CN114812466A - 一种水平向滑坡连续位移监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平向滑坡连续位移监测装置及方法，该装置包括：耦合管道，水平布设于滑坡内；以及测量探头，其包括壳体、两扶正机构、以及设置于壳体内的陀螺仪和电路板；其中每一扶正机构包括导向柱、弹性件、以及至少三个行走轮，其中一行走轮为计程轮，计程轮包括轮毂、轴承、轮轴、励磁体、以及编码器芯片，其中轴承和励磁体嵌设于轮毂内，编码器芯片设置于轮轴上，编码器芯片可检测励磁体转动进而计算出计程轮的位移；电路板以获取计程轮的位移和测量探头的三轴偏转角度，进而可确定测量探头的运动轨迹。本发明的有益效果：获得滑坡水平向连续位移，解决了滑坡位移监测在空间上不连续、滑坡位移监测精度不足的问题。

Description

一种水平向滑坡连续位移监测装置及方法

技术领域

本发明涉及滑坡位移检测设备仪器技术领域，尤其涉及一种水平向滑坡连续位移监测装置及方法。

背景技术

滑坡位移监测主要是对滑坡滑体在水平与垂向方向上变化速度与变化量方面的监测，以确保边坡施工期及公路运行期的安全，必须预防和避免边坡整体性或局部区域的失稳破坏，预防过大的沉陷或不均匀沉降导致某些台阶边坡的倾覆，对滑坡区防护具有重要的指导意义。

滑坡位移监测一般采用机械、电子式或机械电子式滑坡变形位移监测仪器对滑坡地表裂缝、地下滑体的变形位移进行监测，可以直接得到位移变化—时间曲线，实现对滑坡位移变形长期稳定监测。如常见的测斜仪法，用钻孔打穿滑体直到基岩，下入套管，然后在不同时间将测斜仪放入钻孔，测定不同深度上钻孔壁斜度的变化，换算成不同深度的位移。目前地表位移监测可以实现位移的连续监测，但是地下位移监测方法仅仅能对有限的监测点位进行监测，在空间上是不连续的，无法获取地面以下滑体水平向上连续的滑坡位移监测数据。

发明内容

有鉴于此，为了解决地面以下滑坡位移监测在空间上不连续，无法准确获取滑坡位移监测数据，本发明的实施例提供了一种水平向滑坡连续位移监测装置及方法及装置。

本发明的实施例提供一种水平向滑坡连续位移监测装置，包括：

耦合管道，其用于水平布设于滑坡内且可耦合滑坡的变形和位移；

以及可沿着所述耦合管道内行走的测量探头，其包括壳体、分别设置于所述壳体两端的两扶正机构、以及设置于所述壳体内的陀螺仪和电路板；

其中每一所述扶正机构包括导向柱、设置于导向柱上的弹性件、以及环绕所述导向柱间隔设置的至少三个行走轮，每一所述行走轮通过一活动支架连接所述弹性件，以使所述行走轮可沿着所述导向柱轴向伸缩运动，两所述扶正机构的一所述行走轮为计程轮，所述计程轮包括轮毂、轴承、轮轴、励磁体、以及编码器芯片，其中所述轴承和所述励磁体嵌设于所述轮毂内，且所述励磁体位于所述轴承的内侧，所述轮轴与所述轴承插接，所述编码器芯片设置于所述轮轴上，以使所述编码器芯片可检测所述励磁体转动进而计算出所述计程轮的位移；

所述电路板分别连接所述编码器芯片和所述陀螺仪，以获取所述计程轮的位移和所述测量探头的三轴偏转角度，进而可确定所述测量探头的运动轨迹。

进一步地，所述编码器芯片嵌设于所述轮轴端部的凹槽内，且与所述励磁体相对设置。

进一步地，所述扶正机构还包括与所述壳体端部连接的定安装座、以及套设于所述导向柱上的动安装座，所述行走轮安装于所述活动支架上，所述弹性件套设于所述导向柱上，且一端连接所述定安装座、另一端连接所述动安装座，所述活动支架一端连接所述定安装座、另一端连接所述动安装座。

进一步地，所述弹性件为弹簧，所述动安装座连接所述弹簧的中部，所述导向柱远离所述定安装座一端设有螺纹连接的调节螺母，所述调节螺母抵紧所述弹簧。

进一步地，所述活动支架包括内支座和外支架，所述内支架与所述外支架可转动连接，所述轮毂可转动的安装于所述内支架上，所述轮轴与所述外支架固定连接。

进一步地，所述轮轴上设有销孔，所述轮轴贯穿所述外支架，所述外支架上设有销轴，所述销轴与所述销孔插接。

进一步地，所述测量探头还包括倾角传感器，其设置于所述壳体内且连接所述电路板。

进一步地，所述壳体内部设有安装架，所述安装架设有V形的容置槽，所述倾角传感器和所述陀螺仪设置于所述容置槽内且被卡口卡紧固定。

进一步地，两所述扶正机构的一所述行走轮为辅助计程轮，所述辅助计程轮为霍尔计程轮。

另外，基于上述水平向滑坡连续位移监测装置，本发明的实施例还提供了一种水平向滑坡连续位移监测方法，包括以下步骤：

S1、将所述耦合管道水平布设于待监测的滑坡内，所述滑坡发生形变位移时带动所述耦合管道发生形变或位移；

S2、牵引所述测量探头于所述耦合管道内行走，受所述扶正机构的作用，所述计程轮沿着所述耦合管道内壁滚动测量出所述测量探头的位移，所述陀螺仪测量所述测量探头行走时三轴偏转角度；

S3、所述电路板获取所述测量探头行走的位移数据和三轴偏转角度数据，计算出所述测量探头的运动轨迹；

S4、对比待观察时间间隔的前后两次所述测量探头的运动轨迹获得滑坡在待观察时间间隔范围内的相对位移变化，对比所述测量探头的运动轨迹与所述耦合管道原始布设轨迹，确定所述滑坡各个位置的总体位移变化。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种水平向滑坡连续位移监测装置及方法及装置，通过耦合管道耦合滑坡的变形和位移，然后通过测量探头在耦合管道行走检测滑坡发生变形后，测量出耦合管道的三维轨迹，由不同时间耦合管道轨迹形状差反映沿耦合管道位移分布，进而获得滑坡水平向连续位移，解决了滑坡位移监测在空间上不连续、滑坡位移监测精度不足的问题。

附图说明

图1是本发明一种水平向滑坡连续位移监测装置的测量探头的立体示意图一；

图2是本发明一种水平向滑坡连续位移监测装置的测量探头的立体示意图二；

图3是本发明一种水平向滑坡连续位移监测装置的测量探头的内部结构图；

图4是图1中扶正机构2的结构示意图；

图5是图4中计程轮7与活动支架的连接示意图；

图6是图5中计程轮7的结构示意图；

图7是图6中轮轴16的结构示意图；

图8是本发明一种水平向滑坡连续位移监测装置的测量原理图。

图中：1-壳体、2-扶正机构、3-陀螺仪、4-倾角传感器、5-安装架、6-卡口、7-计程轮、8-辅助计程轮、9-导向柱、10-弹簧、11-定安装座、12-动安装座、13-内支架、14-外支架、15-轮毂、16-轮轴、17-轴承、18-凹槽、19-销孔、20-调节螺母。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的较优的一个，旨在提供对本发明的基本了解，但并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”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；可以是机械连接,也可以是电连接；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,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种水平向滑坡连续位移监测装置，主要包括耦合管道和测量探头。

其中，所述耦合管道为塑性管道，其受到挤压可产生变形、及弯曲。所述耦合管道水平布设于待监测的滑坡内，在所述滑坡发生形变位移时，所述耦合管道受所述滑坡的形变作用而发生相应的变形和位移，这样所述耦合管道即可耦合滑坡的变形和位移。

所述测量探头可沿着所述耦合管道内行走，所述测量探头主要包括壳体、分别设置于所述壳体两端的两扶正机构、以及设置于所述壳体内的陀螺仪和电路板。

如图1、2所示，所述壳体1为圆柱状中空管体，直径小于所述耦合管道的内径。两所述扶正机构2分别安装于所述壳体1的前后两端，使所述壳体1两端分别通过所述扶正机构2与所述耦合管道内壁接触，并沿着所述耦合管道内壁行走。

如图4所示，每一所述扶正机构2包括导向柱9、设置于导向柱9上的弹性件、以及环绕所述导向柱9间隔设置的至少三个行走轮，每一所述行走轮通过一活动支架连接所述弹性件，以使所述行走轮可沿着所述导向柱9轴向伸缩运动。

具体的，所述导向柱9设置于所述壳体1的轴线上，位于所述壳体1的端部且向外延伸。所述导向柱9的端部设有牵引孔，通过所述牵引孔与卷扬机等牵引机构配合可以牵引所述测量探头运动。所述扶正机构2还包括与所述壳体1端部连接的定安装座11、以及套设于所述导向柱9上的动安装座12。所述行走轮安装于所述活动支架上，所述弹性件套设于所述导向柱9上，且一端连接所述定安装座11、另一端连接所述动安装座12，所述活动支架一端连接所述定安装座11、另一端连接所述动安装座12。

所述定安装座11于所述壳体1的端部固定连接，各所述活动支架的一端均与所述定安装座11的铰接、中部分别与各所述行走轮铰接连接、另一端均与所述动安装座12铰接连接。如图5所示，所述活动支架包括内支座13和外支架14，所述内支架13与所述外支架14可转动连接。所述内支座13的一端和所述外支架14的一端同时铰接连接行走轮，且所述内支座13的另一端与所述定安装座11铰接连接，所述外支架14的另一端与所述动安装座12铰接连接。

更具体的，所述弹性件为弹簧10，所述弹簧10套设于所述导向柱9上，一端与所述定安装座11固定连接，所述动安装座12连接所述弹簧10的中部，所述导向柱9远离所述定安装座11一端设有螺纹连接的调节螺母20，所述调节螺母20抵紧所述弹簧10。可以通过拧动所述调节螺母20调节所述弹簧10的压缩长度，改变所述动安装座12的位置，调节所述活动支架的开合角度，调节各所述行走轮的位置，保证各所述行走轮贴合所述耦合管道内壁、稳定行走。

两所述扶正机构2的一所述行走轮为计程轮7，这里所述计程轮7可以选择位于所述壳体1两端中任意一端的一行走轮。如图6和7所示，所述计程轮7包括轮毂15、轴承17、轮轴16、励磁体、以及编码器芯片。其中所述轮毂15可转动的安装于所述内支架13上，所述轴承17和所述励磁体嵌设于所述轮毂15内，且所述励磁体位于所述轴承17的内侧，所述轮毂15位于所述轴承17的内侧沿着轴向设有励磁体安装槽，所述励磁体嵌设安装于所述励磁体安装槽。

所述轮轴16上设有销孔19，所述轮轴16贯穿所述外支架14，所述外支架14上设有销轴，所述销轴与所述销孔19插接，使所述轮轴16与所述外支架14固定连接。所述轮轴16与所述轴承17插接，所述编码器芯片嵌设于所述轮轴16端部的凹槽18内，且与所述励磁体相对设置。这样所述编码器芯片设置于所述轮轴16上，可检测所述励磁体转动进而计算出所述计程轮7的位移。

需要说明的是，还可以选择两所述扶正机构2的另一所述行走轮为辅助计程轮8，如本实施例中所述辅助计程轮8为与所述计程轮7相邻的一行走轮。所述辅助计程轮8为霍尔计程轮，所述霍尔计程轮采用霍尔计程原理，能分辨1/8行走轮周长的路程信息。一方面作为调试所述计程轮7时的测量开始信号发生器，在开始测量前转动所述辅助计程轮8，其输出作为开始测量数据标识；另一方面在所述计程轮7出现悬空时，选择所述辅助计程轮8采集的数据作为计程数据。

如图3所示，所述陀螺仪3具体为三轴陀螺仪，在所述测量探头运动过程中可以测量出任意一点的三轴偏转角度，如俯仰角θ，滚动角γ，方位转动角

所述陀螺仪3和所述电路板均布置于所述壳体1内，所述壳体1对所述陀螺仪3和所述电路板起到保护作用。所述电路板分别连接所述编码器芯片和所述陀螺仪3，以获取所述计程轮7的位移和所述测量探头的三轴偏转角度，由所述测量探头的位移数据、以及每一位移点对应的三轴偏转角度，即可确定所述测量探头的运动轨迹。

另外由于所述陀螺仪3适合于动态测量，但是在一些情况下所述测量探头在运动过程中所述陀螺仪3可能会短暂处于静止状态，而确定所述测量探头的运动轨迹用到积分算法，这样会存在累积误差。因此所述测量探头还包括倾角传感器4，所述倾角传感器4其设置于所述壳体1内。具体的，所述壳体1内部设有安装架5，所述安装架5设有V形的容置槽，所述倾角传感器4和所述陀螺仪3设置于所述容置槽内且被卡口6卡紧固定。

所述倾角传感器4具体为三轴重力加速度传感器，所述电路板连接所述倾角传感器4，所述倾角传感器4同样可以测量所述测量探头的三轴偏转角度，其作用主要是在静态下测量，用于等间隔姿态校准，以弥补所述陀螺仪3动态测量的不足。可选的，所述倾角传感器4在动态下测量的数据用于与所述陀螺仪3测量出的三轴偏转角度进行误差补偿。

另外，基于上述水平向滑坡连续位移监测装置，本发明的实施例还提供了一种水平向滑坡连续位移监测方法，包括以下步骤：

S1、将所述耦合管道水平布设于待监测的滑坡内，所述滑坡发生形变位移时带动所述耦合管道发生形变或位移。所述耦合管道在所述滑坡发生位移前埋设，在所述滑坡发生形变位移时持续带动所述耦合管道发生位移或者形变(弯曲)。

S2、牵引所述测量探头于所述耦合管道内行走，受所述扶正机构2的作用，所述计程轮7沿着所述耦合管道内壁滚动测量出所述测量探头的位移，所述陀螺仪3测量所述测量探头行走时三轴偏转角度。

在所述测量探头行走过程中，由于所述耦合管道有形变，所述计程轮7可能发生悬空状态，但是所述辅助计程轮8会与所述耦合管道内壁保持接触，此时所述电路板由所述辅助计程轮获取所述测量探头的位移数据。同时一些情况下所述测量探头在运动过程中所述陀螺仪3可能会短暂处于静止状态，所述电路板由所述倾角传感器4获取所述测量探头的三轴偏转角度数据。

S3、所述电路板获取所述测量探头行走的位移数据和三轴偏转角度数据，计算出所述测量探头的运动轨迹。

由于所述耦合管道发生位移或者形变之后，所述测量探头沿着所述耦合管道内壁行走，所述测量管道的行走的三维轨迹，即相当于位移或者形变之后的所述耦合管道三维轨迹。

如图8所示，在所述测量探头运动过程中，可以通过所述计程轮7或所述辅助计程轮8可以测量出所述测量探头运动至任意一点P_i的位移，同时可以通过所述陀螺仪3和所述倾角传感器4可以测量出任意一点P_i的三轴偏转角度，俯仰角θ，滚动角γ，利用积分算法，可以计算出所述测量探头的三维运动轨迹。

S4、比对所述测量探头的运动轨迹与所述耦合管道布设轨迹，确定所述滑坡各个位置的位移变化。这里在所述耦合管道埋设后，在后续的观察期间，将任意时间获取的所述测量探头的运动轨迹与所述耦合管道原始布设轨迹比对，或者将任意时间获取的所述测量探头的运动轨迹与之前测得的所述测量探头的运动轨迹比对，可以获得所述耦合管道各个位置对应的滑坡的位移量，准确获取滑坡水平向连续位移，提高了滑坡位移监测精度。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解的是，它们是相对的概念，可以根据使用、放置的不同方式而相应地变化，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于，包括：

耦合管道，其用于水平布设于滑坡内且可耦合滑坡的变形和位移；

以及可沿着所述耦合管道内行走的测量探头，其包括壳体、分别设置于所述壳体两端的两扶正机构、以及设置于所述壳体内的陀螺仪和电路板；

其中每一所述扶正机构包括导向柱、设置于导向柱上的弹性件、以及环绕所述导向柱间隔设置的至少三个行走轮，每一所述行走轮通过一活动支架连接所述弹性件，以使所述行走轮可沿着所述导向柱轴向伸缩运动，两所述扶正机构的一所述行走轮为计程轮，所述计程轮包括轮毂、轴承、轮轴、励磁体、以及编码器芯片，其中所述轴承和所述励磁体嵌设于所述轮毂内，且所述励磁体位于所述轴承的内侧，所述轮轴与所述轴承插接，所述编码器芯片设置于所述轮轴上，以使所述编码器芯片可检测所述励磁体转动进而计算出所述计程轮的位移；

所述电路板分别连接所述编码器芯片和所述陀螺仪，以获取所述计程轮的位移和所述测量探头的三轴偏转角度，进而可确定所述测量探头的运动轨迹。

2.如权利要求1所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述编码器芯片嵌设于所述轮轴端部的凹槽内，且与所述励磁体相对设置。

3.如权利要求1所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述扶正机构还包括与所述壳体端部连接的定安装座、以及套设于所述导向柱上的动安装座，所述行走轮安装于所述活动支架上，所述弹性件套设于所述导向柱上，且一端连接所述定安装座、另一端连接所述动安装座，所述活动支架一端连接所述定安装座、另一端连接所述动安装座。

4.如权利要求3所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述弹性件为弹簧，所述动安装座连接所述弹簧的中部，所述导向柱远离所述定安装座一端设有螺纹连接的调节螺母，所述调节螺母抵紧所述弹簧。

5.如权利要求1所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述活动支架包括内支座和外支架，所述内支架与所述外支架可转动连接，所述轮毂可转动的安装于所述内支架上，所述轮轴与所述外支架固定连接。

6.如权利要求5所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述轮轴上设有销孔，所述轮轴贯穿所述外支架，所述外支架上设有销轴，所述销轴与所述销孔插接。

7.如权利要求1所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述测量探头还包括倾角传感器，其设置于所述壳体内且连接所述电路板。

8.如权利要求7所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：所述壳体内部设有安装架，所述安装架设有V形的容置槽，所述倾角传感器和所述陀螺仪设置于所述容置槽内且被卡口卡紧固定。

9.如权利要求1所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，其特征在于：两所述扶正机构的一所述行走轮为辅助计程轮，所述辅助计程轮为霍尔计程轮，用以对所述计程轮调试、以及在所述计程轮悬空时测算所述测量探头的位移。

10.一种水平向滑坡连续位移监测方法，其特征在于：使用如权利要求1～9任意一项所述的一种水平向滑坡连续位移监测装置，且包括以下步骤：

S1、将所述耦合管道水平布设于待监测的滑坡内，所述滑坡发生形变位移时带动所述耦合管道发生形变或位移；

S2、牵引所述测量探头于所述耦合管道内行走，受所述扶正机构的作用，所述计程轮沿着所述耦合管道内壁滚动测量出所述测量探头的位移，所述陀螺仪测量所述测量探头行走时三轴偏转角度；

S3、所述电路板获取所述测量探头行走的位移数据和三轴偏转角度数据，计算出所述测量探头的运动轨迹；

S4、对比待观察时间间隔的前后两次所述测量探头的运动轨迹获得滑坡在待观察时间间隔范围内的相对位移变化，对比所述测量探头的运动轨迹与所述耦合管道原始布设轨迹，确定所述滑坡各个位置的总体位移变化。

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