一種三維變形測量裝置及系統的製作方法

2023-11-12 01:51:47 1

本發明涉及監測設備技術領域，具體而言，涉及一種三維變形測量裝置及系統。

背景技術：

在巖土層深部水平位移的監測過程中，通常採用鑽孔測斜儀。在建設實時監測系統時，可選用固定式測斜儀進行長期監測。在監測系統安裝之前，需要在監測位置鑽探一定深度的測斜孔並安設測斜管，在測斜管內有兩組沿坡體滑動方向、垂直坡體滑動方向的導向槽，測斜儀在其導輪和測斜管導向槽的引導下移動到監測位置。各個固定式測斜儀通過雙軸傾斜傳感器測量在其測斜管安裝位置處的傾角改變，並通過基準點數據計算出該測斜位置的相對位移。

發明人在研究中發現，在設計固定式鑽孔測斜儀布設方案時，由於傳統設計的固定式鑽孔測斜儀受軸承結構的限制，其最大測斜維度為2，僅僅能夠測量水平方向上的深部位移變形，難以獲得豎直方向上的位移數據。此外，由於傳統的二維固定式鑽孔測斜儀需要搭配預先埋設的測斜管才能進行使用，導致在施工及安裝時十分不便；測斜管的質量和測斜管的布設狀態也會直接影響到測斜儀的測量精度。

技術實現要素：

本發明提供的一種三維變形測量裝置及系統，安裝簡單方便，並且有效提高了對變形數據進行測量的維度和精度。

第一方面，本發明實施例提供的一種三維變形測量裝置，包括設置於地表下面、用於測量水平位移數據的至少兩個柱體單元以及與遠離所述地表的柱體單元的自由端相連接、用於測量豎直位移數據的液壓裝置；

在相鄰兩個柱體單元之間設置有用於鉸接所述柱體單元的二維柔性關節以及在所述柱體單元的外壁套設有橡膠充氣套，該橡膠充氣套在充氣膨脹後能夠將所述柱體單元固定於待測載體上；

所述柱體單元包括十字軸承和通過所述十字軸承進行連接的兩個固定柱體連接件，所述二維柔性關節在水平方向上具有兩個自由度。

優選地，在所述橡膠充氣套與所述柱體單元下端相接觸的位置處安裝有單向充氣閥。

優選地，所述三維變形測量裝置還包括導氣管，所述導氣管貫穿所述柱體單元和二維柔性關節的長度方向進行設置，並與所述單向充氣閥相連。

優選地，所述柱體單元的兩端可拆卸連接有定向卡槽，以保證兩個或多個連接的柱體單元具有一致的測量方向。

優選地，所述定向卡槽與所述柱體單元連接的一端設置有防水接頭，相鄰兩個柱體單元之間的連接線通過所述防水接頭穿入所述柱體單元的內部。

優選地，所述柱體單元內部設置有傳感器、處理器、模數轉換器和穩壓電源；

所述傳感器包括與所述處理器電性相連的雙軸傾斜傳感器。

優選地，所述傳感器還包括與所述處理器電性相連的水位計、加速度傳感器、溫度傳感器和次聲傳感器。

第二方面，本發明實施例提供的一種三維變形測量系統，包括三維變形測量裝置以及設置於地表上面與所述三維變形測量裝置通信連接的網關，該網關用於匯總並發送所述三維變形測量裝置採集的變形測量數據，並通過該網關的遠程通信傳輸模塊將所述變形測量數據上傳至一數據中心伺服器。

優選地，所述三維變形測量系統還包括設置於地表上面、為所述三維變形測量裝置提供電能的電源供給模塊，該電源供給模塊包括市電、太陽能供電和燃料電池中的至少一個。

優選地，所述三維變形測量系統還包括一個支架，該支架用於將所述三維變形測量裝置中的柱體單元固定安裝於待監測載體上。

本發明實施例提供的一種三維變形測量裝置及系統，通過將用於測量豎直位移數據的液壓裝置與用於測量水平位移數據的柱體單元相連，增加了對變形數據進行測量的維度。在相鄰柱體單元的外壁均套設有橡膠充氣套，充氣膨脹後可以將柱體單元固定在待測載體上，安裝方便。另外，在每個柱體單元內安裝有傳感器、處理器、模數轉換器和穩壓電源，將採集到的變形測量數據通過設置於地表上面的網關上傳至數據中心伺服器，有效提高了對變形數據進行測量的精度。

為使本發明的上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應該看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1是本發明實施方式提供的一種三維變形測量系統的組成框圖。

圖2是本發明實施方式提供的一種三維變形測量裝置處於未壓縮狀態下的整體結構示意圖。

圖3是本發明實施方式提供的一種相鄰柱體單元連接的結構示意圖。

圖4是本發明實施方式提供的一種三維變形測量裝置的剖面結構示意圖。

圖標：100-三維變形測量系統；200-三維變形測量裝置；300-網關；400-電源供給模塊；500-支架；201-柱體單元；202-液壓裝置；203-二維柔性關節；204-橡膠充氣套；205-電路板；206-防滲隔離層；207-壓強感應器組；208-可滲透介質活塞；211-單向充氣閥；212-導氣管；213-定向卡槽；214-防水接頭。

具體實施方式

在設計固定式鑽孔測斜儀布設方案時，由於傳統設計的固定式鑽孔測斜儀受軸承結構的限制，其最大測斜維度為2，僅僅能夠測量水平方向上的深部位移變形，難以獲得豎直方向上的位移數據。此外，由於傳統的二維固定式鑽孔測斜儀需要搭配預先埋設的測斜管才能進行使用，導致在施工及安裝時十分不便；測斜管的質量和測斜管的布設狀態也會直接影響到測斜儀的測量精度。

鑑於此，本發明的設計者通過長期的探索和嘗試，以及多次的實驗和努力，不斷的改革創新，設計出了一種三維變形測量裝置及系統，可以較好地改善上述問題。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。另外，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

如圖1所示，是本發明實施例提供的一種三維變形測量系統100的組成框圖。該三維變形測量系統100可以包括三維變形測量裝置200和網關300。具體實施時，所述三維變形測量裝置200可設置於地表的下面，所述網關300可安裝於地表的上面。其中，所述三維變形測量裝置200以有線方式與所述網關300通信相連，以進行數據傳輸或信令交互。

本實施例中，所述網關300可實時採集所述三維變形測量裝置200測得的變形測量數據，並將該變形測量數據進行統計匯總後通過一遠程通信傳輸模塊(例如gprs、cdma、3g和4g等)上傳至數據中心伺服器進行存儲和處理等。其中，所述變形測量數據可以包括水平方向上的變形測量數據和豎直方向上的變形測量數據。

所述三維變形測量系統100還可以包括電源供給模塊400，該電源供給模塊400可用於為所述三維變形測量裝置200提供持續穩定的電能。其中，所述電源供給模塊400可以包括市電、太陽能供電和燃料電池中的至少一個。

另外，所述三維變形測量系統100還可以包括一個支架500，在現場安裝時，所述支架500可將所述三維變形測量裝置200中的多個柱體單元201依次下放並固定安裝在待監測載體上，比如測斜孔和鑽孔等。

如圖2所示，是本發明實施例提供的一種三維變形測量裝置200處於未壓縮狀態下的整體結構示意圖。該三維變形測量裝置200可以包括至少兩個柱體單元201和一個液壓裝置202，所述液壓裝置202與遠離所述地表的柱體單元201的自由端相連。所述柱體單元201主要用於測量水平方向的位移數據，所述液壓裝置202主要用於測量豎直方向上的位移數據。

本實施例中，在相鄰的兩個柱體單元201之間可通過二維柔性關節203進行可拆卸連接，以實現所述柱體單元201之間的鉸接。所述二維柔性關節203在水平方向上具有兩個自由度。另外，在鉸接的柱體單元201的外壁還套設有橡膠充氣套204。實施時，首先對該橡膠充氣套204進行充氣，待其膨脹後，即可將所述柱體單元201固定在待測載體(例如：鑽孔孔壁)上，從而實現對水平位移數據的準確測量。

其中，所述柱體單元201和二維柔性關節203可採用不鏽鋼材料製造而成。如此，能夠增加所述柱體單元201和二維柔性關節203的抗化學腐蝕能力以及提高其機械抗壓強度，可以承受巨大的壓力、拉力、割力以及其它變形力等，從而有效防止變形現象的發生。

所述柱體單元201可以包括十字軸承和兩個固定柱體連接件，所述兩個固定柱體連接件通過所述十字軸承進行連接，從而實現相鄰的兩個柱體單元201之間的連接。本實施例中，分別在所述兩個固定連接件的自由端設置相對的兩個通孔，以及在所述十字軸承的兩端分別設置通孔。所述兩個柱體單元201之間可通過二維柔性關節203在一定的範圍內進行轉動。由於所述二維柔性關節203的高度靈活性，可以保證每個柱體單元201在水平方向上獨立追蹤並複製待監測載體的變形活動等。

所述二維柔性關節203具有兩個自由度，且所述兩個自由度的方向相互垂直，能夠保證所述兩個柱體單元201的測量方向固定。其中，在機械結構中，譬如一個構件，在空間上完全沒有約束,那麼它可以在3個正交方向上平動，還可以有三個正交方向的轉動，那麼就有6個自由度。約束增加，自由度就減少，如果該構件的所有運動都被限制，那自由度就是0(相對於慣性坐標系靜止的構件)。所述二維柔性關節203隻能在水平面上的兩個垂直方向上面平動，所有只有兩個自由度。

優選地，在所述液壓裝置202的內部設置有容納空腔。該容納空腔內設置有防滲隔離層206、壓強感應器組207和可滲透介質活塞208。所述防滲隔離層206、壓強感應器組207和可滲透介質活塞208的相互配合，可測量豎直方向上的位移數據等。

如圖3所示，在所述橡膠充氣套204與所述柱體單元201下端相接觸的位置處安裝有單向充氣閥211。該單向充氣閥211用於保證氣體只能從外界環境進入到所述橡膠充氣套204中，而不能從橡膠充氣套204進入到外界環境中，有效保證了所述橡膠充氣套204存儲氣體的能力。

另外，所述三維變形測量裝置200還可以包括導氣管212。可選地，所述導氣管212沿著所述柱體單元201和二維柔性關節203的長度方向進行設置，並貫穿所述柱體單元201和二維柔性關節203的長度方向。所述導氣管212的一端與所述單向充氣閥211相連。如此，通過所述導氣管212和單向充氣閥211可以順利地對所述橡膠充氣套204進行充氣，直到所述橡膠充氣套204體積膨脹至可以將所述柱體單元201固定在被測載體(如鑽孔的孔壁預設位置)上。

如圖4所示，是三維變形測量裝置200的剖面結構示意圖。在所述柱體單元201的兩端可拆卸連接有定向卡槽213，所述定向卡槽213與所述柱體單元201之間可通過螺紋方式進行連接，將每個柱體單元201按照同一個方向連接起來，從而保證了連接的兩個柱體單元201之間具有一致的方向。比如：定義所述定向卡槽213指向y軸正方向，按照順時針方向90度為x軸正方向。所有柱體單元201按照一致的方位角方向進行連接，使得每個柱體單元201可以測量在其位置上x和y方向上的角度偏轉量。

其中，在生產製作柱體單元201時，其內部的雙軸傾斜傳感器具有方向性(x、y兩個相互垂直的正負方向)，在對待監測載體(例如滑坡)進行變形測量時，通常定義滑坡的主滑動方向為正方向，那麼所有柱體單元201的雙軸傾斜傳感器的x軸正方向在連接後應與滑坡主滑動方向相一致。把組裝完成的傳感器鏈最底端的柱體單元201視為測量基準點，那麼通過對每個柱體單元201角度進行測量，並結合所述柱體單元201的長度(需要考慮二維柔性關節長度)，可計算出在x方向上的隨深度變化的位移變化曲線。在y方向上的計算同樣如此。如此，可以替代通過測斜管槽口作為機械引導的傳統方法，即該系統不再需要現場安裝測斜管。

所述定向卡槽213與所述柱體單元201連接的一端設置有防水接頭214，相鄰兩個柱體單元201之間的連接線通過所述防水接頭214穿入所述柱體單元201的內部，從而使其免受外界損壞，獲得良好的保護，也便於安裝。

另外，請進一步參閱圖2，在柱體單元201中可設置有電路板205。在該電路板205上可安裝傳感器、處理器、模數轉換器和穩壓電源等。其中，所述傳感器與所述模數轉換器電性連接，所述模數轉換器和穩壓電源分別與所述處理器電性連接，所述穩壓電源還與所述電源供給模塊400電性相連。

本實施例中，所述傳感器用於採集待監測載體的變形測量數據，所述模數轉換器將傳感器輸出的模擬信號轉換成數位訊號，所述處理器採集模數轉換器輸出的數位訊號，並傳輸到地表的網關300，所有測量單元的採集數據在網關300處匯總後發送給所述數據中心伺服器。所述穩壓電源用於對所述電源供給模塊400輸出的電壓進行變換後提供給所述處理器，以保證所述處理器的可靠工作。

為了獲得精確的變形測量數據，所述傳感器可包括雙軸傾斜傳感器、水位計以及加速度傳感器等。針對不同的應用場景、監測需求以及監測內容，可選擇不同的傳感器組合成傳感器鏈，該傳感器鏈中的傳感器可重新進行拆分和組合等。本實施例中，所述雙軸傾斜傳感器為標配傳感器，所述水位計、加速度傳感器、溫度傳感器和次聲傳感器為可選傳感器。

詳細地，所述雙軸傾斜傳感器被設置在不鏽鋼中空柱體單元201中，可安裝於測斜孔中，用於測量滑坡的深部變形數據，其他監測載體還包括橋梁、隧道、大壩和深基坑等，只是安裝方式不同。所述兩軸傾角傳感器設置於測斜孔中，用於測量所述待監測載體的角度變化值，從而計算出變形位移值，實現對變形測量數據的動態監測。其中，所述雙軸傾角傳感器的測量範圍可以進行選擇，例如正負15度和30度等。在所述柱體單元201若作為傳感器鏈的最下端一個測量單元，在其內部可設置水位計，用於測量鑽孔內部的水位數據。

本發明實施例提供的一種三維變形測量裝置及系統，通過將用於測量豎直位移數據的液壓裝置202與用於測量水平位移數據的柱體單元201相連，增加了對變形數據進行測量的維度。在相鄰柱體單元201的外壁均套設有橡膠充氣套204，在充氣膨脹後可以將柱體單元201固定在待測載體(例如：孔壁)上，安裝方便。另外，在每個柱體單元201內安裝有傳感器、處理器、模數轉換器和穩壓電源，將採集到的變形測量數據通過設置於地表上面的網關300上傳至數據中心伺服器，有效提高了對變形數據進行測量的精度。

所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部單元來實現本實施例方案的目的。

另外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理單元中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個單元中。

需要說明的是，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應該以權利要求的保護範圍為準。