[發(fā)明專利]基于磁場的邊坡深部變形失穩(wěn)監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710852386.2
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107796297B
• 公開（公告）日: 2019-12-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 江勝華;劉曉春;宋韞皓;孫偉賀;姚捷
• 申請（專利權(quán)）人: 西南大學(xué)
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16;G01B7/24
• 代理公司: 50236 重慶鼎慧峰合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 朱浩

1.一種基于磁場的邊坡深部變形失穩(wěn)監(jiān)測方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1)在邊坡內(nèi)布置若干個測點，每一個測點內(nèi)埋設(shè)一個磁場發(fā)射元件；在邊坡表面選擇n個參考點，且n≥3，且至少三個參考點不共線，在每個參考點布置一個部分張量磁力梯度儀，所述部分張量磁力梯度儀包括兩個三軸磁場傳感器、微處理器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和工程塑料外殼，兩個三軸磁場傳感器的x、y和z軸一致，兩個三軸磁場傳感器的形心的連線沿z軸方向，部分張量磁力梯度儀x、y和z軸分別與兩個三軸磁場傳感器的x、y和z軸一致；兩個三軸磁場傳感器的形心之間的距離為0.5米；部分張量磁力梯度儀的原點o在兩個三軸磁場傳感器的形心連線的中心；測量時部分張量磁力梯度儀的z軸方向豎直向上，部分張量磁力梯度儀用于測量邊坡內(nèi)的各個測點處磁場發(fā)射元件的部分磁場梯度張量，選擇其中一個參考點為監(jiān)測時的坐標(biāo)原點O，并定義監(jiān)測坐標(biāo)系Oxyz，其中：監(jiān)測坐標(biāo)系Oxyz的z軸方向豎直向上，監(jiān)測坐標(biāo)系Oxyz的x軸方向和y軸方向分別與部分張量磁力梯度儀的x軸方向和y軸方向保持一致，在監(jiān)測坐標(biāo)系Oxyz下，測量參考點的三維坐標(biāo)，為(x_i，y_i，z_i)，并測量磁場發(fā)射元件的初始三維坐標(biāo)，為(x，y，z)；

S2)計算磁場發(fā)射元件在參考點處的磁感應(yīng)強度沿著z軸方向的變化率：

B_xA和B_xB分別為A和B處的x方向的磁感應(yīng)強度，A、B分別為兩個三軸磁場傳感器，從B到A為z軸正方向；B_yA和B_yB分別為A和B處的y方向的磁感應(yīng)強度；B_zA和B_zB分別為A和B處的z方向的磁感應(yīng)強度；L為兩個三軸磁場傳感器之間的距離，取0.5米，B_xA和B_xB，B_yA和B_yB，B_zA和B_zB由部分張量磁力梯度儀中的三軸磁場傳感器測得；

S3)計算各參考點處磁場梯度張量的局部模量C_Z,i

磁場發(fā)射元件在參考點處的磁場梯度張量的局部模量為：

式(2)中，B_xz、B_yz和B_zz為磁感應(yīng)強度沿著z軸方向的變化率；

由于有不少于三個參考點，通過式(2)依次得到各參考點處的C_Z,i；

S4)計算各參考點處的參數(shù)k_z,i

參考點與測點之間的幾何關(guān)系為：

式中，為磁場發(fā)射元件至參考點的連線和磁偶極子的軸線的夾角，(x，y，z)為磁場發(fā)射元件的初始三維坐標(biāo)，在埋設(shè)時進行測量，為已知，(x₀，y₀，z₀)為參考點的坐標(biāo)；

磁矩參數(shù)m(m_x,m_y,m_z)，其中三個方向的磁矩分量分別為m_x、m_y和m_z；m_z＝mcosθ，其中，為方位角，θ為磁偶極子的軸線與z軸的夾角，為磁偶極子的軸線在xoy平面的投影與x軸的夾角，對于磁場發(fā)射元件，釹鐵硼磁鐵置于萬向支架的中心，釹鐵硼磁鐵的磁偶極子的軸向始終保持豎直，即θ＝0，可簡化為m(0,0,m)，同時式(3)簡化為：

k_z與磁場發(fā)射元件至參考點的距離r無關(guān)，k_z僅與磁場發(fā)射元件至參考點的連線和磁偶極子的軸線的夾角相關(guān)，參數(shù)k_z近似為：

式中，為磁場發(fā)射元件至參考點的連線與磁偶極子的軸線的夾角，當(dāng)時，參數(shù)k_z的取值與對應(yīng)的取值對稱；

由于有不少于三個參考點，參考點坐標(biāo)(x₀，y₀，z₀)依次取n個參考點中(x_i，y_i，z_i)中的每一個坐標(biāo)，通過式(4)和式(5)得到各參考點處的k_z,i；

S5)計算磁矩m

釹鐵硼磁鐵在自然界中磁性恒定不變，近似認為磁矩m的數(shù)值恒定不變，則磁場發(fā)射元件的磁距m為：

式(6)中，μ₀為介質(zhì)磁導(dǎo)率，m為磁矩，C_Z取初始狀態(tài)各參考點處的磁場梯度張量的局部模量，r取初始狀態(tài)下各參考點至測點的距離，由于有n個參考點，則由式(6)得到n個磁距參數(shù)，理論上每個磁矩參數(shù)應(yīng)相等，由于實際測量時誤差會存在差別，對n個磁距參數(shù)求平均值得到最終的磁距m；

S6)計算邊坡變形過程中磁場發(fā)射元件至各參考點的距離

邊坡變形過程中，磁場發(fā)射元件至各參考點的距離r_i可表示為：

式(7)中，C_Z,i取邊坡變形過程中各參考點處的磁場梯度張量的局部模量，k_z,i為各參考點處的k_z參數(shù)，m為磁距；

S7)計算邊坡變形過程中磁場發(fā)射元件的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)

(X-x_i)²+(Y-y_i)²+(Z-z_i)²＝r_i² (8)

式(8)中，(x_i，y_i，z_i)，為參考點的三維坐標(biāo)，r_i為磁場發(fā)射元件至參考點的距離；

求解方程(8)得到磁場發(fā)射元件的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，在邊坡后續(xù)的變形過程中，通過連續(xù)的測量，依次通過S2)、S6)、S7)得到任意時刻磁場發(fā)射元件的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)；

S8)邊坡變形的預(yù)警

通過磁場發(fā)射元件在任意時刻的三維位移(X，Y，Z)，得到三維坐標(biāo)的變化(ΔX，ΔY，ΔZ)；其中磁場發(fā)射元件的三維位移變化為：ΔX為任意時刻的X減去前一時刻的X；ΔY為任意時刻的Y減去前一時刻的Y；ΔZ為任意時刻的Z減去前一時刻的Z，通過(ΔX，ΔY，ΔZ)來判斷邊坡的深部變形，對邊坡的安全進行預(yù)警。