CN114485368A - 可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

该发明涉及危岩体监测技术领域，尤其涉及可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置与测量方法。包括在长度方向上可进行伸缩的壳体，所述壳体的内部设有位移传感器和倾角传感器，所述壳体的内壁上还设有安装杆，所述安装杆的一端与壳体内壁固定连接，所述安装杆另一端设有安装托盘，所述安装托盘的与安装杆固定连接，所述安装托盘的上表面设有带开口的环形电阻，所述环形电阻的上方设有指南针，所述指南针的中部与安装杆转动连接，所述指南针朝向环形电阻的一侧面上设有导电元件，指南针转动时，导电元件与环形电阻滑动接触。该发明用以解决现有技术中测量装置难以满足危岩体绝对位移的实时自动化测量和高精度测量需求。

Description

可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置与测量方法

技术领域

该发明涉及危岩体监测技术领域，尤其涉及可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置与测量方法。

背景技术

在实际监测过程中，危岩体绝对位移(包含绝对位移大小和方向)的测量能够准确反映危岩体变形的大小和方向。危岩体的绝对位移方向决定了危岩体运动的轨迹，也决定了危岩体崩塌滚落的方向；危岩体绝对位移的大小则反映了危岩体变形的程度和危险性。因此如果能对危岩体的绝对位移进行监测，专业技术人员结合地质条件就能较为准确地判断危岩体的破坏模式和崩塌方向，进而结合地形条件就可以对危岩体的崩塌滚落轨迹和威胁范围进行判断，也能对危岩体的危险程度进行更为准确的判断，从而便于制定更加有效和针对性的应急防范预案，进一步确保人民群众生命财产安全。

目前对地质灾害体绝对位移的测量主要依靠的是GNSS监测仪，这种方法通过卫星对测点位置进行解算，通过计算测点前后位置的变化便可以得到地质灾害体的绝对位移。但GNSS监测仪的监测精度依赖于卫星的数量和卫星信号的强弱，如果接收卫星信号的数量和强弱有限，则会造成较大的测量误差；且GNSS监测仪的数据解算通常需要一个小时左右，具有一定的滞后性，并不能实现真正的实时监测，如果遇到在数分钟或数十分钟内崩塌的突发性危岩体，GNSS监测仪可能面临监测预警失效而造成生命财产损失。另外，GNSS监测仪的成本较高。

发明内容

针对上述技术的不足，本发明的目的在于提供可测量危岩体绝对位移(包含绝对位移大小和方向)的实时自动化监测装置与测量方法，用以解决在对地质灾害体的绝对位移进行测量时，现有技术中测量装置难以满足高精度测量的需求，以及难以实现对地质灾害体的绝对位移进行实时监测的问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：

可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，包括在长度方向上可进行伸缩的壳体，所述壳体的内部设有位移传感器和倾角传感器，所述壳体的内壁上还设有安装杆，所述安装杆的一端与壳体内壁固定连接，所述安装杆另一端设有安装托盘，所述安装托盘与安装杆固定连接，所述安装托盘的上表面设有带开口的环形电阻，所述环形电阻的上方设有指南针，所述指南针的中部与安装杆转动连接，所述指南针朝向环形电阻的一侧面上设有导电元件，指南针转动时，导电元件与环形电阻滑动接触；

还包括电性连接的供电模块、通讯模块和控制模块，所述供电模块包括电源和第一电流计，所述电源的一电极与导电元件的一端部电性连接，另一电极与环形电阻的一缺口端电性连接，所述第一电流计串接在与电源一电极连接的导线上，所述控制模块用以读取第一电流计、位移传感器和倾角传感器的的数值，并对危岩体绝对位移的大小和方向进行计算，所述通讯模块用于将控制模块计算的数据进行远程传输。

进一步限定，所述壳体包括内壳体和外壳体，所述内壳体和外壳体首尾相接，所述内壳体的一端可在外壳体的内部进行滑动，所述安装杆设置于内壳体上，其有益之处在于，监测装置安装之后可随着危岩体的位移而发生伸缩变化，壳体采用内壳体和外壳体伸缩滑动的方式，结构简单，安装方便。

进一步限定，所述内壳体和外壳体之间设有弹性件，所述弹性件的两端分别与内壳体与外壳体位于外侧的一端固定连接，且弹性件位于内壳体和外壳体的内部，其有益之处在于，处于拉伸状态的弹簧可以给内壳体和外壳体提供预紧力，使内壳体和外壳体在安装和运输的过程中不会出现脱落的情况。

进一步限定，所述内壳体和外壳体位于外侧的一端上设有安装接头，所述安装接头与内壳体和外壳体之间可拆卸式连接，其有益之处在于，设置安装接头的目的在于，便于本装置和危岩体进行连接和固定。

进一步限定，所述倾角传感器的读数可区分正负，当装置安装于危岩体上的一端低于安装于稳定岩体上的一端时，倾角数据为负，反之倾角数据为正。

进一步限定，所述控制模块可以对测量电路的开合进行控制，通过通讯模块远程向装置发出数据采集频率调整的指令，进而控制模块通过调整测量电路的开合频率，并将测量数据通过通讯模块远程传输，其有益之处在于，通过实现控制数据采集频率，以便实现节电环保的效果。

进一步限定，所述导电元件为导电丝或导电片。

进一步限定，所述托盘下部设有第二电阻和第二电流计，且第二电阻的两端与电源接通，所述第二电流计串接于第二电阻与电源之间的电路上，所述第二电阻的材质与环形电阻相同，其有益之处在于，设置第二电阻和电流计，可以在环境温度变化造成电阻率变化时准确求取环形电阻在任一时刻的电阻率，从而在计算时消除电阻率随环境温度变化的影响，使测量的结果更加的准确。

进一步限定，所述指南针的上方设有限位齿，所述限位齿与指南针的上表面接触，所述限位齿固定于安装杆上，其有益之处在于，限位齿的设置使指南针不会因为危岩体的倾斜或是移动造成指南针上的导电元件与环形电阻脱离接触，使指南针始终与环形电阻平行接触，保证指南针上的导电元件和环形电阻的接触效果。

可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置的测量方法，具体步骤如下：

装置安装时，若环形电阻的初始开口方向为β₀°，则：

(1)设某一时刻第一电流计的读数为I时，危岩体相对稳定岩体的位移方向为β°(即装置安装于危岩体上的一端相对于安装于稳定岩体上的一端的方向)，则计算危岩体相对位移方向β°的过程如下：

设环形电阻的接入长度为L，则：

I＝U/(ρL/S)

推导出：L＝(US)/(ρI)

从而计算出危岩体相对位移方向β°为：

β＝β₀+360(L/L₀)＝β₀+360[(US)/(ρIL₀)](当I≥(360US)/[(360-β₀)ρL₀]时) ①

或β＝β₀+360[(US)/(ρIL₀)]-360(当I＜(360US)/[(360-β₀)ρL₀]时) ②

通过①或②式可在电阻率基本不变时，较为方便准确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向；上式中，U为电源电压，S为环形电阻的横截面积，ρ为环形电阻的电阻率，L₀为环形电阻的周长；

引入第二电阻和第二电流计时，设第二电阻的横截面积为S＇，第二电阻的接入长度为L₀＇，则根据第二电流计的读数I＇可实时求得环境温度变化引起电阻率变化时，环形电阻和第二电阻的电阻率ρ：

ρ＝(US＇)/(I＇L₀＇) ③

将③式代入①②式即可在环境温度变化引起电阻率变化时，精确求得危岩体的相对位移方向为：

β＝β₀+360(I＇/I)(L₀＇/L₀)(S/S＇)(当I≥[360/(360-β₀)](S/S＇)(L₀＇/L₀)I＇时)④

或β＝β₀+360(I＇/I)(L₀＇/L₀)(S/S＇)-360(当I＜[360/(360-β₀)](S/S＇)(L₀＇/L₀)I＇时) ⑤

通过④或⑤式可在环境温度变化造成电阻率变化时，精确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向β°。

特殊情况下，当第二电阻和环形电阻的长度和横截面积均相等时，即：L₀＇＝L₀，S＇＝S时，④⑤式可化简为：

β＝β₀+360(I＇/I)(当I≥[360/(360-β₀)]I＇时) ⑥

或β＝β₀+360(I＇/I)-360(当I＜[360/(360-β₀)]I＇时) ⑦

若装置安装时环形电阻的开口初始方向为正北方向，则β₀＝0，此时由于I≥I＇，⑥⑦式可化简为：

β＝360(I＇/I) ⑧。

(2)建立空间坐标系，设装置安装于稳定岩体上的O点为坐标原点，正北方向为坐标轴Y轴的正方向，正东方向为坐标轴X轴的正方向，竖直向上方向为坐标轴Z轴的正方向。装置安装于危岩体上的位置为A点。

为简化计算，设装置初始安装时位于危岩体上的一端指向正北方向，位移传感器的初始读数为d₀，倾角传感器的初始读数为θ₀°，则可以表征A点的初始坐标位置(X₀,Y₀，Z₀)为：

X₀＝0，

Y₀＝d₀·cosθ₀°，

Z₀＝d₀·sinθ₀°，

设危岩体位移后，A点的坐标位置变化至A＇点位置，此时测得危岩体的相对位移方向为β°，位移传感器读数为d，倾角传感器读数为θ°，则A＇点的坐标位置(X，Y，Z)可以表示为：

X＝d·cosθ°·sinβ°,

Y＝d·cosθ°·cosβ°,

Z＝d·sinθ°，

设危岩体的绝对位移方向为α°，由A点、A＇点的坐标，即可推导出危岩体的绝对位移方向为：

当X-X₀>0且Y-Y₀>0时,有:α°＝arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)] ⑨

当X-X₀>0且Y-Y₀<0时,有:

α°＝90°+arctan[(d₀·cosθ₀°-d·cosθ°·cosβ°)/(d·cosθ°·sinβ°)] ⑩

当X-X₀<0且Y-Y₀<0时,有:

α°＝180°+arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)]

当X-X₀<0且Y-Y₀>0时,有:

α°＝360°-arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d₀·cosθ₀°-d·cosθ°·cosβ°)]

当Y＝Y₀且X-X₀＞0时，α°＝90°

当Y<Y₀且X＝X₀时，α°＝180°

当Y＝Y₀且X-X₀<0时,α°＝270°

当Y>Y₀且X＝X₀时，α°＝360°或α°＝0°

由⑨-

式即可求得危岩体的绝对位移方向α°。

设危岩体在水平方向的位移大小为p，则：

p＝[(X-X₀)²+(Y-Y₀)²]^1/2＝[(d·cosθ°·sinβ°)²+(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)²]^1/2

由

式即可求得危岩体在水平方向的绝对位移大小p。

设危岩体在垂直方向的位移大小为n，则：

n＝Z-Z₀＝d·sinθ°-d₀·sinθ₀°

由

式即可求得危岩体在垂直方向的位移大小n。

根据⑨-

式，即可求得危岩体的绝对位移大小和方向，即是危岩体的绝对位移。

若装置初始安装时位于危岩体上的一端没有指向正北方向，也可以参照上述方法推导出危岩体绝对位移的相应计算公式。

本技术方案的工作原理为：

相对位移方向数据获取原理：

测量时，将装置的一端万向转动连接在稳定岩体上，另一端万向转动连接在危岩体上。根据现场测量条件，还可采用辅助打桩的形式，在稳定岩体和危岩体上分别打一个桩，再将装置两端分别与两个桩万向转动连接。则危岩体发生位移时，装置将被拉伸或压缩，装置连接在危岩体上的一端将发生水平或垂直移动。由于安装杆固定在装置外壳内表面上，安装托盘固定在安装杆上，环形电阻固定在安装托盘上，因此环形电阻的开口方向始终会随着装置中心轴线的移动而移动，但指南针的N极则会始终指向正北方向，因此危岩体位移引起装置发生移动时，接入电路的电阻长度会发生变化，进而造成电流计读数变化而对相对位移方向进行测量。

绝对位移数据获取原理：

危岩体位移时，装置中心轴线会发生水平位移或者垂直位移，此时倾角传感器测得装置中心轴线的倾角变化，位移传感器测得装置壳体的长度变化，通过建立空间坐标系，则可以根据位移传感器和倾角传感器的数据计算得到装置在危岩体上安装点的前后坐标位置，进而根据装置在危岩体上安装点的前后坐标位置变化综合计算即可求得危岩体的绝对位移(即危岩体的绝对位移大小和方向)。

本技术方案所取得的技术效果如下：

(1)本装置结构简单，安装方便，且能实现对危岩体绝对位移的高精度的实时测量。(2)本装置的通用性和实用性强，不但能测量危岩体的绝对位移，对于所有地质灾害体或者其他移动物体的绝对位移，都能通过本装置测量。(3)本装置通过利用指南针在发生偏转时会始终指向正北方向的特性，来对危岩体发生位移的角度进行精准采集，再通过指南针旋转时，改变接入环形电阻的长度的方式，对危岩体产生的相对位移方向进行精准的换算，同时再通过位移传感器和倾角传感器的数据采集和换算实现了对危岩体的绝对位移进行计算，极大的提高了对危岩体绝对位移测量准确性，且能对危岩体的绝对位移进行实时监测。(4)通过设置第二电阻和第二电流计，可以对环境温度变化造成电阻率变化引起的测量误差进行消除，从而可以在环境温度变化造成电阻率变化时，进行精确的测量。

附图说明

图1为本装置正视图的剖视图示意图。

图2为本装置的俯视图示意图。

图3为本装置内部零部件和导线连接的安装示意图。

图4为导电元件与供电模块的连接导线之间的具体连接方式示意图。

图5为本装置的安装示意图。

图6为空间坐标系的建立示意图。

附图编号

壳体1、弹性件2、安装杆3、安装托盘4、环形电阻5、导电元件6、指南针7、供电模块8、控制模块9、通讯模块10、导电安装环11、连接导线12、位移传感器13、倾角传感器14。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，包括在长度方向上可进行伸缩的壳体1，壳体1的内壁上设有安装杆3，安装杆3的一端与壳体1内壁固定连接，安装杆3在本具体实施方式中应当是固定于壳体1安装时的底面内侧，且垂直于壳体1的底面安装，安装杆3另一端设有安装托盘4，安装托盘4与安装杆3固定连接，安装托盘4的上表面上设有带开口的环形电阻5，环形电阻5的上方设有指南针7，指南针7的中部与安装杆3转动连接，指南针7朝向环形电阻5的一侧面上设有导电元件6，指南针7转动时，导电元件6与环形电阻5滑动接触；本实施例中为了简化计算，导电元件6安装在指南针7的N极一端，导线连接在环形电阻如图3所示的一侧，当然，导电元件6安装在指南针7的N极一端或者S极一端，或者导线连接在环形电阻开口的任意一侧也能进行测量，只需推导出相应的计算公式即可；同时在壳体的内部还设有位移传感器13和倾角传感器14，位移传感器13主要用于测量危岩体发生位移时，伸缩壳体1两端的长度。位移传感器13可以采用拉线式或振弦式传感器或激光式测距仪等。倾角传感器14主要用于测量危岩体发生位移时，外壳1的中心轴线相对于水平面的倾角变化，且倾角数据可区分正负值，用于反映危岩体的上升或下降。当监测装置安装于危岩体上的一端低于安装于稳定岩体上的一端时，倾角数据为负，反之倾角数据为正。

在本具体实施方式中，环形电阻5开口处的宽度为1-5mm，优选为3mm，在满足加工工艺的基础上，环形电阻开口尽可能减小有助于减少本装置的测量盲区，另外，不难理解的是，由于指南针7和导电元件6在重力作用下会产生细微下垂形变，为了避免二者旋转至环形电阻5的缺口时，被环形电阻5的缺口端阻挡干涉，因此在环形电阻5开口处采用绝缘材料连接，且绝缘材料与环形电阻的表面光滑过渡。

还包括电性连接的供电模块8、控制模块9和通讯模块10，供电模块8包括电源和第一电流计，电源的一电极与导电元件6的一端部电性连接，另一电极与环形电阻5的一缺口端电性连接，当然电源还对位移传感器和倾角传感器电性连接，用以对二者进行供电，如图4所示，在本具体实施方式中，导电元件6与供电模块8之间的具体连接方式为，安装杆3上设有导电安装环11，导电安装环11和安装杆转动连接，指南针7的中部和导电元件6的一端通过导电安装环11共同转动连接在安装杆3上，导电元件6与导电安装环11外表面电性连接，且导电元件6固定于指南针7的N极一端，通过指南针7带动导电元件6进行同轴旋转，连接导线12的一端与供电模块8电性连接，连接导线12的另一端沿着安装杆3轴线方向与导电安装环11内表面电性接触，第一电流计串接在与电源一电极连接的导线上，控制模块9用以读取第一电流计、位移传感器13和倾角传感器14的数值，并对危岩体相对位移方向、绝对位移(即绝对位移的方向和大小)进行计算，通讯模块10用于将控制模块9计算的数据进行远程传输或发送到监测终端。

需要说明的是，控制模块10优选为可对自动化监测装置中第一电流计、位移传感器和倾角传感器的测量电路进行开合控制，通过通讯模块10远程向自动化监测装置发出数据采集频率调整的指令，进而控制模块9通过调整测量电路的开合频率，并将测量数据通过通讯模块10远程传输。以便于实现节电环保的效果，可延长本装置在野外的电量使用时间。

壳体1包括内壳体和外壳体，内壳体和外壳体首尾相接，内壳体的一端可在外壳体的内部进行滑动，安装杆3设置于内壳体上，壳体1采用内壳体和外壳体伸缩滑动的方式，结构简单，安装方便，滑动的方式优选可设置滑道和滑槽。

内壳体和外壳体之间设有弹性件2，弹性件2的两端分别与内壳体与外壳体位于外侧的一端固定连接，且弹性件2位于内壳体和外壳体的内部，弹性件2在本具体实施方式中优选为弹簧，当然弹性绳也可以满足本装置的使用需求，处于拉伸状态的弹簧可以给内壳体和外壳体提供预紧力，使内壳体和外壳体在安装和运输的过程中不会出现脱落的情况。

内壳体和外壳体位于外侧的一端上设有安装接头，安装接头与内壳体和外壳体之间可拆卸式连接，安装接头可根据实际使用环境设置多种结构和规格，设置安装接头的目的在于，便于本装置在各种复杂地形条件下和危岩体进行连接和固定。

导电元件6为导电丝或导电片，因为其导电效果好，导电元件6的电阻可以忽略不计。

托盘下部设有第二电阻和第二电流计，且第二电阻的两端与电源接通，第二电流计串接于第二电阻与电源之间的电路上，第二电阻的材质与环形电阻相同，设置第二电阻和电流计，在计算时可以消除电阻率随环境温度变化的影响，使测量的结果更加的准确。

指南针7的上方设有限位齿，限位齿与指南针7的上表面接触，限位齿固定于安装杆3上，且限位齿与指南针7的摩擦力很小，不会阻止指南针7的正常偏转，限位齿的设置使指南针7不会因为危岩体的倾斜或是移动造成导电元件6与环形电阻5脱离接触，使指南针7始终与环形电阻5平行滑动接触，保证导电元件6和环形电阻5的接触和导电效果。

如图5所示，安装时，将装置一端固定安装于稳定岩体上的O点，另一端固定安装于危岩体上的A点，若危岩体发生水平或垂直位移，装置中心轴线将随着A点的移动而发生水平位移或者垂直位移，而指南针的N极始终指向正北方向，从而引起环形电阻接入电路的长度发生变化，引起第一电流计的读数变化，而测得A点位置相对于O点的相对位移方向；倾角传感器14测得装置中心轴线相对于水平面的倾角变化，位移传感器13测得装置的长度变化，通过建立空间坐标系，即可得到A点和A＇点的坐标，从而计算出危岩体A点移动到A＇点的绝对位移变化的大小和方向。

可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置的测量方法，具体步骤如下：

装置安装时，若环形电阻的初始开口方向为β₀°，则：

(1)设某一时刻第一电流计的读数为I时，危岩体相对稳定岩体的位移方向为β°(即装置安装于危岩体上的一端相对于安装于稳定岩体上的一端的方向)，则计算危岩体相对位移方向β°的过程如下：

设环形电阻的接入长度为L，则：

I＝U/(ρL/S)

推导出：L＝(US)/(ρI)

从而计算出危岩体相对位移方向β°为：

β＝β₀+360(L/L₀)＝β₀+360[(US)/(ρIL₀)](当I≥(360US)/[(360-β₀)ρL₀]时) ①

或β＝β₀+360[(US)/(ρIL₀)]-360(当I＜(360US)/[(360-β₀)ρL₀]时) ②

通过①或②式可在电阻率基本不变时，较为方便准确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向；上式中，U为电源电压，S为环形电阻的横截面积，ρ为环形电阻的电阻率，L₀为环形电阻的周长；

引入第二电阻和第二电流计时，设第二电阻的横截面积为S＇，第二电阻的接入长度为L₀＇，则根据第二电流计的读数I＇可实时求得环境温度变化引起电阻率变化时，环形电阻和第二电阻的电阻率ρ：

ρ＝(US＇)/(I＇L₀＇) ③

将③式代入①②式即可在环境温度变化引起电阻率变化时，精确求得危岩体的相对位移方向为：

β＝β₀+360(I＇/I)(L₀＇/L₀)(S/S＇)(当I≥[360/(360-β₀)](S/S＇)(L₀＇/L₀)I＇时)④

或β＝β₀+360(I＇/I)(L₀＇/L₀)(S/S＇)-360(当I＜[360/(360-β₀)](S/S＇)(L₀＇/L₀)I＇时) ⑤

通过④或⑤式可在环境温度变化造成电阻率变化时，精确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向β°。

特殊情况下，当第二电阻和环形电阻的长度和横截面积均相等时，即：L₀＇＝L₀，S＇＝S时，④⑤式可化简为：

β＝β₀+360(I＇/I)(当I≥[360/(360-β₀)]I＇时) ⑥

或β＝β₀+360(I＇/I)-360(当I＜[360/(360-β₀)]I＇时) ⑦

若装置安装时环形电阻的开口初始方向为正北方向，则β₀＝0，此时由于I≥I＇，⑥⑦式可化简为：

β＝360(I＇/I) ⑧。

(2)如图6所示，建立空间坐标系，设装置安装于稳定岩体上的O点为坐标原点，正北方向为坐标轴Y轴的正方向，正东方向为坐标轴X轴的正方向，竖直向上方向为坐标轴Z轴的正方向。装置安装于危岩体上的位置为A点。

为简化计算，设装置初始安装时位于危岩体上的一端指向正北方向，位移传感器的初始读数为d₀，倾角传感器的初始读数为θ₀°，则可以表征A点的初始坐标位置(X₀,Y₀，Z₀)为：

X₀＝0，

Y₀＝d₀·cosθ₀°，

Z₀＝d₀·sinθ₀°，

设危岩体位移后，A点的坐标位置变化至A＇点位置，此时测得危岩体的相对位移方向为β°，位移传感器读数为d，倾角传感器读数为θ°，则A＇点的坐标位置(X，Y，Z)可以表示为：

X＝d·cosθ°·sinβ°,

Y＝d·cosθ°·cosβ°,

Z＝d·sinθ°，

设危岩体的绝对位移方向为α°，由A点、A＇点的坐标，即可推导出危岩体的绝对位移方向为：

当X-X₀>0且Y-Y₀>0时,有:α°＝arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)] ⑨

当X-X₀>0且Y-Y₀<0时,有:

α°＝90°+arctan[(d₀·cosθ₀°-d·cosθ°·cosβ°)/(d·cosθ°·sinβ°)] ⑩

当X-X₀<0且Y-Y₀<0时,有:

α°＝180°+arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)]

当X-X₀<0且Y-Y₀>0时,有:

α°＝360°-arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d₀·cosθ₀°-d·cosθ°·cosβ°)]

当Y＝Y₀且X-X₀＞0时，α°＝90°

当Y<Y₀且X＝X₀时，α°＝180°

当Y＝Y₀且X-X₀<0时,α°＝270°

当Y>Y₀且X＝X₀时，α°＝360°或α°＝0°

由⑨-

式即可求得危岩体的绝对位移方向α°。

设危岩体在水平方向的绝对位移大小为p，则：

p＝[(X-X₀)²+(Y-Y₀)²]^1/2＝[(d·cosθ°·sinβ°)²+(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)²]^1/2

由

式即可求得危岩体在水平方向的绝对位移大小p。

设危岩体在垂直方向的位移大小为n，则：

n＝Z-Z₀＝d·sinθ°-d₀·sinθ₀°

由

式即可求得危岩体在垂直方向的位移大小n。

根据⑨-

式，即可求得危岩体的绝对位移大小和方向，即是危岩体的绝对位移。

若装置初始安装时位于危岩体上的一端没有指向正北方向，也可以参照上述方法推导出危岩体绝对位移的相应计算公式。

需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，包括在长度方向上可进行伸缩的壳体，所述壳体的内部设有位移传感器和倾角传感器，所述壳体的内壁上还设有安装杆，所述安装杆的一端与壳体内壁固定连接，所述安装杆另一端设有安装托盘，所述安装托盘与安装杆固定连接，所述安装托盘的上表面设有带开口的环形电阻，所述环形电阻的上方设有指南针，所述指南针的中部与安装杆转动连接，所述指南针朝向环形电阻的一侧面上设有导电元件，指南针转动时，导电元件与环形电阻滑动接触；

还包括电性连接的供电模块、通讯模块和控制模块，所述供电模块包括电源和第一电流计，所述电源的一电极与导电元件的一端部电性连接，另一电极与环形电阻的一缺口端电性连接，所述第一电流计串接在与电源一电极连接的导线上，所述控制模块用以读取第一电流计、位移传感器和倾角传感器的数值，并对危岩体绝对位移进行计算，所述通讯模块用于将控制模块计算的数据进行远程传输。

2.根据权利要求1所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述壳体包括内壳体和外壳体，所述内壳体和外壳体首尾相接，所述内壳体的一端可在外壳体的内部进行滑动，所述安装杆设置于内壳体上。

3.根据权利要求2所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述内壳体和外壳体之间设有弹性件，所述弹性件的两端分别与内壳体与外壳体位于外侧的一端固定连接，且弹性件位于内壳体和外壳体的内部。

4.根据权利要求2所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述内壳体和外壳体位于外侧的一端上设有安装接头，所述安装接头与内壳体和外壳体之间可拆卸式连接。

5.根据权利要求1所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述倾角传感器的读数可区分正负，当装置安装于危岩体上的一端低于安装于稳定岩体上的一端时，倾角数据为负，反之倾角数据为正。

6.根据权利要求1所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述控制模块可以对测量电路的开合进行控制，通过通讯模块远程向装置发出数据采集频率调整的指令，进而控制模块通过调整测量电路的开合频率，并将测量数据通过通讯模块远程传输。以便实现节能环保的效果。

7.根据权利要求1所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述导电元件为导电丝或导电片。

8.根据权利要求1所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述托盘下部设有第二电阻和第二电流计，且第二电阻的开口两端与电源接通，所述第二电流计串接于第二电阻与电源之间的电路上，所述第二电阻的材质与环形电阻相同。

9.根据权利要求1所述的可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置，其特征在于，所述指南针的上方设有限位齿，所述限位齿与指南针的上表面接触，所述限位齿固定于安装杆上，限位齿的作用是当装置倾斜时，指南针始终与环形电阻平行接触，保证指南针与环形电阻的接触效果。

10.可测量危岩体绝对位移的实时自动化监测装置的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

装置安装时，若环形电阻的初始开口方向为β₀°，则：

(1)设某一时刻第一电流计的读数为I时，危岩体相对稳定岩体的位移方向为β°(即装置安装于危岩体上的一端相对于安装于稳定岩体上的一端的方向)，则计算危岩体相对位移方向β°的过程如下：

设环形电阻的接入长度为L，则：

I＝U/(ρL/S)

推导出：L＝(US)/(ρI)

从而计算出危岩体相对位移方向β°为：

β＝β₀+360(L/L₀)＝β₀+360[(US)/(ρIL₀)](当I≥(360US)/[(360-β₀)ρL₀]时) ①

或β＝β₀+360[(US)/(ρIL₀)]-360(当I＜(360US)/[(360-β₀)ρL₀]时) ②

通过①或②式可在电阻率基本不变时，较为方便准确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向；上式中，U为电源电压，S为环形电阻的横截面积，ρ为环形电阻的电阻率，L₀为环形电阻的周长；

引入第二电阻和第二电流计时，设第二电阻的横截面积为S＇，第二电阻的接入长度为L₀＇，则根据第二电流计的读数I＇可实时求得环境温度变化引起电阻率变化时，环形电阻和第二电阻的电阻率ρ：

ρ＝(US＇)/(I＇L₀＇) ③

将③式代入①②式即可在环境温度变化引起电阻率变化时，精确求得危岩体的相对位移方向为：

β＝β₀+360(I＇/I)(L₀＇/L₀)(S/S＇)(当I≥[360/(360-β₀)](S/S＇)(L₀＇/L₀)I＇时) ④

或β＝β₀+360(I＇/I)(L₀＇/L₀)(S/S＇)-360(当I＜[360/(360-β₀)](S/S＇)(L₀＇/L₀)I＇时)⑤

通过④或⑤式可在环境温度变化造成电阻率变化时，精确地求得任一时刻危岩体的相对位移方向β°。

特殊情况下，当第二电阻和环形电阻的长度和横截面积均相等时，即：L₀＇＝L₀，S＇＝S时，④⑤式可化简为：

β＝β₀+360(I＇/I)(当I≥[360/(360-β₀)]I＇时) ⑥

或β＝β₀+360(I＇/I)-360 (当I＜[360/(360-β₀)]I＇时) ⑦

若装置安装时环形电阻的开口初始方向为正北方向，则β₀＝0，此时由于I≥I＇，⑥⑦式可化简为：

β＝360(I＇/I) ⑧。

(2)建立空间坐标系，设装置安装于稳定岩体上的O点为坐标原点，正北方向为坐标轴Y轴的正方向，正东方向为坐标轴X轴的正方向，竖直向上方向为坐标轴Z轴的正方向。装置安装于危岩体上的位置为A点。

为简化计算，设装置初始安装时位于危岩体上的一端指向正北方向，位移传感器的初始读数为d₀，倾角传感器的初始读数为θ₀°，则可以表征A点的初始坐标位置(X₀,Y₀，Z₀)为：

X₀＝0，

Y₀＝d₀·cosθ₀°，

Z₀＝d₀·sinθ₀°，

设危岩体位移后，A点的坐标位置变化至A＇点位置，此时测得危岩体的相对位移方向为β°，位移传感器读数为d，倾角传感器读数为θ°，则A＇点的坐标位置(X，Y，Z)可以表示为：

X＝d·cosθ°·sinβ°,

Y＝d·cosθ°·cosβ°,

Z＝d·sinθ°，

设危岩体的绝对位移方向为α°，由A点、A＇点的坐标，即可推导出危岩体的绝对位移方向为：

当X-X₀>0且Y-Y₀>0时,有:

α°＝arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)] ⑨

当X-X₀>0且Y-Y₀<0时,有:

α°＝90°+arctan[(d₀·cosθ₀°-d·cosθ°·cosβ°)/(d·cosθ°·sinβ°)] ⑩

当X-X₀<0且Y-Y₀<0时,有:

α°＝180°+arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)]

当X-X₀<0且Y-Y₀>0时,有:

α°＝360°-arctan[(d·cosθ°·sinβ°)/(d₀·cosθ₀°-d·cosθ°·cosβ°)]

当Y＝Y₀且X-X₀＞0时，α°＝90°

当Y<Y₀且X＝X₀时，α°＝180°

当Y＝Y₀且X-X₀<0时,α°＝270°

当Y>Y₀且X＝X₀时，α°＝360°或α°＝0°

由⑨-

式即可求得危岩体的绝对位移方向α°。

设危岩体在水平方向的绝对位移大小为p，则：

p＝[(X-X₀)²+(Y-Y₀)²]^1/2＝[(d·cosθ°·sinβ°)²+(d·cosθ°·cosβ°-d₀·cosθ₀°)²]^1/2

由

式即可求得危岩体在水平方向的位移大小p。

设危岩体在垂直方向的位移大小为n，则：

n＝Z-Z₀＝d·sinθ°-d₀·sinθ₀°

由

式即可求得危岩体在垂直方向的位移大小n。

根据⑨-

式，即可求得危岩体的绝对位移大小和方向，即是危岩体的绝对位移。

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