CN208780164U - 全深度阵列式测斜仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种全深度阵列式测斜仪，用于分段测量测斜孔的深部位移，所述测斜仪包括测斜架、安装在所述测斜架内的测斜单元及数据采集单元；其中：所述测斜架包括多根刚性套管及多个万向接头，所述刚性套管之间通过所述万向接头连接，所述刚性套管及所述万向接头将所述测斜孔沿垂直方向分成多个测斜分段；所述测斜单元包括一根总线及多个传感器，所述传感器之间通过所述总线串联连接，所述传感器安装在所述刚性套管内；所述数据采集单元通过所述总线分时采集各个测斜分段的变形数据，并根据所述变形数据及所述测斜分段的长度计算获得测斜孔的深部位移。本实用新型实现对全深度范围内的测斜孔的深部位移自动监测。

Description

全深度阵列式测斜仪

技术领域

本实用新型涉及岩体深部位移测量技术领域，更具体地说，涉及一种全深度阵列式测斜仪。

背景技术

深部位移监测在岩土工程监测和各种边坡监测中是常用手段，用于判断深部滑动面及深部位移大小。传统的监测技术采用手动测斜仪为主，在分段定时测量后，业内整理数据。

随着信息技术的快速发展和应用，利用传感器及其他设备、技术实现了对深部位移的自动化监测，代替传统的人工监测，大大的提高了监测的效率，同时也节省了大量的人力和时间。目前，深部位移的自动化监测主要采用“固定测斜仪”，并以其为中心建立相应的自动监测站。“固定测斜仪”的主要技术方案为：在测斜孔深度范围布置若干个测斜仪，每个测斜仪都有电源和数据线牵出孔口与数据采集仪相连，以此实现对深部位移的自动化监测。

虽然“固定测斜仪”实现了对深部位移的自动化监测，但也存在以下缺陷：

(1)监测深度方向的几个点的倾角变化，存在很大的局限性；

(2)无法建立整个深度范围内的位移模型；

(3)不能准确判定深度滑动面。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对上述深部位移自动监测存在的相关问题，提供一种全深度阵列式测斜仪。

一种全深度阵列式测斜仪，用于分段测量测斜孔的深部位移，所述测斜仪包括测斜架、安装在所述测斜架内的测斜单元及数据采集单元；其中：

所述测斜架包括多根刚性套管及多个万向接头，所述刚性套管之间通过所述万向接头连接，所述刚性套管及所述万向接头将所述测斜孔沿垂直方向分成多个测斜分段；

所述测斜单元包括一根总线及多个传感器，所述传感器之间通过所述总线串联连接，所述传感器安装在所述刚性套管内；

所述数据采集单元通过所述总线连接所述测斜单元，并通过所述总线分时采集各个测斜分段的变形数据，根据所述变形数据及所述测斜分段的长度获得测斜孔的深部位移。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述测斜分段的长度为所述刚性套管的长度与所述万向接头的长度之和。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述传感器通过一根四芯总线串联连接，相邻两个传感器的间距可调节；通过所述传感器检测每个测斜分段的变形数据，通过所述四芯总线为所述传感器供电并向数据采集单元传输所述变形数据。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述传感器包括双轴倾角传感器。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述测斜仪还包括测斜管及滑动导轮，所述滑动导轮用于将所述测斜架安装在所述测斜管内。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述测斜分段包括第一端点和第二端点。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述变形数据包括横滚角、俯仰角、方位角。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述数据采集单元根据各个测斜分段的变形数据，输出第一监测报表，所述第一监测报表包括累计深部位移、深部位移方向、滑动面深度、测斜分段的深度。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述数据采集单元根据各个测斜分段的变形数据，输出第二监测报表，所述第二监测报表包括增量深部位移、累计深部位移变化量、深部位移变化速率。

在本实用新型所述的全深度阵列式测斜仪中，所述测斜分段的长度范围为0.5至3.0米。

本实用新型的全深度阵列式测斜仪，将测斜孔分成若干测斜分段，并对每一测斜分段建立三维立体坐标系，结合测斜架及测斜单元获得各个测斜分段的变形数据，计算获得各个测斜分段的位移，实现对全深度范围内的测斜孔的深部位移自动监测，弥补不能自动化地测量测斜孔任意深度位移的局限性。此外，通过分析各个分段监测的位移随时间和深度的变化，可以更准确的判定深度滑动面，并获得全深度范围内的位移变化规律，提高了测量的准确性和测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的全深度阵列式测斜仪的局部结构示意图；

图2是本实用新型的测斜架的局部结构示意图；

图3是本实用新型的测斜单元的局部结构示意图；

图4是本实用新型的三维空间直角坐标系示意图；

图5是本实用新型的测斜分段的俯仰角变化示意图；

图6是本实用新型的测斜分段的横滚角变化示意图；

图7是本实用新型的测斜分段的方位角变化示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，是本实用新型全深度阵列式测斜仪局部结构示意图，用于分段测量测斜孔的深部位移。所述测斜仪包括安装在所述测斜架12内的测斜单元13、数据采集单元及滑动导轮14；所述滑动导轮14用于将所述测斜架12安装在所述测斜管11内；所述测斜架12包括多根刚性套管121及多个万向接头122，所述刚性套管121之间通过所述万向接头122连接，所述刚性套管121及所述万向接头122将所述测斜孔沿垂直方向分成多个测斜分段，如图1所示的测斜分段15及测斜分段16。所述测斜单元13包括一根总线及多个传感器，所述传感器之间通过所述总线串联连接，所述传感器固定安装在所述刚性套管121内；所述数据采集单元通过所述总线分时采集各个测斜分段的变形数据，并根据所述变形数据及所述测斜分段的长度计算获得测斜孔的深部位移。该全深度阵列式测斜仪通过安装在所述测斜架12内的测斜单元13测量各个测斜分段的变形数据，数据采集单元可采集到测斜孔全深度的深部位移，且测斜分段的长度越小，测量精度越高，当测斜分段的个数足够多时，可实现测斜孔任意深度的深部位移自动化检测。

进一步地，如图2所示，测斜架的局部结构示意图。该测斜架包括多根刚性套管21及多个万向接头22，刚性套管21之间通过万向接头22连接，万向接头22上设置有滑动导轮23，滑动导轮23将测斜架安装在测斜仪的测斜管中，保障刚性套管21的轴心不发生偏离。在每个刚性套管21中均安装有测斜单元的传感器24，刚性套管21的长度越长，刚性套管21中传感器24的数量越多。刚性套管21具有一定刚度，本身不能产生扭曲位移，当测斜分段存在变形时，在万向接头22作用下，刚性套管21围绕一个平面弯曲，刚性套管21内的传感器24测量刚性套管21的变形数据，即为该测斜分段变形数据，此外，刚性套管21的长度加上万向接头22的长度就是该测斜分段的长度。

进一步地，如图3所示，测斜单元的局部结构示意图。该测斜单元包括一根四芯总线32及多个传感器31，所述传感器31之间通过所述四芯总线32串联连接，四芯总线32连接到数据采集单元，相邻两个传感器31的间距可调节；所述传感器31用于检测每个测斜分段的变形数据，所述四芯总线32用于传输所述变形数据并为所述传感器31供电。四芯总线32包括传感器、电缆线和数据线，具有为多个传感器31统一供电、分时采集变形数据的优点，解决由于孔深和每个测斜分段长度不同，每个传感器需要分别连接数据线和电缆线的问题。优选地，传感器31为高精度双轴倾角传感器，可以准确地测量测斜分段的变形数据，提高测斜仪的测量精度。

进一步地，上述全深度阵列式测斜仪的数据采集单元根据测斜单元测定的各个测斜分段的变形数据计算测斜孔的深部位移，具体计算步骤如下：

(1)将测斜孔沿垂直方向分成N个测斜分段，并从下往上或从上往下依次对所述测斜分段编号，所述编号由小到大，各个测斜分段的长度一定；所述测斜分段包括第一端点和第二端点，N为大于1的正整数。

具体地，当深部测斜仪底端固定时，以测斜孔底端的中心点为基准，从下往上对所述测斜分段编号，即第一端点为测斜分段底端，第二端点为测斜分段顶端；当深部测斜仪顶端固定时，以测斜孔顶端的中心点为基准，从上往下对所述测斜分段编号，即第一端点为测斜分段顶端，第二端点为测斜分段底端。测斜分段的长度越小，测量精度越高，优选地，测斜分段长度范围为0.5至3.0米。

(2)分别测定N个测斜分段的变形数据。

具体地，通过传感器测量各个测斜分段的变形数据，变形数据包括横滚角、俯仰角及方位角。

(3)以第i个测斜分段的第一端点为原点，构建三维立体坐标系，并根据所述第i个测斜分段的变形数据，计算所述第i个测斜分段的第二端点的三维空间坐标，所述第i个测斜分段的第二端点的三维空间坐标为第i+1个测斜分段的第一端点的三维空间坐标；其中，i的取值范围为大于或等于1且小于或等于N-1的正整数，且第一个测斜分段的第一端点的三维空间坐标为(0,0,0)。

如图4所示，建立三维空间直角坐标系，优选地，以北东天(NEU)三维空间直角坐标系建立计算模型，坐标系原点O为观测点，z轴向上为正(天向)，y轴向东为正(东向)，x轴向北为正(北向)所构成的直角坐标系。当以测斜孔底端的中心点为基准，第一测斜分段的底端为第一端点、顶端为第二端点，第一测斜分段的NEU三维空间直角坐标系的原点O的三维空间坐标为(0,0,0)；当以测斜孔顶端的中心点为基准，第一测斜分段的顶端为第一端点、底端为第二端点，第一测斜分段的NEU三维空间直角坐标系的原点O的三维空间坐标为(0,0,0)。具体而言，原点O对应于测斜分段的第一端点，P(n,e,u)为测斜分段的第二端点，P点的坐标变化可以看成原点O经过横滚变化、俯仰变化、方位变化三个旋转组合变化的结果。OP之间的长度是测斜分段的长度为R，俯仰角Pitch值为p，横滚角Roll的值为r，方位角Heading的值为h，根据原点O的坐标，结合p、r、h及R的数值可求出点P坐标或者空间矢量的值，具体计算模型如下：

1)俯仰方向坐标值计算

从y轴正方向(东向)往原点O看，P在xz二维平面投影点P0的变化是由P0经Pitch旋转p得到P1，即Pitch＝p，e1＝e0，使用极坐标表示P0(n₀，u₀)，P1(n₁，u₁)。P坐标变化如图5所示，由于是右手定则，俯仰角Pitch是点P绕着y轴旋转的角度。P1的俯仰方向坐标值计算过程包括：

n₀＝-R·sin(p₀)；

u₀＝R·cos(p₀)；

n₁＝-R·sin(p₀+p)

＝-R·(sin(p₀)cos(p)+cos(p₀)sin(p))

＝-R·sin(p₀)cos(p)-R·cos(p₀)sin(p)

u₁＝R·cos(p₀+p)

＝R·(cos(p_0)cos(p)-sin(p_0)sin(p))

＝R·cos(p₀)cos(p)-R·sin(p₀)sin(p)

将n₀，u₀代入n₁，u₁则有：

n₁＝n₀·cos(p)-u₀·sin(p)

u₁＝n₀·sin(p)+u₀·cos(p)

用矩阵表示为：

2)横滚方向坐标值计算

从原点O往x轴正方(北向)向看，P0在xz二维平面投影点的变化是由P0经Roll旋转r得到P1，即Roll＝r，n1＝n0，使用极坐标表示P0(e₀，u₀)，P1(e₁，u₁)。P坐标变化如图6所示，由于是右手定则，横滚角Roll是点P绕着x轴旋转的角度。P1的横滚方向坐标值计算过程包括：

参考俯仰方向坐标值的计算步骤，用矩阵表示为：

3)方位方向坐标值计算

从z轴正方向(天向)往原点O看，P0在xy二维平面投影点的变化是由P0经Heading旋转h得到P1，即Heading＝h，u1＝u0，使用极坐标表示P0(n₀，e₀)，P1(n₁，e₁)。由于是左手定则，P坐标变化如图7所示，方位角Heading是点P绕着z轴旋转的角度。P1的方位方向坐标值计算过程包括：

参考俯仰方向坐标值的计算步骤，用矩阵表示为：

4)测斜分段的第二端点的三维空间坐标计算

三维空间中的P0到P1变化是由俯仰变化、横滚变化、方位变化按照一定的变化顺序来实现的，经过多次试验，发现变化顺序是P0先进行横滚变化，然后进行俯仰变化，最后进行方位变化得到P1，使用矩阵表示如下：

对于第i个测斜分段，长度L_i，其第二端点坐标为[N_i+1 E_i+1 U_i+1]，第一端点坐标为[N_i E_i U_i]，俯仰、横滚、方位对应的坐标值分别是P_i、R_i、H_i，第二端点的坐标计算模型如下：

在测斜孔的全深度范围内，通过以上三维立体计算模型由下往上或由上往下迭代计算获得每个测斜分段的第二端点的坐标。

(4)根据各个测斜分段的第二端点的三维空间坐标，计算所述测斜孔的深部位移。

具体地，以第一个测斜分段的坐标[n0，e0，u0]为初始位置，以最后一个测斜分段的坐标[n，e，u]为最终位置，计算测斜孔的深部位移， 竖向位移＝Z-Z0，其中位移方向的角度为与正北方向顺时针夹角。

进一步地，数据采集单元根据各个测斜分段的第二端点的三维空间坐标，计算深部位移随深度变化而变化的位移与深度曲线，每一个时间点一条位移与深度曲线，时间点间隔可以是日或小时，分析位移与深度曲线获得第一监测报表，所述第一监测报表包括累计深部位移、深部位移方向、滑动面深度、测斜分段的深度。

进一步地，数据采集单元根据各个测斜分段的第二端点的三维空间坐标，计算获得位移随时间变化而变化的位移与时间曲线，每个测斜分段一条位移与时间曲线，分析位移与时间曲线获得第二监测报表，所述第二监测报表包括增量深部位移、累计深部位移变化量、深部位移变化速率。

本实用新型的全深度阵列式测斜仪，通过将测斜孔分为多个测斜分段，并对各个测斜分段建立三维空间坐标，计算获得各个测斜分段的位移，实现对全深度范围内的测斜孔的深部位移自动监测，弥补不能自动化地测量测斜孔任意深度位移的局限性。此外，通过分析各个测斜分段的位移随时间和深度的变化，可以更准确的判定深度滑动面，并获得全深度范围内的位移变化规律，提高了测量的准确性和测量精度。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述测斜仪包括测斜架、安装在所述测斜架内的测斜单元及数据采集单元；其中：

所述测斜架包括多根刚性套管及多个万向接头，所述刚性套管之间通过所述万向接头连接，所述刚性套管及所述万向接头将所述测斜孔沿垂直方向分成多个测斜分段；

所述测斜单元包括一根总线及多个传感器，所述传感器之间通过所述总线串联连接，所述传感器安装在所述刚性套管内；

所述数据采集单元通过所述总线连接所述测斜单元，并通过所述总线分时采集各个测斜分段的变形数据，根据所述变形数据及所述测斜分段的长度获得测斜孔的深部位移。

2.根据权利要求1所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述测斜分段的长度为所述刚性套管的长度与所述万向接头的长度之和。

3.根据权利要求2所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述传感器通过一根四芯总线串联连接，相邻两个传感器的间距可调节；通过所述传感器检测每个测斜分段的变形数据，通过所述四芯总线为所述传感器供电并向数据采集单元传输所述变形数据。

4.根据权利要求3所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述传感器包括双轴倾角传感器。

5.根据权利要求1所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述测斜仪还包括测斜管及滑动导轮，所述滑动导轮用于将所述测斜架安装在所述测斜管内。

6.根据权利要求4所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述测斜分段包括第一端点和第二端点。

7.根据权利要求6所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述变形数据包括横滚角、俯仰角、方位角。

8.根据权利要求7所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述数据采集单元根据各个测斜分段的变形数据，输出第一监测报表，所述第一监测报表包括累计深部位移、深部位移方向、滑动面深度、测斜分段的深度。

9.根据权利要求7所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述数据采集单元根据各个测斜分段的变形数据，输出第二监测报表，所述第二监测报表包括增量深部位移、累计深部位移变化量、深部位移变化速率。

10.根据权利要求7所述的全深度阵列式测斜仪，其特征在于，所述测斜分段的长度范围为0.5至3.0米。