的增加而减小的原理，可将金属丝连入电路后嵌在土工格栅中。当地质灾害发生结构发生破坏变形时，土工格栅也随之变形并产生位移，格栅中十轴传感器的芯片部分感知变化，而金属丝随同土工格栅发生变形，导致电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，监测点实时收集数据，并将数据通过网络远程传送到服务器或云端存储，通过数据转存模块接收后进行数据转存处理，远程监控中心将数据库中数据接收回来，进行后期处理，通过金属丝得到的电阻数据以及通过十轴传感器得到监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，综合分析可计算得到土工格栅变形量和位移的变化，从而实现对结构破坏情况的监测，通过阻值机敏格栅的电阻应变原理，可以获得土工格栅的位移，而十轴传感器的芯片可以实时收集土工格栅监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，分析后也可得位移，两者获得的位移相互校正，可以验证结果的准确性。相邻监测点的数据也可互相校正，避免芯片或金属丝故障影响数据的获取，以确保获取数据的准确性。同时在系统中添加预测模块和远程监控中心模块，根据数据库中已有的数据，实时进行结构破坏的预测分析，可通过图形界面实时显示结构的受力情况和破坏趋势，当变形量或位移大小预测值超过一定值时，装置报警，发布预警消息，及时采取相应的防护措施，最终实现结构健康状态的自动化监测与预警。

要求十轴传感器在保证性能稳定的情况下尽可能小，金属丝对横截面积的变化反应灵敏，并且尽可能细一些，以保证嵌入的十轴传感器和金属丝不影响土工格栅的强度等性能参数，建议采用敏感栅，用厚度为0.003～0.101mm的金属箔栅状或用金属线制作，同时纵横交错的金属丝不能避开芯片部分，而应在芯片部分适当加密，当格栅变形使得芯片挤压变形或者损坏时，可通过金属丝电阻的变化来判断，从而能及时排除芯片故障而导致的数据不准的情况，以保证获得的所有数据都是真实有效的。

该系统采用加速度传感器和陀螺仪记录运动信息，使用加速度传感器测量土工格栅观测点。加速传感器是测量空间中各方向加速度的，可判断手机的加速方向和速度大小。陀螺仪是一种用于测量角度以及维持方向的设备，可以完整检测设备当前的旋转状态以监测位移。利用加速传感器和陀螺仪，基本可以描述设备的完整运动状态。但是随着长时间运动，也会产生累计偏差，不能准确描述运动姿态。电子罗盘(地磁传感器)利用测量地球磁场，通过绝对指向功能进行修正补偿，可以有效解决累计偏差，从而修正设备的运动方向、角度、力度和速度等。

本公开中的测试系统可通过多种方式进行校正，通过阻值机敏格栅的电阻应变原理，可以获得土工格栅的位移，而十轴传感器的芯片可以实时收集土工格栅监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，分析后也可得位移，两者获得的位移相互校正，可以验证结果的准确性。而金属丝之间采用并联方式，可保证当其中一根金属丝发生故障时，其他金属丝能正常运作；而金属丝中的金属小段采用串联，可保证金属丝中任一部分出现故障时，整根金属丝停止运作，导致电路中的总电阻值大幅增大，可将故障锁定至某一确定的金属丝，节省时间人力物力，确保系统的稳定性。

集成化传感器的数据准确度除了器件本身的精度外，还涉及到焊接装配后的矫正，以及针对不同应用的配套算法。合适的算法可以将来自多种传感器的数据融合，弥补了单个传感器在计算准确的位置和方向时的不足，从而实现高精度的运动检测。GPS接收器可以提供初始方位；检索地球偏转角信息，根据地理前进方向修正磁力计前进方向，但当设备保持静止时，GPS无法确定前进方向；无法检测高度(海拔高度)的细微变化。

但上述设备容易受到环境磁场及气流和天气状况等多方面的影响，对最终的结果造成干扰，因此将十轴传感器与阻值机敏格栅相结合，可互相校正结果，获得更为精准的数据和结果。

如图6所示，为本公开的金属丝电路连接示意图；将金属丝连入电路中，当发生地质灾害时，土工格栅受力发生机械变形，导致金属丝也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，监测点实时采集的数据，经过网络远程传输到云服务器，通过数据转存模块接收后进行数据转存处理，远程监控中心将数据库中数据接收回来，将电阻变化转化为位移大小，超过一定值时，装置报警，进行数据处理分析和图形界面显示，发布预警消息，最终实现结构健康状态的自动化监测与预警。

如图4所示，为本公开的嵌有十轴传感器芯片的阻值机敏新型格栅截面示意图；如图5所示，为本公开的嵌有十轴传感器芯片的阻值机敏新型格栅示意图。将十轴传感器的芯片和金属丝嵌入土工格栅中，通过金属丝得到的电阻数据以及通过十轴传感器得到监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，综合分析可计算得到土工格栅变形量和位移的变化，从而实现对结构破坏情况的监测，通过阻值机敏格栅的电阻应变原理，可以获得土工格栅的位移，而十轴传感器的芯片可以实时收集土工格栅监测点的加速度、角度、角速度、磁场等数据，分析后也可得位移，两者获得的位移相互校正，可以验证结果的准确性。

上述两种设置均可以得到位移，通过位移进行相互较正，设通过十轴传感器芯片分析得到的位移为第一变形量，通过金属丝得到的位移为第二变形量，两个参数共有以下四种组合情况：

通过十轴传感器芯片分析得到的变形情况为第一变形量，通过金属丝得到的变形情况为第二变形量，对两组数据采集的变形情况进行相互较正；

当第一变形量和第二变形量大致相同且均超过限定值时，则认定地质结构被破坏，此时结构已严重破坏，应立即采取相应措施，减少损失；

当第一变形量和第二变形量数值大致相同且均未超过限定值时，则认定地质结构处于安全使用状态；

当第一变形量超过限定值，而第二变形量数据为0时，则认定地质结构破坏，但金属丝故障；

当第一变形量数据为0，而第二变形量超过限定值时，则认定地质结构破坏，但芯片部分故障；

上述四种情况均基于所观测点的数据与相邻点数据相吻合的前提下所做出的判断，若观测点与相邻点数据无法吻合，则认为该组数据无效。而前两种情况均基于第一变形量和第二变形量大致相同，数据有效的前提下所做出的判断，若在第一变形量和第二变形量均有数值但相差较大，则认为该组数据无效。对于无效点，可通过相邻多个点的数据进行反演，得到该观测点的数据。按照用户所要求的误差，可对数据进行筛选，若观测点无效数据超过一定额度，则将整个观测点的数据均剔除，可防止因设备故障而导致所获得的数据不精准。

本系统可采用阻值机敏格栅及基于十轴传感器的阻值机敏新型格栅两种格栅相结合的方式，对于整个结构体可采用全面监测的方式，全面监测地质灾害体的变形情况，可利用阻值机敏格栅系统建立数据库，而对于需要重点监测的部位，采用嵌有十轴传感器芯片的新型格栅进行定点监测，重点监测变形缝、应力集中区等潜在变形处的变形情况，监测对象为变形、裂缝等潜在变形处。施工时每一层格栅铺设完成后，即进行系统调试，观察数据是否有误差较大的情况，以便及时进行格栅中传感器的灵敏度调试。待格栅全部铺设完成后，进行初始化设置。通过阻值机敏格栅可大面积的进行结构体的监测，一次性获取的数据全面准确，形成的数据库可靠性高，数据完整，对于后期工程的设计具有指导性意义。

阻值机敏格栅的监测数据主要是通过金属丝受到拉伸时的电阻变化反映格栅的应变情况，直接获得的是其二维层面的应力应变情况，三维层面的变形情况是通过分析二维层面每一层格栅的应力应变情况进行推算得到的，而嵌入十轴传感器芯片的新型格栅可直接通过获得的方位等数据计算得到三维层面的变形情况，因此二者的数据可互相校正，以保证获得的数据准确可靠，可作为数据库对后续该系统的实施提供依据。阻值机敏格栅可替代普通土工格栅，同时有针对性的使用新型格栅，此两种格栅均可进行流水线生产，施工方便，集防护与监测于一身，在实际工程可大规模推广。

将微分平行六面体的应变分量用该微体变形后在坐标平面上的投影来表明，可以求得应变分量与位移分量之间的关系：

其中，e_x，e_y，e_z分别表示沿坐标轴x，y，z方向的正应变分量。γ_xy，γ_yz，γ_zx，γ_yx，γ_zy，γ_xz分别表示微分各面间的剪应变分量，其中γ_xy和γ_yx代表的是同一个量，即过结构体内某点所引x及y方向的线元间夹角的改变量；此式称为几何方程，又称柯西方程，已知位移分量，由几何方程求偏导数可以得到应变分量。为了使变形的几何形象表示完全，引入三个分量——转动分量，得到立方微分体中对角线分别绕x轴、y轴和z轴的转角公式，通常用两倍的转角表示：

故六个应变分量和三个转动分量可以使物体内某点变形的几何形象表示完全。

设结构体中任一点M(x，y，z)变形后，该点由原来位置移至新的位置M′(x′，y′，z′)，

称为点M的位移，

在x，y，z三轴上的投影u，v，w称为该点的位移分量。符号规定：u，v，w与坐标轴方向一致为正，相反为负。

根据连续性假设，结构体中任一点M，当结构体发生变形后，都一一对应于相应的点M₁；位移分量是点坐标的单值连续函数，即

u＝u(x，y，z)

v＝v(x，yz)

w＝w(x，y，z)

ω_x，ω_y，ω_z分别表示立方微元体中对角线绕x轴、y轴、z轴的转动分量。

对结构体进行变形监测，一般包括位移监测和倾斜监测，以及与变形有关的物理量监测。位移监测分为地表的和地下的绝对位移监测和相对位移监测。绝对位移监测主要监测三维位移量、位移方向与位移速率，相对位移监测主要监测重点变形部位两侧点与点之间的相对位移量，包括张开、闭合、错动、抬升、下沉等。倾斜监测主要监测角変位与倾倒、倾摆变形及切层蜗滑。与变形有关的物理量监测一般包括应力监测、温度监测等。

本申请为集防护与监测于一身的基于十轴传感器的格栅位移测试系统，通过土工格栅实现防护目的，通过十轴传感器实现监测目的。对于工程中所应用的土工格栅，可根据其功能要求选用嵌有十轴传感器芯片的土工格栅，以达到防护和监测目的。

结构体变形监测网，应根据工程的地质特征、地形地貌特征和施测要求布设，监测网的布设应能达到系统监测结构体的变形量、变形方向，掌握其时空动态和发展趋势，满足预测预警精度等要求。

根据结构体的位移和应力应变等数据，将结构体健康状态分为稳定、基本稳定、潜在不稳定及不稳定四种状态，分别对应预警色标为蓝、黄、橙、红四种颜色，如表1预警等级分类表所示。为当出现黄色预警时，可能结构体仅产生局部变形破坏，应及时采取相应的防护措施，将损失降低到最小，以免变形破坏更加严重。当出现橙色预警时，结构体在现状下是稳定的，但安全储备不高，略高于临界状态，在设计工况条件下其向不稳定方向发展，在特殊工况条件下有可能失稳。当出现红色预警时，结构体在现状条件下即近于临界状态，且向不稳定方向发展，在设计工况条件下将部分失稳，应尽量避免红色预警出现，应在橙色和黄色预警阶段提升安全储备，使结构体处于稳定状态。

表1预警等级分类

等级	含义	应急响应级别	说明
				蓝色预警	灾害发生可能性较小	Ⅳ级	科技与管理人员掌握
黄色预警	灾害发生可能性较大(注意)	Ⅲ级	发布公众知晓
				橙色预警	灾害发生可能性大(预警)	Ⅱ级	建议公众采取预防措施
红色预警	灾害发生可能性很大(警报)	Ⅰ级	组织公众应急响应

基于十轴传感器的格栅位移测试系统中应用的预警等级及色标。根据地质灾害相应规范，以应变率、位移等要素作为分级指标，不同等级对应不同阈值。当预警等级为常规级时，可判断为一般无危害性，仅向系统运维发送警告，色标为绿色；当预警等级为预测级时，可判断为危害性一般，仅向系统运维与管理人员发送警告，色标为蓝；当预警等级为预警级时，可判断为危害性较重，通过短信向公众发送警告，色标为黄；当预警等级为预报级时，可判断为危害性严重，通过短信向公众建议采取预防措施，色标为橙；当预警等级为警报级时，可判断为危害性特别严重，通过短信及声光报警向公众发送警告，色标为红。

实施例2

基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统的使用方法，包括步骤如下：

十轴传感器阻值机敏格栅嵌入的十轴传感器芯片能够采集监测点加速度、角度、角速度、磁场、海拔、气压及地理坐标的数据信息；阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅中嵌入的金属丝随同土工格栅发生变形，导致电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流变化的数据信息；

监测数据处理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅在监测点实时采集的数据信息后，对采集的数据信息进行分析处理后得到三维层面的变形情况；

监测数据管理模块根据所述监测数据处理模块的处理结果对监测点坐标对应的阻值变化的三维层面变形情况与十轴传感器芯片采集处理的三维层面变形情况进行相互矫正。

数据分析预测模块从所述监测数据管理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅采集的数据信息及相应的处理结果，并进行进一步预测分析；

数据分析预测模块将预测分析结果传输到所述监测数据管理模块；

监测数据管理模块通过图形、报表的方式向所述移动服务端进行分析预测结果展示；

当所述数据分析预测模块预测的变形量或位移量超过了设定值时，所述监测数据管理模块向所述移动服务端发布预警消息。

还包括步骤如下：

施工时，每一层阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅铺设完成后，随即通过控制模块及时对十轴传感器芯片与金属丝进行灵敏度调试；

阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅全部铺设完成后，进行初始化设置。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，其特征是，包括：数据采集模块、信息传输模块、控制模块、监测数据处理模块、监测数据管理模块、数据分析预测模块及移动服务端；

所述数据采集模块包括：阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅；

所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅通过所述信息传输模块将采集的数据分别传输到所述控制模块和监测数据处理模块对采集的数据进行进一步处理；

所述控制模块通过所述信息传输模块与所述监测数据处理模块进行数据交互；

所述监测数据管理模块一端与所述监测数据处理模块连接，一端与所述数据分析预测模块连接，另一端通过无线网络与所述移动服务端进行信息交互；

所述阻值机敏格栅包括：土工格栅及金属丝；

所述金属丝外紧密包裹一层绝缘层；

多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内；

所述十轴传感器阻值机敏格栅包括：土工格栅、金属丝及十轴传感器芯片；

所述土工格栅包括：上肋条及下肋条；

所述上肋条或下肋条中必有一方连接侧设有凹槽；

所述十轴传感器芯片外设有一层绝缘防护层，所述十轴传感器芯片通过粘结剂与绝缘防护层紧密连接，所述十轴传感器通过粘结剂嵌入所述凹槽中；

所述上肋条与下肋条通过超声波焊接无缝隙连接；

所述多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内。

2.如权利要求1所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，其特征是，

当地质灾害发生时，所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅也会发生变形并产生位移；

所述十轴传感器阻值机敏格栅嵌入的十轴传感器芯片能够采集监测点加速度、角度、角速度、磁场、海拔、气压及地理坐标的数据信息；

所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅中嵌入的金属丝随同土工格栅发生变形，导致电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流变化的数据信息；

所述监测数据处理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅在监测点实时采集的数据信息后，对采集的数据信息进行分析处理后得到三维层面的变形情况；

所述监测数据管理模块根据所述监测数据处理模块的处理结果对监测点坐标对应的阻值变化的三维层面变形情况与十轴传感器芯片采集处理的三维层面变形情况进行相互矫正。

3.如权利要求2所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，其特征是，

通过所述十轴传感器芯片分析得到的变形情况为第一变形量，通过所述金属丝得到的变形情况为第二变形量，对两组数据采集的变形情况进行相互较正；

当第一变形量和第二变形量大致相同且均超过限定值时；则认定地质结构被破坏；

当第一变形量和第二变形量数值大致相同且均未超过限定值时；则认定地质结构处于安全使用状态；

当第一变形量超过限定值，而第二变形量数据为0时；则认定地质结构被破坏，金属丝故障；

当第一变形量数据为0，而第二变形量超过限定值时；则认定地质结构被破坏，十轴传感器芯片故障。

4.如权利要求2所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，其特征是，

所述数据分析预测模块从所述监测数据管理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅采集的数据信息及相应的处理结果，并进行进一步预测分析；

所述数据分析预测模块将预测分析结果传输到所述监测数据管理模块；

所述监测数据管理模块通过图形、报表的方式向所述移动服务端进行分析预测结果展示。

5.如权利要求4所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，其特征是，

当所述数据分析预测模块预测的变形量或位移量超过了设定值时，所述监测数据管理模块向所述移动服务端发布预警消息。

6.如权利要求1所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统，其特征是，

将所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅通过交叉结合的方式进行铺设；

所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅之间能够通过拼装方式进行连接。

7.如权利要求1所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统的使用方法，其特征是，包括步骤如下：

十轴传感器阻值机敏格栅嵌入的十轴传感器芯片能够采集监测点加速度、角度、角速度、磁场、海拔、气压及地理坐标的数据信息；阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅中嵌入的金属丝随同土工格栅发生变形，导致电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流变化的数据信息；

监测数据处理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅在监测点实时采集的数据信息后，对采集的数据信息进行分析处理后得到三维层面的变形情况；

监测数据管理模块根据所述监测数据处理模块的处理结果对监测点坐标对应的阻值变化的三维层面变形情况与十轴传感器芯片采集处理的三维层面变形情况进行相互矫正；

数据分析预测模块从所述监测数据管理模块获取所述阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅采集的数据信息及相应的处理结果，并进行进一步预测分析；

数据分析预测模块将预测分析结果传输到所述监测数据管理模块；

监测数据管理模块通过图形、报表的方式向所述移动服务端进行分析预测结果展示；

当所述数据分析预测模块预测的变形量或位移量超过了设定值时，所述监测数据管理模块向所述移动服务端发布预警消息；

所述阻值机敏格栅包括：土工格栅及金属丝；

所述金属丝外紧密包裹一层绝缘层；

多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内；

所述十轴传感器阻值机敏格栅包括：土工格栅、金属丝及十轴传感器芯片；

所述土工格栅包括：上肋条及下肋条；

所述上肋条或下肋条中必有一方连接侧设有凹槽；

所述十轴传感器芯片外设有一层绝缘防护层，所述十轴传感器芯片通过粘结剂与绝缘防护层紧密连接，所述十轴传感器通过粘结剂嵌入所述凹槽中；

所述上肋条与下肋条通过超声波焊接无缝隙连接；

所述多条金属丝横向纵向均匀排列，并通过粘结剂嵌入所述土工格栅内。

8.如权利要求7所述的基于十轴传感器的阻值机敏格栅变形测试系统的使用方法，其特征是，还包括步骤如下：

施工时，每一层阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅铺设完成后，随即通过控制模块及时对十轴传感器芯片与金属丝进行灵敏度调试；

阻值机敏格栅与十轴传感器阻值机敏格栅全部铺设完成后，进行初始化设置。

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