專利名稱：一種地下變形量的三維測量方法及測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種地下變形測量方法及裝置，尤其是涉及一種地下變形量的三維測量方法及測量系統。
背景技術：
觀測、研究大地板塊變形、移動是分析地殼運動與地震關系的重要過程，事實表明地殼運動與地震有必然的聯系，應力積累與釋放是地震的孕育中不可缺少的過程，研究地震孕育過程的重要方法之一是通過地殼形變觀測，研究與強地震孕育相關的地殼運動和變形過程。因此這種對大地板塊變形的觀測、研究有助于人類了解地殼的運動規律，觀測到地面以下的三維變化，為地震科學、地質工程和礦業工程等領域的研究提供科學儀器，為人類認識地球深處的變化規律提供科學觀測儀器。現有對地下深部變形的測量手段主要有三種:測斜管測斜技術，光纖分布應變測量技術(Brillouin Opticat Time Domain Reflectometry)(簡稱 B0TDR),同軸電纜的時間域反射測試技術(Time Domain Reflectometry)(簡稱TDR技術)。測斜技術只能測出測斜管在土體作用時的彎斜情況，不能自動實施連續監測，，而且需要人為放置測斜測量儀才能實現對傾斜角的測量，誤差很大。BOTDR技術是只能測量光纖微小的應變，大變形時光纖將斷裂，而且這種測量也不能·判別變形方向。同軸電纜的TDR技術只能用于少數剪切滑坡地貌的地質災害監測，變形量也較小(大變形也要拉斷)。這三種方法都不能實現變形量的三維測量，變形的量也不能滿足軟巖或第四紀覆蓋層的變形測量。
發明內容
本發明的目的在于提供一種地下變形量的三維測量方法及測量系統，能實現變形量的三維測量，變形的量能滿足軟巖或第四紀覆蓋層的變形測量。本發明采用的技術方案是:
一、一種地下變形量的三維測量方法:
將多個圓柱型集成傳感器單元串接形成傳感器串，其運用電磁互感、螺旋平行傳輸線TDR效應或電感效應、重力測斜、磁阻效應多種物理機理，測出兩個圓柱型集成傳感器單元間的互感電壓Uout、螺旋平行傳輸線拉伸量L、傾斜角Θ、傾斜的地磁方位角，通過Uout、L、Θ與水平變形量X、垂直變形量Y的關系模型的建立，并與地面GPS空間坐標測量結合，實現依次從上到下圓柱型集成傳感器單元逐對測出與空間坐標統一對應的地下變形三維坐標，且現場測量結果將通過GPRS或GSM發送到遠方的PC機，在PC機上可描繪出測量區域內的地面到地下深部的土層運動變化情況和具體的坐標值，實現從地面到地下深部的巖土體變形的三維測量。所述的螺旋平行傳輸線拉伸量L的測量方法有兩種，一種是基于TDR效應，一種基于電感量測量；TDR測量方法是在螺旋平行傳輸線的一端接一個匹配阻抗，另一端加一窄脈沖電壓，由于螺旋平行傳輸線的特性阻抗在拉伸前后會有變化，分析螺旋平行傳輸線拉伸前后的反射電壓波形的變化，可得出拉伸量AL的大小，加上原有的長度L0，可得出L=LO+ Δ L ；電感量測量方法是將運用螺旋平行傳輸線的一端短路，在另一端測量螺旋平行傳輸線電感量，經標定可得出不同一根螺旋平行傳輸線拉伸為不同長度的對應的電感量或感抗，從而得出上部集成傳感器單元的下端面中心點和下部集成傳感器單元的上端面中心點間的距離L。所述的傾斜角Θ、傾斜的地磁方位角的測量方法，將集成傳感器單元中的測斜MEMS集成電路的xy坐標與地磁測量集成電路的東方北方坐標重疊安裝，則在集成傳感器串所處的地質環境有變形時，一定是有集成傳感器單元向變形的方向發生傾斜，則可得出該集成傳感器的傾斜方向的方位角。二、一種地下變形量的三維測量系統:
本發明包括現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線傳感通訊連接；其中:
1)現場測量儀器是由地下變形量集成傳感器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；地下變形量集成傳感器串由rm個結構相同的圓柱型集成傳感器單元串接而成，每個單元之間墊入的等厚硬性絕緣材料，用彈性螺旋平行傳輸線連接圓柱型集成單元的上下中心點，整個圓柱型集成傳感器串封裝在軟質緊縮套管內，每個圓柱型集成傳感器單元間通過485總線進行通訊和控制，地下變形量測量集中處理裝置的一端通過485總線與第m個圓柱型集成傳感器單元連接，地下變 形量測量集中處理裝置的另一端與天線連接；
2)遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連接，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連接。所述的圓柱型集成傳感器單元:包括線圈、測長的彈性螺旋平行傳輸線、MEMS測斜集成電路、地磁測量集成電路、正弦電壓發生電路、正弦電壓測量電路、螺旋平行線TDR效應或電感測量電路、485總線驅動電路、第一 A/D轉換電路、第二 A/D轉換電路、MCU電路；螺旋平行線TDR效應或電感測量電路的輸入端連接螺旋平行傳輸線，輸出端連接第一 A/D轉換電路；再將第一 A/D轉換電路的輸出端連接到MCU固定端口，正弦電壓發生電路和正弦電壓測量電路各自一端通過電子模擬開關連接到線圈，其中電子模擬開關由MCU控制；正弦電壓發生電路另一端通過正弦電壓發生控制線連接到MCU，正弦電壓測量電路的另一端連接第二 A/D轉換電路，將第二 A/D轉換電路另一端連接到MCU ；MEMS測斜集成電路和地磁測量集成電路連接到MCU ；485總線驅動電路的兩端分別連接485總線和MCU ;當地下變形測量集中處理裝置通過485總線發出指令后，相應的一對圓柱型集成傳感器單元得到響應，傳感器內部的MCU將會測量圓柱型集成傳感器單元之間的線圈互感電壓值Uout，兩傳感器單元之間的軸線夾角〃，兩傳感器單元之間的中心相對距離L和集成傳感器的地磁方位值。所述的地下變形測量集中處理裝置:包括MCU電路、485總線驅動電路、GPS測量模塊和遠程通訊模塊；MCU電路分別于遠程通訊模塊、485總線驅動電路和GPS測量模塊連接，通過485總線向地下變形量集成傳感器串發出控制指令，通過遠程通訊模塊向PC機發送地下變形的測量信息。本發明具有的有益效果是:
本發明可對地表以下的各種原因引發的變形實現三維測量，實現目前其他方法無法實現的對地下變形量的連續三維測量；從而有可能成為一種觀測地殼深部在板塊擠壓時的變形狀況的儀器，為地震發生的機理研究提供觀測數據；也可為研究克拉通破壞、頁巖氣開發的地質環境觀測等提供測量儀器。
圖1是地下變形量的三維測量系統構成示意圖。圖2是圓柱型集成傳感器單元組成圖。圖3是地下變形量測量集中處理裝置組成圖。圖4是測量地下變形的兩個相鄰圓柱型集成傳感器單元在地下發生變形圖。圖5是彈性螺旋平行傳輸線結構圖。圖6是Uout、L和X的三個變量之間的關系模型曲面圖。圖中:1、2、(m-2)、(m_l)、m、圓柱型集成傳感器單元，3、485總線，4、地下變形測量集中處理裝置，5、天線，6、遠程接收裝置，7、上位機，8、地表，9、軟質緊縮套管，10、硬巖層，11、11’、11”均為彈性絕緣材料，12、螺旋繞制線，13、螺旋繞制線，14、Internet網。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。本發明是綜合應用運用電磁互感、螺旋平行傳輸線TDR效應或電感效應、重力測斜、磁阻效應等多種物理機理，提出一種實現集前述的多種物理效應的集成傳感器單元，通過測出兩個集成傳感器間的互感電壓Uout、螺旋平行傳輸線拉伸量L、傾斜角Θ、傾斜的地磁方位角，再經理論證明和實驗驗證得出Uout、L、Θ與地下水平變形X、垂直變形Y的關系模型，在獲得X、Y與變形方位角的基礎上，從而與測得的GPS空間坐標相統一，實現地下變形的三維測量。如圖1所示，本發明包括現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線傳感通訊連接；其中:
1)現場測量儀器是由地下變形量集成傳感器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；地下變形量集成傳感器串由rm個結構相同的圓柱型集成傳感器單元串接而成，每個單元之間墊入的等厚硬性絕緣材料，用彈性螺旋平行傳輸線連接圓柱型集成單元的上下中心點，整個圓柱型集成傳感器串封裝在軟質緊縮套管內，每個圓柱型集成傳感器單元間通過485總線進行通訊和控制，地下變形量測量集中處理裝置的一端通過485總線與第m個圓柱型集成傳感器單元連接，地下變形量測量集中處理裝置的另一端與天線連接；
2)遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連接，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連接。如圖2所示，所述的圓柱型集成傳感器單元:包括線圈、測長的彈性螺旋平行傳輸線、MEMS測斜集成電路、地磁測量集成電路、正弦電壓發生電路、正弦電壓測量電路、螺旋平行線TDR效應或電感測量電路、485總線驅動電路、第一 A/D轉換電路、第二 A/D轉換電路、MCU (單片機)電路；
L的測量方法有兩種，一種是基于TDR效應測量，一種基于電感量測量；測量L的螺旋平行傳輸線的結構見圖5，圖中的11、11’、11”均為彈性絕緣材料，12,13是兩層平行螺旋繞制的線圈，從而構成了螺旋平行傳輸線。基于TDR效應測量方法是在螺旋平行傳輸線的一端接一個匹配阻抗，另一端加一窄脈沖電壓，由于螺旋平行傳輸線的特性阻抗在拉伸前后會有變化，分析螺旋平行傳輸線拉伸前后的反射電壓波形的變化，可得出拉伸量AL的大小，加上原有的長度L0，可得出L=LO+AL ;基于電感量測量方法是將運用螺旋平行傳輸線的一端短路，在另一端測量螺旋平行傳輸線電感量，經標定可得出不同一根螺旋平行傳輸線拉伸為不同長度的對應的電感量(或感抗)，從而得出上部集成傳感器單元的下端面中心點和下部集成傳感器單元的上端面中心點間的距離L。如圖2所示，螺旋平行線TDR效應或電感測量電路的輸入端連接螺旋平行傳輸線，輸出端連接第一 A/D轉換電路；再將第一 A/D轉換電路的輸出端連接到MCU固定端口，正弦電壓發生電路和正弦電壓測量電路各自一端通過電子模擬開關連接到線圈，其中電子模擬開關由MCU控制；正弦電壓發生電路另一端通過正弦電壓發生控制線連接到MCU，正弦電壓測量電路的另一端連接第二 A/D轉換電路，將第二 A/D轉換電路另一端連接到MCU ；MEMS測斜集成電路(如MMA6260Q或其他型號)和地磁測量集成電路(如HMC5883或其他型號)連接到MCU ；485總線驅動電路的兩端分別連接485總線和MCU ；
這些電路裝在圓形印制電路板上，尤其是必須將測斜MEMS集成電路的xy坐標與地磁測量集成電路的東方北方坐標重疊安裝(因為在集成傳感器串所處的地質環境有變形時，一定是有集成傳感器單元向變形的方向發生傾斜，則可得出該集成傳感器的變形方向的地磁方位角)，圓形電路板的直徑與線圈內徑一致，圓形電路板須在徑向與線圈的軸向垂直的狀態下放置在線圈中間的圓柱空間中。當地下變形測量集中處理裝置通過485總線發出指令后，相應的一對圓柱型集成傳感器單元得到響應，傳感器內部的MCU將會測量圓柱型集成傳感器單元之間的線圈互感電壓值Uout，兩傳感器單元之間的軸線夾角β，兩傳感器單元之間的中心相對距離L和集成傳感器的地磁方位值。如圖3所示，所述的地下變形測量集中處理裝置:包括MCU電路、485總線驅動電路、GPS測量模塊和遠程通訊模塊；是現場測量的控制中心和數據坐標換算終端。MCU電路分別于遠程通訊模塊、485總線驅動電路和GPS測量模塊連接，通過485總線向地下變形量集成傳感器串發出控制指令，通過遠程通訊模塊向PC機發送地下變形的測量信息。遠方測量儀器由遠程信息接收裝置、PC上位機、軟件系統組成。其中軟件系統包括通訊程序、人機界面軟件、信號處理程序、圖形軟件、數據庫軟件等；該軟件系統已登記若干軟件著作權。已登記的軟件著作權:
1、登記號:2010SR014868，證書號:軟著登字第0203141號；
2、登記號:2010SR014867，證書號:軟著登字第0203140號；
3、登記號:2011SR003590，證書號:軟著登字第0267264號；
4、登記號:2011SR003611，證書號:軟著登字第0267285號；
5、登記號:2011SR003592，證書號:軟著登字第0267266號；
6、登記號:2010SR067669，證書號:軟著登字第0255942號；
7、登記號:2011SR067671，證書號:軟著登字第0255944號。本發明的地下變形量的測量方法:
由地下變形量測 量集中處理裝置，通過485總線，對集成傳感器串中的Ι-m個集成傳感器從上向下，兩個一對，依次發出指令，要求測出集成傳感器兩兩間的互感電壓、傾斜角、螺旋平行傳輸線的拉伸量、傾斜的地磁方位角，并換算成集成傳感器兩兩間水平變形量X和垂直變形量Y以及變形的方向，再與地面GPS空間測量結合，實現依次從上到下將逐個測出的水平變形量X、Y換算成與空間坐標統一的地下變形坐標。一對集成傳感器兩兩間的測量是由相對下面的集成傳感器中的正弦交流電壓發生電路發出Uin電壓加在線圈上，這時上面的集成傳感器的線圈就感應到一個正弦交流電壓(即互感電壓)Uout，正弦交流電壓Uout的大小與兩個集成傳感器的相互間的水平位置X、垂直距離Y、集成傳感器軸線夾角Θ有關，Χ、Υ、Θ的關系描述見圖4。相對上面的集成傳感器的電路測到Uout的同時，也測出了集成傳感器的傾斜角、傾斜方向的地磁方位角、螺旋平行傳輸線的伸長量，若以圖4的示意為例，因下面的集成傳感器沒有動，這樣上面集成傳感器的傾斜角即等于兩個集成傳感器軸線的夾角，經理論證明和實驗驗證，建立了在不同集成傳感器軸線夾角Θ的狀態下，互感電壓Uout、水平位置(兩個集成傳感器線圈中心間距)Χ、螺旋平行傳輸線的長度(上部集成傳感器單元的下端面中心點和下部集成傳感器單元的上端面中心點間的距離)L的關系模型，
圖6是Θ分別為0° (黑色)、25° (淺灰色)、70° (深灰色)時的關系模型曲面圖，因此，在測出Uout、Θ、!^后，可得出X，再根據L2=X2+Y2，可算出Y，有了 X、Y和傾斜的地磁方位角，即可換算出與GPS測量一致的空間坐標，從而得出地下變形的空間坐標。地下變 形量的測量工作過程:
現場測量儀器部分(由Γπι集成傳感器單元構成的集成傳感器串和地下變形量測量集中處理裝置組成)運用前述地下變形量的測量方法，將測出的從地面到地下不同深度的各個部位的變形坐標，通過地下變形量測量集中處理裝置中的遠程通訊模塊，用GPRS或GSM的方式，發送到遠方的PC上位機；通常GPRS是通過移動通訊網進入到Internet網14，遠方的PC上位機通過有線或無線的方式與Internet網聯通，接收現場發來的數據；而63皿方式是現場以短信的形式發送，遠方的遠程接收裝置以短信的方式接收。遠方PC上位機，將接收到的數據進行處理，并進行保存、數據表格顯示、曲線顯示、圖形顯示等一系列的軟件運行。
權利要求
1.一種地下變形量的三維測量方法，其特征在于:將多個圓柱型集成傳感器單元串接形成傳感器串，其運用電磁互感、螺旋平行傳輸線TDR效應或電感效應、重力測斜、磁阻效應多種物理機理，測出兩個圓柱型集成傳感器單元間的互感電壓Uout、螺旋平行傳輸線拉伸量L、傾斜角Θ、傾斜的地磁方位角，通過Uout、L、Θ與水平變形量X、垂直變形量Y的關系模型的建立，并與地面GPS空間坐標測量結合，實現依次從上到下圓柱型集成傳感器單元逐對測出與空間坐標統一對應的地下變形三維坐標，且現場測量結果將通過GPRS或GSM發送到遠方的PC機，在PC機上可描繪出測量區域內的地面到地下深部的土層運動變化情況和具體的坐標值，實現從地面到地下深部的巖土體變形的三維測量。
2.根據權利要求1所述的一種地下變形量的三維測量方法，其特征在于:所述的螺旋平行傳輸線拉伸量L的測量方法有兩種，一種是基于TDR效應，一種基于電感量測量；TDR測量方法是在螺旋平行傳輸線的一端接一個匹配阻抗，另一端加一窄脈沖電壓，由于螺旋平行傳輸線的特性阻抗在拉伸前后會有變化，分析螺旋平行傳輸線拉伸前后的反射電壓波形的變化，可得出拉伸量AL的大小，加上原有的長度L0，可得出L=L0+AL ;電感量測量方法是將運用螺旋平行傳輸線的一端短路，在另一端測量螺旋平行傳輸線電感量，經標定可得出不同一根螺旋平行傳輸線拉伸為不同長度的對應的電感量或感抗，從而得出上部集成傳感器單元的下端面中心點和下部集成傳感器單元的上端面中心點間的距離L。
3.根據權利要求1所述的一種地下變形量的三維測量方法，其特征在于:所述的傾斜角Θ、傾斜的地磁方位角的測量方法，將集成傳感器單元中的測斜MEMS集成電路的xy坐標與地磁測量集成電路的東方北方坐標重疊安裝，則在集成傳感器串所處的地質環境有變形時，一定是有集成傳感器單元向變形的方向發生傾斜，則可得出該集成傳感器的傾斜方向的方位角。
4.用于權利要求1所述方法的一種地下變形量的三維測量系統，其特征在于:包括現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線傳感通訊連接；其中: 1)現場測量儀器是由地下變形量集成傳感器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；地下變形量集成傳感器串由Γπι個結構相同的圓柱型集成傳感器單元串接而成，每個單元之間墊入的等厚硬性絕緣材料，用彈性螺旋平行傳輸線連接圓柱型集成單元的上下中心點，整個圓柱型集成傳感器串封裝在軟質緊縮套管內，每個圓柱型集成傳感器單元間通過485總線進行通訊和控制，地下變形量測量集中處理裝置的一端通過485總線與第m個圓柱型集成傳感器單元連接，地下變形量測量集中處理裝置的另一端與天線連接； 2)遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連接，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連接。
5.根據權利要求4所述的一種地下變形量的三維測量系統，其特征在于，所述的圓柱型集成傳感器單元:包括線圈、測長的彈性螺旋平行傳輸線、MEMS測斜集成電路、地磁測量集成電路、正弦電壓發生電路、正弦電壓測量電路、螺旋平行線TDR效應或電感測量電路、485總線驅動電路、第一 A/D轉換電路、第二 A/D轉換電路、MCU電路；螺旋平行線TDR效應或電感測量電路的輸入端連接螺旋平行傳輸線，輸出端連接第一 A/D轉換電路；再將第一A/D轉換電路的輸出端連接到MCU固定端口，正弦電壓發生電路和正弦電壓測量電路各自一端通過電子模擬開關連接到線圈，其中電子模擬開關由MCU控制；正弦電壓發生電路另一端通過正弦電壓發生控制 線連接到MCU，正弦電壓測量電路的另一端連接第二 A/D轉換電路，將第二A/D轉換電路另一端連接到MCU ；MEMS測斜集成電路和地磁測量集成電路連接到MCU ；485總線驅動電路的兩端分別連接485總線和MCU ;當地下變形測量集中處理裝置通過485總線發出指令后，相應的一對圓柱型集成傳感器單元得到響應，傳感器內部的MCU將會測量圓柱型集成傳感器單元之間的線圈互感電壓值Uout，兩傳感器單元之間的軸線夾角〃，兩傳感器單元之間的中心相對距離L和集成傳感器的地磁方位值。
6.根據權利要求4所述的一種地下變形量的三維測量系統，其特征在于，所述的地下變形測量集中處理裝置:包括MCU電路、485總線驅動電路、GPS測量模塊和遠程通訊模塊；MCU電路分別于遠程通訊模塊、485總線驅動電路和GPS測量模塊連接，通過485總線向地下變形量集成傳感 器串發出控制指令，通過遠程通訊模塊向PC機發送地下變形的測量信肩、O
全文摘要
本發明公開了一種地下變形量的三維測量方法及測量系統。由現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線傳感通訊連接；其中現場測量儀器是由地下變形量集成傳感器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連接，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連接。本發明可對地表以下的各種原因引發的變形實現三維測量，實現目前其他方法無法實現的對地下變形量的連續三維測量；從而有可能成為一種觀測地殼深部在板塊擠壓時的變形狀況的儀器，為地震發生的機理研究提供觀測數據；也可為研究克拉通破壞、頁巖氣開發的地質環境觀測等提供測量儀器。
文檔編號G01V11/00GK103235349SQ20131014023
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者李青, 李雄, 童仁園, 申屠南瑛, 王燕杰, 施閣, 謝揚名, 姜國慶 申請人:中國計量學院