admin 管理员组文章数量: 1184232
2024年4月30日发(作者：二维数组怎么看元素个数)
(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书
(21)申请号 CN2.2
(22)申请日 2013.08.11
(71)申请人 三峡大学
地址 443002 湖北省宜昌市大学路8号
(72)发明人 杨先卫 潘礼庆 吴剑 王习东 谭超 罗志会 许云丽 马雪佳 郑胜 黄秀峰 鲁广铎
张国栋 许文年 田斌 李建林
(74)专利代理机构 宜昌市三峡专利事务所
代理人 成钢
(51)
G01B7/02
权利要求说明书 说明书 幅图
(10)申请公布号 CN 103411527 A
(43)申请公布日 2013.11.27
(54)发明名称
一种基于磁定位实现滑坡深层位移
测量的在线监测方法
(57)摘要
一种基于磁定位实现滑坡深层位移
测量的在线监测方法，通过一个永磁体和
两个或多个磁探测器组成一个局部节点监
测系统，再通过在滑坡体分布多个这样的
节点构成一个整体的滑坡监测网络，在局
部节点监测系统中，将永磁体固定于滑坡
体稳定层，将两个或多个磁探测器放置于
滑坡体的滑坡层，经磁探测器探测到的磁
信号传回监控中心后，通过磁定位算法计
算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生
时，磁探测器的空间方位及空间位置将发
生变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测
器的空间位置，再通过坐标变换，即可计
算出该局部节点的滑坡深层位移，综合多
个局部监测节点构成的监测网络计算得到
的滑坡深层位移数据，即可评估出滑坡体
的深层滑坡情况。
法律状态
法律状态公告日
法律状态信息
未缴年费专利权终止IPC(主分
类):G01B 7/02专利
2022-07-19
号:ZL2申请
日:20130811授权公告
日:20151104
法律状态
专利权的终止
权 利 要 求 说 明 书
1.一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，其特征在于包括以下
1）对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下的稳定层，在稳定层
2）将两个或多个磁探测器用固定装置将其固定构成一个探测装置，沿着钻孔在滑
动面以上的滑坡层放置该探测装置，这样就组成了一个局部节点监测
埋设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固；
步骤：
系统；
3）通过上述步骤每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统，然后将各监测节点
编号，探测装置通过数据线与滑坡体外的数据处理器、信号发射器相
将探测到的磁信号转化为数字信号，信号发射器
术及无线公共通信网络传输
连接，数据处理器
再将此数字信号通过无线传感器网络技
回监控中心；
4）监控中心对信号进行编程处理和计算，经磁探测器探测到的磁信号通过磁定位
算法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间
发生变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的
出该局部节点的滑坡深层位
滑坡情
方位及空间位置将
空间位置，再通过坐标变换，即可计算
移，再综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的
况进行综合评估；
5）通过上述方法完成滑坡深层位移的测量。
2.根据权利要求1所述的基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，其
特征在于：所述的磁探测器至少为3个，通过3个以上探测器测得的
地磁场的影响。 数据两两相减消除
说 明 书
技术领域
本发明提供了一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法方法。
背景技术：
滑坡是丘陵山区经常发生的地质灾害，在我国每年发生的地质灾害中所占比重最大。
为了降低滑坡地质灾害造成的危害和损失，可以采用工程防护、监测
种措施来应对滑坡地质灾害，其中监测预警是应
灾害体监测主要的监测量就
位移，
预警或是搬迁避让三
用较普遍的半主动预防性减灾措施。滑坡
是位移，包括滑坡体的地表位移和滑坡体沿滑动带滑动的深层
其中滑坡的深层位移所采用的主要技术手段是钻孔测斜。
钻孔测斜具体的做法是先从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下若干米，安装具有滑槽
的 测斜管，测斜管外部灌浆与滑坡体结合牢固，监测时采用测斜仪逐段
变化，解算时认为滑动面以下部分不发生移动并
育到一定阶段，变形进入蠕
而折断，
测量测斜管的倾斜度
将其作为位移解算的基点，因此当滑坡发
滑阶段时，埋设在滑动面位置的测斜管会因为上下岩体的错动
这样深部位移的计算基点就失效了，整个测斜孔也就废弃了。因此如果能够寻找
到一种可以在深部进行大变形测量的方法，那么对于捕捉滑坡从蠕滑阶段进
变形特征，对于滑坡的临滑预报都具有非常重要的意义。入临滑阶段的
发明内容
本发明利用磁定位方法进行滑坡深层位移监测，将探测点和标的点进行分离，由永
磁 体构成的标的点在无源情况下可以永久提供一个标的磁场，这样在深
可以转化为局部磁场的变化，这个变化量永久存
样频率高，信号稳定，精度
个极为
层发生的大距离滑移
在，抗干扰能力强，并且磁测方法数据采
高，对于实时监测意义重大，这对于滑坡深层位移监测将是一
重要的技术突破。
本发明采用的技术方案：
一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，包括以下步骤：
1）对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下的稳定层，在稳定层
埋
2）将两个或多个磁探测器用固定装置将其固定构成一个探测装置，沿着钻孔在滑
动 面以上的滑坡层放置该探测装置，这样就组成了一个局部节点监测系
设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固；
统；
3）通过上述步骤每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统，然后将各监测节点
编 号，探测装置通过数据线与滑坡体外的数据处理器、信号发射器相连
测到的磁信号转化为数字信号，信号发射器再将
线公共通信网络传输回监控
接，数据处理器将探
此数字信号通过无线传感器网络技术及无
中心；
4）监控中心对信号进行编程处理和计算，经磁探测器探测到的磁信号通过磁定位
算 法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间方
变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的空间
部节点的滑坡深层位移，再
进行综
位及空间位置将发生
位置，再通过坐标变换，即可计算出该局
综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的滑坡情况
合评估；
5）通过上述方法完成滑坡深层位移的测量。
上述的磁探测器至少为3个，通过3个以上探测器测得的数据两两相减消除地磁场
的
本发明取得的技术效果：
（1）获得的信息直观可靠，实用性强；
（2）便于普及，受环境影响小；
（3）无主观成分，简单、客观、精密，选点方便；
（4）内容丰富，精度高；
（5）远程监测，自动化程度高。
附图说明
图1是监测节点的坐标图示；
图2是滑坡体监测节点剖面图示；
图3是监测节点位置示意图；
图4是信号处理和传输示意图。
影响。
图1中点1是永磁体的中心坐标点，点2和点3是两个探测点的坐标位置，点2’和
点
图2中1是永磁体，2和2’分别是滑坡发生前和滑坡发生后探测点的位置，3是被
滑
图3中1和2是监测节点滑坡发生前两个探测点的位置，1’和2’是滑坡发生后两个
探 测点的位置，3是永磁体，4是滑坡体的稳定层，5是滑坡体的滑坡
坡体的滑坡层，4是滑坡体的稳定层；
3’是滑坡后两个探测点的坐标位置；
层；
图4是探测点探测信号的处理与传输技术路线的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
参见图1-4，一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，包括以下步
骤：
1）对需要监测的滑坡体，从滑坡地表向下钻孔至滑动面以下的稳定层，在稳定层
埋
2）将两个或多个磁探测器用固定装置将其固定构成一个探测装置，沿着钻孔在滑
动 面以上的滑坡层放置该探测装置，这样就组成了一个局部节点监测系
设永磁体，在其外部灌浆使之与滑坡体结合牢固；
统；
3）通过上述步骤每间隔几十米布置一组这样的节点监测系统，然后将各监测节点
编 号，探测装置通过数据线与滑坡体外的数据处理器、信号发射器相连
测到的磁信号转化为数字信号，信号发射器再将接，数据处理器将探
此数字信号通过无线传感器网络技术及无
中心；
线公共通信网络传输回监控
4）监控中心对信号进行编程处理和计算，经磁探测器探测到的磁信号通过磁定位
算 法计算出此时探测器的空间位置，当滑坡发生时，磁探测器的空间方
变化，用相同的算法确定滑坡后磁探测器的空间
部节点的滑坡深层位移，再
进行综
位及空间位置将发生
位置，再通过坐标变换，即可计算出该局
综合所有的局部节点的计算数据最后对整个滑坡体的滑坡情况
合评估；
5）通过上述方法完成滑坡深层位移的测量。
优选地，所述的磁探测器至少为3个，通过3个以上探测器测得的数据两两相减消
除
本发明中每个局部节点监测系统的构建，是把一个永磁体埋设在滑坡体的稳定层，
将 两个（或多个）磁探测器通过一个连接杆固定装置使其空间方位保持
滑坡体的滑坡层。由于探测器对应的探测点与永
永磁体可以等效为一个磁偶
地磁场的影响。
相对固定，并放置于
磁体距离远大于永磁体本身的线度，此时
极子，其在探测点所在区域将形成一个稳定的磁场环境。
1、探测点空间位置的定位
将磁探测器对应的坐标系设为空间全局坐标系，由于永磁体空间位置不变，可将永
磁 体中心设定为坐标原点。两个磁探测器的固定距离为c，探测器的Y
两个探测点的空间坐标分别为轴方向为其连线方向。
(x1,y1,z1)和
(x2,y2,z2)，检测到的磁感应强度分量分别为
B1x、 B1y、B1z和B2x、
B2y、B2z。两个探测点相对于永磁体中心的空间距离分别
为r1和r2，其 中
2 > > > o>永磁体的等效磁矩为在坐标系下的方 根据探测点磁场分量求解公式及坐标变换关系有： /mi> mn>1
/mo> mi> y > b> 位角和仰角分别为α和β。 /mo> /mi> mn>1 /mo> n>1 eta; > row> /mi> mn>1 mi>x mi> ub> in row> /mi> mn>2 /mo> mi> y > b> /mo> /mi> mn>2 /mo> n>2 mo>+ i> > /mi> mn>2 msub> mn>3 n> o> x1=x2 z1=z2 y1+c=y2 对于以上九个方程，有八个未知量即两个探测点的坐标 (x1,y1,z1)、 (x2,y2,z2)以及α和 β，将后三个 方程带入前六个方程，则可简化成六个方程五个未知量，即探测点1的坐标 (x1,y1,z1)以及α和β，通过计算机程序 空间位置。 设计可求得这些未知量，这样也就确定了探测点的 2、滑坡深层位移的测量 当探测点出现滑坡情况时，探测器的空间方位以及探测点的磁感应强度分量随探测 点 变化都将发生改变，空间全局坐标系由滑坡前的XYZ变化为滑坡后 测点在X′Y′Z′坐标系下的空间坐标分别为的X′Y′Z′，此时两个探 (x1′,y1′,z1′)和 (x2′,y2′,z2′)，检测到的磁感应强度分量 为B1x′、B1y′、B1z′和 B2x′、B2y′、B2z′。磁矩在X′Y′Z′坐标系下的 方位角和仰角分别为α′ 通过上面相同的算法可以求出滑坡后两个探测点在X′Y′Z′坐标系中的空间位置 (x1′,y1′,z1′)、 和β′。 (x2′,y2′,z2′)以及α′和β′，由于X′Y′Z′坐标系与 XYZ坐标系有相同的坐标原点， 相当于X′Y′Z′坐标系是XYZ坐标系发生 了一个空间方位的旋转，相应的坐标变换公式为：
> > λ >23 n> mtd> nced> > mtr> ble> 式中 > da; n> ub> sub> math>为坐标变换矩阵。 （1）坐标变换矩阵的求解 其中坐标变换矩阵是与坐标系旋转的章动角θ、进动角ψ、自旋角的正余弦相关的 矩阵。满足以下关系式： λ11λ12+λ21λ22+λ31λ 32=0 λ12λ13+λ22λ23+λ32λ 33=0 λ11λ13+λ21λ23+λ31λ 33=0 设为单位矢量，在XYZ和X′Y′Z′的空间坐标分别为(sinαcosβ,sinαsinβ,cosα) 和(sinα′cosβ′,sinα′sinβ′,cosα′)，此空间坐标可以通过前面得到的α和β及α′和 求出，代入坐标变换公式可以得到 β′可以 sinαcosβ=λ11sinα′cosβ′+λ12sinα′sinβ′+λ13cosα′ sinαsinβ=λ21sinα′cosβ′+λ22sinα′sinβ′+λ23cosα′ cosα=λ31sinα′cosβ′+λ32sinα′sinβ′+λ33cosα′ 此三个方程与上面的六个方程联立，通过计算机程序设计可解出坐标变换矩阵。 （2）滑坡深层位移的求解 利用上面的坐标变换公式，将滑坡后X′Y′Z′坐标系中两个探测点的坐标 (x1′,y1′,z1′)和 (x2′,y2′,z2′)变换到XYZ坐标系中，可 得到两个探测点在XYZ坐标系中的坐标 (x1′′,y1′′,z1′′)和 以两个探测点中点的位移作为滑坡深层位移，可得： - o> >2 mi>y - o> >2 mi>z - o> (x2′′,y2′′,z2′′)。 >2 （3）地球磁场的影响和处理方法 探测点磁场实际上应该是永磁体磁场和地球磁场二者的矢量叠加。地球是一个大磁 体，在其周围形成磁场，地磁场强度较弱且比较稳定，随地点或时间 滑坡深层位移的探测精度要求很高，在方案设计 场的影响可采取以下方案： 联在一 的变化较小。如果对 中还应该消除地球磁场的影响。消除地磁 在两个探测点的基础上增加一个或多个探测点，多个探测点固 条直线上，根据地磁场分布的特殊性,可认为在较小的地域范围内地磁场在短时间 内变化很微弱,即多个磁探测器在同一时间受到的地磁场干扰基本相同。利 把磁探测器输出的同类信号两两相减，就可以消除静态 精度。 用差分原理， 和准静态干扰信号，从而提高探测 3、测量距离和测量精度 以磁矩为250Am2的永磁体为例，可计算得到不同测量距离处磁场大 小的范围，如下 矩（Am2） 表。 很明显，本项技术的探测距离和探测精度取决于永磁体磁矩大小和探测器精度，当 磁 矩大小为250（Am2）、探测器精度为1nT时，综合考 坡位移测量精度为0.01m。如果选 提高。 虑各项因素，测量距离为0-6m，滑 用磁矩更大的永磁体，则测量距离和测量精度都会大大 例如，选用钕铁硼N38圆柱形永磁铁作磁定位探测实验，永磁铁直径80mm，厚度 50mm， 充磁方向为厚度方向，磁矩大小为250.52Am2。 固联在一条直线上并保持空 拟滑坡体的深 将三个探测精度为1nT的三轴磁阻探测器 间方位一致，相邻磁探测器的空间间距为5cm。在实验室中模 层位移滑动。 第一步，固定永磁体的空间位置，将固联的探测器装置放置于永磁体附近的某一空 间 位置，以此时探测器的坐标系为空间全局坐标系XYZ，设定Z轴方 轴方向，永磁体中心为坐标原点，固联装置中的 现场实际测量依次为 单位为 向为圆柱形永磁体中心 三个探测器所对应探测点的空间坐标通过 （1.15,0.3,-0.024）、（1.2，0.3，-0.024）、（1.25，0.3,-0.024）, 米。此时三个磁探测器探测到的磁场分量数据见下表： > 通过三个探测器测得的数据两两相减消除地磁场的影响，通过上述的磁定位方法， 利 用计算机编程，可求解得到三个探测器的空间位置分别为 （1.209，0.281，-0.0258）、（1.214，0.281,- 的方位角和仰角分别为2.66度、 （1.159,0.281,-0.0258）、 0.0258），求解得到永磁体在坐标系中 36.54度。 可见通过理论计算得到的探测器空间位置与现场实际测量得到的空间位置非常接近， 而产生偏差的原因有：（1）现场实际测量的坐标位置不是非常精准； 的空间方位不是非常严格一致；（3）为了提高计算机 置较小。 （2）三个磁探测器 程序运算速度，编程迭代的精度设 第二步，将固联装置平移到另一位置，探测器空间方位保持不变，通过现场实际测 量 此时固联装置中的三个探测器所对应探测点的空间坐标依次为（0.95， 0，-0.024）、（1.05，0，-0.024）,固联装置中间的磁 0,-0.024）、（1.0， 探测器对应的移动距离为0.361m。 此时三个磁探测器探测到的磁场分量数据见下表： > 用同样的方法，可求解得到此时三个探测器的空间位置分别为（0.951， 0.013,-0.024）、（1.001，0.013，-0.0239）、（1.051，0.013，-0.0239）。 得到中间探测器的滑移距离为0.339m，与现场测量结果的绝 为6.09%。产生误差的原因同第一步的误 最终计算 对误差为0.022m，相对误差 差原因外，还有移动前后的坐标系不是严格一致。 第三步，将固联装置在第二步的位置处围绕着X方向顺时针旋转90度，此时的空 间 > 坐标系改变为X′Y′Z′，三个磁探测器探测到的磁场分量数据见下表： 可求解得到此时三个探测器在X′Y′Z′坐标系的空间位置分别为（0.951， -0.0256,-0.011）、（1.001，-0.0256，-0.011）、（1.051，-0.0256，-0.011）， 体磁矩在X′Y′Z′坐标系中的方位角和仰角分别为92.02度、87.86度。 到的坐标变换矩阵为： 永磁 通过计算机编程得 mo>- mn> 通过坐标变换公式，可得此时三个探测器在XYZ坐标系中的坐标分别为（0.951， 0.01123,-0.0256）、（1.001，0.01123，-0.0256）、（1.051，0.01123，- 测器的滑移距离为0.341m，绝对误差为0.02m， 一步。 0.0256），则得到中间探 相对误差为5.54%。产生误差的原因同第
版权声明：本文标题：一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法 内容由网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人， 转载请联系作者并注明出处：http://roclinux.cn/p/1714466047a681388.html， 本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。
发表评论