CN111521303A - 岩体应力无线实时监测装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩体应力无线实时监测装置及监测方法，所述装置为圆柱形壳体加支撑框架，所述支撑框架将壳体侧壁分为相等的四个区域，在壳体外壁设置压阻薄膜、压电薄膜，内设模拟开关电路、测量及传输电子电路，壳体外壁设有3D磁感应天线。本发明结构简单、易安装、可组阵列布局，对于岩质边坡监测具有实用性。结构特殊，不仅能保护本发明内部电路，且将壳体分为四个独立区域，各区域变形互相不干扰，保证了数据的准确性，还能实现三维方向上的监测。本发明采用磁感应通信方式，克服了无线射频方式在岩体等地质介质中传输信号的高损耗和不稳定缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及一种应力监测装置及方法，尤其涉及一种岩体应力无线实时监测装置及测量方法。
背景技术
对于岩质边坡及滑坡体上的岩石而言，地震会使其产生裂缝，加上岩体自身结构等原因，都会使岩体的内应力集中，从而导致岩体破坏，往往以岩石崩塌和倾落的形式形成地质灾害。这种崩塌和倾落的发生，往往很突然和“无预兆”，造成传统的位移、角度等监测方法不能很好预测这类灾害的发生。因此，对岩体本身受力状态进行监测显得十分必要和有效。
目前岩体的内部应力监测方法主要有：水压致裂法、深钻孔套芯应力解除法、扁千斤顶法。从工程应用实践效果来看，这些方法需要人工值守，很难实现长期实时监测，已不能满足当前对岩土工程的长期健康监测需求。
根据文献调研，中国专利ZL201611102033.2介绍了一种岩体应力发展长期实时监测及岩爆预警可视化装置及方法，但是该装置对岩体内部深层的应力监测会造成装置尺寸过大，影响岩体内部应力场和测量精度；中国专利ZL 201920487809.X介绍了埋入式压力传感器，传感器只能测量一维的应力变化，并且在岩体中的无线射频方式传输效果并不好，随着埋入深度的增加，其无线传输丢包率大大增加，有效通信距离一般在1米以内；中国专利ZL 201110226050.8介绍了一种埋入式混凝土结构动力损伤全过程空间应力传感器，但是传感器对静态缓慢变化的应力监测不好，采用的有线传输方式，限制了其在地下空间的应用。
因此，现有的岩质边坡内应力监测装置仍然存在一些问题，并不能很好地满足当前岩体内应力监测的需求，所以需要能长期监测、易安装、传输稳定的监测装置。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，结构简单可靠、使用安装方便、能实现三维应力监测、动态和静态应力监测、数据无线传输，且能长期监测、易安装、传输稳定的岩体应力无线实时监测装置及测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种岩体应力无线实时监测装置，包括内部空心的圆柱形的壳体，所述壳体采用不锈钢材料制成，壳体内设有一支撑框架，所述支撑框架由纵横交错的支撑柱构成正四棱柱，且为壳体的内接正四棱柱，与壳体内壁相接的四条支撑柱将壳体侧壁分为相等的四个区域；
壳体外壁设有两个与其横截面平行的环形设置带，一环形设置带内设有四片压阻薄膜，所述压阻薄膜一一对应分布在四个区域中，一环形设置带内设有四片压电薄膜，所述压电薄膜一一对应分布在四个区域中；壳体两端面还设有两片压阻薄膜；
所述支撑框架内设有模拟开关电路、测量及传输电子电路，壳体外壁设有3D磁感应天线；
所述测量及传输电子电路包括微控制器、信号调理和温度补偿模块、天线驱动电路、以及为各用电单元供电的供电电路；
所述压阻薄膜、压电薄膜经模拟开关电路连接信号调理和温度补偿模块的输出端，信号调理和温度补偿模块的输出端连接微控制器的A/D口，所述微控制器的输出端经天线驱动电路连接3D磁感应天线；
其中，压阻薄膜用于将静态的应力变化转变为模拟电压信号，压电薄膜用于将动态的应力响应转变为电压信号，所述信号调理和温度补偿模块用于获取电压信号，经补偿和放大，送入微控制器中；
所述微控制器用于控制模拟开关电路的选通，以及将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送。
作为优选：所述压阻薄膜、压电薄膜采用PDMS柔性材料制成，壳体外壁设有供压阻薄膜、压电薄膜嵌入的凹槽，压阻薄膜、压电薄膜分别经环氧树脂粘附在对应的凹槽内，且表面涂刷有环氧树脂层。
作为优选：所述支撑框架内设有支撑板，所述微控制器、供电电路安装在支撑板上。
作为优选：所述供电电路为大容量电池，所述微控制器采用STM32L系列微控制器；信号调理和温度补偿模块采用PGA900。
作为优选：所述模拟开关电路为10通道，与压阻薄膜、压电薄膜一一对应连接，形成十个独立通道。
作为优选：所述3D磁感应天线为由线圈绕成的磁感应天线，位于壳体的一端，且3D磁感应天线外设有保护壳。
一种岩体应力无线实时监测装置的测量方法，包括以下步骤：
（1）建立一岩体应力无线实时监测装置；
（2）在监测现场打一钻孔，钻孔的直径大于壳体直径，将岩体应力无线实时监测装置放入钻孔内，3D磁感应天线所在的一端朝上，并在壳体与钻孔内壁的缝隙中灌入环氧树脂进行填充和固定，再灌浆混凝土填实钻孔；
（3）启动岩体应力无线实时监测装置；
（4）微控制器对模拟开关电路的通道地址进行控制，由模拟开关电路切换不同的通道，把每个通道的电压信号依次送入信号调理和温度补偿模块，经信号调理和温度补偿模块补偿和放大后，送入微控制器中；
（5）微控制器将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
（6）所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送。
作为优选：步骤（1）时，监测现场设有地面接收设备，还包括步骤（7）所述地面接收设备用于接收3D磁感应天线发送的信号。
本发明中，壳体为圆柱形的，以很好的契合实际的钻孔，可以让壳体与岩壁尽可能的贴合，这样可以让壳体上的薄膜与岩体更好的接触提高感测灵敏度，并且可以减小装置与岩体中间填充物对岩体应力测量的误差影响。
壳体采用不锈钢材料制成，受到挤压后会产生微小的形变；这是因为当壳体受到过大的挤压后，不锈钢壳体可以产生微小的弹性形变，而不会直接被压裂造成装置的破坏，是对装置的过载保护；并且在这种挤压减弱后壳体可以恢复到原来的位置从而与岩壁继续保持契合，从而一直保持薄膜与岩壁的紧密接触，实现对岩体的内部应力的变化波动的真实反映。
支撑框架为壳体的内接正四棱柱，不仅能起到支撑壳体、保护内部电路结构的作用，还能将壳体侧壁分为相等的四个区域，由于支撑框架能将壳体侧壁分为四个区域，相邻区域之间由支撑柱支撑，所以每个区域的变形互相不干扰。
本发明中，压阻薄膜和压电薄膜受到应力的作用电阻率发生变化从而引起电阻变化，压阻薄膜把静态的应力变化转变为电压的变化，压电薄膜把冲击或振动等瞬时动态的应力响应转变为电压的响应。
压阻薄膜和压电薄膜使用PDMS柔性材料制成，经环氧树脂粘附在对应的凹槽内，且表面涂刷有环氧树脂层，从而让薄膜得到更好防护。且由于薄膜分布在壳体侧壁四个方向，及两端面，所以可以实现X轴、Y轴、Z轴三个方向的应力监测。
参见图4，我们假设四个独立的区域，分别为图4中的A区域、B区域、C区域、D区域。则薄膜正好分布在四个区域中。通过判断各位置薄膜上的应力分布情况，分析岩体该位置的空间应力分布情况。当岩体发生应力重分布，根据A、B、C、D四区域薄膜受到的应力大小，若A区域薄膜的应力是最大的则发生应力集中的的地方就靠近A区域，通过在岩体内放置的多个薄膜的应力大小状态，可以估测岩体内的发生应力集中的位置。
薄膜的特点是可以反映应力在其上的分布情况，即可以分辨出薄膜上应力集中的区域，这样可以呈现任一ABCD位置的岩体在装置几何空间上的应力分布。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
（1）本发明结构简单、易安装、可组阵列布局，对于岩质边坡监测具有实用性。
（2）本发明的不锈钢壳体可以产生微小的弹性形变，受到挤压后会产生微小的形变，能保护本发明整体不会直接被压裂造成装置的破坏，支撑框架不仅能起到支撑壳体、保护内部电路结构的作用，还能将壳体侧壁分为相等的四个区域，使每个区域的变形互相不干扰，保证了数据的准确性。
（3）该装置在侧面和上下端面均布设传感器，且既有对静态应力监测的压阻式，也有动态响应更好的压电式，可以实现全向的动静结合的实时岩体应力监测。其中，本发明基于壳体和支撑框架的相对位置关系，能在壳体的横截面建立坐标系，从而将压阻薄膜和压电薄膜分别对应设置在坐标系的四个象限内，实现X轴、Y轴形成的平面的监测，而本发明还在壳体的上下端面也布设了压阻薄膜，从而实现Z轴方向的监测。
（4）该装置摈弃了传统的无线射频传输方式，而选择磁感应通信方式，克服了无线射频方式在岩体等地质介质中传输信号的高损耗和不稳定缺陷。
（5）该装置体积小巧，通过对整个岩质边坡不同深度布置传感器，可实现整个岩质边坡内部的二维或三维的应力状态图，更好地服务灾害监测预警。
（6）本发明采用微控制器控制模拟开关电路，从而区分压阻薄膜和压电薄膜，并获取压阻薄膜和压电薄膜的数据。
附图说明
图1为本发明主视图；
图2为图1的A向剖视图；
图3为本发明电路原理框图；
图4为本发明ABCD四个区域分布图；
图5为本发明应用示意图；
图中：1、壳体；2、支撑柱；3、压阻薄膜；4、压电薄膜；5、支撑板；6、保护壳；7、微控制器；8、供电电路；9、磁感应接收及射频发射机。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1-图4，一种岩体应力无线实时监测装置，包括内部空心的圆柱形的壳体1，所述壳体1采用不锈钢材料制成，壳体1内设有一支撑框架，所述支撑框架由纵横交错的支撑柱2构成正四棱柱，且为壳体1的内接正四棱柱，与壳体1内壁相接的四条支撑柱2将壳体1侧壁分为相等的四个区域；
壳体1外壁设有两个与其横截面平行的环形设置带，一环形设置带内设有四片压阻薄膜3，所述压阻薄膜3一一对应分布在四个区域中，一环形设置带内设有四片压电薄膜4，所述压电薄膜4一一对应分布在四个区域中；壳体1两端面还设有两片压阻薄膜3；
所述支撑框架内设有模拟开关电路、测量及传输电子电路，壳体1外壁设有3D磁感应天线；
所述测量及传输电子电路包括微控制器7、信号调理和温度补偿模块、天线驱动电路、以及为各用电单元供电的供电电路8；
所述压阻薄膜3、压电薄膜4经模拟开关电路连接信号调理和温度补偿模块的输出端，信号调理和温度补偿模块的输出端连接微控制器7的A/D口，所述微控制器7的输出端经天线驱动电路连接3D磁感应天线；
其中，压阻薄膜3用于将静态的应力变化转变为模拟电压信号，压电薄膜4用于将动态的应力响应转变为电压信号，所述信号调理和温度补偿模块用于获取电压信号，经补偿和放大，送入微控制器7中；
所述微控制器7用于控制模拟开关电路的选通，以及将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送。
实施例2：参见图1-图4，一种岩体应力无线实时监测装置，其结构同实施例1，在实施例1的基础上，本实施例还包括：
所述压阻薄膜3、压电薄膜4采用PDMS柔性材料制成，壳体1外壁设有供压阻薄膜3、压电薄膜4嵌入的凹槽，压阻薄膜3、压电薄膜4分别经环氧树脂粘附在对应的凹槽内，且表面涂刷有环氧树脂层。
所述支撑框架内设有支撑板5，所述微控制器7、供电电路8安装在支撑板5上。
所述供电电路8为大容量电池，所述微控制器7采用STM32L系列微控制器7；信号调理和温度补偿模块采用PGA900。
所述模拟开关电路为10通道，与压阻薄膜3、压电薄膜4一一对应连接，形成十个独立通道。
所述3D磁感应天线为由线圈绕成的磁感应天线，位于壳体1的一端，且3D磁感应天线外设有保护壳6。
实施例3：参见图1到图4，一种岩体应力无线实时监测装置的测量方法，该测量方法中用到的装置，基于实施例1或实施例2中搭建的岩体应力无线实时监测装置，测试方法包括以下步骤：
（1）建立一岩体应力无线实时监测装置；
（2）在监测现场打一钻孔，钻孔的直径大于壳体1直径，将岩体应力无线实时监测装置放入钻孔内，3D磁感应天线所在的一端朝上，并在壳体1与钻孔内壁的缝隙中灌入环氧树脂进行填充和固定，再灌浆混凝土填实钻孔；
（3）启动岩体应力无线实时监测装置；
（4）微控制器7对模拟开关电路的通道地址进行控制，由模拟开关电路切换不同的通道，把每个通道的电压信号依次送入信号调理和温度补偿模块，经信号调理和温度补偿模块补偿和放大后，送入微控制器7中；
（5）微控制器7将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
（6）所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送。
实施例4：参见图1到图4，一种岩体应力无线实时监测装置的测量方法，该测量方法中用到的装置，基于实施例1或实施例2中搭建的岩体应力无线实时监测装置，测试方法包括以下步骤：
（1）建立一岩体应力无线实时监测装置，所述岩体应力无线实时监测装置与实施例1或实施例2的装置相同，监测现场设有地面接收设备；
（2）在监测现场打一钻孔，钻孔的直径大于壳体1直径，将岩体应力无线实时监测装置放入钻孔内，3D磁感应天线所在的一端朝上，并在壳体1与钻孔内壁的缝隙中灌入环氧树脂进行填充和固定，再灌浆混凝土填实钻孔；
（3）启动岩体应力无线实时监测装置；
（4）微控制器7对模拟开关电路的通道地址进行控制，由模拟开关电路切换不同的通道，把每个通道的电压信号依次送入信号调理和温度补偿模块，经信号调理和温度补偿模块补偿和放大后，送入微控制器7中；
（5）微控制器7将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
（6）所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送；
（7）所述地面接收设备用于接收3D磁感应天线发送的信号。
本实施例中，由于支撑框架能将壳体1分为ABCD四个区域，所以，微控制器7获取到10片压阻薄膜3和压电薄膜4的信号后，将ABCD区域的数据通过磁感应信号发送给磁感应接收及射频发射机9，射频发射到远端服务器，在远端服务器进行数据的处理和呈现。
实施例5：参见图5，本发明可以多个岩体应力无线实时监测装置组合使用，假设监测现场为岩石现场，我们需要在岩样里打钻孔。于是根据实际监测的需要，打多个钻孔，每个钻孔内布设一岩体应力无线实时监测装置。图5中圆柱形的物体则为本发明的岩体应力无线实时监测装置，在图5中，一共打了四个钻孔，布设四个岩体应力无线实时监测装置，并在地面安装磁感应接收及射频发射机9，在远端安装服务器，地面的磁感应接收及射频发射机9采用太阳能电池板供电。从图5中可以看到，存在一道狭长的裂缝。本实施例中，每个岩体应力无线实时监测装置独立工作，采集数据，并分别发送至地面的磁感应接收及射频发射机9，再由磁感应接收及射频发射机9发送至远端服务器。
本发明还具有以下特点：现有的埋入式岩体监测装置有的需要通过电缆的方式供电或传输数据，有的是通过无线射频的方式传输数据，而野外岩体监测使用电缆连接更容易造成通信的意外中断，无线射频的方式对穿透岩体等介质造成的传输损耗远远高于空气中，因此并不适用埋入式的监测。而磁感应技术正是克服这些问题，完美的适用于这种岩体的应力监测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种岩体应力无线实时监测装置，包括内部空心的圆柱形的壳体，其特征在于：所述壳体采用不锈钢材料制成，壳体内设有一支撑框架，所述支撑框架由纵横交错的支撑柱构成正四棱柱，且为壳体的内接正四棱柱，与壳体内壁相接的四条支撑柱将壳体侧壁分为相等的四个区域；
壳体外壁设有两个与其横截面平行的环形设置带，一环形设置带内设有四片压阻薄膜，所述压阻薄膜一一对应分布在四个区域中，一环形设置带内设有四片压电薄膜，所述压电薄膜一一对应分布在四个区域中；壳体两端面还设有两片压阻薄膜；
所述支撑框架内设有模拟开关电路、测量及传输电子电路，壳体外壁设有3D磁感应天线；
所述测量及传输电子电路包括微控制器、信号调理和温度补偿模块、天线驱动电路、以及为各用电单元供电的供电电路；
所述压阻薄膜、压电薄膜经模拟开关电路连接信号调理和温度补偿模块的输出端，信号调理和温度补偿模块的输出端连接微控制器的A/D口，所述微控制器的输出端经天线驱动电路连接3D磁感应天线；
其中，压阻薄膜用于将静态的应力变化转变为模拟电压信号，压电薄膜用于将动态的应力响应转变为电压信号，所述信号调理和温度补偿模块用于获取电压信号，经补偿和放大，送入微控制器中；
所述微控制器用于控制模拟开关电路的选通，以及将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送。
2.根据权利要求1所述的岩体应力无线实时监测装置，其特征在于：所述压阻薄膜、压电薄膜采用PDMS柔性材料制成，壳体外壁设有供压阻薄膜、压电薄膜嵌入的凹槽，压阻薄膜、压电薄膜分别经环氧树脂粘附在对应的凹槽内，且表面涂刷有环氧树脂层。
3.根据权利要求1所述的岩体应力无线实时监测装置，其特征在于：所述支撑框架内设有支撑板，所述微控制器、供电电路安装在支撑板上。
4.根据权利要求1所述的岩体应力无线实时监测装置，其特征在于：所述供电电路为大容量电池，所述微控制器采用STM32L系列微控制器；信号调理和温度补偿模块采用PGA900。
5.根据权利要求1所述的岩体应力无线实时监测装置，其特征在于：所述模拟开关电路为10通道，与压阻薄膜、压电薄膜一一对应连接，形成十个独立通道。
6.根据权利要求1所述的岩体应力无线实时监测装置，其特征在于：所述3D磁感应天线为由线圈绕成的磁感应天线，位于壳体的一端，且3D磁感应天线外设有保护壳。
7.根据权利要求1所述的岩体应力无线实时监测装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）建立一岩体应力无线实时监测装置；
（2）在监测现场打一钻孔，钻孔的直径大于壳体直径，将岩体应力无线实时监测装置放入钻孔内，3D磁感应天线所在的一端朝上，并在壳体与钻孔内壁的缝隙中灌入环氧树脂进行填充和固定，再灌浆混凝土填实钻孔；
（3）启动岩体应力无线实时监测装置；
（4）微控制器对模拟开关电路的通道地址进行控制，由模拟开关电路切换不同的通道，把每个通道的电压信号依次送入信号调理和温度补偿模块，经信号调理和温度补偿模块补偿和放大后，送入微控制器中；
（5）微控制器将信号调理和温度补偿模块输入的信号经A/D转换为数字信号后，再编码为基带信号，送入天线驱动电路中；
（6）所述天线驱动电路用于将基带信号进行调制，并由3D磁感应天线发送。
8.根据权利要求7所述的岩体应力无线实时监测装置的测量方法，其特征在于：步骤（1）时，监测现场设有地面接收设备，还包括步骤（7）所述地面接收设备用于接收3D磁感应天线发送的信号。
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