[发明专利]一种地下变形量的三维测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种地下变形测量方法及装置，尤其是涉及一种地下变形量的三维测量方法及测量系统。

背景技术

观测、研究大地板块变形、移动是分析地壳运动与地震关系的重要过程，事实表明地壳运动与地震有必然的联系，应力积累与释放是地震的孕育中不可缺少的过程，研究地震孕育过程的重要方法之一是通过地壳形变观测，研究与强地震孕育相关的地壳运动和变形过程。因此这种对大地板块变形的观测、研究有助于人类了解地壳的运动规律，观测到地面以下的三维变化，为地震科学、地质工程和矿业工程等领域的研究提供科学仪器，为人类认识地球深处的变化规律提供科学观测仪器。

现有对地下深部变形的测量手段主要有三种：测斜管测斜技术，光纤分布应变测量技术（Brillouin Opticat Time Domain Reflectometry）（简称BOTDR），同轴电缆的时间域反射测试技术（Time Domain Reflectometry）（简称TDR 技术）。测斜技术只能测出测斜管在土体作用时的弯斜情况，不能自动实施连续监测，，而且需要人为放置测斜测量仪才能实现对倾斜角的测量，误差很大。BOTDR技术是只能测量光纤微小的应变，大变形时光纤将断裂，而且这种测量也不能判别变形方向。同轴电缆的TDR技术只能用于少数剪切滑坡地貌的地质灾害监测，变形量也较小（大变形也要拉断）。这三种方法都不能实现变形量的三维测量，变形的量也不能满足软岩或第四纪覆盖层的变形测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地下变形量的三维测量方法及测量系统，能实现变形量的三维测量，变形的量能满足软岩或第四纪覆盖层的变形测量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种地下变形量的三维测量方法：

将多个圆柱型集成传感器单元串接形成传感器串，其运用电磁互感、螺旋平行传输线TDR效应或电感效应、重力测斜、磁阻效应多种物理机理，测出两个圆柱型集成传感器单元间的互感电压Uout、螺旋平行传输线拉伸量L、倾斜角θ、倾斜的地磁方位角，通过Uout、L、θ与水平变形量X、垂直变形量Y的关系模型的建立，并与地面GPS空间坐标测量结合，实现依次从上到下圆柱型集成传感器单元逐对测出与空间坐标统一对应的地下变形三维坐标，且现场测量结果将通过GPRS或GSM发送到远方的PC机，在PC机上可描绘出测量区域内的地面到地下深部的土层运动变化情况和具体的坐标值，实现从地面到地下深部的岩土体变形的三维测量。

所述的螺旋平行传输线拉伸量L的测量方法有两种，一种是基于TDR效应，一种基于电感量测量； TDR测量方法是在螺旋平行传输线的一端接一个匹配阻抗，另一端加一窄脉冲电压，由于螺旋平行传输线的特性阻抗在拉伸前后会有变化，分析螺旋平行传输线拉伸前后的反射电压波形的变化，可得出拉伸量ΔL的大小，加上原有的长度L0，可得出L=L0+ΔL；电感量测量方法是将运用螺旋平行传输线的一端短路，在另一端测量螺旋平行传输线电感量，经标定可得出不同一根螺旋平行传输线拉伸为不同长度的对应的电感量或感抗，从而得出上部集成传感器单元的下端面中心点和下部集成传感器单元的上端面中心点间的距离L。

所述的倾斜角θ、倾斜的地磁方位角的测量方法，将集成传感器单元中的测斜MEMS集成电路的xy坐标与地磁测量集成电路的东方北方坐标重叠安装，则在集成传感器串所处的地质环境有变形时，一定是有集成传感器单元向变形的方向发生倾斜，则可得出该集成传感器的倾斜方向的方位角。

二、一种地下变形量的三维测量系统：

本发明包括现场测量仪器和远方测量仪器，两者通过无线传感通讯连接；其中：

1）现场测量仪器是由地下变形量集成传感器串和地下变形量测量集中处理装置组成；地下变形量集成传感器串由1~m个结构相同的圆柱型集成传感器单元串接而成，每个单元之间垫入的等厚硬性绝缘材料，用弹性螺旋平行传输线连接圆柱型集成单元的上下中心点，整个圆柱型集成传感器串封装在软质紧缩套管内，每个圆柱型集成传感器单元间通过485总线进行通讯和控制，地下变形量测量集中处理装置的一端通过485总线与第m个圆柱型集成传感器单元连接，地下变形量测量集中处理装置的另一端与天线连接；

2）远方测量仪器是由远程接收装置、PC上位机组成；远程接收装置的一端与天线连接，远程接收装置的另一端与PC上位机连接。