CN112857193A - 一种基于mems的三维智能土体位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置及方法，该装置包括数据采集服务器、测斜管、设在测斜管内的N级监测杆、通过固定安装支架锚固在在每级监测杆内部下端的MEMS姿态角度传感器，各MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线串联，顶部的MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线与USB扩展器连接，USB扩展器通过数据线与数据采集服务器连接；监测杆外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构。将监测杆分为若干段，并对每一分段建立三维立体坐标系，结合原监测分段位置和MEMS姿态角度传感器获得塌陷后各个监测分段的形变数据，计算得出各个监测分段三维位移，实现对岩溶地区的大范围深层水平位移监测，弥补了对土体内部形变监测的非线性监测需求。

Description

一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及岩溶塌陷地质灾害预防技术领域，具体是一种基于MEMS的三维智能岩溶塌陷监测装置及监测方法。

背景技术

近年来频繁发生的塌陷事故引起广泛社会关注，城市塌陷发生在人口集中地区，严重威胁生命财产安全、城市建设乃至经济发展，城市塌陷种类包括：岩溶塌陷、采空塌陷、地铁塌陷等，而对于重点的塌陷易发区以及岩溶区的重大工程周边，采用合适的方法进行岩溶塌陷长期实时监测、预警等工作十分有必要。

岩溶塌陷的监测方法归纳起来可分为直接监测法和间接监测法。直接监测方法就是通过直接监测地下土体的变形来判断地面塌陷的方法，间接监测方法主要监测岩溶管道系统中水气压力的动态变化，本专利正是通过直接监测方法来实现对岩溶塌陷的监测和预警。由于在岩溶区建筑地基、岩溶塌陷易发区等需要监测的场合，均需要对地基进行监测。目前在岩溶塌陷直接监测领域中的重点和难点在于发生在土体内部的形变监测，土体形变监测有三种监测方式，一种是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDR)，另一种是利用电磁波在同轴电缆传播过程中受到剪切力或张力对局部阻抗的变化分析的时域反射技术(TDR)，最后一种是利用超高频电磁波探测地下介质分布的地质雷达技术(GPR)，目前这一些装置都是主要应用于线性工程，如公路、铁路等，主要存在着一些问题：

一、BOTDR光纤传感技术对设备要求高、需进行光纤铺设，此外温度对光纤影响较大，需要做大量的模拟测试试验。

二、TDR时域反射技术只有在受到剪切力、张力或者两者综合作用而变形的情况下，TDR电缆才会产生电缆信号，而且无法获得突变点位移量大小。

三、GPR地质雷达技术的分辨率受场地周边电磁波干扰大，深度有限，而且无法实现实时监测和遥感，当在道路运营阶段实施时，还需封闭交通，其作为长期监测手段局限较大。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，而提供一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置及方法，能够实现实时自动化监测，描绘深层土体三维视图，且适用于非线性工程，携带安装便捷。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，包括数据采集服务器、竖直埋设在待监测点第四系覆盖层内的测斜管、通过连接组件依次串联设在测斜管内的N级监测杆、固定安装在每级监测杆内部下端的固定安装支架，固定安装支架上锚固有MEMS姿态角度传感器，各个MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线串联，最顶部的MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线与USB扩展器连接，USB扩展器通过数据线与数据采集服务器连接；

所述的MEMS姿态角度传感器，每个MEMS姿态角度传感器设有唯一的ID编号，每个ID编号地址与MEMS姿态角度传感器所埋设的位置深度对应。

所述的监测杆外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构，使监测杆在安装、使用过程中，始终处于测斜管中心位置，确保监测杆在测斜管内不发生偏斜和扭转，提高土体位移检测数据的准确性。

所述的伸缩滑动机构，包括弹簧、移动块、伸缩杆和滑轮，弹簧的伸缩方向与监测杆轴向垂直，弹簧用可拆卸外壳包裹，弹簧的一端固定在监测杆外表面，另一端与移动块的一端连接，移动块的另一端与伸缩杆的一端连接，伸缩杆的另一端与滑轮连接。

所述的固定安装支架，包括支撑架、支撑板，支撑架的下端固定在监测杆内的底部，支撑板通过横向螺母固定在支撑架的上端，MEMS姿态角度传感器通过竖向螺母固定在支撑板上。

所述的监测杆，最顶部一级的监测杆内的顶部设有框架槽，用于存储一定长度的多级联连接线。

一种深部土体位移监测方法，应用于上述的三维智能土体位移监测装置，该方法包括如下步骤：

1)将埋设在待监测点第四系覆盖层内的N级监测杆分为N个监测分段，设相邻分段的距离为定值M，最底段的监测杆底端设置为原点(0，0，0)，建立三维立体坐标系，则每一分段顶端三维空间坐标为(0，0，iM)，其中i为N内大于1小于N的正整数值；

2)监测杆内的MEMS姿态角度传感器实时监测深部土体内的形变数据，并将形变数据通过多级联连接线传输数据至数据采集服务器，当发生岩溶塌陷时，各监测分段的监测杆随土体发生三维空间上的位移，通过MEMS姿态角度传感器采集到的加速度、姿态角，判断土体内部发生位移的监测杆是否处于静置状态，从非静置状态的最下一级的监测杆开始计算，并由此计算上一级监测杆的三维空间坐标；

3)在埋设时，MEMS姿态角度传感器位置一一对应，当监测杆发生运动时，设发生运动中最底一级i级监测杆位移为L，则MEMS姿态角度传感器位移也为L，通过频域内二次积分算出位移L，根据MEMS姿态角度传感器内自带的电子罗盘，得出该最底一级i级监测杆的XY轴向角度β1(图8)，将L和β1根据位移计算公式，得到该最底一级监测杆顶端的三维空间坐标，由此得到该最底一级监测杆的深部位移，形成三维视图；

4)采用步骤3)的方法，根据运动中最底一级i级监测杆顶端三维空间坐标计算上一级i+1级监测杆底端的三维空间坐标，以及MEMS姿态角度传感器输出的时间，得出监测分段的位移-时间图像，由此往上计算，直至监测杆最顶部；由监测分段的位移-时间图像对土体位移进行判断和预警；同时数据采集服务器根据MEMS姿态角度传感器传输的形变数据，生成监测报表，监测报表包括各监测分段的三轴位移变化、深度位移方向、预估塌陷土洞宽度、土洞形成速率、土洞形成方向。

所述的三维立体坐标系，为北-东-天三维空间直角坐标系。

所述的形变数据，包括横滚角、俯仰角、航向角、加速度、形变时间、角速度、传感器倾角、监测杆位移、监测杆在XY轴平面倾角。

所述的监测分段，每一监测分段的长度为0.3-3m。

所述的MEMS姿态角度传感器，其内部的三轴加速度计分别采集X、Y、Z三个轴向的加速度，其内部的三轴陀螺仪采集角速度得出姿态角，将姿态角进行MATLAB进行姿态矩阵变换，最后将加速度利用中心计算机进行数据处理，得到传感器在所发生位置的倾角、位移，具体如下：

Ⅰ、位移计算

I-1)姿态角度计算：设MEMS陀螺仪传感器的3个方轴向在导航坐标系相对与地理坐标系下角速度矢量为w_tb＝[ψ，γ，θ]^T，则其在导航坐标系下的投影为：

上述公式(1)中，

分别表示X、Y、Z轴方向的角速度，Ψ、γ、θ分别为航向角、横滚角、俯仰角；将(1)式中的Ψ、γ、θ代入四元素法中进行坐标变换；

I-2)四元素法计算：通过四元素法将导航坐标系转变为地理坐标系，然后将Ψ、γ、θ代入物体绕三个旋转轴旋转的复合矩阵，得出Q1矩阵，由于地理坐标系至物体坐标系旋转过程中始终保持直角坐标系，则Q为正交矩阵Q1＝Q^T，根据陀螺仪实时传输的角速度，即可解算四元素实时的矢量、标量参数，进而可解算传感器的实时姿态角度；

Q＝λ+P₁i+P₂j+P₃k (2)

式(2)中：λ为四元素标量部分；P为四元素矢量部分，其中标量部分指的是转动角余弦值，矢量部分指的是瞬时状态下转动轴的方向和转动轴以及余弦值；

将

代入式(2)得：

其中式中(3)中：α为b系(载体坐标系)到t系(地理坐标系)的转角，L_x、m_y、n_z均为旋转轴n与参考坐标系轴间的方向余弦值，四元素Q描述的是载体的b系相对于t系的角速度，则认为是载体从b系到t系的一次等效转动形成的，且Q蕴含此次旋转的全部信息，由于式(4)：

得出规范化的四元素为：

I-3)频域内二次积分：MEMS姿态角度传感器通过其内部加速度计采集到的信号，以及其内部陀螺仪获得的姿态信息，经由RS232接口传送到导航计算机，运用MATLAB进行编程，为了监测岩溶塌陷的运动轨迹，将加速度信号进行二次积分，具体如下：

首先把采集信号在频域内进行积分时，进行离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换，将加速度信号按时间进行采集之后进行傅里叶变换，得到：

将其中一段频率设为

其中A是幅值，ω是角速度，t为时间，速度积分公式为：

位移积分公式为：

Ⅱ、倾角计算：传感器倾角计算，根据倾角测量原理公式计算出传感器倾角，具体如下：

将一组坐标系[X₁、Y₁、Z₁]^T线绕Y轴倾斜且倾斜角度为θ_y，在绕X轴倾斜且倾斜角度为θ_x，经过两次倾斜后的坐标系为[x、y、z]^T，

设[X₁、Y₁、Z₁]^T＝[0、0、1]^T解得：

式(12)中θ′_x、θ′_y为[x、y、z]^T＝[0、0、1]^T为绕X、Y轴旋转的倾角；

则传感器倾角为：

Ⅲ、静置状态判定：对最底一级运动的监测杆状态判定，减小传感器在监测中因时间累积而造成误差，其中MEMS综合速度由步骤Ⅰ-3频域积分得出，MEMS姿态变化角速度由步骤Ⅰ-1得出，判定如下：

1、MEMS综合速度v(t)小于阈值v_S；

2、MEMS姿态变化角变换速度小于某阈值w_s；

当最底一级运动中的监测杆小于上述v_S、w_s时，即认为该监测杆未发生运动，v_S和w_s的取值取决于MEMS上搭载的导航系统参数；

Ⅳ、根据步骤I得到的位移和步骤Ⅱ得到的倾角，结合MEMS姿态角度传感器内部的磁力计得出载体与东西南北四方向夹角，计算监测杆变化点的三维空间位移坐标值，具体是：在建立的三维立体坐标系中，从Y轴正方向即东向往原点O看去，变化点B在三维平面投影点B₁的变化是由CB经旋转B得到B₁，即CB₁＝M，CB＝CB₁，使用三维坐标表示为B(0，0，2M)，B₁(X，Y，Z)，B₁三维空间坐标计算过程如下：

将公式(14)减去公式(15)得：

此时B₁在XCY平面的投影

将磁力计得到的角度β₁(如图8所示)代入则有：

Y＝Sinβ₁N

X＝Cosβ₁N

则B₁三维空间坐标表示为

则CB₁在X轴方向位移为Cosβ₁N，在Y轴方向位移为Sinβ₁N，在Z轴方向位移为

在监测孔的深度范围内，通过以上三维立体模型由下往上迭代计算获得所有变化点的三维空间坐标。

与现有技术相比，本申请具有如下优点：

1、用于测量倾角和加速度的传感器采用MEMS姿态角度传感器，不仅从数据采集上更加智能，而且埋入土体简单、价格便宜、精度高，避免了大面积铺设光缆和封锁交通监测。

2、MEMS姿态角度传感器的连接线为多级联连接线，可直接连接至数据采集服务器，实现了数据的连续采集，能够不间断测量，避免测量间歇发生工程事故。

3、本发明的深部土体位移监测方法，将监测杆分为若干段，并对每一分段建立三维立体坐标系，结合原监测分段位置和MEMS姿态角度传感器获得塌陷后各个监测分段的形变数据，计算得出各个监测分段三维位移，实现对岩溶地区的大范围深层水平位移监测，弥补了对土体内部形变监测的非线性监测需求。此外，通过分析各个监测分段的水平位移随时间和深度的变化，可以更准确判断塌陷土洞的形成位置。

4、本发明通过设置多个列监测单元，可判断整个监测区域的整体情况；可适用于非线性工程，能对深层塌陷空洞进行三维监测，并形成三维空间视图，更全面掌握岩溶塌陷区深层土体位移变化。

5、本发明能够利用MEMS姿态角度传感器的测量精度高、智能化程度好以及实时测量的优点，通过对岩溶地区深层次土体三维倾角和位移变化的测量，从而实现对岩溶塌陷地区进行智能化、自动化监测，避免岩溶塌陷的发生，具有广阔的工程应用前景。

附图说明

图1为一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置的结构示意图；

图2为最顶部监测杆的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明使用的北-东-天坐标系

图5为本发明方法的示意图

图6为本发明姿态角度输出时坐标系转换示意图

图7为运动中监测杆的三维空间计算示意图

图8为本发明中陀螺仪、磁力计角度示意图。

图中：1.USB扩展器 2.数据采集服务器 3.多级联连接线 4.伸缩滑动机构 5.监测杆 6.MEMS姿态角度传感器 7.固定安装支架 8.连接组件 9.框架槽 10.可拆卸外壳11.移动块 12.伸缩杆 13.滑轮 14.弹簧 15.支撑板 16.支撑架 17.竖向螺母 18.横向螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

如图1、图2和图3所示：

一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，包括数据采集服务器2、竖直埋设在待监测点第四系覆盖层内的测斜管、通过连接组件7依次串联设在测斜管内的N级监测杆5、固定安装在每级监测杆5内部下端的固定安装支架7，固定安装支架上锚固有MEMS姿态角度传感器6，各个MEMS姿态角度传感器6通过多级联连接线3串联，最顶部的MEMS姿态角度传感器6通过多级联连接线3与USB扩展器1连接，USB扩展器1通过数据线与数据采集服务器2连接；

所述的MEMS姿态角度传感器6，每个MEMS姿态角度传感器6设有唯一的ID编号，每个ID编号地址与MEMS姿态角度传感器6所埋设的位置深度对应。

所述的监测杆5外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构4，使监测杆在安装、使用过程中，始终处于测斜管中心位置，确保监测杆5在测斜管内不发生偏斜和扭转，提高土体位移检测数据的准确性。

所述的伸缩滑动机构4，包括弹簧14、移动块11、伸缩杆12和滑轮13，弹簧14的伸缩方向与监测杆5轴向垂直，弹簧14用可拆卸外壳包裹10，弹簧14的一端固定在监测杆5外表面，另一端与移动块11的一端连接，移动块11的另一端与伸缩杆12的一端连接，伸缩杆2的另一端与滑轮13连接。

所述的固定安装支架4，包括支撑架16、支撑板15，支撑架16的下端固定在监测杆5内的底部，支撑板15通过横向螺母18固定在支撑架16的上端，MEMS姿态角度传感器6通过竖向螺母17固定在支撑板15上。

所述的监测杆5，最顶部一级的监测杆5内的顶部设有框架槽9，用于存储一定长度的多级联连接线。

本实施例中：

监测杆可采用UPVC材质制成，UPVC具有极强的耐腐蚀性、能耐酸、强碱，不会生锈结垢，同时质地轻、安装施工十分方便；

框架槽的材料可为木质或者UPVC；

支撑架和支撑板的材料可为塑料或者木质。

一种深部土体位移监测方法，应用于上述的三维智能土体位移监测装置，该方法包括如下步骤：

1)将埋设在待监测点第四系覆盖层内的N级监测杆分为N个监测分段，设相邻分段的距离为定值M，最底段的监测杆底端设置为原点(0，0，0)，建立三维立体坐标系，则每一分段顶端三维空间坐标为(0，0，iM)，其中i为N内大于1小于N的正整数值；

2)监测杆内的MEMS姿态角度传感器实时监测深部土体内的形变数据，并将形变数据通过多级联连接线传输数据至数据采集服务器，当发生岩溶塌陷时，各监测分段的监测杆随土体发生三维空间上的位移，通过MEMS姿态角度传感器采集到的加速度、姿态角，判断土体内部发生位移的监测杆是否处于静置状态，从非静置状态的最下一级的监测杆开始计算，并由此计算上一级监测杆的三维空间坐标；

3)在埋设时，MEMS姿态角度传感器位置一一对应，当监测杆发生运动时，设发生运动中最底一级i级监测杆位移为L，则MEMS姿态角度传感器位移也为L，通过频域内二次积分算出位移L，根据MEMS姿态角度传感器内自带的电子罗盘，得出该最底一级i级监测杆的XY轴向角度β1，将L和β1根据位移计算公式，得到该最底一级监测杆顶端的三维空间坐标，由此得到该最底一级监测杆的深部位移，形成三维视图；

4)采用步骤3)的方法，根据运动中最底一级i级监测杆顶端三维空间坐标计算上一级i+1级监测杆底端的三维空间坐标，以及MEMS姿态角度传感器输出的时间，得出监测分段的位移-时间图像，由此往上计算，直至监测杆最顶部；由监测分段的位移-时间图像对土体位移进行判断和预警；同时数据采集服务器根据MEMS姿态角度传感器传输的形变数据，生成监测报表，监测报表包括各监测分段的三轴位移变化、深度位移方向、预估塌陷土洞宽度、土洞形成速率、土洞形成方向。

所述的三维立体坐标系，为北-东-天三维空间直角坐标系，如图4所示；以北东天(t系)三维空间直角坐标系建立计算模型，其中O为坐标系观测点，Z轴为向上为正(天向)，Y轴向东为正(东向)，X轴向北为正(北向)所构成的直角坐标系，以最底段的监测杆底端设置为原点(0，0，0)；具体而言，当发生岩溶塌陷时，如图8，B点的坐标变化可以看作B点经过Ψ角度的横滚、γ角度的俯仰、θ角度的俯仰变化这三个的旋转组合的结果，可通过这三个旋转组合得出MEMS陀螺仪传感器倾角，并通过频域内二次积分得出BB1之间的长度L，如下列公式(10),通过三维坐标计算，便可得出监测杆的三维轨迹。

所述的形变数据，包括横滚角、俯仰角、航向角、加速度、形变时间、角速度、传感器倾角、监测杆位移、监测杆在XY轴平面倾角。

所述的监测分段，每一监测分段的长度为0.3-3m。

所述的MEMS姿态角度传感器，其内部的三轴加速度计分别采集X、Y、Z三个轴向的加速度，其内部的三轴陀螺仪采集角速度得出姿态角，将姿态角进行MATLAB进行姿态矩阵变换，最后将加速度利用中心计算机进行数据处理，得到传感器在所发生位置的倾角、位移，如图5所示，具体如下：

Ⅰ、位移计算

I-1)姿态角度计算：设MEMS陀螺仪传感器的3个方轴向在导航坐标系相对与地理坐标系下角速度矢量为w_tb＝[ψ，γ，θ]^T，则其在导航坐标系下的投影为：

上述公式(1)中，

分别表示X、Y、Z轴方向的角速度，Ψ、γ、θ分别为航向角、横滚角、俯仰角；将(1)式中的Ψ、γ、θ代入四元素法中进行坐标变换；

I-2)四元素法计算：通过四元素法将导航坐标系转变为地理坐标系，然后将Ψ、γ、θ代入物体绕三个旋转轴旋转的复合矩阵，得出Q1矩阵，由于地理坐标系至物体坐标系旋转过程中始终保持直角坐标系，则Q为正交矩阵Q1＝Q^T，根据陀螺仪实时传输的角速度，即可解算四元素实时的矢量、标量参数，进而可解算传感器的实时姿态角度；

Q＝λ+P₁i+P₂j+P₃k (2)

式(2)中：λ为四元素标量部分；P为四元素矢量部分，其中标量部分指的是转动角余弦值，矢量部分指的是瞬时状态下转动轴的方向和转动轴以及余弦值；

将

代入式(2)得：

其中式中(3)中：α为b系(载体坐标系)到t系(地理坐标系)的转角，如图6所示，L_x、m_y、n_z均为旋转轴n与参考坐标系轴间的方向余弦值，四元素Q描述的是载体的b系相对于t系的角速度，则认为是载体从b系到t系的一次等效转动形成的，且Q蕴含此次旋转的全部信息，由于式(4)：

得出规范化的四元素为：

I-3)频域内二次积分：MEMS姿态角度传感器通过其内部加速度计采集到的信号，以及其内部陀螺仪获得的姿态信息，经由RS232接口传送到导航计算机，运用MATLAB进行编程，为了监测岩溶塌陷的运动轨迹，将加速度信号进行二次积分，具体如下：

首先把采集信号在频域内进行积分时，进行离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换，将加速度信号按时间进行采集之后进行傅里叶变换，得到：

将其中一段频率设为

其中A是幅值，ω是角速度，t为时间，速度积分公式为：

位移积分公式为：

Ⅱ、倾角计算：传感器倾角计算，根据倾角测量原理公式计算出传感器倾角，具体如下：

将一组坐标系[X₁、Y₁、Z₁]^T线绕Y轴倾斜且倾斜角度为θ_y，在绕X轴倾斜且倾斜角度为θ_x，经过两次倾斜后的坐标系为[x、y、z]^T，

设[X₁、Y₁、Z₁]^T＝[0、0、1]^T解得：

式(12)中θ′_x、θ′_y为[x、y、z]^T＝[0、0、1]^T为绕X、Y轴旋转的倾角；

则传感器倾角为：

Ⅲ、静基座状态判定：对最底一级运动的检测杆状态判定，减小传感器在监测中因时间累积而造成误差，其中MEMS综合速度由步骤Ⅰ-3频域积分得出，MEMS姿态变化角速度由步骤Ⅰ-1得出，判定如下：

1、MEMS综合速度v(t)小于阈值v_S；

2、MEMS姿态变化角变换速度小于某阈值w_s；

当最底一级运动中的监测杆小于上述v_S、w_s时，即认为该监测杆未发生运动，v_S和w_s的取值取决于MEMS上搭载的导航系统参数；

Ⅳ、根据步骤I得到的位移和步骤Ⅱ得到的倾角，结合MEMS姿态角度传感器内部的磁力计得出载体与东西南北四方向夹角，计算监测杆变化点的三维空间位移坐标值，具体是：在建立的三维立体坐标系中，从Y轴正方向即东向往原点O看去，变化点B在三维平面投影点B₁的变化是由CB经旋转B得到B₁，即CB₁＝M，CB＝CB₁，使用三维坐标表示为B(0，0，2M)，B₁(X，Y，Z)，如图7所示，B₁三维空间坐标计算过程如下：

将公式(14)减去公式(15)得：

此时B₁在XCY平面的投影

将磁力计得到的角度β₁(如图8所示)代入则有：

Y＝Sinβ₁N

X＝Cosβ₁N

则B₁三维空间坐标表示为

则CB₁在X轴方向位移为Cosβ₁N，在Y轴方向位移为Sinβ₁N，在Z轴方向位移为

在监测孔的深度范围内，通过以上三维立体模型由下往上迭代计算获得所有变化点的三维空间坐标。

如图8所示，由于在埋设时，姿态角度传感器位置一一对应，当监测杆运动到B₁时，传感器的位移可设置为L，位移L的计算由上述公式(10)通过频域内二次积分可算出，根据安装在监测杆的电子罗盘，可得出监测杆由B运动到B₁在XY轴向的角度β₁，根据位移计算公式，便可得出B₁的三维空间坐标，由此可得出监测杆由B运动到B₁的深部位移，形成三维视图。

根据B₁三维空间坐标计算上一级A1的三维空间坐标，便可得出A₁B₁监测杆的三维运动轨迹，由此往上计算，直至监测杆最顶部。

根据各个监测分段的三维空间坐标，绘制各个监测分段的三轴位移与时间曲线，时间可以是塌陷时监测杆位移剧烈变化之前，并计算监测报表，监测报表可以包括三轴位移变化、深度位移方向、预估塌陷土洞宽度、土洞形成速率、土洞形成方向。

本发明的深部土体位移监测方法，将监测杆分为若干段，并对每一分段建立三维立体坐标系，结合监测杆和监测分段获得深层土体的形变数据，计算获得各个监测分段的三维变化，实现对岩溶地区的大范围深层水平位移监测，弥补了对土体内部形变监测的非线性监测需求。此外，通过分析各个监测分段的位移随时间和深度的变化，可以更准确判断塌陷土洞的形成位置。

在工程实施中，本监测装置的监测杆竖直埋设于被监测地基中，监测杆保持直立状态，MEMS姿态角度传感器数值为置零状态并保持直立；如图1-2所示，当深层土体通过侵蚀作用、砂颗粒漏失和软弱土流失形成土洞时，其周边的监测杆会因其下方或附近的土体流失、剥落而倾斜发生位移，其内部的MEMS姿态角度传感器会随监测杆偏塌发生改变。此时与MEMS姿态角度传感器相连接的多级联连接线会将倾角和加速度及编号发送至数据采集服务器。

当服务器接受到MEMS姿态角度传感器所发送的塌陷数据后，首先对MEMS姿态角度传感器的编号进行读取，得出监测场所的具体位置，其次通过对MEMS姿态角度传感器收集到的加速度利用频域积分方法进行二次积分，在进行二次积分时可对数据进行降噪处理，提高积分精度。再通过对MEMS传感器三维视图的倾角θ、磁力计平面投影倾角β₁、和位移L的计算，便可得出监测杆的三维位移轨迹，形成3D可视位移图，通过位移图便可直观的对岩溶地区塌陷进行监测、预警。

Claims (10)

1.一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，包括数据采集服务器、竖直埋设在待监测点第四系覆盖层内的测斜管、通过连接组件依次串联设在测斜管内的N级监测杆、固定安装在每级监测杆内部下端的固定安装支架，固定安装支架上锚固有MEMS姿态角度传感器，各个MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线串联，最顶部的MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线与USB扩展器连接，USB扩展器通过数据线与数据采集服务器连接；

所述的监测杆外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构。

2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，所述的MEMS姿态角度传感器，每个MEMS姿态角度传感器设有唯一的ID编号，每个ID编号地址与MEMS姿态角度传感器所埋设的位置深度对应。

3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，所述的伸缩滑动机构，包括弹簧、移动块、伸缩杆和滑轮，弹簧的伸缩方向与监测杆轴向垂直，弹簧用可拆卸外壳包裹，弹簧的一端固定在监测杆外表面，另一端与移动块的一端连接，移动块的另一端与伸缩杆的一端连接，伸缩杆的另一端与滑轮连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，所述的固定安装支架，包括支撑架、支撑板，支撑架的下端固定在监测杆内的底部，支撑板通过横向螺母固定在支撑架的上端，MEMS姿态角度传感器通过竖向螺母固定在支撑板上。

5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，所述的监测杆，最顶部一级的监测杆内的顶部设有框架槽，用于存储一定长度的多级联连接线。

6.一种深部土体位移监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)将埋设在待监测点第四系覆盖层内的N级监测杆分为N个监测分段，设相邻分段的距离为定值M，最底段的监测杆底端设置为原点(0，0，0)，建立三维立体坐标系，则每一分段顶端三维空间坐标为(0，0，iM)，其中i为N内大于1小于N的正整数值；

2)监测杆内的MEMS姿态角度传感器实时监测深部土体内的形变数据，并将形变数据通过多级联连接线传输数据至数据采集服务器，当发生岩溶塌陷时，各监测分段的监测杆随土体发生三维空间上的位移，通过MEMS姿态角度传感器采集到的加速度、姿态角，判断土体内部发生位移的监测杆是否处于静置状态，从非静置状态的最下一级的监测杆开始计算，并由此计算上一级监测杆的三维空间坐标；

3)在埋设时，MEMS姿态角度传感器位置一一对应，当监测杆发生运动时，设发生运动中最底一级i级监测杆位移为L，则MEMS姿态角度传感器位移也为L，通过频域内二次积分算出位移L，根据MEMS姿态角度传感器内自带的电子罗盘，得出该最底一级i级监测杆的XY轴向角度β1，将L和β1根据位移计算公式，得到该最底一级监测杆顶端的三维空间坐标，由此得到该最底一级监测杆的深部位移，形成三维视图；

4)采用步骤3)的方法，根据运动中最底一级i级监测杆顶端三维空间坐标计算上一级i+1级监测杆底端的三维空间坐标，以及MEMS姿态角度传感器输出的时间，得出监测分段的位移-时间图像，由此往上计算，直至监测杆最顶部；由监测分段的位移-时间图像对土体位移进行判断和预警；同时数据采集服务器根据MEMS姿态角度传感器传输的形变数据，生成监测报表，监测报表包括各监测分段的三轴位移变化、深度位移方向、预估塌陷土洞宽度、土洞形成速率、土洞形成方向。

7.根据权利要求6所述的一种深部土体位移监测方法，其特征在于，所述的三维立体坐标系，为北东天三维空间直角坐标系。

8.根据权利要求6所述的一种深部土体位移监测方法，其特征在于，所述的形变数据，包括横滚角、俯仰角、航向角、加速度、形变时间、角速度、传感器倾角、监测杆位移、监测杆在XY轴平面倾角。

9.根据权利要求6所述的一种深部土体位移监测方法，其特征在于，所述的监测分段，每一监测分段的长度为0.3-3m。

10.根据权利要求6所述的一种深部土体位移监测方法，其特征在于，所述的MEMS姿态角度传感器，其内部的三轴加速度计分别采集X、Y、Z三个轴向的加速度，其内部的三轴陀螺仪采集角速度得出姿态角，将姿态角进行MATLAB进行姿态矩阵变换，最后将加速度利用中心计算机进行数据处理，得到传感器在所发生位置的倾角、位移，具体如下：

Ⅰ、位移计算

I-1)姿态角度计算：设MEMS陀螺仪传感器的3个方轴向在导航坐标系相对与地理坐标系下角速度矢量为w_tb＝[ψ，γ，θ]^T，则其在导航坐标系下的投影为：

上述公式(1)中，

分别表示X、Y、Z轴方向的角速度，Ψ、γ、θ分别为航向角、横滚角、俯仰角；将(1)式中的Ψ、γ、θ代入四元素法中进行坐标变换；

I-2)四元素法计算：通过四元素法将导航坐标系转变为地理坐标系，然后将Ψ、γ、θ代入物体绕三个旋转轴旋转的复合矩阵，得出Q1矩阵，由于地理坐标系至物体坐标系旋转过程中始终保持直角坐标系，则Q为正交矩阵Q1＝Q^T，根据陀螺仪实时传输的角速度，即可解算四元素实时的矢量、标量参数，进而可解算传感器的实时姿态角度；

Q＝λ+P₁i+P₂j+P₃k (2)

式(2)中：λ为四元素标量部分；P为四元素矢量部分，其中标量部分指的是转动角余弦值，矢量部分指的是瞬时状态下转动轴的方向和转动轴以及余弦值；

将

代入式(2)得：

其中式中(3)中：α为b系(载体坐标系)到t系(地理坐标系)的转角，L_x、m_y、n_z均为旋转轴n与参考坐标系轴间的方向余弦值，四元素Q描述的是载体的b系相对于t系的角速度，则认为是载体从b系到t系的一次等效转动形成的，且Q蕴含此次旋转的全部信息，由于式(4)：

得出规范化的四元素为：

I-3)频域内二次积分：MEMS姿态角度传感器通过其内部加速度计采集到的信号，以及其内部陀螺仪获得的姿态信息，经由RS232接口传送到导航计算机，运用MATLAB进行编程，为了监测岩溶塌陷的运动轨迹，将加速度信号进行二次积分，具体如下：

首先把采集信号在频域内进行积分时，进行离散傅里叶变换和离散傅里叶逆变换，将加速度信号按时间进行采集之后进行傅里叶变换，得到：

将其中一段频率设为

其中A是幅值，ω是角速度，t为时间，速度积分公式为：

位移积分公式为：

Ⅱ、倾角计算：传感器倾角计算，根据倾角测量原理公式计算出传感器倾角，具体如下：

将一组坐标系[X₁、Y₁、Z₁]^T线绕Y轴倾斜且倾斜角度为θ_y，在绕X轴倾斜且倾斜角度为θ_x，经过两次倾斜后的坐标系为[x、y、z]^T，

设[X₁、Y₁、Z₁]^T＝[0、0、1]^T解得：

式(12)中θ′_x、θ′_y为[x、y、z]^T＝[0、0、1]^T为绕X、Y轴旋转的倾角；

则传感器倾角为：

Ⅲ、静置状态判定：对最底一级运动的监测杆状态判定，减小传感器在监测中因时间累积而造成误差，其中MEMS综合速度由步骤Ⅰ-3频域积分得出，MEMS姿态变化角速度由步骤Ⅰ-1得出，判定如下：

1、MEMS综合速度v(t)小于阈值v_S；

2、MEMS姿态变化角变换速度小于某阈值w_s；

当最底一级运动中的监测杆小于上述v_S、w_s时，即认为该监测杆未发生运动，v_S和w_s的取值取决于MEMS上搭载的导航系统参数；

Ⅳ、根据步骤I得到的位移和步骤Ⅱ得到的倾角，结合MEMS姿态角度传感器内部的磁力计得出载体与东西南北四方向夹角，计算监测杆变化点的三维空间位移坐标值，具体是：在建立的三维立体坐标系中，从Y轴正方向即东向往原点O看去，变化点B在三维平面投影点B₁的变化是由CB经旋转B得到B₁，即CB₁＝M，CB＝CB₁，使用三维坐标表示为B(0，0，2M)，B₁(X，Y，Z)，B₁三维空间坐标计算过程如下：

将公式(14)减去公式(15)得：

此时B₁在XCY平面的投影

将磁力计得到的角度β₁代入则有：

Y＝Sinβ₁N

X＝Cosβ₁N

则B₁三维空间坐标表示为

则CB₁在X轴方向位移为Cosβ₁N，在Y轴方向位移为Sinβ₁N，在Z轴方向位移为

在监测孔的深度范围内，通过以上三维立体模型由下往上迭代计算获得所有变化点的三维空间坐标。

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