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传统测斜仪遭遇瓶颈?来看看这项“黑科技”!
发布时间:2020-04-29

在岩土工程领域,往往需要对地面以下一定深度的岩土体或者工程结构进行位移监测,诸如:可能产生在不稳固边坡(滑坡)或挖方工程周围的侧向运动等。或监测堤坝、芯墙的稳定性,打桩或钻孔的布置的偏差,以及在回填、筑堤和地下储罐的土体沉陷等。然而,由于这些部分深埋地下,往往无法直接测量,因此人们一般利用测斜仪对地下一定深度的位移进行监测。

 

在使用测斜仪进行位移监测时,通常要在土体的钻孔内安装一根管、或将管浇筑在混凝土结构中、也可将管埋在筑堤等之中。这种用来观测土体内部水平位移的管,即为测斜管。

测斜仪原理图

 

测斜仪一般分为两种:

固定式测斜仪活动测斜仪

 

固定式测斜仪

 

固定测斜仪是一种定点测量倾斜角度的仪器,可以在同一测斜管内把多支测斜传感器串联起来分布在不同高程,用于测量测斜管内传感器所在位置的倾斜角的变化量。固定式分为单轴和双轴测斜仪,常用于活动式测斜仪不易长期测量的场合,可以安装在大坝水库水位以下观测人员难以到达的位置,可以安装在高边坡危险的滑坡上观测人员上下困难的位置,观测人员只要在观测室进行遥测即可。

 

Little Dipper

固定式测斜仪

 

固定式测斜仪的原理为:重力加速度计,测量地球引力在测量方向上的分量。可同时测量X/Y两个方向倾斜变化,从而通过计算可以得出该点的倾斜方向与倾斜角度;并可直接挂接总线系统进行自动化数据采集。如测量范围小,对测量精度要求较高。

 

固定式MEMS柔性测斜仪

 

 

 

活动式测斜仪

 

活动式测斜仪是目前应用较为广泛的测斜仪器。

 

PROFIL数字式活动测斜仪

 

活动式测斜仪主要由电缆、加速度计、读数仪等部件组成。测斜探头为一个铅锤摆,可依据自身提供的恢复能力在受扰动后恢复到零点位置,测斜杆偏转角度越大,铅锤摆归零所需的恢复力越大,恢复力的大小可转换成电信号,通过与读数相连的电缆上传至读数

测斜仪构件

 

但是在一些情况中,这种活动式测斜仪存在一定的局限。例如,在滑坡过程中,岩土体的运动和变形会很大,使得测斜管出现很大弯曲。

此时,传统的活动式测斜仪在测量过程中就会受限。针对此种情况,为监测岩土工程中不稳定的边坡,HPSYSTEM公司与Optosensing公司联合开发了混合型倾斜仪——HPS混合倾斜仪系统

 

 

HPS光纤MEMS混合测斜仪

 

HPS混合测斜仪系统,是一种结合光纤传感与MEMS传感技术的创新型测斜系统,此测斜仪能够实现局部布设部位的变形,在测斜管弯曲过大时同样可以实现准确测量。

该系统包括一根聚乙烯管,其内部内嵌光纤技术中的分布式光纤传感器和纳米技术中的数字传感器。MEMS传感器用来提供进一步的反馈数据来验证来自光纤的数据,从而提升系统性能。此外,MEMS传感器可以重置来自数学模型的积分误差,从而获得光纤的应变。

光纤传感器由三根光纤组成,它们沿测斜管的整个剖面纵向安装,相互平行且等间距布置。

HPS光纤MEMS混合测斜仪

用于建立变形剖面的数学模型采用了伯努利梁理论,包括弯矩分量的积分,以及管材的杨氏模量和管材几何形状的积分。Mx(z)和My(z)(在通用部分z中,分别是x轴方向的分量和y轴方向的分量),其值是应变的函数。

技术规格

最大误差(MEMS间距5m)

3.5mm

材质

聚乙烯(PE)

输出

数字&光

管内采用由HPSYSTEM公司开发的MEMS双轴传感器,对来自弯矩积分产生的误差进行校正,因此,它通过提供反馈数据来验证光纤获得的测量结果,从而提高了性能。

系统内部的每个MEMS传感器在数字总线上输出一个信号,除了倾角值外,还使功能参数可用于诊断,如电源和温度的值。倾斜仪的测量数据存储在本地,并传输到数据采集和存储单元。

在MEMS技术中使用双轴加速度计可以提高性能标准。

MEMS传感器技术规范

测量量程

±90°(可选择)

灵敏度

±0.01°LSB

精度

±0.1°

工作温度范围

-10°C~+85°C

工作电压

4.75±26Vdc

工作电流

22mA~100mA

输出

数字,标准AD

重量

约500g

防护等级

IP68

混合测斜系统可用于垂直和水平布置,并可用于收敛测量

垂直配置中,安装倾斜仪系统的岩土体发生变形,导致管道变形,从而导致传感纤维的压缩和伸长。因此,在安装了该系统的岩土体中,沿着四根纤维的应变剖面的测量,可以获得管道的三维变形,或测斜剖面。倾斜仪系统放入地面监测点的钻孔中,并灌浆。一旦固化完成,第一次参考零点测量将作为后续测量的初始值。

混合技术测斜仪系统采用水平布置,即使在与地面平行的平面上也能测量位移和变形。该特征可用于监测滑坡前缘相对于其外部位置的水平位移

如果系统被布置在隧道的断面上,它可以进行精确的收敛测量

该混合式测斜仪具有通用性强、体积小、性能高的优点,克服了使用传统仪器的限制,防止由相同的地面变形对系统造成的损害。


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