[发明专利]周期性传感器阵列

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术。具体来讲，本发明涉及用于测量土壤和土木结构的形状以及随时间推移的形状改变的工具或设备。本发明表示在以下专利中描述的发明的改善：美国专利No.6,127,672，2000年10月3日授予Lee Danisch(Danisch'672)；美国专利No.6,563,107，2003年5月13日授予Lee Danisch等人(Danisch'107)和美国专利No.7,296,363，2007年11月20日授予Lee Danisch等人(Danisch'363”)，以及在现有技术的倾斜仪技术上的改善。

除其它之外，在岩土感测领域中，优选用于监测滑坡和施工工地的运动的应用。

背景技术

在岩土工程领域中，被称为倾斜仪的仪器可用于测量在垂直或水平井孔中的倾斜，以用于基于一个或两个自由度倾斜、倾斜仪的长度和倾斜仪关于其长轴的已知取向来计算井孔路径的目的，所述长轴通过在用作井孔衬壁的倾斜仪套管中的直沟槽来控制。倾斜仪或者沿套管移动并相隔一定空间距离停止以用于读取倾斜(横动倾斜仪)，或者多个倾斜仪搁置在套管中并相隔一定时间间隔读取(就地倾斜仪)。横动倾斜仪和就地倾斜仪在这里将被称为“常规倾斜仪”。

在就地倾斜仪上的改善已取得专利权(Danisch'363)。所述就地倾斜仪是由配有倾斜传感器的刚性管(刚性体)组成的校准测量仪器，所述管通过抗扭曲的内置可弯曲接头分隔开，其可在无沟槽状套管的情况下直接用以测量路径形状和沿路径的振动。Danisch'363在下文中将被称为“SAA”，或ShapeAccelArray。SAA不需要套管中有沟槽以执行每个刚性体关于SAA的长轴的方位角对齐。抗扭曲接头保持方位角对齐。在制造过程结束时，通过使用在每个主体中的X倾斜传感器和Y倾斜传感器，以当SAA大致水平时测量每个主体的“滚动”角，来校准在制造过程中未进行物理控制的每个刚性体的方位角。在制造过程中，校准传感器的全部偏移和增益，以便可以在宽的温度范围并在全部角度上进行精确的倾斜测量。

常规倾斜仪和SAA均依赖于倾斜的重力测量。测量倾斜等于确定在参考系中由弹簧支撑的质量块随参考系的轴倾斜而发生作用的重力矢量的一部分。在一些情况下，常规倾斜仪使用液体填充的弯管代替弹簧和质量块。在其它情况下，使用伺服控制的弹簧和质量块。

类似于倾斜仪的另一种现有技术测量系统为“巴塞特收敛系统”。所述系统为在横截面平面中全部形成环绕隧道圆周的弧的臂(金属杆)的阵列。所述臂之间的角度用杠杆式倾斜传感器来测量，所述杠杆提供对运动的放大和对横截面的改变形状的适形能力。角度测量是针对一个自由度的。收敛是隧道壁朝向或远离隧道中心的运动。通过布置在成型为圆弧并附接到隧道内壁(其也在横截面平面中)的管内的SAA进行类似测量。所述弧的角变形是在一个自由度上进行测量的，并用于测量如在巴塞特收敛系统中的平面收敛。

常规倾斜仪和SAA两者的不足均包括：

·系统不能沿所述路径轴向地压缩或扩展，或者不能测量邻近仪器的介质的轴向变形，诸如沉降土壤的压缩，或膨胀土壤的扩张。这是因为路径通常是直的。例如，环绕倾斜仪套管的土壤压缩将不改变套管的长度或仪器内部的倾斜。在一些情况下，可伸缩套管用于使得套管能够随土壤压缩变化而缩短或延长，但保持倾斜不变；这即是目的。测量套管或土壤的压缩需要其它使用仪器。甚至可安装在非常柔性的套管中但被安装为平直的SAA将不受环绕套管的土壤压缩或延伸的影响，除非在非常大的横向变形(例如，由于滑坡)的情况下，这可导致由于在一个轴向位置处的大的横向剪切而造成的从路径的一端向另一端的位移的垂直分量上的一些改变。但甚至当发生横向变形时，轴向变形(如果有的话)不能与横向变形区别开。只有在已知首先发生横向变形并且然后已知随后发生仅轴向压缩或延伸的时候，所述使用仪器将能够测量完全可信的总轴向分量。然而，这种顺序的仅横向和轴向运动的发生是未知的，并且是假设的。即使它们确实发生了，仍将不提供在沿路径的不同标高处的轴向变形的细节。巴塞特收敛系统允许沿其弯曲弧的一些扩展，但不测量该扩展，隧道通常也不改变它们的圆周；它们通常改变形状同时保持恒定的弧长度。

·当路径接近水平时不能测量路径的横向变形。这是因为重力仪器关于重力矢量的任何旋转不改变重力对仪器的影响。

·不能用一台仪器测量表面的形状。大多数现有技术倾斜仪和SAA仪器测量初始直线的变形。将需要多台直线仪器以定义表面的形状。