CN115791414A - 用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感技术及海底地形监测领域，旨在提供一种用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置及方法。该装置包括顶部开口的主箱体和设于开口处的扫描机构，在主箱体设有侧推机构和垂推机构；侧推机构中设有可形变侧板和多个侧推油缸，垂推机构中设有垂推底板和多个侧推油缸，从而构成体积可变的试验腔体，用于盛装试验土体并埋设传感阵列。本发明利用伸缩油缸及推动板联合机构对土体进行沉降、抬升和滑塌模拟，可以实现土体在多个方向、不同位移形变量及形变速度的模拟，而且主体装置加工简单，材料成本低。能够研究不同尺度、不同埋深的传感阵列与不同土质、不同尺度、不同形变量的土体的变形耦合规律。

Description

用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及传感技术及海底地形监测领域，更具体地说，本发明涉及一种适用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的装置及方法。

背景技术

传统的石油和天然气难以满足现代工业不断增大的能源需求，世界各国都在积极寻求新型能源，海底天然气水合物作为重要的绿色能源，全球储量丰富，是良好的替代能源。现有研究表明天然气水合物在受扰动的情况下极易分解，使得水合物储层地区沉积物的物理性质发生变化，沉积物的剪切强度降低，导致海底地形发生变化，因此海底地形及地层变形监测对天然气水合物勘探与开采至关重要。

现有的非接触式海床观测技术精度低、周期长且无法察觉细微变形，而随着微机电传感器与通信等技术的发展，具有自组织性、数据传输稳定性、时效性等优点的传感阵列可以通过布放装置铺设到海床上，成为了海底地形及地层变形监测的最佳选择。然而，由于海底天然气水合物赋存区域沉积物存在形变规律复杂、变形大且不均匀等问题，导致传感阵列与海底沉积物的形变耦合作用复杂，影响传感阵列对地形变化的感知精度，从而难以完成对地形形变的重构。

为提高传感阵列对海底沉积物变形监测的精度和可靠性，有必要提出新的适用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的新技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置及方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置，包括顶部开口的主箱体和设于开口处的扫描机构；主箱体的前箱体板与后箱体板平行布置，两者的同侧边缘通过一个侧箱体板固定连接；该主箱体还包括一个侧推机构和一个垂推机构；其中，

所述侧推机构包括侧推固定板和至少四块侧推内板，侧推固定板与前后箱体板的另一同侧边缘固定连接，各侧推内板均位于主箱体结构内部；在侧推固定板上固定设有多个侧推油缸且分别与各侧推内板一一对应，后者通过球铰接结构与各侧推油缸的活动端相连；相邻侧推内板之间活动连接构成可形变侧板，可形变侧板与主箱体的两侧及底部之间为间隙配合；

所述垂推机构包括垂推固定板和至少四块垂推内板，垂推固定板与前后箱体板、侧箱体板及侧推固定板的底部边缘固定连接；在垂推固定板上固定设有多个垂推油缸，每个垂推油缸的活动端上安装有水平方向的垂推内板；各垂推内板的两侧具有向下延伸的护板结构，护板结构的竖向尺寸大于垂推油缸的最大伸缩行程；各垂推内板平行布置在主箱体结构内部，共同组成垂推底板；各垂推内板之间以及垂推内板与主箱体结构之间，均为活动的密封配合；

所述前后箱体板、侧箱体板、可形变侧板和垂推底板共同构成体积可变的试验腔体，用于盛装试验土体并埋设传感阵列；各侧推油缸和垂推油缸分别通过油管连接对应的液压站，各液压站中设有电机和电机控制板，后者通过信号线依次连接信号接收处理单元和上位机；

所述扫描机构包括贯穿设于前箱体板与后箱体板之间的丝杠与滑轨，在丝杠端部设有丝杠电机，滑块的本体活动安装在滑轨上；滑块的上端嵌套安装在丝杠上，下端固定设有三维激光扫描仪；

在所述试验腔体中盛装试验土体，在试验土体内部埋设管状的传感阵列，传感阵列具有多个应变片和监测单元，在每个监测单元内集成有加速度计、陀螺仪和磁力计；沿传感阵列的长度方向相间埋设多个土压力盒；所述传感阵列和各土压力盒分别通过信号线依次连接信号接收处理单元和上位机。

作为本发明的优选方案，各垂推内板之间以及垂推内板与主箱体结构之间的活动密封配合是通过下述方式实现的；在垂推内板的两端设有凹槽，凹槽内嵌装耐磨橡胶条；在垂推内板两侧的护板结构表面，在靠近上下边缘处各设一条水平方向的凹槽，在凹槽内嵌装耐磨橡胶条。

作为本发明的优选方案，各侧推内板大致位于同一平面，所述球铰接结构安装在各侧推内板的中心位置，通过控制不同液压站的电机启停和转速快慢，侧推油缸能获取不同的伸缩长度使可形变侧板实现侧推或斜推动作。

作为本发明的优选方案，在各侧推内板和垂推内板的几何中心设置MEMS九轴传感器。

作为本发明的优选方案，在两块相邻的侧推内板上，其中一个侧推内板的侧边设有凸出结构，另一个侧推内板的侧边设有凹槽结构，凸出结构与凹槽结构互相拼接构成彼此配合的活动机构。

作为本发明的优选方案，所述丝杠电机固定安装在前箱体板或后箱体板的外侧；丝杠电机上设有进油口和出油口，通过控制液压油的进出量变化驱动丝杠旋转。

作为本发明的优选方案，所述传感阵列外部套设PVC材料的保护软管；所述主箱体的前后箱体板、侧箱体板均为透明的亚克力板。

本发明进一步提供了利用前述试验装置分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验方法，包括：

(1)布置传感网络和土压力盒

在试验装置的试验腔体中盛装试验土体，将多条传感阵列竖直插入和水平地埋设在土体中，通过信号线级联成传感网络，伴随各传感阵列布置若干个土压力盒；

(2)获取土体形变监测数据

利用试验装置中的侧推机构和垂推机构改变试验土体的形状，实现对复杂海底地形变化的模拟；利用传感网络和土压力盒获取土体形变监测数据，利用三维激光扫描仪获取土体表面的空间位移数据，通过信号线将监测数据传送至上位机；

(3)数据的处理与分析

结合监测数据和试验土体的力学特性，将土体表面的空间位移数据与传感阵列获取的土体形变数据进行对比，确定传递系数；通过对监测数据的验证与校准，实现传感阵列与土体变形耦合的误差补偿，并利用传感网络完成土体变形形状的重构。

作为本发明的优选方案，所述步骤(3)中包括：

建立地理坐标系和基于监测单元的机体坐标系间的转换矩阵；根据监测单元中的加速度计和磁力计测量数据计算加速度向量和磁感应强度向量；解析计算传感阵列的当前空间姿态的旋转角，确定各链接结点的相对位置坐标；通过三次样条插值法拟合结点间的曲线段，重构传感网络的空间姿态，得到根据监测数据重构的地形形变图；结合通过模拟试验得到的传递系数，进一步推算传感网络监测区域的土体表面位移量。

作为本发明的优选方案，在步骤(3)中，所述监测数据包括：由土压力盒获得的土体应变量，由应变片获取的传感阵列表面变形量，由传感阵列获取的加速度和磁感应强度，由三维激光扫描仪获取的土体表面的空间位移数据，以及侧推机构和垂推机构中的油缸位移数据；所述试验土体的力学特性包括变形模量、压缩模量、应力应变特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、考虑到传感阵列需要与土体充分接触才能进行变形耦合，且兼顾到对土体表层变形的感知灵敏度，本发明创新地提出了用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置及方法。本发明通过将传感阵列埋入土体中，利用侧推机构和垂推机构改变土体形变，从而可以研究不同尺度、不同埋深的传感阵列与不同土质、不同尺度、不同形变量的土体的变形耦合规律，确定在目标监测区域下传感阵列的最优结构和埋深条件，减少海底传感阵列所获监测数据的误差，进而实现对细微地形形变的高精度监测及重构。

2、本发明创新性的提出利用伸缩油缸及推动板联合机构对土体进行沉降、抬升和滑塌模拟，可以实现土体在多个方向、不同位移形变量及形变速度的模拟，而且主体装置加工简单，材料成本低。

3、本发明利用三维激光扫描仪扫描土体表面的形变，并结合土压力传感器数据以及被测土体的力学特性，与传感阵列获取的土体形变数据进行对比，可实现对传感阵列监测数据的验证与校准。以此为基础，还可以建立进一步建立传感阵列与土体变形耦合及误差补偿模型，提高传感阵列实际工程应用中监测数据的精度。因此，本发明对当前海洋地形形变监测技术具有重大价值。

附图说明

图1为本发明试验装置的结构示意图；

图2为侧推机构示意图；

图3为侧推内板中的凸出结构和凹槽结构示意图；

图4为主体装置的垂推机构示意图；

图5为单块垂推内板及护板结构的结构示意图；

图6为变形耦合监测机构的布放示意图；

图7为传感网络的坐标系及地形监测示意图。

图中的附图标记为：1主箱体；1-1侧箱体板；1-1-1前箱体板；1-1-2后箱体板；1-2滑轨；1-3侧推固定板；1-4垂推固定板；2侧推机构；2-1侧推油缸；2-2球铰接结构；2-3侧推内板；2-4活动机构；3垂推机构；3-1垂推油缸；3-2垂推内板；3-2-1护板结构；3-2-2耐磨橡胶条；4扫描机构；4-1丝杠电机；4-1-1进油口；4-1-2出油口；4-2丝杠；4-3滑块；4-4三维激光扫描仪；5应变片；6土压力盒；7监测单元。

具体实施方式

以下将参照附图，通过实施例详细地描述本发明的技术方案，以供熟悉此技术的人士了解与阅读。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

同时，本说明书中所引用的如“前”、“后”、“侧”、“上”、“下”、“中间”等用语，均仅为便于更明了的叙述，而非用于限定本发明可实施的范围，其相对关系用语的改变或调整，在无实质性技术内容的变更下，均应视为本发明可实施的范畴。

本发明所述信号接收处理单元，是介于信号来源与上位机之间的电路模块或元器件，本领域技术人员可以根据不同信号来源特征选择不同类型、功能的信号接收处理单元实现方式。

如图1所示，本发明所述用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置，包括顶部开口的主箱体1和设于开口处的扫描机构4；主箱体1的前箱体板1-1-1与后箱体板1-1-2平行布置，两者的同侧边缘通过一个侧箱体板侧箱体板1-1固定连接；主箱体1还包括一个侧推机构2和一个垂推机构3。为便于观察，前箱体板1-1-1与后箱体板1-1-2、侧箱体板1-1均为透明的亚克力板。

如图2所示，侧推机构2包括侧推固定板1-3和四块侧推内板2-3，侧推固定板2-3与前箱体板1-1-1与后箱体板1-1-2的另一同侧边缘固定连接，各侧推内板2-3均位于主箱体结构的内部；在侧推固定板1-3上垂直固定设有多个侧推油缸2-1且分别与各侧推内板2-3一一对应，侧推内板2-3通过球铰接结构2-2与各侧推油缸2-1的活动端相连，该活动端可以加装波纹管防尘罩。相邻侧推内板2-3之间通过活动机构2-4以活动连接方式构成可形变侧板，可形变侧板与主箱体1的两侧及底部之间为间隙配合。活动结构2-4的示例结构为：在两块相邻的侧推内板2-3上，其中一个侧推内板2-3的侧边设有凸出结构，另一个侧推内板2-3的侧边设有凹槽结构，凸出结构与凹槽结构互相拼接构成彼此配合的活动机构2-4。各侧推内板2-3大致位于同一垂直平面，球铰接结构2-2安装在各侧推内板2-3的中心位置，通过控制不同液压站的电机启停和转速快慢，侧推油缸2-1能获取不同的伸缩长度，使可形变侧板实现侧推或斜推动作，从而能够赋予试验土体不同方向的侧部压力使其产生形变。在各侧推内板2-3的几何中心设置MEMS九轴传感器用于获取动作数据，以对可形变侧板的倾斜角度和位移量进行监测。

图1、4、5中展示了设置有4块垂推内板3-2的垂推机构3的示例结构。垂推机构3包括垂推固定板1-4和四块垂推内板3-2，垂推固定板1-4与前箱体板1-1-1、后箱体板1-1-2、侧箱体板1-1及侧推固定板2-3的底部边缘固定连接，各垂推内板3-2相互平行且布置于主箱体结构内部，共同组成垂推底板。在垂推固定板1-4上垂直固定设有多个垂推油缸3-1且分别与各垂推内板3-2一一对应，后者与各垂推油缸3-1的活动端相连；在垂推内板的几何中心可以设置MEMS九轴传感器。

在每块垂推内板3-2的两侧都设有向下延伸的护板结构3-2-1，在每个护板结构3-2-1的上沿和下沿平行地开设有凹槽，凹槽中内嵌装有耐磨橡胶条3-2-2。同时，在每块垂推内板3-2的前后两端的侧缘上也开设凹槽，并填充有耐磨橡胶条。耐磨橡胶条3-2-2用于实现活动结构之间相对运动时的密封，具体地：在垂推过程中，各垂推内板3-2彼此之间会产生高低落差，垂推内板3-2与主箱体结构之间也会产生相对运动；为防止土体沿相邻两块垂推内板3-2的间隙和垂推内板3-2与主箱体结构的间隙中掉落，需要按上述方式设置以实现密封配合。

前箱体板1-1-1、后箱体板1-1-2、侧箱体板1-1、可形变侧板和垂推底板共同构成体积可变的试验腔体。在试验腔体中可以盛装试验土体，在试验土体内部埋设条形的传感阵列，传感阵列外部套设PVC材料的保护软管。传感阵列具有多个应变片5和监测单元7，在每个监测单元7内集成有加速度计、陀螺仪和磁力计；沿传感阵列的长度方向相间埋设多个土压力盒6；传感阵列和各土压力盒6分别通过信号线依次连接信号接收处理单元和上位机。

各侧推油缸2-1和垂推油缸3-1分别通过油管连接对应的液压站，各液压站中设有电机和电机控制板，电机控制板通过信号线依次连接信号接收处理单元和上位机；扫描机构4包括贯穿设于前箱体板1-1-1与后箱体板1-1-2之间的丝杠4-2与滑轨1-2，在丝杠4-2端部设有丝杠电机4-1，滑块4-3的本体活动安装在滑轨1-2上；滑块4-3的上端嵌套安装在丝杠4-2上，下端固定设有三维激光扫描仪4-4。丝杠电机4-1固定安装在前箱体板1-1-1或后箱体板1-1-2的外侧，丝杠电机4-1上设有进油口4-1-1和出油口4-1-2。丝杠电机4-1可带动丝杠4-2转动，从而驱动滑块4-3做直线往复运动，进而带动三维扫描仪4-4的位移作业，通过改变液压油流量可以控制丝杠电机4-1的转速，进而控制滑块4-3的运动速度。

如图3所示，该图展示了侧推内板2-3的凸出结构(左侧伸出部分)和凹槽结构(虚线部分)。相邻两块侧推内板2-3通过两种适配结构完成嵌入式活动连接，使得在组合成可形变侧板后，能够在各侧推油缸2-1的牵拉动下做一定范围内的相对位移，进而使可形变侧板完成上压或下斜动作，实现土体滑塌侧移过程的模拟。

侧推机构2的四个侧推油缸2-1通过四个侧推液压站(图中未示出)分别进行控制，侧推液压站的电机使用RS485通讯方式接收控制指令，由一个6路阀箱中的电机控制板进行控制(两路备用)，电机控制板通过RS232转USB模块与上位机进行通讯，上位机获得液压站的电机运行数据，通过发送指令来控制不同侧推液压站的电机启停和转速快慢，使四个侧推油缸获取的油量快慢不同，从而伸缩不同长度，进而大块侧推内板能够进行斜推动作，利用安装在四块侧推内板几何中心的MEMS九轴传感器获取动作数据，完成对大块侧推内板的倾斜角度和位移量的精确监测。

以一个设有7块垂推内板3-2的垂推机构3为例(图4展示了其中的4块)。长条形的垂直内板3-2与垂推油缸3-1活动端相连，垂推油缸3-1的不同伸缩运动带动垂推内板3-2沿垂直方向产生不同运动，可使垂推底板挤压试验土体，从而产生垂向方向上的挤压变形效果。

在垂推机构3中，每块垂推内板3-2下方的垂推油缸3-1分别连接一个垂推液压站(图中未示出)，垂推油缸3-1选用内置位移传感器的伺服油缸，位移传感器与比例换向阀组成同步回路，垂推油缸组工作时，位移传感器返回位置信号，比例换向阀放大后输出控制信号，将一个比例换向阀的控制信号设为基准信号，另一个设为跟随信号，进行闭环误差控制，完成垂推油缸3-1的同步工作。垂推液压站的电机使用RS485通讯方式接收控制指令，由一个8路阀箱进行控制(1路作备用)，上位机通过USB转RS232模块对8路阀箱中的电机控制板发送指令，分别控制各垂推液压站的电机动作，继而控制各块垂推内板3-2下的垂推油缸3-1，5个垂推油缸组可以分别是向上和向下，同时使对应内板区域的土体发生抬升或沉降，垂推内板3-2的移动距离可以通过液压站精准控制，也可以通过垂推油缸3-1内置的位移传感器精确计算。在上位机中分别控制6路阀箱和8路阀箱，用以完成对侧推机构2和垂推机构3的单独动作或协同动作的控制，实现对复杂海底地形变化的模拟。

图6展示了传感阵列在试验装置中的布置示例。每条传感阵列的保护外壳的三方向上分布有应变片5，由传感阵列、贴附安装在传感阵列保护外壳上的应变片5与传感阵列一同埋入土体的土压力盒6组成耦合形变监测机构。应变片5在受拉时输出电压为正值，通过三方向布放可以表征传感阵列上各个位置的弯曲方向。每条传感阵列上都布置有若干监测单元7，每个监测单元7内集成有加速度计、陀螺仪和磁力计。当传感阵列发生变形时，监测单元7对当前空间姿态进行解析计算。所有监测单元7通过I2C协议与STM32主控芯片进行通讯，计算结果送入数据处理器，主控芯片集中处理每个监测单元7的数据后获得整个传感阵列的状态，然后通过串口将计算结果在上位机中进行实时显示，包括各处的弯曲方向和形变程度。随后通过SDIO主机接口对SD卡进行读写操作，实现对传感阵列形状变化的长期记录。传感阵列采用PVC长软管外壳保护，能够实现-90°到90°圆弧角的弯曲；传感阵列外壳上分布的应变片5的数据通过数据采集仪集中处理分析，每处的三方向上应变片5测得的最大值认为是传感阵列在该处的最大形变量，从而获取当前所在埋深土体在变形过程中传感阵列的表面应变量数列E_o＝{ε_o1，ε_o2，...}；沿传感阵列轴向并邻近传感阵列布置的土压力盒6通过配套的数字频率仪获取所在埋深土体在变形过程中所产生的土压力数据F＝{f_s1，f_s2，...}。

为了分析传感阵列与土体变形耦合规律，本发明通过传感阵列监测并重构地形形状。针对土体的两种形变类型，将多条传感阵列级联成传感网络，获取土体形变数据并重构出地形变形形状。图7中示出了传感网络的坐标系及地形监测示意图。

本发明的试验方法具体包括如下步骤：

(1)布置传感网络和土压力盒

在试验装置的试验腔体中盛装试验土体，将多条传感阵列竖直插入和水平地埋设在土体中，通过信号线级联成传感网络，伴随各传感阵列布置若干个土压力盒；

主箱体中的试验土体在配样时参考采集的海底水合物区沉积物，试验土体的各项物理力学性质(应力应变特性、泊松比、剪切模量、变形模量等参数)可以由动静态三轴仪、直剪仪进行测定。试验前的土体上表面用铲子作抹平处理，用于对比试验前后三维激光扫描仪4-4的土表三维成像的形状变化。

(2)获取土体形变监测数据

利用试验装置中的侧推机构2和垂推机构3改变试验土体的形状，实现对复杂海底地形变化的模拟；利用传感网络和土压力盒6获取土体形变监测数据，利用三维激光扫描仪4-4获取土体表面的空间位移数据，通过信号线将监测数据传送至上位机；

通过步骤(1)中对土体的力学试验和基于邓肯一张模型的结构性软土应力应变关系可以获得配样土体的应力-应变曲线，结合各土压力盒6的监测数据F＝{f_s1，f_s2，...}可以获得所在埋深土体的应变量E_s＝{ε_s1，ε_s2，...}，对应变量E_s积分获得所在埋深土体位移量S＝{s₁，s₂，...}，即沿土压力盒受力方向的土体位移量。同时，利用三维激光扫描仪4-4扫描试验箱中的土体上表面，使土体表面的空间位移呈三维像显示。所获得传感阵列的形变状态可以通过数据传输方式写入存储卡，也可以通过串口传输到上位机进行实时显示，便于监测结果的长期存储与实时显示。

(3)数据的处理与分析

结合监测数据和试验土体的力学特性，将土体表面的空间位移数据与传感阵列获取的土体形变数据进行对比；通过对监测数据的评估校准，实现传感阵列与土体变形耦合的误差补偿，并利用传感网络完成土体变形形状的重构。

通过分析土体表面理论位移量(垂推油缸或侧推油缸的实际行程)与真实位移量(三维激光扫描仪获取)的关系，同时与埋入土体内深度为h的传感阵列的监测结果进行比值换算，得出该埋深下传感阵列所测土体形变位移量与土体表层位移量的传递系数，进而可以研究不同埋深下的传递系数。

以下对步骤(3)中误差补偿和土体变形形状的重构过程进行示例性说明：

步骤(1)：建立地理坐标系{A}和基于监测单元的机体坐标系{B}间的转换矩阵R_AB；

根据监测单元所处空间姿态的变化，{B}可由{A}经旋转欧拉角后得到，依次按照ZXY的旋转顺序，先绕{A}的Z轴旋转γ角度，得到第一中间坐标系，然后绕第一中间坐标系的Y轴旋转θ角得到第二中间坐标系，之后再绕第二中间坐标系的X轴旋转角度α得到{B}，所有旋转都按照右手螺旋定则进行，坐标系{A}到{B}的转换矩阵由公式(1)表达：

其中，R_γ，R_θ，R_α分别为三个旋转角γ，θ，α的旋转矩阵；

步骤(2)：监测单元的加速度计和磁力计测量重力数据a和磁感数据b；

加速度计和磁力计基于坐标系{B}的X，Y，Z三轴测量的加速度向量和磁感应强度向量，a＝[a_x，a_y，a_z]^T，b＝[b_x，b_y，b_z]^T，其中a_x，a_y，a_z是a在{B}三轴上的分量，b_x，b_y，b_z是b在{B}三轴上的分量；

转换矩阵R_AB中的每列都表示地理坐标旋转后所代表的基于监测单元的机体机体坐标，故重力数据a和磁感数据b可以继续表示为公式(2)：

其中，

是R_AB的转置矩阵，g是重力加速度，

是地球磁场矢量，η是地球磁场的磁通密度，

是坐标系{B}中X轴与地磁矢量的夹角；

步骤(3)：监测单元解析计算当前空间姿态的旋转角γ，θ，α，确定相对位置坐标；

对所述步骤(2)中的公式(2)进行变换，以解得旋转角γ，θ，α，通过公式(3)表示：

所述的传感网络呈网格化链接结构，每个链接结点连接数条链路，链路上布置有监测单元，结点间的链接长度固定为d，以传感网络链路底角的链接结点U₁₁作为参考点，与该结点相连的结点U₂₁的链路向量Q₂₁可以由公式(4)表示：

那么U₂₁的坐标即为U₁₁的坐标加上Q₂₁，重复以上过程，可以计算下一个通过链路所连接的结点直至U_ij，其中U₁₁表示位于传感网络第一行第一列的链接结点，Q₂₁表示网络第二行第一列的链路向量，i，j分别表示传感网络链接结点的行数和列数，U_ij表示位于传感网络第i行第j列的链接结点；

其中，利用应变片和土压力盒的监测数据对传感阵列进行误差补偿，以Q₂₁所表的链路为例：

在土体形变过程中传感阵列表面会产生拉伸或压缩，链路长度不再是固定值，此时应变片所测得传感阵列的表面应变量ε_o1用于补偿公式(4)中的链路长度d，补偿后的链路长度为d_o1，则应有下列关系式：

d_o1＝(1+ε_o1)d (5)

土压力盒沿传感阵列水平布置，所得位移量S＝{s₁，s₂，...}可用于校验补偿对应链路向量Q中z轴方向的位移坐标。依此，Q₂₁与土体的形变耦合指标ξ_s1可以表示为：

那么对于传感阵列的整体而言，传感阵列与土体的变形耦合系数Ξ可以表示为：

Ξ＝(1-Πξ_sl)×100％，l＝1，2，...(7)

其中，l表示一条传感阵列上的链路数目号，ξ_sl表示该号链路与土体的形变耦合指标。

显然，Ξ越接近1，表示传感阵列与土的变形耦合能力越强。相应的定义Ξ≥80％时变形耦合能力评估为强，80％＞Ξ≥60％时变形耦合能力评估为较强，60％＞Ξ≥40％时变形耦合能力评估为较弱，40％＞Ξ≥0％时变形耦合能力评估为弱。

对不同的传感阵列重复以上过程，可以完成对整个传感网络的数据补偿和变形耦合性的评估。

步骤(4)：所述步骤(3)中得到各链接结点的相对位置坐标后，通过三次样条插值法拟合结点间的曲线段，完成传感网络的空间姿态重构；

所述步骤(4)中插值法的特征为对三组二维坐标下的插值，假定对于空间中坐标为(x_O，y_O，z_O)和(X_P，y_P，z_P)是由一条链路所连接的两个结点，在(x_O，y_O)和(x_P，y_P)中插值产生一组序列(x_m，y_m)，在(y_O，z_O)和(y_P，z_P)中插值产生序列(y_n，z_n)，在(x_O，z_O)和(X_P，z_P)中插值产生序列(x_k，z_k)。插值后获得的三维坐标序列(x_r，y_r，z_r)通过公式(8)表示：

其中，r，m，n，k表示序号，r＝1，2，3，4，5；

最后通过所得序列(x_r，y_r，z_r)，在Matlab软件中进行后续数据处理，特征为用三次曲线平滑连接(x_O，y_O，z_O)和(X_P，y_P，z_P)，得出由传感网络的空间姿态所监测重构的地形形变图，结合前述主体装置中模拟试验所得到的传递系数，可以进一步推算传感网络监测区域的土体表面位移量。

本发明中，可以试验不同类型的土体，以得到传感阵列与不同土体的变形耦合关系，可用于定量评价传感阵列与土体变形耦合的能力。

地层运动引起的加速度以及环境中发生的磁扰动可能会对监测单元中的加速度计和磁力计的测量产生影响，可以添加额外的传感器(如陀螺仪)来辅助空间姿态分析。

以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，显然，本发明还可以有很多变形。例如，本领域技术人员也可以基于实际试验监测条件和误差补偿精度控制要求，利用其它现有技术手段使用其它数据处理与分析方法。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改或变形，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验装置，包括顶部开口的主箱体和设于开口处的扫描机构；其特征在于，主箱体的前箱体板与后箱体板平行布置，两者的同侧边缘通过一个侧箱体板固定连接；该主箱体还包括一个侧推机构和一个垂推机构；其中，

所述侧推机构包括侧推固定板和至少四块侧推内板，侧推固定板与前后箱体板的另一同侧边缘固定连接，各侧推内板均位于主箱体结构内部；在侧推固定板上固定设有多个侧推油缸且分别与各侧推内板一一对应，后者通过球铰接结构与各侧推油缸的活动端相连；相邻侧推内板之间活动连接构成可形变侧板，可形变侧板与主箱体的两侧及底部之间为间隙配合；

所述垂推机构包括垂推固定板和至少四块垂推内板，垂推固定板与前后箱体板、侧箱体板及侧推固定板的底部边缘固定连接；在垂推固定板上固定设有多个垂推油缸，每个垂推油缸的活动端上安装有水平方向的垂推内板；各垂推内板的两侧具有向下延伸的护板结构，护板结构的竖向尺寸大于垂推油缸的最大伸缩行程；各垂推内板平行布置在主箱体结构内部，共同组成垂推底板；各垂推内板之间以及垂推内板与主箱体结构之间，均为活动的密封配合；

所述前后箱体板、侧箱体板、可形变侧板和垂推底板共同构成体积可变的试验腔体，用于盛装试验土体并埋设传感阵列；各侧推油缸和垂推油缸分别通过油管连接对应的液压站，各液压站中设有电机和电机控制板，后者通过信号线依次连接信号接收处理单元和上位机；

所述扫描机构包括贯穿设于前箱体板与后箱体板之间的丝杠与滑轨，在丝杠端部设有丝杠电机，滑块的本体活动安装在滑轨上；滑块的上端嵌套安装在丝杠上，下端固定设有三维激光扫描仪；

在所述试验腔体中盛装试验土体，在试验土体内部埋设管状的传感阵列，传感阵列具有多个应变片和监测单元，在每个监测单元内集成有加速度计、陀螺仪和磁力计；沿传感阵列的长度方向相间埋设多个土压力盒；所述传感阵列和各土压力盒分别通过信号线依次连接信号接收处理单元和上位机。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，各垂推内板之间以及垂推内板与主箱体结构之间的活动密封配合是通过下述方式实现的；在垂推内板的两端设有凹槽，凹槽内嵌装耐磨橡胶条；在垂推内板两侧的护板结构表面，在靠近上下边缘处各设一条水平方向的凹槽，在凹槽内嵌装耐磨橡胶条。

3.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，各侧推内板大致位于同一平面，所述球铰接结构安装在各侧推内板的中心位置，通过控制不同液压站的电机启停和转速快慢，侧推油缸能获取不同的伸缩长度使可形变侧板实现侧推或斜推动作。

4.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在各侧推内板和垂推内板的几何中心设置MEMS九轴传感器。

5.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，在两块相邻的侧推内板上，其中一个侧推内板的侧边设有凸出结构，另一个侧推内板的侧边设有凹槽结构，凸出结构与凹槽结构互相拼接构成彼此配合的活动机构。

6.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述丝杠电机固定安装在前箱体板或后箱体板的外侧；丝杠电机上设有进油口和出油口，通过控制液压油的进出量变化驱动丝杠旋转。

7.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述传感阵列外部套设PVC材料的保护软管；所述主箱体的前后箱体板、侧箱体板均为透明的亚克力板。

8.一种利用权利要求1所述试验装置分析传感阵列与土体变形耦合规律的试验方法，其特征在于，包括：

(1)布置传感网络和土压力盒

在试验装置的试验腔体中盛装试验土体，将多条传感阵列竖直插入和水平地埋设在土体中，通过信号线级联成传感网络，伴随各传感阵列布置若干个土压力盒；

(2)获取土体形变监测数据

利用试验装置中的侧推机构和垂推机构改变试验土体的形状，实现对复杂海底地形变化的模拟；利用传感网络和土压力盒获取土体形变监测数据，利用三维激光扫描仪获取土体表面的空间位移数据，通过信号线将监测数据传送至上位机；

(3)数据的处理与分析

结合监测数据和试验土体的力学特性，将土体表面的空间位移数据与传感阵列获取的土体形变数据进行对比，确定传递系数；通过对监测数据的验证与校准，实现传感阵列与土体变形耦合的误差补偿，并利用传感网络完成土体变形形状的重构。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中包括：

建立地理坐标系和基于监测单元的机体坐标系间的转换矩阵；根据监测单元中的加速度计和磁力计测量数据计算加速度向量和磁感应强度向量；解析计算传感阵列的当前空间姿态的旋转角，确定各链接结点的相对位置坐标；通过三次样条插值法拟合结点间的曲线段，重构传感网络的空间姿态，得到根据监测数据重构的地形形变图；结合通过模拟试验得到的传递系数，进一步推算传感网络监测区域的土体表面位移量。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述监测数据包括：由土压力盒获得的土体应变量，由应变片获取的传感阵列表面变形量，由传感阵列获取的加速度和磁感应强度，由三维激光扫描仪获取的土体表面的空间位移数据，以及侧推机构和垂推机构中的油缸位移数据；所述试验土体的力学特性包括变形模量、压缩模量、应力应变特性。

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