CN214276884U - 一种测斜测扭一体化的新型测斜仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于岩土工程领域，公开了一种测斜测扭一体化的新型测斜仪。该测斜仪由多个测量单元组成，测量单元由封装保护层、MEMS微机电系统、滑轮、连接装置和铰接装置组成。测斜仪中多个测量单元之间可以发生相互转动，自身也可发生扭转。MEMS微机电系统置于封装保护层内部，组成测量单元的基本形式；通过连接装置和铰接装置安装有四个滑轮。使用时，将滑轮嵌合于测斜管的滑动轨道上，即可实现测斜单元和测斜仪的上下移动。该测斜仪装置可同时测量岩土体深部位移以及测斜仪扭转角度；通过迭代算法，可获得任意测斜仪单元的扭转与倾斜情况，精确计算处岩土体深部变形；该装置结构简单，使用方便，具有较好的应用前景。

Description

一种测斜测扭一体化的新型测斜仪

技术领域

本实用新型属于岩土工程领域，具体涉及一种能够测量岩土体深部位移以及测斜仪扭转角度的新型测斜仪及其测量原理。

背景技术

测斜仪是一种测定钻孔倾角和方位角的原位监测仪器，在岩土工程领域通常用于监测岩土体深部变形，是一种根据逐段测量钻孔斜率以获得岩土体水平位移的监测手段。目前常用的测斜仪由探头、电缆和测斜管组成。测量探头为数字通常包含加速度计，测量原理是根据摆锤受重力影响，通过测取加速度计的敏感轴与铅垂线的夹角来测定钻孔的斜率。使用时，首先将测斜管埋置于土体钻孔中，作为测斜仪导轨使用；然后将测斜仪置于测斜管内，与导轨耦合，通过电缆将其放置于需要测量的深度，而后逐渐提升电缆进行测量；最后通过读取的倾斜角度，计算出不同深度的岩土体变形。

然而，由于深部岩土体的变形并不均匀，因此测斜仪在平动变形的同时还会产生扭转变形，二者相互耦合的结果才是深部岩土体的真正变形。由于设计的固有缺陷，传统测斜仪无法考虑扭转变形，因此导致测量数值和测量方向不一致，从而造成最终结果的失准。测斜仪扭转变形通常通过加速度计进行测量。然而，传统的加速度计存在稳定性差、精度低、功耗大等缺陷，这限制了测斜仪的进一步发展。随着感测技术的发展，MEMS微机电系统逐渐应用于岩土工程领域。MEMS微机电系统是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，它具有体积小、重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉、性能稳定等等优势。因此，将MEMS微机电系统引入到测斜仪中，对于提高测斜仪精度和克服测扭转难题具有重要意义。

综上所述，本实用新型针对上述问题，基于MEMS微机电系统，提供了一种测斜测扭一体化的新型测斜仪装置及其测量原理。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有测斜仪无法测量扭转角度的缺陷，基于MEMS微机电系统，提供一种测斜测扭一体化的新型测斜仪装置，同时测量岩土体深部位移以和测斜仪自身扭转角度，此外还提供了一种测斜测扭一体化的新型测斜仪装置的测量原理。

本实用新型的技术方案：

一种测斜测扭一体化的新型测斜仪，由多个测量单元组成，所述的测量单元由封装保护层、MEMS微机电系统、滑轮、连接装置和铰接装置组成。所述的测斜仪中多个测量单元之间可以发生相互转动，自身也可发生扭转。所述的MEMS微机电系统置于封装保护层内部，组成测量单元的基本形式；而后通过连接装置和铰接装置安装有四个滑轮。使用时，将滑轮嵌合于测斜管的滑动轨道上，即可实现测斜单元和测斜仪的上下移动。所述的测斜仪中多个测量单元之间可以发生相互转动，自身也可发生扭转。所述的MEMS微机电系统可以测量到相应的倾斜角度和扭转角度。

特别地，本实用新型还提供了一种测斜测扭一体化的新型测斜仪装置的测量原理。所述的测量原理基本假定在于：(1)假定首节单元与测斜管底部固结，以固结点作为全局坐标原点，初始时刻所有单元不发生相对扭转，竖直方向建立全局坐标Z轴，倾斜固定发生在XOZ面内，Y轴方向通过右手定则确定；(2)每个测量单元内部为刚性结构，可建立局部坐标系，假定变形过程中每个单元先发生适应测斜管(土体)的相对扭转，保证倾斜方向与土体运动方向一致，再发生倾斜，这一假定主要为确保欧拉角计算顺序。

考虑测量单元i长度固定为L，以单元i与单元i-1之间链接处作为当前单元局部坐标原点，则单元i与单元i+1之间的链接坐标即为(0,0,L)^T，如附图1所示。θ以逆时针旋转为正，按照公式(1)计算基于局部坐标系的旋转矩阵，由于规定每个单元的旋转顺序，因此对于所有单元的坐标旋转换阵均可由公式(2)表达。

R_i＝R_zR_y(2)

坐标轴旋转后单元顶点坐标为X_i'＝(0,0,L)^T，则对于单元i而言，测斜仪发生变形后顶点在全局坐标系中的空间位置即为X_1-global＝R₁X₁'。对于单元i+1，其顶点相对于单元i+1初始坐标系的空间位置为X_2-local＝R₂X'₂，由此可知顶点相对于i单元初始坐标系空间位置为X_2-global＝R₁R₂X'₂+R₁X₁'，其中第二项为坐标轴平移量，即全局坐标与i单元顶点间空间相对位置关系。单元i+2顶点在单元i+1局部坐标系下的坐标为X_3-loc-2＝R₂R₃X'₃+R₂X'₂，该坐标在单元i的初始局部坐标系(全局坐标系)下为X_3-global＝R₁(R₂R₃X'₃+R₂X'₂)+R₁X₁'。由此可以推断，单元i+3顶点的全局坐标可表示为X_4-global＝R₁[R₂(R₃R₄X'₄+R₃X'₃)+R₂X'₂]+R₁X₁'。公式(3)定义了空间坐标变换算子：

结合公式(1)，(2)，(3)，通过Γ_i逐次迭代，即可获得任意单元发生相应扭转与倾斜后，相对于测斜仪底部的空间位置坐标，通过预设的坐标轴方位即可确定岩土体深部变形情况。

本实用新型的优点和效果在于：可同时测量岩土体深部位移以及测斜仪扭转角度；通过迭代算法，可获得任意测斜仪单元的扭转与倾斜情况，精确计算处岩土体深部变形；该装置结构简单，使用方便，具有较好的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型测量单元i计算原理示意图；

图2是本实用新型整体计算示意图；

图中：1封装保护层；2滑轮；3倾斜角；4扭转角；5测量单元i；6测量单元i+1；7测量单元i+2；8MEMS微机电系统芯片；9连接装置；10铰接装置。

具体实施方式

下面结合附图详述本实用新型的具体实施方式。本实用新型的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。

如图1所示为本实用新型测量单元i计算原理示意图。该测斜测扭一体化的新型测斜仪装置主要由多个测量单元组成，多个测量单元之间可发生相互转动，自身也可发生扭转；测量单元主要由封装保护层1、MEMS微机电系统8、滑轮2、连接装置9和铰接装置10组成；MEMS微机电系统8置于封装保护层1内部，组成测量单元的基本形式；通过连接装置9和铰接装置10安装两组、四个滑轮2；使用时，将滑轮2嵌合于测斜管的滑动轨道上，即可实现测斜单元和测斜仪的上下移动。所述的测斜仪中多个测量单元之间可以发生相互转动，自身也可发生扭转。所述的MEMS微机电系统8可以测量到相应的倾斜角3和扭转角4。

特别地，本实用新型还提供了一种测斜测扭一体化的新型测斜仪装置的测量原理。所述的测量原理基本假定在于：(1)假定首节单元与测斜管底部固结，以固结点作为全局坐标原点，初始时刻所有单元不发生相对扭转，竖直方向建立全局坐标Z轴，倾斜固定发生在XOZ面内，Y轴方向通过右手定则确定；(2)每个测量单元内部为刚性结构，可建立局部坐标系，假定变形过程中每个单元先发生适应测斜管(土体)的相对扭转，保证倾斜方向与土体运动方向一致，再发生倾斜，这一假定主要为确保欧拉角计算顺序。

考虑测量单元i长度固定为L，以单元i与单元i-1之间链接处作为当前单元局部坐标原点，则单元i与单元i+1之间的链接坐标即为(0,0,L)^T，如附图1所示。θ以逆时针旋转为正，按照公式(1)计算基于局部坐标系的旋转矩阵，由于规定每个单元的旋转顺序，因此对于所有单元的坐标旋转换阵均可由公式(2)表达。

R_i＝R_zR_y(2)

坐标轴旋转后单元顶点坐标为X_i'＝(0,0,L)^T，则对于单元i而言，测斜仪发生变形后顶点在全局坐标系中的空间位置即为X_1-global＝R₁X₁'。对于单元i+1，其顶点相对于单元i+1初始坐标系的空间位置为X_2-local＝R₂X'₂，由此可知顶点相对于i单元初始坐标系空间位置为X_2-global＝R₁R₂X'₂+R₁X₁'，其中第二项为坐标轴平移量，即全局坐标与i单元顶点间空间相对位置关系。单元i+2顶点在单元i+1局部坐标系下的坐标为X_3-loc-2＝R₂R₃X'₃+R₂X'₂，该坐标在单元i的初始局部坐标系(全局坐标系)下为X_3-global＝R₁(R₂R₃X'₃+R₂X'₂)+R₁X₁'。由此可以推断，单元i+3顶点的全局坐标可表示为X_4-global＝R₁[R₂(R₃R₄X'₄+R₃X'₃)+R₂X'₂]+R₁X₁'。公式(3)定义了空间坐标变换算子：

结合公式(1)，(2)，(3)，通过Γ_i逐次迭代，即可获得任意单元发生相应扭转与倾斜后，相对于测斜仪底部的空间位置坐标，通过预设的坐标轴方位即可确定岩土体深部变形情况。

Claims (1)

1.一种测斜测扭一体化的新型测斜仪，其特征在于，该测斜侧扭一体化的新型测斜仪装置主要由多个测量单元组成，多个测量单元之间可发生相互转动，自身也可发生扭转；测量单元主要由封装保护层(1)、MEMS微机电系统(8)、滑轮(2)、连接装置(9)和铰接装置(10)组成；MEMS微机电系统(8)置于封装保护层(1)内部，组成测量单元的基本形式；通过连接装置(9)和铰接装置(10)安装两组、四个滑轮(2)；

使用测斜测扭一体化的新型测斜仪时，将滑轮(2)嵌合于测斜管的滑动轨道上，即实现测斜单元和测斜仪的上下移动；MEMS微机电系统(8)测量到相应的倾斜角(3)和扭转角(4)。

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