专利名称：大坝与边坡三维连续变形监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维连续变形监测系统，可用于测量水工建筑物的表面和内部变形以及边坡不同深度的滑动变形。
背景技术：
水工建筑物的变形监测是安全管理的一项重要手段。目前监测边坡和水工建筑物的倾斜变形一般采用测斜仪等。这些斜度测量装置一般采用单点测量，测量范围有限，难以自动化，造价很高。泥石流、边坡失稳是目前常见的地质灾害。如果能够在其发生之前监测到，就会预先采取措施，从而将损失降到最低。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种连续测量、测量范围大、自动化、成本较低的大坝与边坡三维连续变形监测系统。本发明的技术解决方案是这种大坝与边坡三维连续变形监测系统包括测量装置、信号采集和传输装置和远程接收分析装置，测量装置包括多个测量单元，每个测量单元包含固定于外壳内部的微型加速度计或微型倾角计，以及线缆；信号采集和传输装置包含数据采集器和无线电发射器；远程接收分析装置包含信号接收器和数据计算服务器；数据采集器将从测量装置采集的数据直接通过笔记本电脑周期性地下载和浏览，或者通过无线电发射器发送经信号接收器传送到数据计算服务器。由于采用多个测量单元测量多个位置的倾斜角度，所以能够实现连续测量，测量范围大，由于测量单元使用微型加速度计(或微型倾角计)，能够感知外壳的倾角并将其转换为数字信号，通过信号采集和传输装置实现信号周期性读取和存储，并经无线电发射器通过远程接收分析装置接收并储存发射的数据信号，并且在数据计算服务器的显示屏上形成各个测量单元三维位移变化与时间关系的图形显示，这就实现了自动化。另外，这种监测系统较设置多个单点的监测仪或测斜仪来说，成本较低。
图1示出了根据本发明的测量单元的结构示意图；图2示出了根据本发明的测量装置的结构示意图；图3示出了根据本发明的测量单元的横截面示意图；图4示出了根据本发明的大坝与边坡三维连续变形监测系统的结构示意图；图5示出了一段测量单元的位移计算示意图；图6a和6b示出了本发明应用于重力坝的变形分析示意图；图7示出了本发明应用于拱坝的变形分析示意图；图8a和8b示出了本发明应用于面板堆石坝的变形分析示意图；图9示出了本发明应用于边坡破坏的分析示意图。
具体实施例方式如图1、2所示，这种监测系统的测量装置10包括多个测量单元4，每个测量单元4 包含固定于外壳内的微型加速度计2 (或微型倾角计)，以及线缆3。当然，也可以只包括一个测量单元4。推荐使用的基于MEMS的微型加速度计(基于MEMS微型加速度计的倾角计)， 能够感知外壳的倾角并将其转换为数字信号，通过数据采集器12实现信号周期性读取和存储，线缆包括2根信号线和2根电源线(如图3所示)。MEMS (Micro ElectroMechanical System)，其实就是在一个硅基板上集成了机械和电子元器件的微小机构，通过对电子部分使用半导体工艺和机械部分使用微机械工艺或者增加新的结构层来制作MEMS产品。MEMS 主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分，它是融合多种微细加工技术，并应用现代信息技术的最新成果的基础上发展起来的高科技前沿学科。MEMS 技术的发展开辟了一个全新的技术领域和产业，采用MEMS技术制作的微传感器、微执行器、微型构件、微机械光学器件、真空微电子器件、电力电子器件等在航空航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及其它很多领域都有着十分广阔的应用前景。本发明中推荐使用的基于MEMS的微型加速度计(或倾角计)只是其中任意一个非常小的应用分支。优选地，所述外壳是高强度刚性管状结构1。优选地，多个测量单元4串联，测量单元两两通过球形万向节5连接，每个测量单元的一端接阳节球形万向节，另一端接阴节球形万向节，阳节球形万向节的端部设有用于线缆3的电源线和信号线通过的孔。优选地，微型加速度计2或微型倾角计位于高强度刚性管状结构1内部，更优选地推荐使用的MEMS微型加速度计2 (或微型倾角计)位于刚性管状结构1的中心，由于采用的是高强度刚性管状结构1，即可以认为其不能变形，传感器放在刚性管状结构的中心，即可精确的测得刚性管状结构在两个正交方向上的倾角；同时可以避免内部的微型加速度计 (或倾角计)2受到干扰或破坏，如果放到球形万向结5里，当两个杆件在此处连接转动时， 很容易干扰传感器的测量精度。优选地，考虑电源线和信号线的保护，球形万向节5的最大转角是与高强度刚性管状结构1的轴线偏离30°。优选地，如图3所示，在高强度刚性管状结构1的外部设有防水防腐蚀的弹性保护套管6。另外，线缆3和防水防腐蚀的弹性保护套管6之间填充有柔性高分子材料7。图4示出了根据本发明的大坝与边坡三维连续变形监测系统的结构示意图。通过本发明的测量装置10的MEMS微型加速度计2 (或微型倾角计)就能够感知外壳的倾角并将其转换为数字信号，通过数据采集器12实现数字信号的周期性读取和存储，可以直接通过笔记本电脑11周期性的下载和浏览数据，也可以通过无线电发射器8将数字信号发送到数据计算服务器14，利用信号接收器13接收并储存发射的数据信号，经过服务器计算机相应软件的计算分析后，能够在显示屏上形成各个测量单元三维位移变化与时间关系的图形显示。信号数据采集器12的供电可以用太阳能电池9、公共发电、或大容量蓄电池。测量装置10由数据采集器12通过电源线供电。下面说明采用本发明的测量单元测量位移的原理①单段测量单元的位移计算
取一段测量单元如图3，假设原来AB轴为垂直的，以杆件AB为Z轴建立空间直角坐标系，定义平面XAY中，以X轴正方向为N，Y轴正方向为E。设A点为位移“0”点，在经历时间At后，实测杆件的倾角变化为Δ 9,和Δ ΘΕ，其中Β'为B端变化后的位置，B1SB' 在平面XAZ上的投影，B2* B'在平面YAZ内的投影，&为B'在平面B1B'化与々8轴的交点；Δ θ Ν为沿南北方向的夹角变化(Z BAB1)，Δ θ Ε为沿东西方向的夹角变化(Z BAB2)； 在XAZ平面中，Bp3为B端沿南北方向上的位移，记为Δ ；在YAZ平面中，Β2 为B端沿东西方向的位移，记为Δ ，Β *Β端变化到B'后，垂直高度上的位移，记为Δ ，以上三个方向上的位移可用下面的公式来求得
权利要求
1.大坝与边坡三维连续变形监测系统，包括测量装置、信号采集和传输装置、远程接收分析装置，其特征在于测量装置包括多个测量单元G)，每个测量单元(4)包含固定于外壳内部的微型加速度计( 或微型倾角计，以及线缆(3)；信号采集和传输装置包含数据采集器(12)和无线电发射器(8)；远程接收分析装置包含信号接收器(13)和数据计算服务器(14)；数据采集器(1 将从测量装置采集的数据直接通过笔记本电脑(11)周期性地下载和浏览，或者通过无线电发射器(8)发送经信号接收器(1 传送到数据计算服务器 (14)。
2.根据权利要求1所述的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其特征在于所述外壳是高强度刚性管状结构(1)。
3.根据权利要求2所述的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其特征在于多个测量单元(4)串联，测量单元两两通过球形万向节( 连接，每个测量单元的一端接阳节球形万向节，另一端接阴节球形万向节，阳节球形万向节的端部设有用于线缆(3)的电源线和信号线通过的孔。
4.根据权利要求3所述的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其特征在于微型加速度计(2)或微型倾角计位于高强度刚性管状结构(1)内部。
5.根据权利要求4所述的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其特征在于微型加速度计(2)或微型倾角计位于高强度刚性管状结构(1)的中心。
6.根据权利要求4或5所述的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其特征在于球形万向节(5)的最大转角是与高强度刚性管状结构(1)的轴线偏离30°。
7.根据权利要求6所述的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其特征在于高强度刚性管状结构(1)的外部设有防水防腐蚀的弹性保护套管(6)。
全文摘要
公开了一种连续测量、测量范围大、自动化、成本较低的大坝与边坡三维连续变形监测系统，其包括测量装置、信号采集和传输装置、远程接收分析装置。测量装置包括多个测量单元，每个测量单元包含固定于外壳内部的微型加速度计或微型倾角计，以及线缆；信号采集和传输装置包含数据采集器和无线电发射器；远程接收分析装置包含信号接收器和数据计算服务器；数据采集器将从测量装置采集的数据直接通过笔记本电脑周期性地下载和浏览，或者通过无线电发射器发送经信号接收器传送到数据计算服务器。
文档编号G08C17/02GK102252646SQ20111009516
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者冯帆, 刘毅, 卢正超, 张国新, 李炳奇 申请人:中国水利水电科学研究院