CN113503852A - 一种冻土区地表形变连续自动监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冻土区地表形变连续自动监测装置，应用于地理学与测绘领域，通过选择冻土区深钻孔作为参照点，利用高精度直线位移传感器测量周围地表相对于此参照点的高度变化，获取自然地表形变量，形变传感器通过电信号反应位移量，可使形变观测达到更高的精度，误差低至0.01mm级别；又因为传感器坚固耐用、环境适应能力强的特点，可以较好在冻土区这样环境恶劣复杂的地区进行长期监测任务；并基于物联网完成数据传输以及与传感器的采集通讯。该装置解决以往在冻土区监测形变精度差、时间分辨率低和代价高昂的问题，实现了地表形变高精度高时间序列持续监测与数据自动传输获取。

Description

一种冻土区地表形变连续自动监测装置

技术领域

本发明涉及地表形变量的监测，属于测绘、地理信息技术领域，尤其涉及一种冻土区地表形变连续自动监测装置。

背景技术

冻土区的地表具有以“冻胀融沉”为显著表征的地表形变现象，即冬季在水至冰呈冻结状态时，虽然压缩性变小并具有较高强度，但体积会膨胀，形成地面隆起和地基鼓胀；夏季在冰至水过程中岩土中冰屑的骨架支撑作用消失，体积缩小，压缩性增大，岩土体下沉陷落；此外，多年冻土上限一般存在地下冰，在当前气候变化影响下，地下冰融化会带来地表长期持续性融沉。因冻胀融沉的反复交替以及持续性融沉的发生，可使房屋、桥梁、涵洞等建筑沉陷、开裂、倾倒，铁路、公路凹凸不平甚至局部陷落，威胁冻土区的交通与运输安全。多年冻土区地表的冻胀融沉特征不仅与寒区工程密切相关，还是土壤冻融过程、冻土内部水热特征与气候变化的最敏感与直接的表征，因此长期持续监测冻土区地表形变具有重要意义。

目前冻土形变地面的监测方法有以下几种。1）水准测量，即通过工作人员实地观测，使用水准仪或全站仪等仪器，测量冻土地表的高程变化；2）GPS干涉反射测量技术(GPS-IR)，即从GPS接收机天线接收到的直射波和反射波信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）出发，分离出承载反射面物理信息的信噪比变化量（简称信噪比残差），再由信噪比残差估计出反射波的振幅、频率和初始相位等干涉参数，最后由干涉参数求出高度变化即为地表变形；3）冻融管，即在冻土区用钻机打钻，钻孔中插入钢管，钢管漏出地表，再在钻孔钢管上套一个钢制格网架子和一个用以标记的刮刀，格网随着地表上升下降，在钢管上刮刀划出格网相对于钢管位置的改变；4）埋设沉降仪，在两断面的地基表面、基床底层、路基表面埋设沉降管，测试不同时期沉降管各点的沉降值，从而得到整个路基断面各点的沉降，或者在冻土上限埋设磁环沉降仪，观测冻土上限的变化及其引起的沉降。磁环式分层沉降仪主要由一根PVC沉降管、多个沉降磁环、测头、测试仪，以及连接测头和测试仪之间的钢尺电缆组成。采用磁环式分层沉降仪观测高填方场地地基沉降的工作过程是先在地基基岩上用钻机钻孔，然后清孔，将PVC沉降管按照在孔的中心部位，按设计要求在每节管子上套上磁环和定位环，并用螺丝固定定位环，把管子插入外接头内，拧紧螺丝，放到设计深度止，最后盖上盖子将地基土回填密实。埋设完成后，沉降磁环将会沿着沉降管随土体同步沉降。测量时，将测头放入导管内，手拿钢尺电缆，让测头缓慢地向下移动，当测头接触到磁环时，接收系统会发出蜂鸣声，这时测试人员从电缆上读出沉降管口对应的刻度，得到沉降磁环的沉降结果。但这些方法或者依赖人工实地获取，或者仪器昂贵，往往一次数据观测与采集都要花费大量的人力物力，数据获取间隔长，成本大。并且由于需要人为操作，其中带来的误差不可避免。或由于非接触性测量的原因，测量精度受天气或数据处理方法等因素的影响很大，无法满足精度需求。

由于现有的形变监测手段费时费力加之冻土区环境恶劣，国际上尚没有效的冻土区地表形变连续自动监测装置，尚没有一套完整的高时间序列与高精度的地表形变数据集。而形变不仅与寒区工程密切相关，还对冻土内部水热特征与气候变化与重要指针意义。在我国青藏高原与东北地区均有大量多年冻土分布，构建一种有效的地表形变连续自动监测装置至关重要。

发明内容

本发明目的是提供一种可以连续自动监测冻土区地表形变的装置，解决以往获取的数据时间分辨率低、精度差和代价高昂的问题，实现了数据的高时间序列持续监测与数据自动传输，降低了观测与采集的成本，同时也可避免人为操作的误差，使获取的数据更加真实准确。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种冻土区地表形变连续自动监测装置，包括线性位移传感器，DTU通信传输模块，供电系统；所述供电系统为所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块提供电源。

所述线性位移传感器安装在预设的基准点一定距离处，所述线性位移传感器与预设基准点通过连接装置相连接。

所述连接装置由分别套在线性位移传感器与基准点上的两个环形卡箍，和一根可旋紧并固定环形卡箍的连接钢筋组成，两卡箍分别安装在所述线性位移传感器与基准点上，所述线性位移传感器与基准点的卡箍上均焊有螺母与一定长度的螺柱。

所述连接钢筋一端旋入所述线性位移传感器的螺母上，另一端旋入基准点的卡箍上，将所述线性位移传感器与基准点固定在一起。

所述线性位移传感器用于通过测量传感器内部电位器移动距离，采集所述线性位移传感器产生的数字信号，获取地表垂直方向形变信息。

所述DTU通信传输模块用于收集所述线性位移传感器产生的数字信号，将所述线性位移传感器获取的垂直于地表法线方向上的形变量通过无线通信网络传输至用户端。

所述DTU通信传输模块与所述线性位移传感器通过RS485总线进行有线连接，所述DTU通信传输模块与用户端通过TCP/IP协议建立无线数据连接。

所述用户端用于通过所述DTU通信传输模块控制所述线性位移传感器的采样频率与所述线性位移传感器产生的数字信号的上传频率。

所述供电系统包括：用于控制所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块的电力来源的电池控制器、接受太阳辐射并将太阳能转换为电能的光伏太阳能板、将太阳能板提供的电能存储的蓄电池。

所述太阳能板的电线接入所述电池控制器的左侧两接线孔，蓄电池的电线接入所述电池控制器的中间两接线孔，所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块的供电线同时连入电池控制器右侧两接线孔；所述电池控制器与所述DTU通信传输模块放入防水盒中，固定电线簇，密封防水盒。

优选的，所述线性位移传感器可移动的电位器底部装有一定厚度的下垫片，下垫片为金属薄片，并有若干均匀分布的孔洞，所述下垫片与地表自由贴合接触。

优选的，所述基准点采用预先钻入的深钻孔或者预先植入的热棒，其底部稳定置入冻土内部。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

本发明装置可以每分钟为单位的持续对地表形变量进行观测，数据获取密集，时序性强，基于物联网实现数据的持续采集与传输，实现了数据的高时间序列持续监测与数据自动传输。不需要观测人员反复去现场获取数据，降低了观测与采集的成本，同时也可避免人为操作的误差，使获取的数据更加真实准确。

本发明通过巧妙选取冻土区深钻孔作为参照点，在大范围地表普遍发生形变的环境下，获得参照点周围地表形变的真实性绝对量，并且该装置几乎不对自然地表环境进行破坏，不阻碍自然水热交换，可以获得自然条件下的地表形变量。

监测冻土区地表位移的原理如下列公式表示：

冻土地表毫米级别的高程变化的原因是因为冰与水的密度不同，“冻胀融沉”引起地表形变，表示为公式（1）。造成冰-水相位转换主要受热量驱动，气温变化带来能量变化，作用于一定质量水冰的冻结或者融化，如公式（2）（3）所示。冬季气温降低，水至冰呈冻结状态时，体积膨胀，地表抬升；夏季气温升高，冰至水过程中体积缩小，地表下降。此外，多年冻土上限一般存在地下冰，在当前气候变化影响下，地下冰融化会带来地表长期持续性融沉；

公式（1）

上式中

为高程上的变化，即形变，m为质量，A为面积，

和

分别为冰和水的密 度；

公式（2）

公式（3）

上式中r为融化/冻结质量，m ₁为冰/水对应能量的系数转换，

为气温变化，Q为对 应能量变化。

同时，地表“冻胀融沉”带来地表高程的变化，位移传感器一端固定，一端紧贴地面随着地表上升下降，随即导致次级线圈的移动，产生电信号。地表的位移使电位器的电阻发生变化，电阻的变化反映位移的大小，电阻的增减表示位移的方向。将电源连接至电位器，将电阻变化转换为电压输出。因此，地表高程的变化，反映在位移传感器上就是电压输出的变化，电压是位移的线性函数，如公式（4）所示：

公式（4）

上式中

为电压值，K为地表形变与位移传感器输出电压之间的转换系数。

综合上述，有如公式（5）（6）转换，气温变化造成使得在融化季与冻结季冻土活动层内水冰相位转换，进而引起“冻胀融沉”地表形变，被位移传感器捕获为电压的变化；

公式（5）

公式（6）。

附图说明

图1是本发明整体结构图；

图2是本发明正面图；

图3是本发明背面图；

图4是本发明装置中传感器、DTU通信传输模块与电源控制器接线图；

附图标记：1-圆柱形固定桩，2-固定桩卡箍，3-连接钢筋，4-传感器卡箍，5-粗金属杆，6-细金属杆，7-下垫片，8-线性位移传感器，9-太阳能板，10-电池，11-电池控制器，12-DTU通信传输模块，13-DTU天线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

一种冻土区地表形变连续自动监测装置，整体结构如图1所示，包括线性位移传感器，DTU通信传输模块，供电系统；所述供电系统为所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块提供电源。其中，高精度直线位移传感器模块可实时采集地表形变数据，并将采集到的数据通过串口通信传输给DTU通信传输模块，通过无线网络传输，传入手机端和电脑端，实现数据的自动获取和存储，由太阳能板提供电能，可使该装置长期在外工作。

所述线性位移传感器安装在预设的基准点一定距离处，所述线性位移传感器与预设基准点通过连接装置相连接；所述连接装置由分别套在线性位移传感器与基准点上的两个环形卡箍，和一根可旋紧并固定环形卡箍的连接钢筋组成，两卡箍分别安装在所述线性位移传感器与基准点上，所述线性位移传感器与基准点的卡箍上均焊有螺母与一定长度的螺柱；所述连接钢筋一端旋入所述线性位移传感器的螺母上，另一端旋入基准点的卡箍上，将所述线性位移传感器与基准点固定在一起；所述线性位移传感器用于通过测量传感器内部电位器移动距离，采集所述线性位移传感器产生的数字信号，获取地表垂直方向形变信息；

具体地，所述线性位移传感器可移动的电位器底部装有一定厚度的下垫片，下垫片为金属薄片，并有若干均匀分布的孔洞，所述下垫片与地表自由贴合接触。所述基准点采用预先钻入的深钻孔或者预先植入的热棒，其底部稳定置入冻土内部。

所述DTU通信传输模块用于收集所述线性位移传感器产生的数字信号，将所述线性位移传感器获取的垂直于地表法线方向上的形变量通过无线通信网络传输至用户端，实现高精度直线位移传感器与服务器端的数据双向通信，完成用户串口数据与通讯网络数据包的转换；所述DTU通信传输模块与所述线性位移传感器通过RS485总线进行有线连接，所述DTU通信传输模块与用户端通过TCP/IP协议建立无线数据连接；位移传感器获取地表形变数据，传感器的串口数据经DTU打包处理后转换成IP数据，通过通讯信号发送到互联网的接口设备（通信基站），通过互联网和TCP长连接与用户端相连接，从而对数据信息进行传输。DTU可以向用户端传送地表形变信息，用户端也可以对DTU传送控制信息。

所述用户端用于通过所述DTU通信传输模块控制所述线性位移传感器的采样频率与所述线性位移传感器产生的数字信号的上传频率。

所述供电系统包括：用于控制所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块的电力来源的电池控制器、接受太阳辐射并将太阳能转换为电能的光伏太阳能板、将太阳能板提供的电能存储的蓄电池；所述太阳能板的电线接入所述电池控制器的左侧两接线孔，蓄电池的电线接入所述电池控制器的中间两接线孔，所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块的供电线同时连入电池控制器右侧两接线孔；所述电池控制器与所述DTU通信传输模块放入防水盒中，固定电线簇，密封防水盒。

高精度直线位移传感器及冻土区现场布设方案如下：

高精度直线位移传感器用作地表形变监测的工作原理是冻结季或融化季地表的抬升和沉降会导致位移传感器的一端随着地表自由抬升或下降，随即导致次级线圈的移动，产生电信号。地表的位移使电位器的电阻发生变化，电阻的变化反映位移的大小，电阻的增减表示位移的方向。将电源连接至电位器，将电阻变化转换为电压输出。电压是位移的线性函数。当铁芯或电枢位于次级线圈之间的中心时，每个次级线圈感应出的电压相同，相位相差180度，因此没有净输出。对于工作范围内的偏心位移，电压相应变化。位移电压转换成数字信号后传送到物联网DTU通信传输模块12。采用ModBus-RTU通信协议。硬件采用RS-485，主从半双工通信，主机调用从机地址，从机应答通信。传感器主要技术指标见表1：

表1 高精度直线位移传感器主要技术指标

将高精度直线位移传感器安装在冻土区监测时，需要设置一个相对稳定的点作为基准点或者参考点，通常将形变监测装置安装在钻孔旁边，因为钻孔深度在地下5m以下深入冻土中，不受地面表层融化或者冻结的影响，因而，可利用钻孔作为地表形变的基准，或者广泛安装在公路铁路旁的热棒等，其底部能够稳定插入冻土内部，不受冻土环境冻融循环及热融沉降的影响，避免“冻拔”现象。在多年冻土区，若用于基准点的固定桩没有深入插入冻土中，冬季当多年冻土活动层的土壤冻结时，固定桩随着冻胀而上升，固定桩升高后下部留出的空隙被土填充，次年融化季节到来时，土向下融沉，而固定桩却没有下沉空间。随着几个冻胀融沉循环，固定桩会逐渐拔高。因此，在多年冻土区选择相对稳定的点作为基准点或者参考点非常重要，将形变监测装置安装在深钻孔或者热棒旁边，可有效避免“冻拔”现象。

将高精度直线位移传感器与钻孔连接，连接装置是由两个圆柱卡箍和一根连接钢筋组成，两卡箍分别安装在传感器与钻孔钢管上，圆柱卡箍上焊有螺母，通过一定长度的相应螺柱将连接钢筋与卡箍固定在一起。

所述位移传感器包括一根较粗的垂直长金属管和一根较细的金属棒，它们套在一起，两者之间可以发生相对位移；较粗的金属管的上部由两个基本元件组成：固定线圈组件（由位于两个次级线圈之间的初级线圈组成），以及连接到较细金属棒的可动铁芯或电枢。底部设计成带有若干孔的煎饼状，以保证与冻结地表有一定的接触面积，并通过孔来保证自然地表与大气之间的水热交换过程，减少对降雨接收的影响和自蒸发。

本实施例中，供电方式由太阳能板9给可充电锂电池充电，然后由可充电锂电池为系统提供电能。

如图2和图3所示，本实施例的装置包括三部分，形变测量部分，供电部分，物联网数据接收与传输部分；所述形变测量部分包括圆柱形固定桩1（钻孔钢管）、固定桩卡箍2、连接钢筋3、传感器卡箍4、线性位移传感器8；所述供电部分包括太阳能板9、电池10、电池控制器11；所述物联网数据接收与传输部分包括DTU通信传输模块12、DTU天线13；其中电池控制器11，DTU通信传输模块12放置在塑料防水盒中。所述线性位移传感器8包括一根粗金属管5与一根细金属杆6，二者套接在一起且二者间可发生相对位移，即上下位移；底部有一薄饼状下垫片7，用于接触地面。

所述粗金属管5内部由两个基本元件组成：一个静止线圈组件（由位于两个次级线圈之间的初级线圈组成），以及一个可以移动的铁芯或电枢，此部件与细金属杆6相连，反映位移信号。交流电载波激励施加到初级线圈。与初级线圈对称间隔的次级线圈在外侧与一系列相对的回路相连。非接触式磁芯的运动改变了每个次级线圈与初级线圈之间的互感，决定了初级线圈到每个次级线圈的感应电压。如果磁芯位于次级线圈之间的中心，则每个次级线圈感应出相同的电压，相位相差180度，因此没有净输出。如果铁芯远离中心，初级线圈和次级线圈的互感会大于另一个线圈的互感，串联次级线圈就会产生压差。对于该操作范围之内的偏心位移，该电压主要是位移的一个线性函数。输出采用电子回路转换到RS485数字信号。在可移动的核芯一端装有薄圆饼，使之与地表自然贴合接触，并设有若干孔洞。由孔洞保证自然地表与大气间的水热交换过程，减少对降雨接收以及自身蒸发等的影响，获得自然地表条件下的形变。

在野外布设形变装置时，提前测量好安装的初始高度，使得传感器铁芯处在传感器线圈的中间位置，此状态下传感器下垫片7刚好接触地面时，标注固定铁砧在钢管上的位置，此时就是安装的初始高度；之后首先将固定桩卡箍2夹在作为基准参考的圆柱形固定桩1（如钻孔钢管）上并拧紧螺丝，然后将传感器卡箍4夹在粗金属管5上并拧紧螺丝，将连接钢筋3分别套进两卡箍的螺母内，然后通过铅垂线辅助或其他工具调整仪器角度，使整个位移传感器8保持在与水平面垂直的方向，完成后将螺母拧紧。下垫片7在重力的作用下自然落在冻土表面，与地表接触，此时传感器铁芯处于安装好的初始中间位置，便于测量冻土区地表的冻胀融沉与长期沉降变化。

图4展示本发明装置的接线图。将线性位移传感器8的数据传输线连入DTU通信传输模块12的数据接收端口。将太阳能板9的电线接入电池控制器11的左侧两接线孔，电池10的电线接入电池控制器11的中间两接线孔，然后将线性位移传感器8与DTU通信传输模块12的供电线同时连入电池控制器11右侧两接线孔，以对位移传感器与DTU供电。最后将电池控制器11与DTU通信传输模块12放入防水盒中，固定电线簇，密封防水盒，检查无误后完成整个发明装置的安装。

线性位移传感器8产生的数字信号通过DTU设备实时上传，本装置中DTU型号为USR-G780 V2，其支持移动、联通、电信4G高速接入，同时还支持联通3G和2G接入。使用时采用网络透传模式：即将串口设备数据发送到网络上的指定服务器，也可以接受来自服务器的数据，并将信息转发至串口设备。形变数据通过物联网单元上传频率可以根据用户需要设置，每间隔1/2/5/30/60分钟定时上传，并且可以通过物联网单元控制随时调整；或者上传间隔由数据变化幅度决定，每当地表形变超过设定的阈值时则通过物联网单元上传。用户可通过手机APP实时查看监控，或者由计算机记录存储以便继续分析。

本发明为了实现地表形变高精度连续自动监测，首先需要选择有效的形变监测传感器，要求适应极端环境、坚固耐用、监测精度高。冻土区地表的形变幅度与厘米范围，比如，保证形变传感器精度在毫米内。并且针对冻土区地表形变是整片地表抬升下降，所以必须能够相对于某一稳定的参照点进行形变的测量。线性位移传感器具有无摩擦测量、无限机械寿命、环境适应能力强、坚固耐用等特点，以往常用在工业生产、精密仪器等领域，在地学与测量领域涉及较少，但可以通过改造适应本发明目的需求。加入物联网模块可有效实施传输数据以及与位移传感器通讯。本发明将高精度直线位移传感器和当前应用广泛的物联网DTU通信传输技术相结合，以实现对冻土区地表形变实现自动连续观测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种冻土区地表形变连续自动监测装置，其特征在于，该装置包括线性位移传感器，DTU通信传输模块，供电系统；所述供电系统为所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块提供电源；

所述线性位移传感器安装在预设的基准点一定距离处，所述线性位移传感器与预设基准点通过连接装置相连接；

所述连接装置由分别套在线性位移传感器与基准点上的两个环形卡箍，和一根可旋紧并固定环形卡箍的连接钢筋组成，两卡箍分别安装在所述线性位移传感器与基准点上，所述线性位移传感器与基准点的卡箍上均焊有螺母与一定长度的螺柱；

所述连接钢筋一端旋入所述线性位移传感器的螺母上，另一端旋入基准点的卡箍上，将所述线性位移传感器与基准点固定在一起；

所述线性位移传感器用于通过测量传感器内部电位器移动距离，采集所述线性位移传感器产生的数字信号，获取地表垂直方向形变信息；

所述DTU通信传输模块用于收集所述线性位移传感器产生的数字信号，将所述线性位移传感器获取的垂直于地表法线方向上的形变量通过无线通信网络传输至用户端；

所述DTU通信传输模块与所述线性位移传感器通过RS485总线进行有线连接，所述DTU通信传输模块与用户端通过TCP/IP协议建立无线数据连接；

所述用户端用于通过所述DTU通信传输模块控制所述线性位移传感器的采样频率与所述线性位移传感器产生的数字信号的上传频率；

所述供电系统包括：用于控制所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块的电力来源的电池控制器、接受太阳辐射并将太阳能转换为电能的光伏太阳能板、将太阳能板提供的电能存储的蓄电池；

所述太阳能板的电线接入所述电池控制器的左侧两接线孔，蓄电池的电线接入所述电池控制器的中间两接线孔，所述线性位移传感器与所述DTU通信传输模块的供电线同时连入电池控制器右侧两接线孔；所述电池控制器与所述DTU通信传输模块放入防水盒中，固定电线簇，密封防水盒。

2.根据权利要求1所述的冻土区地表形变连续自动监测装置，其特征在于：所述线性位移传感器可移动的电位器底部装有一定厚度的下垫片，下垫片为金属薄片，并有若干均匀分布的孔洞，所述下垫片与地表自由贴合接触。

3.根据权利要求1或2所述的冻土区地表形变连续自动监测装置，其特征在于：所述基准点采用预先钻入的深钻孔或者预先植入的热棒，其底部稳定置入冻土内部。

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