CN111442713A - 土体3d位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供的一种土体3D位移测量装置，包括：至少一个测量杆，其内设置有一或多个测量模块；埋入土体的测斜管，各测量杆通过销钉悬挂于测斜管内部；测斜管的外部固定安装磁环；测量模块包括：处理器、通信器、磁阻传感器、及倾角传感器；处理器用于采集位移数据与倾角数据，并通过通信器进行传输；各测量模块通过电源与通信电缆串联连接至数据采集终端，数据采集终端用于对各测量模块供电，将采集数据上传至云端。本申请所述土体3D位移测量装置可以连续工作，在实现实时分层位移测量的同时，还能完成深层土体水平位移的测量，解决了目前土体检测“检得慢、检不准、安装复杂”的难题，实现了土体内部位移变形的自动化、实时、连续监测。

Description

土体3D位移测量装置

技术领域

本申请涉及的及土体变形信息化监测技术领域，特别是涉及一种土体3D位移测量装置。

背景技术

各种建筑物的沉降、变形与承载土体有密切关系，为了保证建筑物，特别是道路、桥梁、地铁、高铁、大坝等的安全，必须对深层土体位移进行监测。山体土体滑坡、尾矿库变形、坝体变形、深基坑变形等深层土体水平位移监测是地质灾害监测系统中重要的监测项目之一，目前已经有固定测斜仪来解决这个问题。

软土区域多为淤泥、淤泥粘土和淤泥亚粘土，普遍具有含水量高压缩性、低透水性和低强度等特点，在地下工程施工时必须进行处理以保证施工安全。而仅仅利用地面沉降指标评估施工引起的环境效应并不够全面，必须利用土体分层位移来作为控制指标。

土体沉降观测分为表层(地表)沉降观测、深层(分层)沉降观测和断面沉降观测；土体深层(分层)沉降观测主要通过在土体里埋设沉降标实现；埋设的分层沉降标可以贯穿整个软土层，使用同一个测量孔，可以测量某一土层或者各个土层的位移变化。

土体分层沉降监测是常用的测量土体竖向位移的一种监测方法。广泛用于基坑、边坡、隧道及道路施工等的地层竖向位移监测。

传统测量方法包括深标水准仪法，但一个测量孔只能测量一个土层位移变化，且不适用于软土层；

另一个传统的手工测量方法是磁环式沉降法，原理是在土体中安装一根垂直竖管(沉降管)，竖管外每隔一定距离套设一个磁环，地层位移时带动磁环同步位移，利用在竖管中的磁检头测出各磁环初始位置和位移后的位置，二者比较，测量位移量；磁环式沉降法通常由沉降测量仪实现，整个测量系统包括：对磁性材料敏感的探头、带刻度的标尺、电感探测装置以及埋设于土层中的沉降磁环和沉降管组成。沉降测量仪具有测量方法简单、操作简便、受环境影响小、地质适应能力强的特点，但是由于磁环难以准确固定在竖管上，造成磁环使用数量高，另外磁环与对应土层没有实现机械连接，测量孔质量对测量精度影响大、实时性差，无法实现自动化测量；

目前可以用于自动化测量的测量方法是线性位移测量法，实际产品通常称为多点位移计；一般使用振弦式位移计测量位移；一个标准的多点位移计包括，(1)钻孔灌浆锚头(或其他形式锚头)；(2)不锈钢测杆及其保护管；(3)位移计测量头组件及其护罩。在应用时，多点位移计测量头固定在地面上；每个振弦式位移传感器由不锈钢测杆(带保护管)连接到各土层的锚头，锚头位置对应不同土层，安装锚头数量就是土体分层数量；通过测量锚头的位移，获得土层的位移变化量(分层位移量)；

多点位移计测量能力有限，尽管配套振弦读数仪能实现自动化数据采集，但采集频次低；在土体变形过大时，设备容易损坏；设备重量大，可靠性差，安装复杂且难度高，容易出错；由于体积与重量限制，一个测量孔最多安装6个锚头；尽管有不同类型的锚头，但在与测量土层结合力差，难以准确反应实际土层变化。

现有的土体分层位移测量方法存在一些缺点，包括：

1)目前主要依赖人工的磁环式沉降法，工作量大，没有自动化测试的方法；

2)多点位移计方式中，测量孔中活动的锚头实际上与周边土层没有直接连接，土层位移变化反应要透过回填土(砂浆、泥浆)传感到，准确性与实时性差，特别是安装初期，回填土不稳定时；

3)多点位移计安装复杂，难度高，安装维护成本过高；

综上，针对软土土体分层位移的现有测量方法和设备，难以实时、准确、稳定完成土体分层位移测量，也未见分层位移与土体深层位移统一自动化测量的应用。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种土体3D位移测量装置，以解决现有技术中至少一个的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种土体3D位移测量装置，所述装置包括：至少一个测量杆，其内设置有一或多个测量模块；埋入土体的测斜管，各所述测量杆通过销钉悬挂于所述测斜管内部；所述测斜管的外部通过水溶性材料固定安装至少一个磁环；所述测量模块包括：处理器、通信器、磁阻传感器、及倾角传感器；其中，所述磁阻传感器于所述磁环的组合用于测量土体上下分层的位移数据；所述倾角传感器用于测量所述测量杆的倾角数据；所述处理器用于采集位移数据与倾角数据，并通过通信器进行传输；各所述测量模块通过电源与通信电缆串联连接至设于地面的数据采集终端，所述数据采集终端用于对各所述测量模块供电，以及将采集数据上传至云端。

于本申请的一实施例中，所述磁阻传感器为全极型磁开关传感器；所述磁阻传感器为多个时，各所述磁阻传感器为交错安装，且在电路板正反面均有安装。

于本申请的一实施例中，通过安装不同数量的所述磁阻传感器，以调整测量土体的位移量程。

于本申请的一实施例中，所述磁环测量土体上下分层位移数据的精度，能通过各所述磁阻传感器之间的距离进行调整。

于本申请的一实施例中，多个所述磁阻传感器与适配的多等值电阻串联连接以组成磁阻传感器组；在磁环移动时，会形成一个串联电阻网络；其中，该串联电阻网络的测量阻值取决于各所述磁阻传感器串联的电阻值和磁环的位置。

于本申请的一实施例中，所述测量杆内设置的所述测量模块安装于与所述磁环同一水平位置上。

于本申请的一实施例中，所述测量杆与测斜管放置于预先在地面土体上打出的检测孔内，所述磁环与土层固定。

于本申请的一实施例中，所述装置包括多个测量杆，各所述测量杆可首尾级联设置，以用于监测土体不同深度的数据；不同测量杆内的测量模块通过电源与通信电缆串联。

于本申请的一实施例中，所述测量模块采用聚氨酯密封封装，并通过挤压方式固定于所述测量杆中。

于本申请的一实施例中，所述测量模块还包括：电源装置、电压检测装置、温度传感器、及定位装置中任意一种或多种组合。

综上所述，本申请的一种土体3D位移测量装置，所述装置包括：至少一个测量杆，其内设置有一或多个测量模块；埋入土体的测斜管，各所述测量杆通过销钉悬挂于所述测斜管内部；所述测斜管的外部通过水溶性材料固定安装至少一个磁环；所述测量模块包括：处理器、通信器、磁阻传感器、及倾角传感器；其中，所述磁阻传感器于所述磁环的组合用于测量土体上下分层的位移数据；所述倾角传感器用于测量所述测量杆的倾角数据；所述处理器用于采集位移数据与倾角数据，并通过通信器进行传输；各所述测量模块通过电源与通信电缆串联连接至设于地面的数据采集终端，所述数据采集终端用于对各所述测量模块供电，以及将采集数据上传至云端。

本申请具有以下有益效果：

相对现在使用的振弦式土体分层位移计、固定测斜仪等方式，本申请所述土体3D位移测量装置可以连续工作，在实现实时分层位移测量的同时，还能完成深层土体水平位移的测量；解决了目前土体检测“检得慢、检不准、安装复杂”的难题，实现了土体内部位移变形的自动化、实时、连续监测。

附图说明

图1显示为本申请于一实施例中的土体3D位移测量装置的结构示意图。

图2显示为本申请于一实施例中的测量模块的模块示意图。

图3显示为本申请于一实施例中的土体3D位移测量装置的截面示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

鉴于上述针对土体分层位移的检测的难题，尤其是软土土体。本申请提供一种土体3D位移测量装置，以解决传统磁环式沉降法不能自动化测量问题，同时结合固定测斜仪与磁环式自动分层测量，实现了土体变形三维方向的测量。

如图1所示，展示为本申请一实施例中的土体3D位移测量装置的结构示意图。如图所示，所述装置包括：至少一个测量杆1，其内设置有一或多个测量模块2。当测量杆1有多个时，各所述测量杆1可首尾级联设置，以用于监测土体不同深度的数据。

优选地，所述测量杆1主要用于作为多种测量模块2的载体和保护，也可称为智慧杆，其内适配安装一体封装的测量模块2，所述测量杆1一方面作为测量模块2的承载件，另一方面还作为保护件。

需要说明的是，具有刚性、级联的测量杆1能保证将测量模块2送达到指定深度土层进行测量；为了保证测量可靠性，每节测量杆1均可安装一或多个测量模块2，这样在一个土层中会形成有多个测量值，有利于实现精确的土体扰动分析；从另外一个角度，为了控制监测成本，也可以在指定土层安装一或多个磁环4，同时仅在磁环4对应的水平位置相应安装一测量模块2即可，以此可有效兼容高精度与低成本要求。

不同测量杆1内的测量模块2通过电源与通信电缆6串联，各所述测量模块2通过电源与通信电缆6串联连接至设于地面的数据采集终端7，所述数据采集终端7用于对各所述测量模块2供电，以及将采集数据上传至云端。

从地面开始，通过测量杆1级联可实现更深位置的测量模块2的级联；在地面，通过数据采集终端7，所有测量数据可通过电源与通信电缆6获取，并上传云端。

所述装置还包括：埋入土体的测斜管3，各所述测量杆1通过销钉悬挂于所述测斜管3内部；其中所述测斜管3为非等壁厚测斜管(标准规格的)。

所述测斜管3的外部通过水溶性材料固定安装有至少一个磁环4。举例来说，所述磁环4先通过水溶性材料与测斜管3固定，如采用水溶纸带。所述磁环4随所述测斜管3一同进行安装，放置于预先在地面土体上打出的检测孔内，然后通过回填土，将磁环4与测斜管3埋入土体，然后在磁环4上方位置进行浇水，因为水溶纸带具有水溶性，水溶纸带会慢慢断开，从而磁环4就能自由在土体中被上下移动.。

如图2所示，所述测量模块2包括：处理器21、通信器22、磁阻传感器23、及倾角传感器24；其中，所述磁阻传感器23于所述磁环4的组合用于测量土体上下分层的位移数据；所述倾角传感器24用于测量所述测量杆1的倾角数据；所述处理器21用于采集位移数据与倾角数据，并通过通信器22进行传输。

于本实施例中，所述测量杆1与测斜管3放置于预先在地面土体上打出的检测孔内，所述磁环4与土层固定。

于本实施例中，为了保证磁环4上下移动均能被有效测量到，在安装时需要所述测量杆1内设置的所述测量模块2安装于与所述磁环4同一水平位置上。其中，在实际安装场景中，由于磁环4安装位置可以临时固定在测斜管上，测量杆1长度也可以固定，所述测量杆1内的测量模块2的安装位置便可以通过简单计算得到。在实际应用中，还可以通过上下移动测量杆1，根据测量数据变化，调整所述测量模块2(具体是磁阻传感器23)与外部磁环4的相对位置。

所述磁阻传感器23(或叫变磁阻式传感器)属于电感式传感器的一种。例如，本申请可以选择隧道磁阻传感器23(TMR Sensor-Tunneling Magnetoresistance Sensor)开关传感器产品，包括双极和全极两种数字输出TMR开关，能提供高灵敏度、高频响、超低功耗和高精度的磁触发数字开关。TMR开关传感器集成了采用高精度推挽式半桥TMR磁传感器和CMOS集成电路，包括TMR电压发生器、比较器、施密特触发器和CMOS输出电路，能将变化的磁场信号转化为数字电压信号输出。TMR开关传感器通过内部电压稳压器来提供温度补偿电源，并允许宽的工作电压范围。TMR开关传感器以低电压工作、极高响应频率、微安级的供电电流、宽的工作温度范围和高ESD耐压成为众多开关类应用的理想选择。更精密的测量需求时，我们选择模拟信号输出的磁阻式传感器，可以用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其他参数力、张力、压力、压差、应变、转短、速度和加速度等；它的灵敏度高分辨率大，能测出0.01um甚至更小的机械位移变化，能感受小到0.1的微小角度变化，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每一毫米可达数百毫伏，因此有利于信号的传输与放大。

于本实施例中，所述磁阻传感器23结构简单，工作中没有活动电接触点，寿命长。

优选地，所述磁阻传感器23为全极型磁开关传感器。采用隧道磁电阻(TMR)技术，开漏输出，具有超低功耗，连续工作模式下1.5μA；固态开关，封装尺寸SOT-23，体积小，易于安装，分辨率高，支持多个串联使用；磁开关传感器导通电阻10欧姆左右，磁开关传感器关闭时，关断电阻极大。在本申请中，通过处理器21测量所述磁阻传感器23导通电阻的大小可实现对磁环4位置的检测，即实现该土层的上下位移的测量。

于本实施例中，所述磁阻传感器23为多个时，为了提高TMR磁阻传感器23测量方法的精度，各所述磁阻传感器23为交错安装，且在电路板正反面均有安装。其中，交错安装是指电路板一面的磁阻传感器23位置一次交错有序的安装。

进一步地，所述测量模块2中还可将多个磁阻传感器23和配套的多等值电阻构成串联连接方式，组成为1个磁阻传感器23组。在磁环4移动时，会形成一个串联电阻网络，这个电阻网络的测量阻值取决于各磁开关传感器串联的电阻值和磁环4的位置。

于本实施例中，通过安装不同数量的所述磁阻传感器23，以调整测量土体的位移量程。另外，如果需要实现各测量杆1位置的土层上下位移的精准测量，还能通过各所述磁阻传感器23之间的距离进行调整。

举例来说，在目前的工艺条件下，优选磁阻传感器23的最小尺寸：3mm，这样如果通过6个磁开关传感器的交错安装，假设本装置安装200多个磁开关传感器，便能实现量程100mm位移测量，其位移测量精度优于0.5mm，200个磁开关传感器的总耗流小于1mA。

于本实施例中，测量模块2还安装了倾角传感器24，通过测量每个测量杆1的倾角变化，经过几何运算，能测量出土体深层两个正交方向的位移。再结合磁阻传感器23测量的对应的土体分层位移数据，就可以获得该测量杆1位置的土体三维变形数据。

于本实施例中，所述测量模块2采用聚氨酯密封封装，并通过挤压方式固定于所述测量杆1中。胶体封装的测量模块2可实现内部器件的高等级防护，不仅防水、防尘，而且具有高机械强度，胶体表面耐压性能高，能长期在土体中使用。

优选地，所述通信器22采用NB-IOT通信方式。窄带物联网(Narrow Band Internetof Things，NB-IOT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IOT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。于本申请中，采用NB-IOT通信方式。

于本实施例中，所述测量模块2还包括：电源装置25、电压检测装置26、温度传感器27、及定位装置28。

其中，所述电源装置25可通过电源与通信电缆6与外部数据采集终端7相连，并由数据采集终端7对电源装置25供电；所述电压检测装置26可以监测电量与工作状态，便于设备管理与维护；所述温度传感器27可用于温度数据检测，以辅助分析土体位移情况；所述定位装置28可对布设的所述土体3D位移测量模块2进行精准定位和跟踪。

如图3所示，展示为本申请于一实施例中所述土体3D位移测量装置的截面示意图。

于本申请中，所述土体3D位移测量模块2的安装过程可简述如下：

先在地面土体上用工程钻探机钻出一个检测孔(洞)，检测孔(洞)内安装一测斜管3，该测斜管3为非等壁厚圆管，是一种通过预埋在地下用于观测土体内部水平位移的测量管，并在需要测量分层位移土层深度的位置，在测斜管3外部安放用于测量的磁环4；在测斜管3内，放置能够级联的测量杆1。由于测斜管3的长度与测量杆1的长度均为固定值，因此可以在对应磁环4的位置的测量杆1位置安装测量模块2。

磁环4采用传统磁环式沉降法使用的磁环，磁环4安装在测斜管3外侧，与土层固定，随土层变化而上下移动。根据地层位移时带动磁环4同步上下移动，通过安装在测量杆1轴线上的磁阻传感器23检测磁环4的位移，从而实现土体分层位移的测量。与此同时，通过测量杆1内固定安装的倾角传感器24的角度变化检测，还可实现土体深层位移的测量；这样在安装了磁环4的土体位置，能实现该段土体三个维度的测量(深层土体水平位移两个正交方向与分层位移测量)。测量模块2与电源与通信电缆6在测量杆1内受到保护，可靠性高。

另外，各所述测量模块2通过电源与通信电缆6串联连接至设于地面的数据采集终端7，所述数据采集终端7用于对各所述测量模块2供电，以及将采集数据上传至云端。优选地，地面配套的数据采集终端7可为常规无线检测设备，对各所述测量模块2供电，完成数据信息采集并上传云端。

需要说明的是，本申请与现有技术相比，主要特点包括：

1)任意级联模式，可以测量指定土体深度(不同土层)的分层位移测量；

2)通过测量模块2检测磁环4位置变化来测量土体分层位移，可靠性高，精度高；

3)可以与固定的倾角测量模块2组合，在同一个测斜孔中同时完成土体分层位移测量与深层土体水平测量，实现土体三维位移监测(现在自动化监测没有实现)；

相对现在使用的振弦式土体分层位移计、固定测斜仪等方式，本申请可以连续工作，在实现实时分层位移测量的同时，完成了深层土体水平位移的测量。本申请所述的土体3D位移测量模块2解决了目前土体变形监测“检得慢、检不准、安装复杂”的难题，实现了土体内部位移变形的自动、实时、连续监测。

综上所述，本申请提供的土体3D位移测量装置，所述装置包括：至少一个测量杆，其内设置有一或多个测量模块；埋入土体的测斜管，各所述测量杆通过销钉悬挂于所述测斜管内部；所述测斜管的外部通过水溶性材料固定安装至少一个磁环；所述测量模块包括：处理器、通信器、磁阻传感器、及倾角传感器；其中，所述磁阻传感器于所述磁环的组合用于测量土体上下分层的位移数据；所述倾角传感器用于测量所述测量杆的倾角数据；所述处理器用于采集位移数据与倾角数据，并通过通信器进行传输；各所述测量模块通过电源与通信电缆串联连接至设于地面的数据采集终端，所述数据采集终端用于对各所述测量模块供电，以及将采集数据上传至云端。

本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种土体3D位移测量装置，其特征在于，所述装置包括：

至少一个测量杆，其内设置有一或多个测量模块；

埋入土体的测斜管，各所述测量杆通过销钉悬挂于所述测斜管内部；所述测斜管的外部通过水溶性材料固定安装至少一个磁环；

所述测量模块包括：处理器、通信器、磁阻传感器、及倾角传感器；

其中，所述磁阻传感器于所述磁环的组合用于测量土体上下分层的位移数据；所述倾角传感器用于测量所述测量杆的倾角数据；所述处理器用于采集位移数据与倾角数据，并通过通信器进行传输；

各所述测量模块通过电源与通信电缆串联连接至设于地面的数据采集终端，所述数据采集终端用于对各所述测量模块供电，以及将采集数据上传至云端。

2.根据权利要求1所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述磁阻传感器为全极型磁开关传感器；所述磁阻传感器为多个时，各所述磁阻传感器为交错安装，且在电路板正反面均有安装。

3.根据权利要求2所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，通过安装不同数量的所述磁阻传感器，以调整测量土体的位移量程。

4.根据权利要求2所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述磁环测量土体上下分层位移数据的精度，能通过各所述磁阻传感器之间的距离进行调整。

5.根据权利要求2所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，多个所述磁阻传感器与适配的多等值电阻串联连接以组成磁阻传感器组；在磁环移动时，会形成一个串联电阻网络；其中，该串联电阻网络的测量阻值取决于各所述磁阻传感器串联的电阻值和磁环的位置。

6.根据权利要求1所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述测量杆内设置的所述测量模块安装于与所述磁环同一水平位置上。

7.根据权利要求1所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述测量杆与测斜管放置于预先在地面土体上打出的检测孔内。

8.根据权利要求1所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述装置包括多个测量杆，各所述测量杆可首尾级联设置，以用于监测土体不同深度的数据；不同测量杆内的测量模块通过电源与通信电缆串联。

9.根据权利要求1所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述测量模块采用聚氨酯密封封装，并通过挤压方式固定于所述测量杆中。

10.根据权利要求1所述的土体3D位移测量装置，其特征在于，所述测量模块还包括：电源装置、电压检测装置、温度传感器、及定位装置中任意一种或多种组合。

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