CN112982505B - 土体形变的模拟、检测装置及其模拟、检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种土体形变的模拟、检测装置及其模拟、检测方法，模拟装置包括主控单元、驱动单元以及测量单元，所述主控单元接收仿真信息并生成模拟变形体各个形变节点的形变参数，根据所述形变参数输出控制命令，所述驱动单元执行所述控制命令并驱使所述模拟变形体相对应的形变节点的运动以响应所述控制命令，所述测量单元采集所述模拟变形体各个形变节点的位移数据并输出形变数据，本发明既能够实现复杂地质运动的模拟，又能作为实验或标定基础设备为地质变形测量仪器提供实验、标定支撑。

Description

土体形变的模拟、检测装置及其模拟、检测方法

技术领域

本发明涉及土体监测技术领域，具体地，涉及一种土体形变的模拟、检测装置及其模拟、检测方法。

背景技术

在建筑工程中，深基坑围护、水库大坝及山体滑坡监测等项目中，广泛使用测斜仪对土体变形、位移实行量化监测，测斜仪的测斜数据是监视被测土体形变位移的重要依据。

测斜是指使用测斜仪观测土体内部水平位移，一般的测斜仪采用内部装有测斜传感器的测斜管进行测量，将之置于垂直埋设在被测土体中的带槽导管中往返移动，分段测出导管轴线相对于铅垂线的倾斜角度，并根据分段长度和倾斜角度计算每段水平位移值。

目前，国内无该仪器的国家检定规程及成熟的校准设备，大多数厂家都采用游标角度尺进行检测，这种方法检测精度低，定位困难，很难保证测量的准确性和可靠性。市场上急需对测斜仪进行精确校准的仪器。

专利文献CN102032921B公开了一种测斜仪自动校准方法，其步骤为：首先通过工控机软件读入设定的一系列数值，并计算得到控制步进电机的脉冲数；其次,工控机通过数据采集卡输出控制脉冲到步进电机控制器，从而控制步进电机转过相应的角度，并通过机械传动机构带动检测平台和圆光栅传感器转动；然后，圆光栅传感器将检测到的转动角度以脉冲的形式通过数据采集卡发送到工控机，并与设定的角度进行比较，达到设定值时，工控机发送停止命令，电机停止转动，此时由用户输入测斜仪的读数；最后,由软件分析得到标定方程与误差，但该设计不能实现复杂地质运动的模拟，通用性差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种土体形变的模拟、检测装置及其模拟、检测方法。

根据本发明提供的一种土体形变的模拟装置，包括：

主控单元，接收仿真信息并生成模拟变形体各个形变节点的形变参数，根据所述形变参数输出控制命令；

驱动单元，执行所述控制命令并驱使所述模拟变形体相对应形变节点的运动以响应所述控制命令；

测量单元，采集所述模拟变形体各个形变节点的位移数据并输出形变数据。

优选地，所述主控单元包括主控制器、形变仿真模块、形变驱动模块、形变采集模块以及通讯模块；

所述主控制器分别与形变仿真模块、形变驱动模块、形变采集模块信号连接；

所述形变驱动模块、形变采集模块分别通过通讯模块与驱动单元、测量单元信号连接。

优选地，所述驱动单元包括多个驱动机构，多个所述驱动机构沿所述模拟变形体的周向布置且均安装在用于支撑的支撑机构上，其中，多个驱动机构能够驱使所述模拟变形体上的一个形变节点或多个形变节点沿径向方向上的运动。

优选地，所述驱动机构包括变形体固定块、A向支撑架、A向形变加载组件、B向支撑架以及B向形变加载组件；

所述A向支撑架、A向形变加载组件、B向形变加载组件均安装在所述支撑机构上，所述A向支撑架上设置有A向滑轨，所述B向支撑架连接所述A向滑轨并能够在所述A向形变加载组件的驱使下沿所述A向滑轨朝A向滑动；

所述B向支撑架设置有B向滑轨，所述变形体固定块连接所述B向滑轨并能够在所述B向形变加载组件的驱使下沿所述B向滑轨朝B向滑动，其中，A向垂直于B向。

优选地，所述测量单元包括多个测量机构，多个所述测量机构沿所述模拟变形体的周向布置且均安装在用于支撑的支撑机构上，其中，多个测量机构能够测量所述模拟变形体的一个形变节点或多个形变节点由于所述运动而产生的位移。

根据本发明提供的一种土体形变的检测装置，包括所述的土体形变的模拟装置，所述模拟变形体上设置有检测口，所述检测口用于待测仪器伸向所述模拟变形体的内部并对形变进行检测；

所述主控单元包括评估模块，所述评估模块通过所述主控单元所具有的通讯模块与所述待测仪器信号连接。

优选地，所述模拟变形体采用竖直布置、水平布置或倾斜布置在检测装置所具有的支撑机构上。

根据本发明提供的一种土体形变的模拟方法，包括如下步骤：

S1:将仿真信息输入主控单元；

S2：所述主控单元处理所述仿真信息并输出形变参数；

S3：主控单元根据所述形变参数发出驱动指令，控制所述驱动单元驱使模拟变形体形变；

S4：测量单元采集所述模拟变形体的形变数据并将所述形变数据传输给所述主控单元，所述主控单元计算生成模拟变形体的形变数据并存储。

根据本发明提供的一种土体形变的检测方法，包括如下步骤：

M1：将模拟变形体调节至无形变的初始状态，令待测仪器运行并测试所述模拟变形

体的形变；

M2：选择土体形变模拟方案输入主控单元，所述主控单元根据所述土体形变模拟方案控制驱动单元驱使所述模拟变形体运动进而模拟相应的土体形变；

M3：测量单元测量模拟变形体的位移数据得到相应的基准形变数据并传输至控制单元；

M4：令待测仪器运行并测量模拟变形体的一个形变节点的形变，得到测量结果值并

传输至控制单元；

M5：多次重复步骤M2到M4；

M6：控制单元根据多组测量结果值与所述基准形变数据比对并计算并输出偏差指数；M7：根据所述偏差指数输出评估报告。

优选地，所述偏差指数包括最大差值、平均差值、标准偏差以及测准率。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设置采用驱动单元驱使模拟变形体的径向方向运动进而模拟土体运动并通过测量单元实现对模拟变形体运动位移的标定，既能够实现复杂地质运动的模拟，又通过测量单元对复杂运动进行标定并建立基准形变数据供待测设备测量比对，提高了设备校准的精度，通用性强。

2、本发明仅通过设置简单的支撑架、测量、驱动以及主控设备即可实现，结构简单，造价低，易于实现。

3、本发明中的模拟变形体可根据实际产品的应用选择不同的放置方式和结构，应用范围广泛。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明中土体形变的检测装置的结构示意图；

图2为主控单元的模块框图；

图3为的结构示意图；

图4为的结构示意图。

变形体固定块1B向形变加载组件8

A向支撑架2主控单元10

B向支撑架3驱动单元11

A向滑轨4测量单元12

B向滑轨5支撑机构13

固定块通孔6测斜管14

A向形变加载组件7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1：

本发明提供了一种土体形变的模拟装置，包括主控单元10、驱动单元11以及测量单元12，所述主控单元10接收仿真信息并生成模拟变形体各个形变节点的形变参数，根据所述形变参数输出控制命令，所述驱动单元11执行所述控制命令并驱使所述模拟变形体相对应形变节点的运动以响应所述控制命令，所述测量单元12采集所述模拟变形体各个形变节点的位移数据并输出形变数据，所述测量单元12包括多个测量机构。

主控单元10用于控制驱动单元11以及测量单元12工作，达到模拟土体形变并准确测量形变值的目的，所述主控单元10包括主控制器、形变仿真模块、形变驱动模块、形变采集模块以及通讯模块，如图2所示，所述主控制器分别与形变仿真模块、形变驱动模块、形变采集模块信号连接，所述形变驱动模块、形变采集模块分别通过通讯模块与驱动单元11、测量单元12信号连接。

本发明中所述的信号连接既可以通过有线连接的方式实现，例如通过线缆实现，又可以通过无线的方式实现，具体应根据产品实际的应用场景合理选择，以满足实际的需求和设计要求。

进一步地，主控制器用来接收用户的控制指令并能够控制其他模块协同工作，形变仿真模块用来模拟各种地质形变，生成各种变形量参数，作为形变驱动模块工作的依据；形变驱动模块用来控制驱动单元11工作；形变采集模块用来控制测量单元12工作，准确测量模拟变形体的形变数据；通讯模块用来联通控制单元与各个驱动机构以及测量机构，同时为待测仪器提供标准的数据输入接口，用于与待测仪器进行数据传输；评估模块用来根据测量结果提供评估报告。

进一步地，所述驱动单元11包括多个驱动机构，多个所述驱动机构沿所述模拟变形体的周向布置且均安装在用于支撑的支撑机构13上，所述驱动机构优选采用步进电机，其中，多个驱动机构能够驱使所述模拟变形体上的一个形变节点或多个形变节点沿径向方向上的运动，支撑机构13优选采用支撑架，例如采用型钢焊制的铁架，具体的结构可根据测斜管的布置灵活设计，所述支撑架用于为各个部件提供安装支架，起到支撑的作用，并作为模拟变形体的不动参照物；模拟变形体用于为土体形变模拟提供变形的载体，并为测量仪器提供测量环境，所述模拟变形体优选采用测斜管，例如圆柱形测斜管。

为了模拟复杂的地质形变，在实际检测中驱动机构用于对测斜管施加两个方向的力，驱使测斜管形变，可在沿测斜管径向方向的不同间距处安装多个形变驱动机构，以形成测斜管长度方向上多个形变节点的形变模拟，实现在模拟变形体多个位置产生形变，最后达到模拟复杂地质形变的目的，其中，所述驱动机构采用电机驱动，也可以采用油缸或气缸的驱动方式。

具体的，测量单元12用于测量模拟变形体不同位置的形变情况，包括多个形变测量机构，多个所述测量机构沿所述模拟变形体的周向布置且均安装在用于支撑的支撑机构13上，沿着变形体径向不同间距安装多个形变测量机构，准确测量变形体的形变情况；其中，多个测量机构能够测量所述模拟变形体的一个形变节点或多个形变节点由于所述模拟变形体运动而产生的位移。形变测量机构可以复用形变驱动机构的多个结构，测量机构配合驱动机构需要测量A、B两个方向的形变量，所述测量机构优选采用高精度的距离测量传感器，能够对所述模拟变形体上的一个或多个形变节点的形变量进行精确测量。

本发明还提供了一种土体形变的检测装置，包括所述土体形变的模拟装置，所述模拟变形体上设置有检测口，所述检测口用于待测仪器伸向所述模拟变形体的内部并对形变进行检测，所述主控单元10包括评估模块，所述评估模块通过所述主控单元10所具有的通讯模块与所述待测仪器信号连接，待测单元能够将对测斜管的检测结果传输给所述控制单元，进而所述控制单元对测量仪器的测量结果与系统采集的土体形变标准测量数据进行比对，为待测仪器提供检测报告，实现对待测仪器测量结果的验证功能。

应该说明的是，所述模拟变形体能够根据实际产品的需求，通过竖直布置、水平布置或倾斜布置在检测装置所具有的支撑机构13上进行检测，以满足不同土体运动检测仪器标定的需求。

本发明还提供了一种土体形变的模拟方法，包括如下步骤：

S1:将仿真信息输入主控单元10，具体地，把用户期望的地质形变数据形成仿真信息并输入主控单元10，地质形变数据包括表格数据、曲线数据等多种形式；

S2：所述主控单元10处理所述仿真信息并输出形变参数；主控单元10把输入的仿真数据计算分解成形变参数，其中所述形变参数为按间距、方向、形变量、形变速度的多个形变节点的形变参数；

S3：主控单元10根据所述形变参数发出驱动指令，控制所述驱动单元11驱使模拟变形体形变，最终使得模拟变形体形变达到模拟地质形变的效果；

S4：测量单元12采集所述模拟变形体的位移数据并将所述位移数据传输给所述主控单元10，所述主控单元10计算生成模拟变形体的形变数据并存储，供后续评估模块使用。

本发明还提供了一种土体形变的检测方法，包括如下步骤：

M1：将模拟变形体调节至无形变的初始状态，安装待测仪器，令待测仪器运行并测试所述模拟变形体的形变；

M2：选择土体形变模拟方案输入主控单元10，所述主控单元10根据所述土体形变模拟方案控制驱动单元11驱使所述模拟变形体运动进而模拟相应的土体形变；

M3：测量单元12测量模拟变形体的位移数据得到相应的基准形变数据并传输至控制单元；

M4：令待测仪器运行并测量模拟变形体，得到测量结果值并传输至控制单元；

M5：多次重复步骤M2到M4；

M6：控制单元根据多组测量结果值与所述基准形变数据比对计算并输出偏差指数，所述偏差指数包括最大差值、平均差值、标准偏差以及测准率；

M7：根据所述偏差指数输出评估报告。

实施例2：

本实施例为实施例1的一个优选例。

本实施例中，测斜管14采用DN65的圆柱形管子，长度5m，测斜管14竖直安装在支撑机构13上支撑机构13采用方钢焊制的铁架，沿测斜管14长度的方向上均布有40个驱动机构以及与驱动机构相匹配的高精度的距离测量传感器，如图1、图3、图4所示，所述驱动机构包括变形体固定块1、A向支撑架2、A向形变加载组件7、B向支撑架3以及B向形变加载组件8，所述A向支撑架2、A向形变加载组件7、B向形变加载组件8均安装在所述支撑机构13上，A向形变加载组件7B向形变加载组件8均采用电机驱动，所述A向支撑架2上设置有A向滑轨4，所述B向支撑架3连接所述A向滑轨4并能够在所述A向形变加载组件7的驱使下沿所述A向滑轨4朝A向滑动，所述A向滑轨4优选为对称布置在A向支撑架2上的两条，所述B向支撑架3上设置有与两条所述A向滑轨4相配合的两个第一滑槽，A向滑轨4与第一滑槽形成第一滑动副；所述B向支撑架3设置有B向滑轨5，所述变形体固定块1连接所述B向滑轨5并能够在所述B向形变加载组件8的驱使下沿所述B向滑轨5朝B向滑动，所述B向滑轨5优选为对称布置在B向支撑架3上的两条，所述变形体固定块1上设置有与B向滑轨5相配合的两个第二滑槽，B向滑轨5与第二滑槽形成第二滑动副，其中，A向垂直于B向。

具体地，所述变形体固定块1采用分体件且所述变形体固定块1上设置有用于安装所述模拟形变体的固定块通孔6，在一个优选例中，所述变形体固定块1包括第一连接块和第二连接块，两个连接块通过螺栓连接，能够方便的拆卸和安装，两个连接块连接后形成固定块通孔6用于安装模拟形变体，模拟变形体采用圆柱形测斜管14。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，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申请的限制。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种土体形变的模拟装置，其特征在于，包括：

主控单元(10)，接收仿真信息并生成模拟变形体各个形变节点的形变参数，根据所述形变参数输出控制命令；

驱动单元(11)，执行所述控制命令并驱使所述模拟变形体相对应形变节点的运动以响应所述控制命令；

测量单元(12)，采集所述模拟变形体各个形变节点的位移数据并输出形变数据；

采用驱动单元(11)驱使模拟变形体沿径向方向运动进而模拟复杂土体运动并通过测量单元(12)实现对模拟变形体运动位移的标定并建立基准形变数据供待测设备测量比对进而能够提高设备校准的精度；

所述驱动单元(11)包括多个驱动机构，多个所述驱动机构沿所述模拟变形体的周向布置且均安装在用于支撑的支撑机构(13)上，其中，多个驱动机构能够驱使所述模拟变形体上的一个形变节点或多个形变节点沿径向方向上的运动；

所述驱动机构包括变形体固定块(1)、A向支撑架(2)、A向形变加载组件(7)、B向支撑架(3)以及B向形变加载组件(8)；

所述A向支撑架(2)、A向形变加载组件(7)、B向形变加载组件(8)均安装在所述支撑机构(13)上，所述A向支撑架(2)上设置有A向滑轨(4)，所述B向支撑架(3)连接所述A向滑轨(4)并能够在所述A向形变加载组件(7)的驱使下沿所述A向滑轨(4)朝A向滑动；

所述B向支撑架(3)设置有B向滑轨(5)，所述变形体固定块(1)连接所述B向滑轨(5)并能够在所述B向形变加载组件(8)的驱使下沿所述B向滑轨(5)朝B向滑动，其中，A向垂直于B向。

2.根据权利要求1所述的土体形变的模拟装置，其特征在于，所述主控单元(10)包括主控制器、形变仿真模块、形变驱动模块、形变采集模块以及通讯模块；

所述主控制器分别与形变仿真模块、形变驱动模块、形变采集模块信号连接；

所述形变驱动模块、形变采集模块分别通过通讯模块与驱动单元(11)、测量单元(12)信号连接。

3.根据权利要求1所述的土体形变的模拟装置，其特征在于，所述测量单元(12)包括多个测量机构，多个所述测量机构沿所述模拟变形体的周向布置且均安装在用于支撑的支撑机构(13)上，其中，多个测量机构能够测量所述模拟变形体的一个形变节点或多个形变节点由于所述运动而产生的位移。

4.一种土体形变的检测装置，其特征在于，包括权利要求1至3中任一项所述的土体形变的模拟装置，所述模拟变形体上设置有检测口，所述检测口用于待测仪器伸向所述模拟变形体的内部并对形变进行检测；

所述主控单元(10)包括评估模块，所述评估模块通过所述主控单元(10)所具有的通讯模块与所述待测仪器信号连接。

5.根据权利要求4所述的土体形变的检测装置，其特征在于，所述模拟变形体采用竖直布置、水平布置或倾斜布置在检测装置所具有的支撑机构(13)上。

6.一种土体形变的模拟方法，其特征在于，采用权利要求1至3中任一项所述的土体形变的模拟装置，包括如下步骤：

S1:将仿真信息输入主控单元(10)；

S2：所述主控单元(10)处理所述仿真信息并输出形变参数；

S3：主控单元(10)根据所述形变参数发出驱动指令，控制所述驱动单元(11)驱使模拟变形体形变；

S4：测量单元(12)采集所述模拟变形体的形变数据并将所述形变数据传输给所述主控单元(10)，所述主控单元(10)计算生成模拟变形体的形变数据并存储。

7.一种土体形变的检测方法，其特征在于，采用权利要求4所述的土体形变的检测装置，包括如下步骤：

M1：将模拟变形体调节至无形变的初始状态，令待测仪器运行并测试所述模拟变形体的形变；

M2：选择土体形变模拟方案输入主控单元(10)，所述主控单元(10)根据所述土体形变模拟方案控制驱动单元(11)驱使所述模拟变形体运动进而模拟相应的土体形变；

M3：测量单元(12)测量模拟变形体的位移数据得到相应的基准形变数据并传输至控制单元；

M4：令待测仪器运行并测量模拟变形体的一个形变节点的形变，得到测量结果值并传输至控制单元；

M5：多次重复步骤M2到M4；

M6：控制单元根据多组测量结果值与所述基准形变数据比对并计算并输出偏差指数；

M7：根据所述偏差指数输出评估报告。

8.根据权利要求7所述的土体形变的检测方法，其特征在于，所述偏差指数包括最大差值、平均差值、标准偏差以及测准率。

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