一种三维变形测量装置及系统的制作方法

本发明涉及监测设备技术领域，具体而言，涉及一种三维变形测量装置及系统。

背景技术：

在岩土层深部水平位移的监测过程中，通常采用钻孔测斜仪。在建设实时监测系统时，可选用固定式测斜仪进行长期监测。在监测系统安装之前，需要在监测位置钻探一定深度的测斜孔并安设测斜管，在测斜管内有两组沿坡体滑动方向、垂直坡体滑动方向的导向槽，测斜仪在其导轮和测斜管导向槽的引导下移动到监测位置。各个固定式测斜仪通过双轴倾斜传感器测量在其测斜管安装位置处的倾角改变，并通过基准点数据计算出该测斜位置的相对位移。

发明人在研究中发现，在设计固定式钻孔测斜仪布设方案时，由于传统设计的固定式钻孔测斜仪受轴承结构的限制，其最大测斜维度为2，仅仅能够测量水平方向上的深部位移变形，难以获得竖直方向上的位移数据。此外，由于传统的二维固定式钻孔测斜仪需要搭配预先埋设的测斜管才能进行使用，导致在施工及安装时十分不便；测斜管的质量和测斜管的布设状态也会直接影响到测斜仪的测量精度。

技术实现要素：

本发明提供的一种三维变形测量装置及系统，安装简单方便，并且有效提高了对变形数据进行测量的维度和精度。

第一方面，本发明实施例提供的一种三维变形测量装置，包括设置于地表下面、用于测量水平位移数据的至少两个柱体单元以及与远离所述地表的柱体单元的自由端相连接、用于测量竖直位移数据的液压装置；

在相邻两个柱体单元之间设置有用于铰接所述柱体单元的二维柔性关节以及在所述柱体单元的外壁套设有橡胶充气套，该橡胶充气套在充气膨胀后能够将所述柱体单元固定于待测载体上；

所述柱体单元包括十字轴承和通过所述十字轴承进行连接的两个固定柱体连接件，所述二维柔性关节在水平方向上具有两个自由度。

优选地，在所述橡胶充气套与所述柱体单元下端相接触的位置处安装有单向充气阀。

优选地，所述三维变形测量装置还包括导气管，所述导气管贯穿所述柱体单元和二维柔性关节的长度方向进行设置，并与所述单向充气阀相连。

优选地，所述柱体单元的两端可拆卸连接有定向卡槽，以保证两个或多个连接的柱体单元具有一致的测量方向。

优选地，所述定向卡槽与所述柱体单元连接的一端设置有防水接头，相邻两个柱体单元之间的连接线通过所述防水接头穿入所述柱体单元的内部。

优选地，所述柱体单元内部设置有传感器、处理器、模数转换器和稳压电源；

所述传感器包括与所述处理器电性相连的双轴倾斜传感器。

优选地，所述传感器还包括与所述处理器电性相连的水位计、加速度传感器、温度传感器和次声传感器。

第二方面，本发明实施例提供的一种三维变形测量系统，包括三维变形测量装置以及设置于地表上面与所述三维变形测量装置通信连接的网关，该网关用于汇总并发送所述三维变形测量装置采集的变形测量数据，并通过该网关的远程通信传输模块将所述变形测量数据上传至一数据中心服务器。

优选地，所述三维变形测量系统还包括设置于地表上面、为所述三维变形测量装置提供电能的电源供给模块，该电源供给模块包括市电、太阳能供电和燃料电池中的至少一个。

优选地，所述三维变形测量系统还包括一个支架，该支架用于将所述三维变形测量装置中的柱体单元固定安装于待监测载体上。

本发明实施例提供的一种三维变形测量装置及系统，通过将用于测量竖直位移数据的液压装置与用于测量水平位移数据的柱体单元相连，增加了对变形数据进行测量的维度。在相邻柱体单元的外壁均套设有橡胶充气套，充气膨胀后可以将柱体单元固定在待测载体上，安装方便。另外，在每个柱体单元内安装有传感器、处理器、模数转换器和稳压电源，将采集到的变形测量数据通过设置于地表上面的网关上传至数据中心服务器，有效提高了对变形数据进行测量的精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应该看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施方式提供的一种三维变形测量系统的组成框图。

图2是本发明实施方式提供的一种三维变形测量装置处于未压缩状态下的整体结构示意图。

图3是本发明实施方式提供的一种相邻柱体单元连接的结构示意图。

图4是本发明实施方式提供的一种三维变形测量装置的剖面结构示意图。

图标：100-三维变形测量系统；200-三维变形测量装置；300-网关；400-电源供给模块；500-支架；201-柱体单元；202-液压装置；203-二维柔性关节；204-橡胶充气套；205-电路板；206-防渗隔离层；207-压强感应器组；208-可渗透介质活塞；211-单向充气阀；212-导气管；213-定向卡槽；214-防水接头。

具体实施方式

在设计固定式钻孔测斜仪布设方案时，由于传统设计的固定式钻孔测斜仪受轴承结构的限制，其最大测斜维度为2，仅仅能够测量水平方向上的深部位移变形，难以获得竖直方向上的位移数据。此外，由于传统的二维固定式钻孔测斜仪需要搭配预先埋设的测斜管才能进行使用，导致在施工及安装时十分不便；测斜管的质量和测斜管的布设状态也会直接影响到测斜仪的测量精度。

鉴于此，本发明的设计者通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，设计出了一种三维变形测量装置及系统，可以较好地改善上述问题。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。另外，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，是本发明实施例提供的一种三维变形测量系统100的组成框图。该三维变形测量系统100可以包括三维变形测量装置200和网关300。具体实施时，所述三维变形测量装置200可设置于地表的下面，所述网关300可安装于地表的上面。其中，所述三维变形测量装置200以有线方式与所述网关300通信相连，以进行数据传输或信令交互。

本实施例中，所述网关300可实时采集所述三维变形测量装置200测得的变形测量数据，并将该变形测量数据进行统计汇总后通过一远程通信传输模块(例如gprs、cdma、3g和4g等)上传至数据中心服务器进行存储和处理等。其中，所述变形测量数据可以包括水平方向上的变形测量数据和竖直方向上的变形测量数据。

所述三维变形测量系统100还可以包括电源供给模块400，该电源供给模块400可用于为所述三维变形测量装置200提供持续稳定的电能。其中，所述电源供给模块400可以包括市电、太阳能供电和燃料电池中的至少一个。

另外，所述三维变形测量系统100还可以包括一个支架500，在现场安装时，所述支架500可将所述三维变形测量装置200中的多个柱体单元201依次下放并固定安装在待监测载体上，比如测斜孔和钻孔等。

如图2所示，是本发明实施例提供的一种三维变形测量装置200处于未压缩状态下的整体结构示意图。该三维变形测量装置200可以包括至少两个柱体单元201和一个液压装置202，所述液压装置202与远离所述地表的柱体单元201的自由端相连。所述柱体单元201主要用于测量水平方向的位移数据，所述液压装置202主要用于测量竖直方向上的位移数据。

本实施例中，在相邻的两个柱体单元201之间可通过二维柔性关节203进行可拆卸连接，以实现所述柱体单元201之间的铰接。所述二维柔性关节203在水平方向上具有两个自由度。另外，在铰接的柱体单元201的外壁还套设有橡胶充气套204。实施时，首先对该橡胶充气套204进行充气，待其膨胀后，即可将所述柱体单元201固定在待测载体(例如：钻孔孔壁)上，从而实现对水平位移数据的准确测量。

其中，所述柱体单元201和二维柔性关节203可采用不锈钢材料制造而成。如此，能够增加所述柱体单元201和二维柔性关节203的抗化学腐蚀能力以及提高其机械抗压强度，可以承受巨大的压力、拉力、割力以及其它变形力等，从而有效防止变形现象的发生。

所述柱体单元201可以包括十字轴承和两个固定柱体连接件，所述两个固定柱体连接件通过所述十字轴承进行连接，从而实现相邻的两个柱体单元201之间的连接。本实施例中，分别在所述两个固定连接件的自由端设置相对的两个通孔，以及在所述十字轴承的两端分别设置通孔。所述两个柱体单元201之间可通过二维柔性关节203在一定的范围内进行转动。由于所述二维柔性关节203的高度灵活性，可以保证每个柱体单元201在水平方向上独立追踪并复制待监测载体的变形活动等。

所述二维柔性关节203具有两个自由度，且所述两个自由度的方向相互垂直，能够保证所述两个柱体单元201的测量方向固定。其中，在机械结构中，譬如一个构件，在空间上完全没有约束,那么它可以在3个正交方向上平动，还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。约束增加，自由度就减少，如果该构件的所有运动都被限制，那自由度就是0(相对于惯性坐标系静止的构件)。所述二维柔性关节203只能在水平面上的两个垂直方向上面平动，所有只有两个自由度。

优选地，在所述液压装置202的内部设置有容纳空腔。该容纳空腔内设置有防渗隔离层206、压强感应器组207和可渗透介质活塞208。所述防渗隔离层206、压强感应器组207和可渗透介质活塞208的相互配合，可测量竖直方向上的位移数据等。

如图3所示，在所述橡胶充气套204与所述柱体单元201下端相接触的位置处安装有单向充气阀211。该单向充气阀211用于保证气体只能从外界环境进入到所述橡胶充气套204中，而不能从橡胶充气套204进入到外界环境中，有效保证了所述橡胶充气套204存储气体的能力。

另外，所述三维变形测量装置200还可以包括导气管212。可选地，所述导气管212沿着所述柱体单元201和二维柔性关节203的长度方向进行设置，并贯穿所述柱体单元201和二维柔性关节203的长度方向。所述导气管212的一端与所述单向充气阀211相连。如此，通过所述导气管212和单向充气阀211可以顺利地对所述橡胶充气套204进行充气，直到所述橡胶充气套204体积膨胀至可以将所述柱体单元201固定在被测载体(如钻孔的孔壁预设位置)上。

如图4所示，是三维变形测量装置200的剖面结构示意图。在所述柱体单元201的两端可拆卸连接有定向卡槽213，所述定向卡槽213与所述柱体单元201之间可通过螺纹方式进行连接，将每个柱体单元201按照同一个方向连接起来，从而保证了连接的两个柱体单元201之间具有一致的方向。比如：定义所述定向卡槽213指向y轴正方向，按照顺时针方向90度为x轴正方向。所有柱体单元201按照一致的方位角方向进行连接，使得每个柱体单元201可以测量在其位置上x和y方向上的角度偏转量。

其中，在生产制作柱体单元201时，其内部的双轴倾斜传感器具有方向性(x、y两个相互垂直的正负方向)，在对待监测载体(例如滑坡)进行变形测量时，通常定义滑坡的主滑动方向为正方向，那么所有柱体单元201的双轴倾斜传感器的x轴正方向在连接后应与滑坡主滑动方向相一致。把组装完成的传感器链最底端的柱体单元201视为测量基准点，那么通过对每个柱体单元201角度进行测量，并结合所述柱体单元201的长度(需要考虑二维柔性关节长度)，可计算出在x方向上的随深度变化的位移变化曲线。在y方向上的计算同样如此。如此，可以替代通过测斜管槽口作为机械引导的传统方法，即该系统不再需要现场安装测斜管。

所述定向卡槽213与所述柱体单元201连接的一端设置有防水接头214，相邻两个柱体单元201之间的连接线通过所述防水接头214穿入所述柱体单元201的内部，从而使其免受外界损坏，获得良好的保护，也便于安装。

另外，请进一步参阅图2，在柱体单元201中可设置有电路板205。在该电路板205上可安装传感器、处理器、模数转换器和稳压电源等。其中，所述传感器与所述模数转换器电性连接，所述模数转换器和稳压电源分别与所述处理器电性连接，所述稳压电源还与所述电源供给模块400电性相连。

本实施例中，所述传感器用于采集待监测载体的变形测量数据，所述模数转换器将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，所述处理器采集模数转换器输出的数字信号，并传输到地表的网关300，所有测量单元的采集数据在网关300处汇总后发送给所述数据中心服务器。所述稳压电源用于对所述电源供给模块400输出的电压进行变换后提供给所述处理器，以保证所述处理器的可靠工作。

为了获得精确的变形测量数据，所述传感器可包括双轴倾斜传感器、水位计以及加速度传感器等。针对不同的应用场景、监测需求以及监测内容，可选择不同的传感器组合成传感器链，该传感器链中的传感器可重新进行拆分和组合等。本实施例中，所述双轴倾斜传感器为标配传感器，所述水位计、加速度传感器、温度传感器和次声传感器为可选传感器。

详细地，所述双轴倾斜传感器被设置在不锈钢中空柱体单元201中，可安装于测斜孔中，用于测量滑坡的深部变形数据，其他监测载体还包括桥梁、隧道、大坝和深基坑等，只是安装方式不同。所述两轴倾角传感器设置于测斜孔中，用于测量所述待监测载体的角度变化值，从而计算出变形位移值，实现对变形测量数据的动态监测。其中，所述双轴倾角传感器的测量范围可以进行选择，例如正负15度和30度等。在所述柱体单元201若作为传感器链的最下端一个测量单元，在其内部可设置水位计，用于测量钻孔内部的水位数据。

本发明实施例提供的一种三维变形测量装置及系统，通过将用于测量竖直位移数据的液压装置202与用于测量水平位移数据的柱体单元201相连，增加了对变形数据进行测量的维度。在相邻柱体单元201的外壁均套设有橡胶充气套204，在充气膨胀后可以将柱体单元201固定在待测载体(例如：孔壁)上，安装方便。另外，在每个柱体单元201内安装有传感器、处理器、模数转换器和稳压电源，将采集到的变形测量数据通过设置于地表上面的网关300上传至数据中心服务器，有效提高了对变形数据进行测量的精度。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。