一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置及方法，该装置包括数据采集服务器、测斜管、设在测斜管内的N级监测杆、通过固定安装支架锚固在在每级监测杆内部下端的MEMS姿态角度传感器，各MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线串联，顶部的MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线与USB扩展器连接，USB扩展器通过数据线与数据采集服务器连接；监测杆外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构。将监测杆分为若干段，并对每一分段建立三维立体坐标系，结合原监测分段位置和MEMS姿态角度传感器获得塌陷后各个监测分段的形变数据，计算得出各个监测分段三维位移，实现对岩溶地区的大范围深层水平位移监测，弥补了对土体内部形变监测的非线性监测需求。体内部形变监测的非线性监测需求。体内部形变监测的非线性监测需求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置


[0001]本技术涉及岩溶塌陷地质灾害预防
，具体是一种基于MEMS 的三维智能岩溶塌陷监测装置及监测方法。

技术介绍

[0002]近年来频繁发生的塌陷事故引起广泛社会关注，城市塌陷发生在人口集中地区，严重威胁生命财产安全、城市建设乃至经济发展，城市塌陷种类包括：岩溶塌陷、采空塌陷、地铁塌陷等，而对于重点的塌陷易发区以及岩溶区的重大工程周边，采用合适的方法进行岩溶塌陷长期实时监测、预警等工作十分有必要。
[0003]岩溶塌陷的监测方法归纳起来可分为直接监测法和间接监测法。直接监测方法就是通过直接监测地下土体的变形来判断地面塌陷的方法，间接监测方法主要监测岩溶管道系统中水气压力的动态变化，本专利正是通过直接监测方法来实现对岩溶塌陷的监测和预警。由于在岩溶区建筑地基、岩溶塌陷易发区等需要监测的场合，均需要对地基进行监测。目前在岩溶塌陷直接监测领域中的重点和难点在于发生在土体内部的形变监测，土体形变监测有三种监测方式，一种是基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDR)，另一种是利用电磁波在同轴电缆传播过程中受到剪切力或张力对局部阻抗的变化分析的时域反射技术(TDR)，最后一种是利用超高频电磁波探测地下介质分布的地质雷达技术(GPR)，目前这一些装置都是主要应用于线性工程，如公路、铁路等，主要存在着一些问题：
[0004]一、BOTDR光纤传感技术对设备要求高、需进行光纤铺设，此外温度对光纤影响较大，需要做大量的模拟测试试验。
[0005]二、TDR时域反射技术只有在受到剪切力、张力或者两者综合作用而变形的情况下，TDR电缆才会产生电缆信号，而且无法获得突变点位移量大小。
[0006]三、GPR地质雷达技术的分辨率受场地周边电磁波干扰大，深度有限，而且无法实现实时监测和遥感，当在道路运营阶段实施时，还需封闭交通，其作为长期监测手段局限较大。

技术实现思路

[0007]本技术的目的在于解决现有技术的不足，而提供一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置及方法，能够实现实时自动化监测，描绘深层土体三维视图，且适用于非线性工程，携带安装便捷。
[0008]实现本技术目的的技术方案是：
[0009]一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，包括数据采集服务器、竖直埋设在待监测点第四系覆盖层内的测斜管、通过连接组件依次串联设在测斜管内的N级监测杆、固定安装在每级监测杆内部下端的固定安装支架，固定安装支架上锚固有MEMS姿态角度传感器，各个MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线串联，最顶部的MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线与USB扩展器连接，USB扩展器通过数据线与数据采集服务器连接；
[0010]所述的MEMS姿态角度传感器，每个MEMS姿态角度传感器设有唯一的ID 编号，每个ID编号地址与MEMS姿态角度传感器所埋设的位置深度对应。
[0011]所述的监测杆外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构，使监测杆在安装、使用过程中，始终处于测斜管中心位置，确保监测杆在测斜管内不发生偏斜和扭转，提高土体位移检测数据的准确性。
[0012]所述的伸缩滑动机构，包括弹簧、移动块、伸缩杆和滑轮，弹簧的伸缩方向与监测杆轴向垂直，弹簧用可拆卸外壳包裹，弹簧的一端固定在监测杆外表面，另一端与移动块的一端连接，移动块的另一端与伸缩杆的一端连接，伸缩杆的另一端与滑轮连接。
[0013]所述的固定安装支架，包括支撑架、支撑板，支撑架的下端固定在监测杆内的底部，支撑板通过横向螺母固定在支撑架的上端，MEMS姿态角度传感器通过竖向螺母固定在支撑板上。
[0014]所述的监测杆，最顶部一级的监测杆内的顶部设有框架槽，用于存储一定长度的多级联连接线。
[0015]一种深部土体位移监测方法，应用于上述的三维智能土体位移监测装置，该方法包括如下步骤：
[0016]1)将埋设在待监测点第四系覆盖层内的N级监测杆分为N个监测分段，设相邻分段的距离为定值M，最底段的监测杆底端设置为原点(0，0，0)，建立三维立体坐标系，则每一分段顶端三维空间坐标为(0，0，iM)，其中i为N内大于1小于N的正整数值；
[0017]2)监测杆内的MEMS姿态角度传感器实时监测深部土体内的形变数据，并将形变数据通过多级联连接线传输数据至数据采集服务器，当发生岩溶塌陷时，各监测分段的监测杆随土体发生三维空间上的位移，通过MEMS姿态角度传感器采集到的加速度、姿态角，判断土体内部发生位移的监测杆是否处于静置状态，从非静置状态的最下一级的监测杆开始计算，并由此计算上一级监测杆的三维空间坐标；
[0018]3)在埋设时，MEMS姿态角度传感器位置一一对应，当监测杆发生运动时，设发生运动中最底一级i级监测杆位移为L，则MEMS姿态角度传感器位移也为 L，通过频域内二次积分算出位移L，根据MEMS姿态角度传感器内自带的电子罗盘，得出该最底一级i级监测杆的XY轴向角度β1(图8)，将L和β1根据位移计算公式，得到该最底一级监测杆顶端的三维空间坐标，由此得到该最底一级监测杆的深部位移，形成三维视图；
[0019]4)采用步骤3)的方法，根据运动中最底一级i级监测杆顶端三维空间坐标计算上一级i+1级监测杆底端的三维空间坐标，以及MEMS姿态角度传感器输出的时间，得出监测分段的位移
‑
时间图像，由此往上计算，直至监测杆最顶部；由监测分段的位移
‑
时间图像对土体位移进行判断和预警；同时数据采集服务器根据MEMS姿态角度传感器传输的形变数据，生成监测报表，监测报表包括各监测分段的三轴位移变化、深度位移方向、预估塌陷土洞宽度、土洞形成速率、土洞形成方向。
[0020]所述的三维立体坐标系，为北
‑
东
‑
天三维空间直角坐标系。
[0021]所述的形变数据，包括横滚角、俯仰角、航向角、加速度、形变时间、角速度、传感器倾角、监测杆位移、监测杆在XY轴平面倾角。
[0022]所述的监测分段，每一监测分段的长度为0.3
‑
3m。
[0023]所述的MEMS姿态角度传感器，其内部的三轴加速度计分别采集X、Y、Z 三个轴向的
加速度，其内部的三轴陀螺仪采集角速度得出姿态角，将姿态角进行 MATLAB进行姿态矩阵变换，最后将加速度利用中心计算机进行数据处理，得到传感器在所发生位置的倾角、位移，具体如下：
[0024]Ⅰ、位移计算
[0025]I
‑
1)姿态角度计算：设MEMS陀螺仪传感器的3个方轴向在导航坐标系相对与地理坐标系下角速度矢量为w
tb
＝[ψ，γ，θ]T
，则其在导航坐标系下的投影为：
[0026][0027]上述公式(1)中，分别表示X、Y、Z轴方向的角速度，Ψ、γ、θ分别为航向角、横滚角、俯仰角；将(1)式中的Ψ、γ、θ代入四元素法中进行坐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，包括数据采集服务器、竖直埋设在待监测点第四系覆盖层内的测斜管、通过连接组件依次串联设在测斜管内的N级监测杆、固定安装在每级监测杆内部下端的固定安装支架，固定安装支架上锚固有MEMS姿态角度传感器，各个MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线串联，最顶部的MEMS姿态角度传感器通过多级联连接线与USB扩展器连接，USB扩展器通过数据线与数据采集服务器连接；所述的监测杆外的圆周上均匀设有4个水平的伸缩滑动机构。2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的三维智能土体位移监测装置，其特征在于，所述的MEMS姿态角度传感器，每个MEMS姿态角度传感器设有唯一的ID编号，每个ID编号地址与MEMS姿态角度传感器所埋设的位置深度对应。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，王金晨，蔺文博，娄万鹏，吴远斌，程峰，黄宇，唐咸远，杨柏，杨彦鑫，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：新型
国别省市：