分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方法
【专利摘要】本发明公开了一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方法。在岩土体局部坍塌前后通过TDR测量仪采样反射电压，获得采样曲线，将形变后采样曲线减形变前采样曲线得到差值曲线；差值曲线中，找到从分布式螺旋平行传感器的起端点开始除盲区以外的第一个谷点且其处于斜率由负转正的拐点处，作为岩土体局部坍塌的左边缘；找到左边缘向末端点方向的第一个斜率由正转负的拐点，作为岩土体局部坍塌的右边缘。本发明的方法简单明确地找出了岩土体局部坍塌的两个边缘，准确性高，定位了局部形变位置。
【专利说明】
分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方法
技术领域
[0001] 本发明属于检测技术领域，具体涉及了一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体 局部坍塌边缘的方法，可用于岩土体坍塌监测。
【背景技术】
[0002] 岩土体塌陷形变监测方法以传统的水准测量、GPS测量为主。尽管这两种方法成熟 度和高精度毋庸置疑，但它们都是"点"式测量技术，测量密度低，空间延续性差，难以解决 "测处未塌，塌处未测"问题；目前可以满足分布式测量方法有基于同轴电缆的TDR技术和基 于光纤的传感技术(如8(^1?、8(^1^、(^1)1〇，但这两种测量方法也有各自的缺点。其中同轴 电缆分布式测量技术当前主要用于边坡的地下位移分布测量的研究，但其具有优异分布式 变形测量特性的同时也存在不足:首先，同轴电缆受其中心电铜线结构限制，其变形量相对 于地质灾害测量中的变形情况是非常有限的；其次，同轴电缆的变形只限于电缆横断面的 剪切变形，无法用于地表拉伸、塌陷或凸起等变形的分布式测量。其中基于光纤的传感技术 的可靠性与稳定性在建筑工程检测领域占有重要地位，但其也有致命弱点：光纤的变形量 非常有限，类似地面塌陷的这种局部发生大一点的变形会造成光纤断裂将使整个测量系统 无法正常工作。
[0003] 发明专利（CN201010566591.0)公布了螺旋平行电缆及其用于分布式形变测量原 理，发明专利(CN201110361043.9)公布了平行螺旋传输线结构的岩土体变形分布式传感测 量电缆及其测量方法，但它们都没有明确指出岩土体局部坍塌的坍塌边缘识别方法。
【发明内容】
[0004] 为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明提出了一种分布式螺旋平行线传感器识 别岩土体局部坍塌边缘的方法。
[0005] 本发明采用的技术方案是：
[0006] 在岩土体局部坍塌前后，采用TDR测量仪采样安装在岩土体内的分布式螺旋平行 传感器的反射电压，进行比较获得岩土体局部坍塌边缘。
[0007] 根据岩土体局部坍塌前TDR测量仪采样整条电缆的反射电压形成形变前采样曲 线，岩土体局部坍塌后分布式螺旋平行传感器发生局部形变后，采样记录整条电缆的反射 电压形成形变后采样曲线，将形变后采样曲线减形变前采样曲线得到差值曲线；差值曲线 中，找到从分布式螺旋平行传感器的起端点开始除盲区以外的第一个谷点且其处于差值曲 线斜率由负转正的拐点处，作为岩土体局部坍塌的左边缘;找到左边缘向末端点方向的第 一个差值曲线斜率由正转负的拐点，作为岩土体局部坍塌的右边缘。
[0008] 所述的分布式螺旋平行传感器的起端点与TDR测量仪连接。
[0009] 所述的分布式螺旋平行传感器为双层密绕铜线的螺旋弹性电缆，第一层铜线绕在 硅胶条上，第一层铜线外裹第一层硅胶绝缘体，在第一层硅胶绝缘体外再密绕第二层铜线， 第二层铜线外裹第二层硅胶绝缘体。
[0010] 所述的盲区为分布式螺旋平行传感器起端点附近的反射电压为饱和值的点。
[0011] 采样时，所述TDR测量仪采样到的反射电压在对应的螺旋线中间区域出现饱和点 时，则调小TDR测量仪的激励脉冲强度再进行采集。
[0012] 本发明进一步采用以下公式计算获得左边缘和右边缘：
[0013]所述的局部形变左边缘到起端点的距离为
[0015]所述的局部形变右边缘(B)到末端点(9)的距离为
[0017]本发明坍塌边缘识别的理论原理是：
[0018] 分布式螺旋平行传感器越疏松其阻抗Z越小，在分布式螺旋平行传感器未发生形 变的区域，TDR信号在其内部传输速度不变，且TDR采样的点数与分布式螺旋平行传感器的 长度成正比关系。
[0019] 当分布式螺旋平行传感器发生局部拉伸(采空区在该处坍塌)时，其存在两个明显 的阻抗不匹配点A点和B点，TDR测量仪阻抗反射系数为pa，在A点其表达式为
[0021] 式中，Zo为分布式螺旋平行传感器A点截面左侧的阻抗，ZA为分布式螺旋平行传感 器A点截面右侧的阻抗。
[0022] 记分布式螺旋平行传感器A点截面入射电压为I，反射电压为VA，则：
[0023] Va=PaVi
[0024] 在A点，分布式螺旋平行传感器由致密变为疏松，A点截面右侧阻抗ZA小于左侧阻 抗Zo，p A<0,反射电压VA为负，因为拉伸后A点右侧阻抗比拉伸前小，所以拉伸后的V'a〈拉伸 前的V A，且拉伸越严重A点左右两侧疏密程度相差越大，pa越接近-1，V'A越接近，1;因4点左 右两侧的点，其从致密到疏松的跳变都没A点大，其反射系数均大于PA，所以拉伸后的V'a为 极小值点是反射电压曲线斜率由负转正的拐点。
[0025] 在B点分布式螺旋平行传感器由疏松变为致密，pB>0,因为拉伸后B点左侧阻抗比 拉伸前小，所以拉伸后的V ' b >拉伸前的VB，因B点左右两侧的点，其从疏松到致密的跳变都 没B点大，其反射系数均小于PB，所以拉伸后的V'b为极大值点是反射电压曲线斜率由正转负 的拐点。
[0026] 在分布式螺旋平行传感器的末端点9,其阻抗为无穷大，P端S=l，反射电压为 Vio
[0027] 本发明的特点和有益效果是：
[0028]本发明的方法简单明确地找出了岩土体局部坍塌的两个边缘，准确性高，是分布 式测量岩土体坍塌形变量的前处理部分，为分布式测量坍塌局部形变量提供依据，同时也 定位了局部形变位置。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明实施例所采用的分布式螺旋平行传感器的结构示意图。
[0030] 图2是螺旋平行线局部形变示意图。
[0031] 图3是使用本方法对TDR测量数据分析识别局部坍塌边缘的结果。
[0032]图3中：纵坐标为-127~127对应反射电压-1.65~1.65V，横坐标为TDR采样数据点 位，它与螺旋线长度成线性关系，图中第202点对应360cm螺旋线长度。图中实线为螺旋线拉 伸前TDR采样数据;虚线为拉伸后采样数据;点线为拉伸后采样数据减去拉伸前采样数据的 差值。
[0033]图中：1为第一层铜线，2为第二层铜线，3为硅胶条，4为第一层硅胶绝缘体，5为第 二层硅胶绝缘体，6为TDR测量仪，7为分布式螺旋平行传感器，8为起端点，9为末端点，A为左 边缘，B为右边缘。
【具体实施方式】
[0034]以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明：
[0035] 本发明的实施例及其实施过程如下：
[0036] 具体实施的分布式螺旋平行传感器7为双层密绕铜线的螺旋弹性电缆，第一层铜 线1绕在硅胶条3上，第一层铜线1外裹第一层硅胶绝缘体4,在第一层硅胶绝缘体4外再密绕 第二层铜线2,第二层铜线2外裹第二层硅胶绝缘体5,分布式螺旋平行传感器7-端与TDR测 量仪6连接作为起端点8，另一端作为末端点9。
[0037]本实施例分布式螺旋平行传感器7采用360cm长螺旋线，采用的TDR测量仪6使用8 位AD采样，采样数据0~255对应反射电压0~3.3V，采样数据共250个点，激励信号零点定义 在中值位置，因TDR测量仪6不能采样负值，所以数据分析时，需要对采样数据左移4位，使采 集的反射电压相对激励信号零点对称，采样数据-127~127对应反射电压-1.65~1.65V。
[0038]通过对分布式螺旋平行传感器7进行拉伸模拟其在岩土体中的形变，拉伸前对螺 旋线7测量一次，测量结果如图3实线所示，图中螺旋线的端点9对应202点；然后在150cm~ 178cm处局部拉伸，拉伸后的TDR测量结果如图3中虚线所示;然后用拉伸后曲线减去拉伸前 曲线，得到差值曲线（图3中点线），去除数据的盲区后(前40个点位盲区），从起端点方向差 值曲线的第一个最小值且为曲线斜率由负转正的拐点，对应的点位为A点，图中为第82点； 差值曲线上，在A点右侧，在第一个斜率由正转负的拐点为B点，图中为第98点。
[0039] 根据图中数据计算，坍塌位置A点距离起端点的位置为82/220*360cm=149.7cm，B 点相对端点的距离为（202-98)/202*360cm= 185cm j点边缘识别误差为150cm-149.7cm = 0.3cm，B 点边缘识别误差为 185cm-360-178cm = 3cm。
[0040] 用该方法10次检测A点，计算A点到起点的距离，数据如下表1:
[0041] 表1
[0043]综合上述，实施例可见本发明方法识别岩土体局部坍塌边缘准确率较高，技术效 果显著突出，实现了岩土体局部坍塌的准确定位。
【主权项】
1. 一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方法，其特征在于:在岩 土体局部坍塌前后，采用TDR测量仪(6)采样安装在岩土体内的分布式螺旋平行传感器(7) 的反射电压，进行比较获得岩土体局部坍塌边缘。2. 根据权利要求1所述的一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方 法，其特征在于:根据岩土体局部坍塌前TDR测量仪(6)采样整条传感器的反射电压形成形 变前采样曲线，岩土体局部坍塌后分布式螺旋平行传感器(7)发生局部形变后，采样记录整 条传感器的反射电压形成形变后采样曲线，将形变后采样曲线减形变前采样曲线得到差值 曲线； 差值曲线中，找到从分布式螺旋平行传感器(7)的起端点（8)开始除盲区以外的第一个 谷点且其处于斜率由负转正的拐点处，作为岩土体局部坍塌的左边缘(A);找到左边缘(A) 向末端点(9)方向的第一个斜率由正转负的拐点，作为岩土体局部坍塌的右边缘(B)。3. 根据权利要求2所述的一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方 法，其特征在于:所述的分布式螺旋平行传感器(7)的起端点(8)与TDR测量仪(6)连接。4. 根据权利要求1或2所述的一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘 的方法，其特征在于:所述的分布式螺旋平行传感器(7)为双层密绕铜线的螺旋弹性电缆， 第一层铜线（1)绕在硅胶条(3)上，第一层铜线（1)外裹第一层硅胶绝缘体(4)，在第一层硅 胶绝缘体(4)外再密绕第二层铜线(2)，第二层铜线(2)外裹第二层硅胶绝缘体(5)。5. 根据权利要求2所述的一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方 法，其特征在于:所述的盲区为分布式螺旋平行传感器(7)起端点附近的反射电压为饱和值 的点。6. 根据权利要求1所述的一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方 法，其特征在于:采样时，所述TDR测量仪(6)采样到的反射电压在对应的螺旋线中间区域出 现饱和点时，则调小TDR测量仪(6)的激励脉冲强度再进行采集。7. 根据权利要求1所述的一种分布式螺旋平行线传感器识别岩土体局部坍塌边缘的方 法，其特征在于:进一步采用以下公式计算获得左边缘(A)和右边缘(B): 所述的局部形变左边缘(A)到起端点（8)的距离为 A点米样点位 々长 螺旋线末端点采样点位1 所述的局部形变右边缘(B)到末端点(9)的距离为 螺旋线末端点对应采样点位-B点对应采样点位M y -螺旋线末端点对应点位-X&线总长。
【文档编号】G01B7/16GK106017299SQ201610339845
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】王燕杰, 李青, 王茂杰, 贾生尧, 童仁园, 施阁
【申请人】中国计量大学