专利名称：一种地下变形量的三维测量方法及测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种地下变形测量方法及装置，尤其是涉及一种地下变形量的三维测量方法及测量系统。
背景技术：
观测、研究大地板块变形、移动是分析地壳运动与地震关系的重要过程，事实表明地壳运动与地震有必然的联系，应力积累与释放是地震的孕育中不可缺少的过程，研究地震孕育过程的重要方法之一是通过地壳形变观测，研究与强地震孕育相关的地壳运动和变形过程。因此这种对大地板块变形的观测、研究有助于人类了解地壳的运动规律，观测到地面以下的三维变化，为地震科学、地质工程和矿业工程等领域的研究提供科学仪器，为人类认识地球深处的变化规律提供科学观测仪器。现有对地下深部变形的测量手段主要有三种:测斜管测斜技术，光纤分布应变测量技术(Brillouin Opticat Time Domain Reflectometry)(简称 B0TDR),同轴电缆的时间域反射测试技术(Time Domain Reflectometry)(简称TDR技术)。测斜技术只能测出测斜管在土体作用时的弯斜情况，不能自动实施连续监测，，而且需要人为放置测斜测量仪才能实现对倾斜角的测量，误差很大。BOTDR技术是只能测量光纤微小的应变，大变形时光纤将断裂，而且这种测量也不能·判别变形方向。同轴电缆的TDR技术只能用于少数剪切滑坡地貌的地质灾害监测，变形量也较小(大变形也要拉断)。这三种方法都不能实现变形量的三维测量，变形的量也不能满足软岩或第四纪覆盖层的变形测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地下变形量的三维测量方法及测量系统，能实现变形量的三维测量，变形的量能满足软岩或第四纪覆盖层的变形测量。本发明采用的技术方案是:
一、一种地下变形量的三维测量方法:
将多个圆柱型集成传感器单元串接形成传感器串，其运用电磁互感、螺旋平行传输线TDR效应或电感效应、重力测斜、磁阻效应多种物理机理，测出两个圆柱型集成传感器单元间的互感电压Uout、螺旋平行传输线拉伸量L、倾斜角Θ、倾斜的地磁方位角，通过Uout、L、Θ与水平变形量X、垂直变形量Y的关系模型的建立，并与地面GPS空间坐标测量结合，实现依次从上到下圆柱型集成传感器单元逐对测出与空间坐标统一对应的地下变形三维坐标，且现场测量结果将通过GPRS或GSM发送到远方的PC机，在PC机上可描绘出测量区域内的地面到地下深部的土层运动变化情况和具体的坐标值，实现从地面到地下深部的岩土体变形的三维测量。所述的螺旋平行传输线拉伸量L的测量方法有两种，一种是基于TDR效应，一种基于电感量测量；TDR测量方法是在螺旋平行传输线的一端接一个匹配阻抗，另一端加一窄脉冲电压，由于螺旋平行传输线的特性阻抗在拉伸前后会有变化，分析螺旋平行传输线拉伸前后的反射电压波形的变化，可得出拉伸量AL的大小，加上原有的长度L0，可得出L=LO+ Δ L ；电感量测量方法是将运用螺旋平行传输线的一端短路，在另一端测量螺旋平行传输线电感量，经标定可得出不同一根螺旋平行传输线拉伸为不同长度的对应的电感量或感抗，从而得出上部集成传感器单元的下端面中心点和下部集成传感器单元的上端面中心点间的距离L。所述的倾斜角Θ、倾斜的地磁方位角的测量方法，将集成传感器单元中的测斜MEMS集成电路的xy坐标与地磁测量集成电路的东方北方坐标重叠安装，则在集成传感器串所处的地质环境有变形时，一定是有集成传感器单元向变形的方向发生倾斜，则可得出该集成传感器的倾斜方向的方位角。二、一种地下变形量的三维测量系统:
本发明包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接；其中:
1)现场测量仪器是由地下变形量集成传感器串和地下变形量测量集中处理装置组成；地下变形量集成传感器串由rm个结构相同的圆柱型集成传感器单元串接而成，每个单元之间垫入的等厚硬性绝缘材料，用弹性螺旋平行传输线连接圆柱型集成单元的上下中心点，整个圆柱型集成传感器串封装在软质紧缩套管内，每个圆柱型集成传感器单元间通过485总线进行通讯和控制，地下变形量测量集中处理装置的一端通过485总线与第m个圆柱型集成传感器单元连接，地下变 形量测量集中处理装置的另一端与天线连接；
2)远方测量仪器是由远程接收装置、PC上位机组成；远程接收装置的一端与天线连接，远程接收装置的另一端与PC上位机连接。所述的圆柱型集成传感器单元:包括线圈、测长的弹性螺旋平行传输线、MEMS测斜集成电路、地磁测量集成电路、正弦电压发生电路、正弦电压测量电路、螺旋平行线TDR效应或电感测量电路、485总线驱动电路、第一 A/D转换电路、第二 A/D转换电路、MCU电路；螺旋平行线TDR效应或电感测量电路的输入端连接螺旋平行传输线，输出端连接第一 A/D转换电路；再将第一 A/D转换电路的输出端连接到MCU固定端口，正弦电压发生电路和正弦电压测量电路各自一端通过电子模拟开关连接到线圈，其中电子模拟开关由MCU控制；正弦电压发生电路另一端通过正弦电压发生控制线连接到MCU，正弦电压测量电路的另一端连接第二 A/D转换电路，将第二 A/D转换电路另一端连接到MCU ；MEMS测斜集成电路和地磁测量集成电路连接到MCU ；485总线驱动电路的两端分别连接485总线和MCU ;当地下变形测量集中处理装置通过485总线发出指令后，相应的一对圆柱型集成传感器单元得到响应，传感器内部的MCU将会测量圆柱型集成传感器单元之间的线圈互感电压值Uout，两传感器单元之间的轴线夹角〃，两传感器单元之间的中心相对距离L和集成传感器的地磁方位值。所述的地下变形测量集中处理装置:包括MCU电路、485总线驱动电路、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU电路分别于远程通讯模块、485总线驱动电路和GPS测量模块连接，通过485总线向地下变形量集成传感器串发出控制指令，通过远程通讯模块向PC机发送地下变形的测量信息。本发明具有的有益效果是:
本发明可对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量，实现目前其他方法无法实现的对地下变形量的连续三维测量；从而有可能成为一种观测地壳深部在板块挤压时的变形状况的仪器，为地震发生的机理研究提供观测数据；也可为研究克拉通破坏、页岩气开发的地质环境观测等提供测量仪器。
图1是地下变形量的三维测量系统构成示意图。图2是圆柱型集成传感器单元组成图。图3是地下变形量测量集中处理装置组成图。图4是测量地下变形的两个相邻圆柱型集成传感器单元在地下发生变形图。图5是弹性螺旋平行传输线结构图。图6是Uout、L和X的三个变量之间的关系模型曲面图。图中:1、2、(m-2)、(m_l)、m、圆柱型集成传感器单元，3、485总线，4、地下变形测量集中处理装置，5、天线，6、远程接收装置，7、上位机，8、地表，9、软质紧缩套管，10、硬岩层，11、11’、11”均为弹性绝缘材料，12、螺旋绕制线，13、螺旋绕制线，14、Internet网。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明是综合应用运用电磁互感、螺旋平行传输线TDR效应或电感效应、重力测斜、磁阻效应等多种物理机理，提出一种实现集前述的多种物理效应的集成传感器单元，通过测出两个集成传感器间的互感电压Uout、螺旋平行传输线拉伸量L、倾斜角Θ、倾斜的地磁方位角，再经理论证明和实验验证得出Uout、L、Θ与地下水平变形X、垂直变形Y的关系模型，在获得X、Y与变形方位角的基础上，从而与测得的GPS空间坐标相统一，实现地下变形的三维测量。如图1所示，本发明包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接；其中:
1)现场测量仪器是由地下变形量集成传感器串和地下变形量测量集中处理装置组成；地下变形量集成传感器串由rm个结构相同的圆柱型集成传感器单元串接而成，每个单元之间垫入的等厚硬性绝缘材料，用弹性螺旋平行传输线连接圆柱型集成单元的上下中心点，整个圆柱型集成传感器串封装在软质紧缩套管内，每个圆柱型集成传感器单元间通过485总线进行通讯和控制，地下变形量测量集中处理装置的一端通过485总线与第m个圆柱型集成传感器单元连接，地下变形量测量集中处理装置的另一端与天线连接；
2)远方测量仪器是由远程接收装置、PC上位机组成；远程接收装置的一端与天线连接，远程接收装置的另一端与PC上位机连接。如图2所示，所述的圆柱型集成传感器单元:包括线圈、测长的弹性螺旋平行传输线、MEMS测斜集成电路、地磁测量集成电路、正弦电压发生电路、正弦电压测量电路、螺旋平行线TDR效应或电感测量电路、485总线驱动电路、第一 A/D转换电路、第二 A/D转换电路、MCU (单片机)电路；
L的测量方法有两种，一种是基于TDR效应测量，一种基于电感量测量；测量L的螺旋平行传输线的结构见图5，图中的11、11’、11”均为弹性绝缘材料，12,13是两层平行螺旋绕制的线圈，从而构成了螺旋平行传输线。基于TDR效应测量方法是在螺旋平行传输线的一端接一个匹配阻抗，另一端加一窄脉冲电压，由于螺旋平行传输线的特性阻抗在拉伸前后会有变化，分析螺旋平行传输线拉伸前后的反射电压波形的变化，可得出拉伸量AL的大小，加上原有的长度L0，可得出L=LO+AL ;基于电感量测量方法是将运用螺旋平行传输线的一端短路，在另一端测量螺旋平行传输线电感量，经标定可得出不同一根螺旋平行传输线拉伸为不同长度的对应的电感量(或感抗)，从而得出上部集成传感器单元的下端面中心点和下部集成传感器单元的上端面中心点间的距离L。如图2所示，螺旋平行线TDR效应或电感测量电路的输入端连接螺旋平行传输线，输出端连接第一 A/D转换电路；再将第一 A/D转换电路的输出端连接到MCU固定端口，正弦电压发生电路和正弦电压测量电路各自一端通过电子模拟开关连接到线圈，其中电子模拟开关由MCU控制；正弦电压发生电路另一端通过正弦电压发生控制线连接到MCU，正弦电压测量电路的另一端连接第二 A/D转换电路，将第二 A/D转换电路另一端连接到MCU ；MEMS测斜集成电路(如MMA6260Q或其他型号)和地磁测量集成电路(如HMC5883或其他型号)连接到MCU ；485总线驱动电路的两端分别连接485总线和MCU ；
这些电路装在圆形印制电路板上，尤其是必须将测斜MEMS集成电路的xy坐标与地磁测量集成电路的东方北方坐标重叠安装(因为在集成传感器串所处的地质环境有变形时，一定是有集成传感器单元向变形的方向发生倾斜，则可得出该集成传感器的变形方向的地磁方位角)，圆形电路板的直径与线圈内径一致，圆形电路板须在径向与线圈的轴向垂直的状态下放置在线圈中间的圆柱空间中。当地下变形测量集中处理装置通过485总线发出指令后，相应的一对圆柱型集成传感器单元得到响应，传感器内部的MCU将会测量圆柱型集成传感器单元之间的线圈互感电压值Uout，两传感器单元之间的轴线夹角β，两传感器单元之间的中心相对距离L和集成传感器的地磁方位值。如图3所示，所述的地下变形测量集中处理装置:包括MCU电路、485总线驱动电路、GPS测量模块和远程通讯模块；是现场测量的控制中心和数据坐标换算终端。MCU电路分别于远程通讯模块、485总线驱动电路和GPS测量模块连接，通过485总线向地下变形量集成传感器串发出控制指令，通过远程通讯模块向PC机发送地下变形的测量信息。远方测量仪器由远程信息接收装置、PC上位机、软件系统组成。其中软件系统包括通讯程序、人机界面软件、信号处理程序、图形软件、数据库软件等；该软件系统已登记若干软件著作权。已登记的软件著作权:
1、登记号:2010SR014868，证书号:软著登字第0203141号；
2、登记号:2010SR014867，证书号:软著登字第0203140号；
3、登记号:2011SR003590，证书号:软著登字第0267264号；
4、登记号:2011SR003611，证书号:软著登字第0267285号；
5、登记号:2011SR003592，证书号:软著登字第0267266号；
6、登记号:2010SR067669，证书号:软著登字第0255942号；
7、登记号:2011SR067671，证书号:软著登字第0255944号。本发明的地下变形量的测量方法:
由地下变形量测 量集中处理装置，通过485总线，对集成传感器串中的Ι-m个集成传感器从上向下，两个一对，依次发出指令，要求测出集成传感器两两间的互感电压、倾斜角、螺旋平行传输线的拉伸量、倾斜的地磁方位角，并换算成集成传感器两两间水平变形量X和垂直变形量Y以及变形的方向，再与地面GPS空间测量结合，实现依次从上到下将逐个测出的水平变形量X、Y换算成与空间坐标统一的地下变形坐标。一对集成传感器两两间的测量是由相对下面的集成传感器中的正弦交流电压发生电路发出Uin电压加在线圈上，这时上面的集成传感器的线圈就感应到一个正弦交流电压(即互感电压)Uout，正弦交流电压Uout的大小与两个集成传感器的相互间的水平位置X、垂直距离Y、集成传感器轴线夹角Θ有关，Χ、Υ、Θ的关系描述见图4。相对上面的集成传感器的电路测到Uout的同时，也测出了集成传感器的倾斜角、倾斜方向的地磁方位角、螺旋平行传输线的伸长量，若以图4的示意为例，因下面的集成传感器没有动，这样上面集成传感器的倾斜角即等于两个集成传感器轴线的夹角，经理论证明和实验验证，建立了在不同集成传感器轴线夹角Θ的状态下，互感电压Uout、水平位置(两个集成传感器线圈中心间距)Χ、螺旋平行传输线的长度(上部集成传感器单元的下端面中心点和下部集成传感器单元的上端面中心点间的距离)L的关系模型，
图6是Θ分别为0° (黑色)、25° (浅灰色)、70° (深灰色)时的关系模型曲面图，因此，在测出Uout、Θ、!^后，可得出X，再根据L2=X2+Y2，可算出Y，有了 X、Y和倾斜的地磁方位角，即可换算出与GPS测量一致的空间坐标，从而得出地下变形的空间坐标。地下变 形量的测量工作过程:
现场测量仪器部分(由Γπι集成传感器单元构成的集成传感器串和地下变形量测量集中处理装置组成)运用前述地下变形量的测量方法，将测出的从地面到地下不同深度的各个部位的变形坐标，通过地下变形量测量集中处理装置中的远程通讯模块，用GPRS或GSM的方式，发送到远方的PC上位机；通常GPRS是通过移动通讯网进入到Internet网14，远方的PC上位机通过有线或无线的方式与Internet网联通，接收现场发来的数据；而63皿方式是现场以短信的形式发送，远方的远程接收装置以短信的方式接收。远方PC上位机，将接收到的数据进行处理，并进行保存、数据表格显示、曲线显示、图形显示等一系列的软件运行。
权利要求
1.一种地下变形量的三维测量方法，其特征在于:将多个圆柱型集成传感器单元串接形成传感器串，其运用电磁互感、螺旋平行传输线TDR效应或电感效应、重力测斜、磁阻效应多种物理机理，测出两个圆柱型集成传感器单元间的互感电压Uout、螺旋平行传输线拉伸量L、倾斜角Θ、倾斜的地磁方位角，通过Uout、L、Θ与水平变形量X、垂直变形量Y的关系模型的建立，并与地面GPS空间坐标测量结合，实现依次从上到下圆柱型集成传感器单元逐对测出与空间坐标统一对应的地下变形三维坐标，且现场测量结果将通过GPRS或GSM发送到远方的PC机，在PC机上可描绘出测量区域内的地面到地下深部的土层运动变化情况和具体的坐标值，实现从地面到地下深部的岩土体变形的三维测量。
2.根据权利要求1所述的一种地下变形量的三维测量方法，其特征在于:所述的螺旋平行传输线拉伸量L的测量方法有两种，一种是基于TDR效应，一种基于电感量测量；TDR测量方法是在螺旋平行传输线的一端接一个匹配阻抗，另一端加一窄脉冲电压，由于螺旋平行传输线的特性阻抗在拉伸前后会有变化，分析螺旋平行传输线拉伸前后的反射电压波形的变化，可得出拉伸量AL的大小，加上原有的长度L0，可得出L=L0+AL ;电感量测量方法是将运用螺旋平行传输线的一端短路，在另一端测量螺旋平行传输线电感量，经标定可得出不同一根螺旋平行传输线拉伸为不同长度的对应的电感量或感抗，从而得出上部集成传感器单元的下端面中心点和下部集成传感器单元的上端面中心点间的距离L。
3.根据权利要求1所述的一种地下变形量的三维测量方法，其特征在于:所述的倾斜角Θ、倾斜的地磁方位角的测量方法，将集成传感器单元中的测斜MEMS集成电路的xy坐标与地磁测量集成电路的东方北方坐标重叠安装，则在集成传感器串所处的地质环境有变形时，一定是有集成传感器单元向变形的方向发生倾斜，则可得出该集成传感器的倾斜方向的方位角。
4.用于权利要求1所述方法的一种地下变形量的三维测量系统，其特征在于:包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接；其中: 1)现场测量仪器是由地下变形量集成传感器串和地下变形量测量集中处理装置组成；地下变形量集成传感器串由Γπι个结构相同的圆柱型集成传感器单元串接而成，每个单元之间垫入的等厚硬性绝缘材料，用弹性螺旋平行传输线连接圆柱型集成单元的上下中心点，整个圆柱型集成传感器串封装在软质紧缩套管内，每个圆柱型集成传感器单元间通过485总线进行通讯和控制，地下变形量测量集中处理装置的一端通过485总线与第m个圆柱型集成传感器单元连接，地下变形量测量集中处理装置的另一端与天线连接； 2)远方测量仪器是由远程接收装置、PC上位机组成；远程接收装置的一端与天线连接，远程接收装置的另一端与PC上位机连接。
5.根据权利要求4所述的一种地下变形量的三维测量系统，其特征在于，所述的圆柱型集成传感器单元:包括线圈、测长的弹性螺旋平行传输线、MEMS测斜集成电路、地磁测量集成电路、正弦电压发生电路、正弦电压测量电路、螺旋平行线TDR效应或电感测量电路、485总线驱动电路、第一 A/D转换电路、第二 A/D转换电路、MCU电路；螺旋平行线TDR效应或电感测量电路的输入端连接螺旋平行传输线，输出端连接第一 A/D转换电路；再将第一A/D转换电路的输出端连接到MCU固定端口，正弦电压发生电路和正弦电压测量电路各自一端通过电子模拟开关连接到线圈，其中电子模拟开关由MCU控制；正弦电压发生电路另一端通过正弦电压发生控制 线连接到MCU，正弦电压测量电路的另一端连接第二 A/D转换电路，将第二A/D转换电路另一端连接到MCU ；MEMS测斜集成电路和地磁测量集成电路连接到MCU ；485总线驱动电路的两端分别连接485总线和MCU ;当地下变形测量集中处理装置通过485总线发出指令后，相应的一对圆柱型集成传感器单元得到响应，传感器内部的MCU将会测量圆柱型集成传感器单元之间的线圈互感电压值Uout，两传感器单元之间的轴线夹角〃，两传感器单元之间的中心相对距离L和集成传感器的地磁方位值。
6.根据权利要求4所述的一种地下变形量的三维测量系统，其特征在于，所述的地下变形测量集中处理装置:包括MCU电路、485总线驱动电路、GPS测量模块和远程通讯模块；MCU电路分别于远程通讯模块、485总线驱动电路和GPS测量模块连接，通过485总线向地下变形量集成传感 器串发出控制指令，通过远程通讯模块向PC机发送地下变形的测量信肩、O
全文摘要
本发明公开了一种地下变形量的三维测量方法及测量系统。由现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接；其中现场测量仪器是由地下变形量集成传感器串和地下变形量测量集中处理装置组成；远方测量仪器是由远程接收装置、PC上位机组成；远程接收装置的一端与天线连接，远程接收装置的另一端与PC上位机连接。本发明可对地表以下的各种原因引发的变形实现三维测量，实现目前其他方法无法实现的对地下变形量的连续三维测量；从而有可能成为一种观测地壳深部在板块挤压时的变形状况的仪器，为地震发生的机理研究提供观测数据；也可为研究克拉通破坏、页岩气开发的地质环境观测等提供测量仪器。
文档编号G01V11/00GK103235349SQ20131014023
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月22日 优先权日2013年4月22日
发明者李青, 李雄, 童仁园, 申屠南瑛, 王燕杰, 施阁, 谢扬名, 姜国庆 申请人:中国计量学院