CN112097633B - 一种基于双互感等值电压的地下位移三维测量***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双互感等值电压的地下位移三维测量***与方法。包括现场测量装置和远程监控***，现场测量装置主要由N个传感单元和地下位移信息汇总单元通过电源线和通信线串接而成；N个传感单元串接后连接在地下的不动层和地面之间；每一个传感单元包括PVC套筒、空心圆柱线圈、磁芯圆柱线圈和PCB板组成；相邻两个传感单元组成一个测量单元，经相对基准单元的空心圆柱线圈和磁芯圆柱线圈与相对位移单元的空心圆柱线圈相配合测量得到相对水平位移、相对垂直位移。本发明能获得从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值，完成测量区域内从地表至地下深部的岩土体变形的三维分布式测量及远程监控。
Description
技术领域
本发明涉及了一种地下位移测量***与方法，尤其是涉及一种基于双互感等值电压检测原理的地下位移三维测量***与方法。
背景技术
我国是地质灾害发生最为频繁的国家之一，地质灾害种类繁多、分布广泛、活动频繁、危害严重。据统计，各类地质灾害在我国平均每年造成1000多人死亡，经济损失上百亿元，防灾减灾费用极其庞大，严重制约着灾害多发地区的社会经济的可持续发展，威胁着广大人民的生命财产安全。地下位移监测是地质灾害和岩土工程变形监测的重要内容，是准确检测灾害体的地下位移信息及地质结构参数的变化动态、确定潜在滑移面进而研究成灾现状、发展趋势及防灾预报的关键性技术方法。
目前国内外主要运用测斜仪、引伸计、沉降仪、BOTDR等测量技术对地下岩土体单一方向的变形进行监测。其中，测斜仪由于结构简单、可靠性较高，广泛应用于滑体的地下水平位移测量，但该监测方法效率较低，每次测量均需人工读数，易造成险情漏报；且周围岩土体变形过大时，易造成测斜管过度弯曲、管体不畅，导致测斜探头无法正常在测斜管内正常滑动而终止测量。沉降仪和引伸计主要对地下垂直位移进行检测，难以消除水平位移导致的误差。BOTDR测量法除了无法确定岩体形变方向，最主要的问题在于拉伸量不足，对于形变量较大或变形较快的岩土形变等光纤易被拉断。
以上方法虽各有利弊，但一个共有的局限就是无法监测地下位移的三维变化情况，而只有监测到地下位移的三维变化，才能够准确对滑坡等地质灾害进行有效预测预报。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于双互感电压进行地下变形量测量的地下位移三维测量***与方法，能实现变形量的三维分布式远程测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种基于双互感等值电压的地下位移三维测量***：
包括现场测量装置和远程监控***，现场测量装置和远程监控***之间通过无线通讯网络连接，其中：所述的现场测量装置主要由N个集成式地下位移测量传感单元和一个地下位移信息汇总单元通过电源线和通信线串接而成；N个集成式地下位移测量传感单元串接后连接在地下的不动层和地面之间；每一个集成式地下位移测量传感单元主要由外部的PVC套筒、空心圆柱线圈、磁芯圆柱线圈和PCB板组成，空心圆柱线圈和磁芯圆柱线圈均安装在PVC套筒内部，空心圆柱线圈位于PVC套筒内表面周围，磁芯圆柱线圈位于空心圆柱线圈中间，且空心圆柱线圈、磁芯圆柱线圈和PVC套筒三者同一中心轴；PCB板设置在PVC套筒轴向的中部。
所述PCB板上集成设有MCU、正弦波发生电路、双互感电压测量电路、姿态测量电路和485通信电路等模块；空心圆柱线圈和磁芯圆柱线圈分别经第一模拟开关、第二模拟开关和电源连接，空心圆柱线圈经第一模拟开关后分别与第一正弦波发生电路、双互感电压测量电路连接，双互感电压测量电路经A/D转换电路连接到MCU，磁芯圆柱线圈经第二模拟开关和第二正弦波发生电路连接，第一正弦波发生电路、第二正弦波发生电路和姿态测量电路均直接连接到MCU，姿态测量电路和MCU均连接到电源，MCU和地下位移信息汇总单元的主机之间通过485通信线通信连接。
所述的地下位移信息汇总单元包括主机，主机包括MCU主控电路、485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU主控电路连接485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块，MCU主控电路对485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块的三个模块进行连接和监控，MCU主控电路通过485通信总线向各个地下位移测量集成传感单元发出控制信号，通过远程通讯模块向远程监控***的上位机发送地下变形的测量信息。
现场测量装置和远程监控***之间通过无线网络无线通信连接，现场测量装置的测量结果通过无线网络传输至远程监控***。
所述的远程监控***主要由远程接收装置和上位机组成，远程接收装置一端连接接收天线，另一端连接上位机，在上位机通过换算绘制得到测量区域内从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值，实现从地表至地下深部的岩土体变形的三维分布式远程测量。
相邻两个集成式地下位移测量传感单元组成一个测量单元，以下方的集成式地下位移测量传感单元为相对基准单元，以上方的集成式地下位移测量传感单元为相对位移单元；每一个测量单元中，经相对基准单元的空心圆柱线圈和磁芯圆柱线圈与相对位移单元的空心圆柱线圈相互配合工作测量得到相邻两个集成式地下位移测量传感单元之间的相对水平位移、相对垂直位移，作为测量单元的相对位移和方向测量结果。
二、一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法：
在地下位移信息汇总单元的控制下，通过地下位移信息汇总单元对各个集成式地下位移测量传感单元进行控制，从下往上逐一控制每相邻两个集成式地下位移测量传感单元组成的各个测量单元依次进行测量，通过双互感电压等值建模、最小二乘曲线拟合、传感姿态解析，获得各个测量单元的相对位移和方向测量结果，然后将各个测量单元的相对位移和方向测量结果综合累加处理，实现对岩土体从地表至地下深部变形情况的三维分布式柔性测量。
将现场测量装置通过钻孔埋入待测岩土体的不动层和地面之间，相邻两个集成式地下位移测量传感单元组成一个测量单元，测量单元中以下方的集成式地下位移测量传感单元作为相对基准单元，以上方的集成式地下位移测量传感单元作为相对位移单元；按照以下步骤测量，I型互感电压UI和II型互感电压UII以及相对倾斜角θ及方位角
先通过正弦波发生电路向相对基准单元发送激励信号，通过控制模拟开关将频率、幅值固定的正弦波接入相对基准单元的空心圆柱线圈，相对基准单元和相对位移单元的磁芯圆柱线圈断电；向相对位移单元发送测量信号，采集相对位移单元的空心圆柱线圈中的互感电压作为I型互感电压UI；通过正弦波发生电路给相对基准单元发送激励信号，通过切换模拟开关将正弦波接入相对基准单元的磁芯圆柱线圈，相对基准单元的空心圆柱线圈和相对位移单元的磁芯圆柱线圈断电；向相对位移单元发送测量信号，采集相对位移单元的空心圆柱线圈中的互感电压作为II型互感电压UII；同时MCU控制姿态测量电路测出相对位移单元与相对基准单元之间的相对倾斜角(轴线夹角)θ及方位角
当岩土体发生地下位移时，带动测量装置的各个集成式地下位移测量传感单元发生相对位移，I型互感电压UI和II型互感电压UII均实时发生变化；采集记录I型互感电压UI和II型互感电压UII各自的时间变化，时间变化曲线以时间为横坐标，以互感电压为纵坐标，得到两条不同的互感电压等值线，两条互感电压等值线之间的交点的坐标则为相邻两个集成式地下位移测量传感单元之间的相对位移量。
利用姿态测量电路实时检测得到各集成式地下位移测量传感单元的倾斜角θ与地磁方位角
地磁方位角
用于判断地下位移方向，在不同倾斜角θ下通过I型互感电压UI、II型互感电压UII各自分别与水平位移量和垂直位移量间采用最小二乘曲线拟合法建立关系模型，将I型互感电压UI和II型互感电压UII输入到关系模型中，获得两条不同的互感电压等值线，两条互感电压等值线之间的交点的坐标则为相邻两个集成式地下位移测量传感单元之间的相对位移量，从而精确求出交点坐标，完成测量单元中两个集成式地下位移测量传感单元之间的相对位移量测量。
从下往上逐一控制每相邻两个集成式地下位移测量传感单元组成的各个测量单元依次进行测量，综合通过累加N-1个测量单元的相对位移和方向测量结果，统一地下三维坐标获得从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值。
具体结合地面GPS空间坐标测量实现从下往上各传感单元逐对测出与空间坐标统一对应的地下变形三维坐标，且现场测量结果可通过无线网络发送至所述远程监控中心，在远程监控中心的上位机进一步描绘出测量区域内从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值，由此完成从地表至地下深部的岩土体变形的三维分布式远程测量。
测量时自下而上依次每次开启一个测量单元进行测量，每次测量仅开启一个测量单元进行测量，当一个测量单元在测量时，其他的测量单元均不工作，避免相互串扰。
本发明能根据地下位移信息汇总单元自下而上测量得到每一个测量单元的双互感电压UI、UII倾斜角θ与方位角
搜索找到相应的θ-R-Z-UI和θ-R-Z-UII模型，利用最小二乘法拟合得到两条电压等值线并求解，即可得出相邻传感单元间的相对位移量。通过累加N-1个相邻传感单元间的相对位移量，就能实现岩土体从地表至地下深部变形情况的三维分布式测量。
本发明是一种融合电磁、互感、磁阻等多种磁电效应、基于柔性集成传感阵列结构的岩土体地下位移三维分布式测量新方法及装置，建立双互感电压、磁阻电压等表征物理量与岩土体地下变形三维坐标变化的映射传递关系，构建地下位移三维测量模型及求解方法，实现对岩土体从地表至地下不同深度各处三维位移量和位移方向的精确测量。
本发明的有益效果：
本发明能完成对测量区域内整个岩土体从地表至地下深处的变形状态的三维分布式测量，实现对三维位移量和位移方向的同时测量，测量过程实现实时化、自动化及远程化。
附图说明
图1是地下位移三维测量***结构示意图。
图2是集成式地下位移测量传感单元结构示意图。
图3是PCB板的电路工作框图。
图4是未发生相对位移时测量单元示意图。
图5是发生朝
偏转角方向移动的测量单元示意图。
图6是UI与轴线夹角θ和位移的三维关系模型曲面图。
图7是UII与轴线夹角θ和位移的三维关系模型曲面图。
图8为相邻传感单元在相对位移为(30mm，0mm，30mm)处的UI、UII电压等值线图。
图中：1、4、485通信总线，5、第一个测量单元，6、第N-1个测量单元，7、不动层，8、主机，9、上位机，10、无线网络，11、PVC软塑管，12、PVC套筒，13空心圆柱线圈，14、磁芯圆柱线圈，15、PCB板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的***包括现场测量装置和远程监控***，现场测量装置和远程监控***之间通过无线通讯网络连接，其中：现场测量装置主要由N个集成式地下位移测量传感单元1和一个地下位移信息汇总单元通过电源线和通信线串接而成；N个集成式地下位移测量传感单元1串接后连接在地下的不动层7和地面之间；每个集成式地下位移测量传感单元的结构完全相同，通过电源线和485总线串联形成传感阵列，套装在PVC软塑管11中并通过钻孔垂直埋入待测岩土体中。
如图2所示，每一个集成式地下位移测量传感单元1主要由外部的PVC套筒12、空心圆柱线圈13、磁芯圆柱线圈14和PCB板15组成，空心圆柱线圈13和磁芯圆柱线圈14均安装在PVC套筒12内部，空心圆柱线圈13位于PVC套筒12内表面周围，磁芯圆柱线圈14位于空心圆柱线圈13中间，且空心圆柱线圈13、磁芯圆柱线圈14和PVC套筒12三者同一中心轴；PCB板15设置在PVC套筒12轴向的中部。PCB板15与磁芯圆柱线圈14放入安装支架后嵌入空心圆柱线圈13内壁卡槽固定，安装支架如图2所示。空心圆柱线圈13、磁芯圆柱线圈14构成了双互感电压测量结构，分别连接双互感电压I型、II型测量电路。
每一个集成式地下位移测量传感单元1的结构完全相同，呈柱状轴对称结构。外部是厚壁PVC套筒，PVC套筒内部有空心圆柱线圈、磁芯圆柱线圈和PCB板。PVC套筒上、下两端均灌胶密封；每个集成式地下位移测量传感单元1通过电源线和485总线串联成一串。
如图3所示，PCB板15上集成设有MCU、正弦波发生电路、双互感电压测量电路、姿态测量电路和485通信电路等模块；空心圆柱线圈13和磁芯圆柱线圈14分别经第一模拟开关、第二模拟开关和电源连接，空心圆柱线圈13经第一模拟开关后分别与第一正弦波发生电路、双互感电压测量电路连接，双互感电压测量电路经A/D转换电路连接到MCU，磁芯圆柱线圈14经第二模拟开关和第二正弦波发生电路连接，第一正弦波发生电路、第二正弦波发生电路和姿态测量电路均直接连接到MCU，姿态测量电路用于测量地磁方位角与倾斜角，姿态测量电路和MCU均连接到电源，电源经电源线分别连接第一模拟开关、第二模拟开关、姿态测量电路、MCU，MCU和地下位移信息汇总单元的主机8之间通过485通信线4通信连接。MCU解算集成式地下位移测量传感单元1单独自身的地下位移情况。
MCU向第一正弦波发生电路发送正弦激励信号，控制空心圆柱线圈13通电正弦波电流进而发出正弦变化电磁场，通过双互感电压测量电路测量经过空心圆柱线圈13的互感电压；MCU向第二正弦波发生电路发送正弦激励信号，控制磁芯圆柱线圈14通电正弦波电流进而发出正弦变化电磁场，通过双互感电压测量电路测量经过空心圆柱线圈13的互感电压；同时姿态测量电路测量集成式地下位移测量传感单元1自身的地磁方位角与倾斜角，并发送到MCU；MCU将地磁方位角与倾斜角进行采集并发送到地下位移信息汇总单元的主机8，由主机8根据地磁方位角与倾斜角进行计算。
地下位移信息汇总单元包括主机8，主机8包括MCU主控电路、485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU主控电路连接485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块，MCU主控电路对485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块的三个模块进行连接和监控，MCU主控电路通过485通信总线4向各个地下位移测量集成传感单元1发出控制信号，通过远程通讯模块向远程监控***的上位机9发送地下变形的测量信息。
现场测量装置和远程监控***之间通过无线网络10无线通信连接，现场测量装置的测量结果通过无线网络10传输至远程监控***。
远程监控***主要由远程接收装置和上位机9组成，远程接收装置一端连接接收天线，另一端连接上位机9，上位机9包括PC机及便携终端设备，在上位机9通过换算绘制得到测量区域内从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值，实现从地表至地下深部的岩土体变形的三维分布式远程测量。
相邻两个集成式地下位移测量传感单元1组成一个测量单元，N个传感单元共构成N-1个测量单元，如最下方的第一个测量单元5和最上方的第N-1个测量单元6。测量单元中，以下方的集成式地下位移测量传感单元1为相对基准单元，以上方的集成式地下位移测量传感单元1为相对位移单元；每一个测量单元中，经相对基准单元的空心圆柱线圈13和磁芯圆柱线圈14与相对位移单元的空心圆柱线圈13相互配合工作测量得到相邻两个集成式地下位移测量传感单元1之间的相对水平位移、相对垂直位移，作为测量单元的相对位移和方向测量结果。
每个测量单元中，下方的传感单元作为相对基准单元(传感单元A)，上方的作为相对位移单元(传感单元B)。对任一传感单元，当其作为相对基准单元工作时，MCU主要用来激励空心圆柱线圈与磁芯圆柱线圈，通过正弦波发生电路产生一个频率、幅值固定的正弦波，通过控制模拟开关将正弦波依次接入空心圆柱线圈与磁芯圆柱线圈作为激励信号；当其作为相对位移单元(传感单元B)工作时，MCU主要用来采集互感电压与姿态信息。其中，互感电压测量电路用于将双互感电压UI、UII(UI为传感单元A的空心圆柱线圈和传感单元B的空心圆柱线圈之间的互感电压；UII为传感单元A的磁芯圆柱线圈与传感单元B的空心圆柱线圈之间的互感电压)进行放大、滤波、整流等处理后变成直流信号，再通过A/D转换电路供MCU采集、处理。姿态测量电路能够测量出相邻传感单元间轴线夹角θ(倾斜角)与相对测量单元对z轴的偏转角
(方位角)。
当岩土体发生地下位移时，带动传感阵列中的各个传感单元发生不同方向、角度的相对位移，以一个测量单元为例，发生地下位移前后的示意图如图4、图5所示。位移发生后，任两相邻传感单元的空心圆柱线圈与空心圆柱线圈之间的互感电压(I型互感电压，UI)、磁芯圆柱线圈与空心圆柱线圈之间的互感电压(II型互感电压，UII)同时发生变化，相邻传感单元之间的轴线夹角θ、方位角
也同步发生变化。
测量单元中，以下方的集成式地下位移测量传感单元1作为相对基准单元，以上方的集成式地下位移测量传感单元1作为相对位移单元，此时测量集总单元通过485总线自下而上依次给各个测量单元中的MCU发送激励与测量信号：
(1)给相对基准单元发送激励信号，通过控制模拟开关将频率、幅值固定的正弦波接入相对基准单元的空心圆柱线圈13；
(2)给相对位移单元发送测量信号，采集相对位移单元的空心圆柱线圈13中的互感电压作为I型互感电压UI；
(3)给相对基准单元发送激励信号，通过切换模拟开关将正弦波接入相对基准单元的磁芯圆柱线圈14，空心圆柱线圈13断电；
(4)给给相对位移单元发送测量信号，采集相对位移单元的空心圆柱线圈13中的互感电压作为II型互感电压UII；
(5)同时MCU控制姿态测量电路测出相对位移单元与相对基准单元之间的相对倾斜角(轴线夹角)θ及方位角
与此同时，相对基准单元的空心和磁芯圆柱线圈均断电，以免上述互感线圈通电时产生的磁场影响姿态检测的精确性。
如此完成对某测量单元的测量，其他测量单元同理。地下位移信息汇总单元在一次测量结束后自下而上依次接收各个测量单元输出的双互感电压UI与UII、倾斜角θ与方位角
等数据，代入到本发明所述的地下位移三维测量模型，求出该测量单元的相对水平和垂直位移(xk、yk、zk)以及方位角
对N-1个测量单元的测量结果进行累加，测出岩土体从地表至地下深部的整***移和方向(X，Y，Z，Φ)，
其中X、Y、Z、Φ分别表示水平一方向、水平另一方向、重力竖直方向和方位角方向，水平一方向和水平另一方向相正交垂直。
结合地面GPS空间坐标测量，实现从下往上各测量单元逐一测出与空间坐标统一对应的地下变形三维坐标，现场测量结果可通过无线网络发送至远程监控***。
本发明测量方法采用不同于现有多互感原理的双电磁互感原理。如图4、图5所示，任一测量单元k由上下相邻的两个传感单元组成，分别称为相对位移单元(A)和相对基准单元(B)。随着测量单元周围岩土发生滑移，两相邻传感单元A、B之间的相对水平位移xk、yk、垂直位移zk以及倾斜角θk、方位角
会发生变化。
根据磁电感应理论，将固定频率和幅值的正弦电压信号(有效值设为Ui)通入相对测量单元A的空心或磁芯圆柱线圈，相对测量单元B的空心圆柱线圈中会产生同频但不同幅值的正弦互感电压Uo：
其中L为空心圆柱线圈的自感，仅由线圈的大小、几何形状以及匝数决定，可视为常数；M为传感单元A的空心或磁芯圆柱线圈与传感单元B的空心圆柱线圈之间的互感系数，由两个线圈的几何形状、匝数、相对位置决定。
传感单元外部为厚壁PVC套筒，不易形变且耐腐蚀，周围岩土体发生形变时一般不会破坏线圈的形状，因此上述公式中M的变化只与两线圈之间的相对位移有关。可见本发明所述测量装置中，相邻传感单元之间产生的互感电压UI、UII的大小及其变化能直接表征相邻传感单元之间的相对位置和相对位移信息。
本发明的现场测量装置主要由置于地面的集总单元和通过钻孔垂直埋入岩土体内部的N个集成式地下位移测量传感单元上下串连而成，任两相邻传感单元构成一个测量单元。当岩土体发生地下位移时，带动传感阵列中的各个传感单元发生倾斜、水平和垂直方向的位移，任两相邻传感单元(A、B)的空心圆柱线圈与空心圆柱线圈之间的互感电压(I型互感电压，UI)、磁芯圆柱线圈与空心圆柱线圈之间的互感电压(II型互感电压，UII)均发生变化，相邻传感单元之间的相对倾斜角θ、方位角
也同步发生变化。获取上述I型和II型互感电压值(UI、UII)可以得到两条互感电压等值线，两条电压等值线必有一个交点，该交点的坐标则为传感单元B相对传感单元A的位移量。
经理论证明和实验验证得出双互感电压UI、UII在不同倾斜角θ和方位角
下与待测相对水平位移x、y、z之间的关系模型，再结合双互感等值电压理论和最小二乘法曲线拟合法，反向计算出相邻传感单元之间的相对位移大小和方向
首先，通过实验标定和理论建模得到相邻传感单元A、B之间在不同倾斜角θ下，双互感电压UI、UII随水平位移和垂直位移变化的关系模型，即θ-R-Z-UI和θ-R-Z-UII。图6、图7分别为不同倾斜角下的相对水平位移、垂直位移与互感电压UI、UII之间关系的三维曲面图。图中，三张曲面所对应的倾斜角从上至下依次是15°、30°和45°，互感电压UI、UII随着相对位移、倾斜角的增大而减小，且在同一倾斜角下相同的互感电压值可能会对应不同的水平位移与垂直位移，把相同电压的点拟合的曲线称为电压等值线。如图8所示，同一倾斜角下，每一个互感电压UI和UII分别对应着一条电压等值线，这两条等值线在空间中交于一点，确定该交点所在坐标即能求出任两相邻两传感单元间的相对水平位移rk和垂直位移zk。
根据传感单元测出的倾斜角θ，搜索找到相应的θ-R-Z-UI和θ-R-Z-UII模型，遍历得到双互感电压UI、UII的等值电压离散点，再通过最小二乘曲线拟合法，拟合得到两条电压等值线，最后通过计算机编程精确求解出双等值电压曲线的交点，换算成相邻传感单元的相对位移。图8所示为根据倾斜角θk＝0°，水平位移rk＝30mm，垂直位移zk＝30mm处的互感电压值UI、UII得到的双互感电压等值线，可以看出两条等值线仅有一个交点。
用最小二乘拟合方法来求解出这两条拟合曲线的表达式：
y1＝-0.0000001757x5+0.00002057x4-0.0009243x3+0.009424x2-0.1169x+37.55
y2＝-0.0000007319x5+0.00008027x4-0.003225x3+0.04449x2-0.3253x+39.39
对这两条曲线求解即可到交点坐标。表1为倾斜角为0度时，利用最小二乘法解算出的位移与误差：
经实验验证，水平位移和垂直位移误差在2mm以内。
通过等值线及最小二乘拟合的方法可以解算出相对水平、垂直位移量(rk、zk)的大小，但实际地下岩土体运动中，无法事先判断地下位移方向是否与实验标定方向一致，在结合实时测量出位移方向的方位角
与倾斜角θk的变化获得倾斜的方位，才能实现真正的地下位移三维测量。
为此，本发明在传感单元中采用了高精度的姿态测量电路，姿态测量电路集成有三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计。当某传感单元的姿态发生变化时，姿态测量电路实时测出X轴倾斜角、Y轴俯仰角、Z轴偏转角，通过串口通信发送至MCU，MCU通过RS485通信线进一步发送至地下位移信息汇总单元，解算得到任两相邻传感单元之间的相对轴向倾斜角和地磁方位角。
以一个测量单元为例，如图5所示，此时上方传感单元绕z轴发生了偏转，水平位移r的方向不再是水平向右而是沿z轴发生一个偏转角
即r朝着偏转角
的方向进行移动，结合前面利用双互感电压等值模型求解出的水平位移r和垂直位移z，分解得到水平位移在x和y方向的分量
其他测量单元同理，从而实现对整个岩土体从地表至地下深部三维位移大小和方向的分布式测量。
Claims (7)
1.一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：
方法采用地下位移三维测量***，包括现场测量装置和远程监控***，现场测量装置和远程监控***之间通过无线通讯网络连接，其中：所述的现场测量装置主要由N个集成式地下位移测量传感单元(1)和一个地下位移信息汇总单元通过电源线和通信线串接而成；N个集成式地下位移测量传感单元(1)串接后连接在地下的不动层(7)和地面之间；其特征在于：
每一个集成式地下位移测量传感单元(1)由外部的PVC套筒(12)、空心圆柱线圈(13)、磁芯圆柱线圈(14)和PCB板(15)组成，空心圆柱线圈(13)和磁芯圆柱线圈(14)均安装在PVC套筒(12)内部，空心圆柱线圈(13)位于PVC套筒(12)内表面周围，磁芯圆柱线圈(14)位于空心圆柱线圈(13)中间，且空心圆柱线圈(13)、磁芯圆柱线圈(14)和PVC套筒(12)三者同一中心轴；PCB板(15)设置在PVC套筒(12)轴向的中部；
方法包括以下过程：
通过地下位移信息汇总单元对各个集成式地下位移测量传感单元(1)进行控制，从下往上逐一控制每相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)组成的各个测量单元依次进行测量，通过双互感电压等值建模、最小二乘曲线拟合、传感姿态解析，获得各个测量单元的相对位移和方向测量结果，然后将各个测量单元的相对位移和方向测量结果综合累加处理，实现对岩土体从地表至地下深部变形情况的三维分布式柔性测量；
将现场测量装置通过钻孔埋入待测岩土体的不动层(7)和地面之间，相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)组成一个测量单元，测量单元中以下方的集成式地下位移测量传感单元(1)作为相对基准单元，以上方的集成式地下位移测量传感单元(1)作为相对位移单元；按照以下步骤测量，I型互感电压UI和II型互感电压UII以及相对倾斜角θ及方位角
(1)先通过正弦波发生电路向相对基准单元的发送激励信号，通过控制模拟开关将频率、幅值固定的正弦波接入相对基准单元的空心圆柱线圈(13)，相对基准单元和相对位移单元的磁芯圆柱线圈(14)断电；向相对位移单元发送测量信号，采集相对位移单元的空心圆柱线圈(13)中的互感电压作为I型互感电压UI；
(2)通过正弦波发生电路给相对基准单元发送激励信号，通过切换模拟开关将正弦波接入相对基准单元的磁芯圆柱线圈(14)，相对基准单元的空心圆柱线圈(13)和相对位移单元的磁芯圆柱线圈(14)断电；向相对位移单元发送测量信号，采集相对位移单元的空心圆柱线圈(13)中的互感电压作为II型互感电压UII；
(3)同时MCU控制姿态测量电路测出相对位移单元与相对基准单元之间的相对倾斜角θ及方位角
当岩土体发生地下位移时，带动测量装置的各个集成式地下位移测量传感单元(1)发生相对位移，I型互感电压UI和II型互感电压UII均实时发生变化；采集记录I型互感电压UI和II型互感电压UII各自的时间变化，得到两条不同的互感电压等值线，两条互感电压等值线之间的交点的坐标则为相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)之间的相对位移量；在不同倾斜角θ下通过I型互感电压UI、II型互感电压UII各自分别与水平位移量和垂直位移量间建立关系模型，将I型互感电压UI和II型互感电压UII输入到关系模型中，获得各自两条不同的互感电压等值线，两条互感电压等值线之间的交点的坐标则为相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)之间的相对位移量，从而精确求出交点坐标，完成测量单元中两个集成式地下位移测量传感单元(1)之间的相对位移量测量；
从下往上逐一控制每相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)组成的各个测量单元依次进行测量，综合通过累加N-1个测量单元的相对位移和方向测量结果，统一地下三维坐标获得从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值。
2.根据权利要求1所述的一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：测量时自下而上依次每次开启一个测量单元进行测量，当一个测量单元在测量时，其他的测量单元均不工作。
3.根据权利要求1所述的一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：所述PCB板(15)上集成设有MCU、正弦波发生电路、双互感电压测量电路、姿态测量电路和485通信电路模块；空心圆柱线圈(13)和磁芯圆柱线圈(14)分别经第一模拟开关、第二模拟开关和电源连接，空心圆柱线圈(13)经第一模拟开关后分别与第一正弦波发生电路、双互感电压测量电路连接，双互感电压测量电路经A/D转换电路连接到MCU，磁芯圆柱线圈(14)经第二模拟开关和第二正弦波发生电路连接，第一正弦波发生电路、第二正弦波发生电路和姿态测量电路均直接连接到MCU，姿态测量电路和MCU均连接到电源，MCU和地下位移信息汇总单元的主机(8)之间通过485通信总线(4)通信连接。
4.根据权利要求1所述的一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：所述的地下位移信息汇总单元包括主机(8)，主机(8)包括MCU主控电路、485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU主控电路连接485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块，MCU主控电路对485总线驱动模块、GPS测量模块和远程通讯模块的三个模块进行连接和监控，MCU主控电路通过485通信总线(4)向各个集成式地下位移测量传感单元(1)发出控制信号，通过远程通讯模块向远程监控***的上位机(9)发送地下变形的测量信息。
5.根据权利要求1所述的一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：现场测量装置和远程监控***之间通过无线网络(10)无线通信连接，现场测量装置的测量结果通过无线网络(10)传输至远程监控***。
6.根据权利要求1所述的一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：所述的远程监控***主要由远程接收装置和上位机(9)组成，远程接收装置一端连接接收天线，另一端连接上位机(9)，在上位机(9)通过换算绘制得到测量区域内从地表至地下深部的岩土变形情况和具体坐标值，实现从地表至地下深部的岩土体变形的三维分布式远程测量。
7.根据权利要求1所述的一种双互感等值电压的地下位移三维测量方法，其特征在于：相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)组成一个测量单元，以下方的集成式地下位移测量传感单元(1)为相对基准单元，以上方的集成式地下位移测量传感单元(1)为相对位移单元；每一个测量单元中，经相对基准单元的空心圆柱线圈(13)和磁芯圆柱线圈(14)与相对位移单元的空心圆柱线圈(13)相互配合工作测量得到相邻两个集成式地下位移测量传感单元(1)之间的相对水平位移、相对垂直位移，作为测量单元的相对位移和方向测量结果。
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