基于傳感器集群的網絡測斜系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于傳感器集群的網絡測斜系統，包括數據采集分析計算機及與所述數據采集分析計算機電性連接的測量單元集群，所述測量單元集群中包括有若干通信連接的測量單元，所述測量單元內設置有微處理器及傳感器。本實用新型通過埋入的測量單元會直接跟隨圍護體或周圍土體的變形而產生傾斜，使測量數據更加精準。本系統中所有測量單元同時測量，完成20個測斜孔的測量工作僅需要30秒，工作效率大幅提高，節約了大量勞動力。能實現24小時不間斷測量，而且一天可以進行幾十次甚至上百次重復測量，大大提高測量數據的時效性。
【專利說明】
基于傳感器集群的網絡測斜系統
技術領域
[0001] 本實用新型涉及一種測斜系統，屬于建筑檢測工程領域。
【背景技術】
[0002] 在巖土工程領域，測斜儀主要用于測量大地運動，諸如：可能產生在不穩固邊坡 (滑坡)或挖方工程周圍的側向運動等。也可用來監測堤壩、芯墻的穩定性，打粧或鉆孔的布 置的偏差，以及在回填、筑堤和地下儲罐的土體沉陷等。為了獲得測斜儀測斜管周圍地層的 一個完整的觀測報告，有必要在測斜管周圍進行一系列傾斜觀測。現有的方式一般采用滑 動式、固定式兩種方式，滑動式測斜儀主要是通過測斜儀的滑輪在測斜管滑動槽內上下移 動，分段測量測斜管的傾斜角度，通過對比多次不同時間的測量數據來計算測斜管的相對 變形。
[0003]固定式測斜儀是將多個測斜儀分段固定安裝在測斜管內，利用不同深度位置處的 測斜儀來測量測斜管的傾斜角度，同樣通過對比多次不同時間的測量數據來計算測斜管的 相對變形。
[0004] 但滑動式的缺點為，一次只能測量一個測點，一個測斜孔有幾十個測點，每完成一 個測斜孔的測量工作至少需要20分鐘以上，完成20個測斜孔的測量工作則需要1整天，費時 費力。
[0005] 而固定式測斜儀則需要分多次連接不同深度的測斜儀所對應的電纜來進行測量， 即便是串聯式的固定測斜儀也需要開閉各個測斜儀的電源，雖然比滑動式測斜儀提高了工 作效率，但是成本成倍增加。 【實用新型內容】
[0006] 本實用新型的目的在于解決上述的技術問題，提供一種基于傳感器集群的網絡測 斜系統及其測斜方法。
[0007] 本實用新型的目的通過以下技術方案來實現：
[0008] 基于傳感器集群的網絡測斜方法，包括如下步驟：
[0009] S1、選址，選定需要進行測斜位置；
[0010] S2、預埋，將測量單元預埋于土體或圍護體內，當測量單元埋設在土體中時，直接 打孔投入測量單元后回填；當測量單元埋設于圍護體內時，可直接將測量單元綁扎于鋼筋 上，再澆注混凝土，或者直接在圍護體結構上打孔安裝;所述測量單元間距與所述測量精度 之間呈反比；
[0011] S3、測量，待預埋結束后，啟動數據采集分析計算機，通過系統中的數據采集分析 計算機發送信號給測量單元；
[0012] S4、融合計算、比較，測量單元進行融合計算測出測量單元的方位角與三位姿態， 所述融合計算之間的采樣的間隔根據預設時間間隔進行采樣和計算，也可以進行連續采樣 與計算；
[0013] S5、數據輸出，將得出的數據輸出至相應的顯示設備。
[0014]優選地，所述測量單元為磁力傳感器，每個所述磁力傳感器同向安裝。
[0015] 優選地，所述S3中融合計算包括如下步驟：
[0016] S31、通過傳感器中加速度計測量靜止狀態下X、Y、Z三軸的加速度，利用重力加速 度與其在三軸加速度傳感器的Χ、γ、ζ三軸的分量關系，計算出各軸與重力加速度方向的夾 角，從而得出測量單元的三維傾角即三維姿態；
[0017] 按下式計算三維傾角：
[0018]
;χ軸與自然X軸夾角；
[0019]
?軸與自然Υ軸夾角；
[0020]
:軸與自然ζ軸夾角；
[0021] 根據加速度計的精度設置所述微處理器的閾值，若測量數值的抖動超過閥值，則 丟棄本次測量數據并重新采樣；
[0022] 當測量單元未統一方向安裝時，各測量單元需要通過磁力計測量方位角；但當磁 力計不是處于水平位置時，其測得的方位角將出現偏差，此時就需要利用測量單元當前的 三維姿態角度數據進行融合計算，得到真實的方位角；
[0023]首先根據將之前的計算結果代入以下公式，計算Heading值。
[0024] Xh=X*cos(a)+Y*sin(P)*sin(a)-Z*cos(P)*sin(a)
[0025] Yh=Y*cos(P)+Z*sin(P)
[0026] 再根據下面的公式計算方位角。
[0027] for(Xh<0)=18〇-[arctan(Yh/Xh)*180A]
[0028] for(Xh>0, Yh<0)=-[arctan(Yh/Xh)*180A]
[0029] for(Xh>0,Yh>0)=36〇-arctan(Yh/Xh)*18〇A
[0030] f〇r(Xh=0,Yh<0)=90
[0031] f〇r(Xh=0,Yh>0)=270
[0032] 優選地，所述S4中的不同時間段的測量數據進行比對，具體包括如下步驟：
[0033] S41、測量單元安裝完成靜置一段時間，待各測量單元穩定后，在一段時間內采集 數據并進行平均，計算所有測量單元的姿態角度并儲存下來作為基準值，以后每次測量的 數據均與基準值作比較，計算出測量單元的姿態角度變化量；
[0034]根據測量單元前后的姿態角度變化量并結合各測量單元之間的間距，未統一方向 安裝的測量單元還應結合其方位角，通過三角函數計算出土體或圍護體的變形方向與變形 量。
[0035]優選地，包括數據采集分析計算機及與所述數據采集分析計算機電性連接的測量 單元集群，所述測量單元集群中包括有若干通信連接的測量單元，所述測量單元內設置有 微處理器及傳感器。
[0036] 優選地，所述傳感器為磁力計傳感器、多軸數字加速度傳感器、陀螺儀傳感器或兩 者或兩者以上傳感器的結合。
[0037]本實用新型的有益效果:埋入的測量單元會直接跟隨圍護體或周圍土體的變形而 產生傾斜，此種方式不會像滑動測斜儀那樣產生人為的定位誤差，使測量數據更加精準。本 系統中所有測量單元同時測量，完成20個測斜孔的測量工作僅需要30秒，工作效率大幅提 高，節約了大量勞動力。能實現24小時不間斷測量，而且一天可以進行幾十次甚至上百次重 復測量，大大提高測量數據的時效性。
【附圖說明】
[0038] 圖1是本實用新型的系統不意圖。
[0039] 圖2是本實用新型的系統間的連接結構示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 本實用新型具體揭示了一種基于傳感器集群的網絡測斜系統包括數據采集分析 計算機及與所述數據采集分析計算機電性連接的測量單元集群3,所述測量單元集群3中包 括有若干通信連接的測量單元2,所述測量單元2之間可以通過無線網5進行連接，也可以通 過有線網4進行連接。
[0041 ] 所述測量單元2內設置有微處理器及傳感器，所述傳感器為磁力計傳感器、多軸數 字加速度傳感器、陀螺儀傳感器或兩者或兩者以上傳感器的結合。
[0042] 根據不同的需求可以采用不同的傳感器，例如，在有磁性干擾(例如預埋在有鋼筋 的圍護體中或有磁鐵礦的土體中）的情況下，可直接選用無磁力計傳感器作為測量單元。但 若采用磁力傳感器，由于磁力計傳感器是通過地球磁場來測量方位角的，當周邊有磁性物 質時會對其產生干擾，所以應將所有測量單元同向安裝，同時，為了保證測量數據的準確 性，磁力計傳感器的測量數據不參與融合計算。
[0043] 利用以上基于傳感器集群的網絡系統具體測斜方法，包括如下步驟：
[0044] S1、選址，選定需要進行測斜位置；
[0045] S2、預埋，將測量單元預埋于土體或圍護體內，將測量單元預埋于土體或圍護體 內，當測量單元埋設在土體中時，直接打孔投入測量單元后回填；當測量單元埋設于圍護體 內時，可直接將測量單元綁扎于鋼筋上，再澆注混凝土，或者直接在圍護體結構上打孔安 裝;所述測量單元間距與所述測量精度之間呈反比；
[0046] S3、測量，待預埋結束后，啟動數據采集分析計算機，通過系統中的數據采集分析 計算機發送信號給測量單元;所述融合計算包括如下步驟：
[0047] S31、通過傳感器中加速度計測量靜止狀態下X、Y、Z三軸的加速度，利用重力加速 度與其在三軸加速度傳感器的Χ、γ、ζ三軸的分量關系，計算出各軸與重力加速度方向的夾 角，從而得出測量單元的三維傾角即三維姿態；
[0048] 按下式計算三維傾角：
[0049]
【軸與自然X軸夾角；
[0050]
/ ;Υ軸與自然Υ軸夾角；
[0051 ]
Ζ軸與自然Ζ軸夾角；
[0052]為了防止外部震動對測量造成影響，先根據加速度計的精度設置所述微處理器的 閾值，若測量數值的抖動超過閥值，則丟棄本次測量數據并重新采樣；當然，也可以使用陀 螺儀監測短時間內測量單元的三維角速度來消除外部干擾。
[0053]當測量單元未統一方向安裝時，各測量單元需要通過磁力計測量方位角；但是當 磁力計不是處于水平位置時，其測得的方位角將出現偏差，此時就需要利用測量單元當前 的三維姿態角度數據進行融合計算，得到真實的方位角；
[0054]首先根據將之前的計算結果代入以下公式，計算Heading值。
[0055] Xh=X*cos(a)+Y*sin(P)*sin(a)-Z*cos(P)*sin(a)
[0056] Yh=Y*cos(P)+Z*sin(P)
[0057] 再根據下面的公式計算方位角。
[0058] for(Xh<0)=18〇-[arctan(Yh/Xh)*180A]
[0059] for (Xh>0, Yh<0) =- [ ar c tan (Yh/Xh) * 180A ]
[0060] for(Xh>0,Yh>0)=36〇-arctan(Yh/Xh)*18〇A
[0061] f〇r(Xh=0,Yh<0)=90
[0062] f〇r(Xh=0,Yh>0)=270〇
[0063] S4、融合計算、比較，測量單元進行融合計算測出測量單元的方位角與三位姿態， 所述測量數據進行比對，具體包括如下步驟：
[0064] S41、測量單元安裝完成靜置一段時間，待各測量單元穩定后，在一段時間內采集 數據并進行平均，計算所有測量單元的姿態角度并儲存下來作為基準值，以后每次測量的 數據均與基準值作比較，計算出測量單元的姿態角度變化量；
[0065]由于各測量單元是隨著土體或圍護體的變形發生姿態變化的，因此根據測量單元 前后的姿態角度變化量并結合各測量單元之間的間距，未統一方向安裝的測量單元還應結 合其方位角，通過三角函數計算出土體或圍護體的變形方向與變形量。
[0066] S5、數據輸出，將得出的數據輸出至相應的顯示設備。
[0067]本實用新型尚有多種具體的實施方式，凡采用等同替換或者等效變換而形成的所 有技術方案，均落在本實用新型要求保護的范圍之內。
【主權項】
1. 基于傳感器集群的網絡測斜系統，其特征在于:包括數據采集分析計算機及與所述 數據采集分析計算機電性連接的測量單元集群，所述測量單元集群中包括有若干通信連接 的測量單元，所述測量單元內設置有微處理器及傳感器。2. 如權利要求1所述的基于傳感器集群的網絡測斜系統，其特征在于:所述傳感器為磁 力計傳感器、多軸數字加速度傳感器、陀螺儀傳感器或兩者或兩者以上傳感器的結合。
【文檔編號】G01C9/00GK205607381SQ201620350585
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月25日
【發明人】張亦明, 李小龍
【申請人】蘇州市建設工程質量檢測中心有限公司