《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》是中國計量學院於2013年4月22日申請的專利，該專利的公布號為CN103235349A，授權公布日為2013年8月7日，發明人是李青、李雄、童仁園、申屠南瑛、王燕傑、施閣、謝揚名、姜國慶。
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》公開了一種地下變形量的三維測量方法及測量系統。由現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線感測通訊連線；其中：現場測量儀器是由地下變形量集成感測器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連線，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連線。該發明可對地表以下的各種原因引發的變形實現三維測量，實現2013年前其他方法無法實現的對地下變形量的連續三維測量；從而有可能成為一種觀測地殼深部在板塊擠壓時的變形狀況的儀器，為地震發生的機理研究提供觀測數據；也可為研究克拉通破壞、頁岩氣開發的地質環境觀測等提供測量儀器。
2020年7月14日，《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種地下變形量的三維測量方法及測量系統
- 申請人：中國計量學院
- 申請日：2013年4月22日
- 申請號：2013101402318
- 公布號：CN103235349A
- 公布日：2013年8月7日
- 發明人：李青、李雄、童仁園、申屠南瑛、王燕傑、施閣、謝揚名、姜國慶
- 地址：浙江省杭州市江乾經濟開發區學源街
- Int. Cl.：G01V11/00(2006.01)I
- 代理機構：杭州求是專利事務所有限公司
- 代理人：林懷禹
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
觀測、研究大地板塊變形、移動是分析地殼運動與地震關係的重要過程，事實表明地殼運動與地震有必然的聯繫，應力積累與釋放是地震的孕育中不可缺少的過程，研究地震孕育過程的重要方法之一是通過地殼形變觀測，研究與強地震孕育相關的地殼運動和變形過程。因此這種對大地板塊變形的觀測、研究有助於人類了解地殼的運動規律，觀測到地面以下的三維變化，為地震科學、地質工程和礦業工程等領域的研究提供科學儀器，為人類認識地球深處的變化規律提供科學觀測儀器。
2013年之前的對地下深部變形的測量手段主要有三種：測斜管測斜技術，光纖分布應變測量技術（Brillouin Opticat Time Domain Reflectometry）（簡稱BOTDR），同軸電纜的時間域反射測試技術（Time Domain Reflectometry）（簡稱TDR 技術）。測斜技術只能測出測斜管在土體作用時的彎斜情況，不能自動實施連續監測，，而且需要人為放置測斜測量儀才能實現對傾斜角的測量，誤差很大。BOTDR技術是只能測量光纖微小的應變，大變形時光纖將斷裂，而且這種測量也不能判別變形方向。同軸電纜的TDR技術只能用於少數剪下滑坡地貌的地質災害監測，變形量也較小（大變形也要拉斷）。這三種方法都不能實現變形量的三維測量，變形的量也不能滿足軟岩或第四紀覆蓋層的變形測量。
發明內容
專利目的
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》的目的在於提供一種地下變形量的三維測量方法及測量系統，能實現變形量的三維測量，變形的量能滿足軟岩或第四紀覆蓋層的變形測量。
技術方案
一、一種地下變形量的三維測量方法：
將多個圓柱型集成感測器單元串接形成感測器串，其運用電磁互感、螺旋平行傳輸線TDR效應或電感效應、重力測斜、磁阻效應多種物理機理，測出兩個圓柱型集成感測器單元間的互感電壓Uout、螺旋平行傳輸線拉伸量L、傾斜角θ、傾斜的地磁方位角，通過Uout、L、θ與水平變形量X、垂直變形量Y的關係模型的建立，並與地面GPS空間坐標測量結合，實現依次從上到下圓柱型集成感測器單元逐對測出與空間坐標統一對應的地下變形三維坐標，且現場測量結果將通過GPRS或GSM傳送到遠方的PC機，在PC機上可描繪出測量區域內的地面到地下深部的土層運動變化情況和具體的坐標值，實現從地面到地下深部的岩土體變形的三維測量。
所述的螺旋平行傳輸線拉伸量L的測量方法有兩種，一種是基於TDR效應，一種基於電感量測量； TDR測量方法是在螺旋平行傳輸線的一端接一個匹配阻抗，另一端加一窄脈衝電壓，由於螺旋平行傳輸線的特性阻抗在拉伸前後會有變化，分析螺旋平行傳輸線拉伸前後的反射電壓波形的變化，可得出拉伸量ΔL的大小，加上原有的長度L0，可得出L=L0+ΔL；電感量測量方法是將運用螺旋平行傳輸線的一端短路，在另一端測量螺旋平行傳輸線電感量，經標定可得出不同一根螺旋平行傳輸線拉伸為不同長度的對應的電感量或感抗，從而得出上部集成感測器單元的下端面中心點和下部集成感測器單元的上端面中心點間的距離L。
所述的傾斜角θ、傾斜的地磁方位角的測量方法，將集成感測器單元中的測斜MEMS積體電路的xy坐標與地磁測量積體電路的東方北方坐標重疊安裝，則在集成感測器串所處的地質環境有變形時，一定是有集成感測器單元向變形的方向發生傾斜，則可得出該集成感測器的傾斜方向的方位角。
二、一種地下變形量的三維測量系統：
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》包括現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線感測通訊連線；其中：
1）現場測量儀器是由地下變形量集成感測器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；地下變形量集成感測器串由1~m個結構相同的圓柱型集成感測器單元串接而成，每個單元之間墊入的等厚硬性絕緣材料，用彈性螺旋平行傳輸線連線圓柱型集成單元的上下中心點，整個圓柱型集成感測器串封裝在軟質緊縮套管內，每個圓柱型集成感測器單元間通過485匯流排進行通訊和控制，地下變形量測量集中處理裝置的一端通過485匯流排與第m個圓柱型集成感測器單元連線，地下變形量測量集中處理裝置的另一端與天線連線；
2）遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連線，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連線。
所述的圓柱型集成感測器單元：包括線圈、測長的彈性螺旋平行傳輸線、MEMS測斜積體電路、地磁測量積體電路、正弦電壓發生電路、正弦電壓測量電路、螺旋平行線TDR效應或電感測量電路、485匯流排驅動電路、第一A/D轉換電路、第二A/D轉換電路、MCU電路；螺旋平行線TDR效應或電感測量電路的輸入端連線螺旋平行傳輸線，輸出端連線第一A/D轉換電路；再將第一A/D轉換電路的輸出端連線到MCU固定連線埠，正弦電壓發生電路和正弦電壓測量電路各自一端通過電子模擬開關連線到線圈，其中電子模擬開關由MCU控制；正弦電壓發生電路另一端通過正弦電壓發生控制線連線到MCU，正弦電壓測量電路的另一端連線第二A/D轉換電路，將第二A/D轉換電路另一端連線到MCU；MEMS測斜積體電路和地磁測量積體電路連線到MCU；485匯流排驅動電路的兩端分別連線485匯流排和MCU；當地下變形測量集中處理裝置通過485匯流排發出指令後，相應的一對圓柱型集成感測器單元得到回響，感測器內部的MCU將會測量圓柱型集成感測器單元之間的線圈互感電壓值Uout，兩感測器單元之間的軸線夾角θ，兩感測器單元之間的中心相對距離L和集成感測器的地磁方位值。
所述的地下變形測量集中處理裝置：包括MCU電路、485匯流排驅動電路、GPS測量模組和遠程通訊模組；MCU電路分別於遠程通訊模組、485匯流排驅動電路和GPS測量模組連線，通過485匯流排向地下變形量集成感測器串發出控制指令，通過遠程通訊模組向PC機傳送地下變形的測量信息。
改善效果
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》可對地表以下的各種原因引發的變形實現三維測量，實現2013年前其他方法無法實現的對地下變形量的連續三維測量；從而有可能成為一種觀測地殼深部在板塊擠壓時的變形狀況的儀器，為地震發生的機理研究提供觀測數據；也可為研究克拉通破壞、頁岩氣開發的地質環境觀測等提供測量儀器。
附圖說明
圖1是地下變形量的三維測量系統構成示意圖。
圖2是圓柱型集成感測器單元組成圖。
圖3是地下變形量測量集中處理裝置組成圖。
圖4是測量地下變形的兩個相鄰圓柱型集成感測器單元在地下發生變形圖。
圖5是彈性螺旋平行傳輸線結構圖。
圖6是Uout、L和X的三個變數之間的關係模型曲面圖。
圖中：1、2、（m-2）、（m-1）、m、圓柱型集成感測器單元，3、485匯流排，4、地下變形測量集中處理裝置， 5、天線，6、遠程接收裝置，7、上位機，8、地表，9、軟質緊縮套管，10、硬岩層，11、11'、11”均為彈性絕緣材料，12、螺旋繞制線，13、螺旋繞制線，14、Internet網。
技術領域
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》涉及一種地下變形測量方法及裝置，尤其是涉及一種地下變形量的三維測量方法及測量系統。
權利要求
1.一種地下變形量的三維測量方法，其特徵在於：將多個圓柱型集成感測器單元串接形成感測器串，其運用電磁互感、螺旋平行傳輸線TDR效應或電感效應、重力測斜、磁阻效應多種物理機理，測出兩個圓柱型集成感測器單元間的互感電壓Uout、螺旋平行傳輸線拉伸量L、傾斜角θ、傾斜的地磁方位角，通過Uout、L、θ與水平變形量X、垂直變形量Y的關係模型的建立，並與地面GPS空間坐標測量結合，實現依次從上到下圓柱型集成感測器單元逐對測出與空間坐標統一對應的地下變形三維坐標，且現場測量結果將通過GPRS或GSM傳送到遠方的PC機，在PC機上可描繪出測量區域內的地面到地下深部的土層運動變化情況和具體的坐標值，實現從地面到地下深部的岩土體變形的三維測量。
2.根據權利要求1所述的一種地下變形量的三維測量方法，其特徵在於：所述的螺旋平行傳輸線拉伸量L的測量方法有兩種，一種是基於TDR效應，一種基於電感量測量； TDR測量方法是在螺旋平行傳輸線的一端接一個匹配阻抗，另一端加一窄脈衝電壓，由於螺旋平行傳輸線的特性阻抗在拉伸前後會有變化，分析螺旋平行傳輸線拉伸前後的反射電壓波形的變化，可得出拉伸量ΔL的大小，加上原有的長度L0，可得出L=L0+ΔL；電感量測量方法是將運用螺旋平行傳輸線的一端短路，在另一端測量螺旋平行傳輸線電感量，經標定可得出不同一根螺旋平行傳輸線拉伸為不同長度的對應的電感量或感抗，從而得出上部集成感測器單元的下端面中心點和下部集成感測器單元的上端面中心點間的距離L。
3.根據權利要求1所述的一種地下變形量的三維測量方法，其特徵在於：所述的傾斜角θ、傾斜的地磁方位角的測量方法，將集成感測器單元中的測斜MEMS積體電路的xy坐標與地磁測量積體電路的東方北方坐標重疊安裝，則在集成感測器串所處的地質環境有變形時，一定是有集成感測器單元向變形的方向發生傾斜，則可得出該集成感測器的傾斜方向的方位角。
4.用於權利要求1所述方法的一種地下變形量的三維測量系統，其特徵在於：包括現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線感測通訊連線；其中：
1）現場測量儀器是由地下變形量集成感測器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；地下變形量集成感測器串由1~m個結構相同的圓柱型集成感測器單元串接而成，每個單元之間墊入的等厚硬性絕緣材料，用彈性螺旋平行傳輸線連線圓柱型集成單元的上下中心點，整個圓柱型集成感測器串封裝在軟質緊縮套管內，每個圓柱型集成感測器單元間通過485匯流排進行通訊和控制，地下變形量測量集中處理裝置的一端通過485匯流排與第m個圓柱型集成感測器單元連線，地下變形量測量集中處理裝置的另一端與天線連線；
2）遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連線，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連線。
5.根據權利要求4所述的一種地下變形量的三維測量系統，其特徵在於，所述的圓柱型集成感測器單元：包括線圈、測長的彈性螺旋平行傳輸線、MEMS測斜積體電路、地磁測量積體電路、正弦電壓發生電路、正弦電壓測量電路、螺旋平行線TDR效應或電感測量電路、485匯流排驅動電路、第一A/D轉換電路、第二A/D轉換電路、MCU電路；螺旋平行線TDR效應或電感測量電路的輸入端連線螺旋平行傳輸線，輸出端連線第一A/D轉換電路；再將第一A/D轉換電路的輸出端連線到MCU固定連線埠，正弦電壓發生電路和正弦電壓測量電路各自一端通過電子模擬開關連線到線圈，其中電子模擬開關由MCU控制；正弦電壓發生電路另一端通過正弦電壓發生控制線連線到MCU，正弦電壓測量電路的另一端連線第二A/D轉換電路，將第二A/D轉換電路另一端連線到MCU；MEMS測斜積體電路和地磁測量積體電路連線到MCU；485匯流排驅動電路的兩端分別連線485匯流排和MCU；當地下變形測量集中處理裝置通過485匯流排發出指令後，相應的一對圓柱型集成感測器單元得到回響，感測器內部的MCU將會測量圓柱型集成感測器單元之間的線圈互感電壓值Uout，兩感測器單元之間的軸線夾角θ，兩感測器單元之間的中心相對距離L和集成感測器的地磁方位值。
6.根據權利要求4所述的一種地下變形量的三維測量系統，其特徵在於，所述的地下變形測量集中處理裝置：包括MCU電路、485匯流排驅動電路、GPS測量模組和遠程通訊模組；MCU電路分別於遠程通訊模組、485匯流排驅動電路和GPS測量模組連線，通過485匯流排向地下變形量集成感測器串發出控制指令，通過遠程通訊模組向PC機傳送地下變形的測量信息。
實施方式
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》是綜合套用運用電磁互感、螺旋平行傳輸線TDR效應或電感效應、重力測斜、磁阻效應等多種物理機理，提出一種實現集前述的多種物理效應的集成感測器單元，通過測出兩個集成感測器間的互感電壓Uout、螺旋平行傳輸線拉伸量L、傾斜角θ、傾斜的地磁方位角，再經理論證明和實驗驗證得出Uout、L、θ與地下水平變形X、垂直變形Y的關係模型，在獲得X、Y與變形方位角的基礎上，從而與測得的GPS空間坐標相統一，實現地下變形的三維測量。
如圖1所示，《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》包括現場測量儀器和遠方測量儀器，兩者通過無線感測通訊連線；其中：
1）現場測量儀器是由地下變形量集成感測器串和地下變形量測量集中處理裝置組成；地下變形量集成感測器串由1~m個結構相同的圓柱型集成感測器單元串接而成，每個單元之間墊入的等厚硬性絕緣材料，用彈性螺旋平行傳輸線連線圓柱型集成單元的上下中心點，整個圓柱型集成感測器串封裝在軟質緊縮套管內，每個圓柱型集成感測器單元間通過485匯流排進行通訊和控制，地下變形量測量集中處理裝置的一端通過485匯流排與第m個圓柱型集成感測器單元連線，地下變形量測量集中處理裝置的另一端與天線連線；
2）遠方測量儀器是由遠程接收裝置、PC上位機組成；遠程接收裝置的一端與天線連線，遠程接收裝置的另一端與PC上位機連線。
如圖2所示，所述的圓柱型集成感測器單元：包括線圈、測長的彈性螺旋平行傳輸線、MEMS測斜積體電路、地磁測量積體電路、正弦電壓發生電路、正弦電壓測量電路、螺旋平行線TDR效應或電感測量電路、485匯流排驅動電路、第一A/D轉換電路、第二A/D轉換電路、MCU（單片機）電路；
L的測量方法有兩種，一種是基於TDR效應測量，一種基於電感量測量；測量L的螺旋平行傳輸線的結構見圖5，圖中的11、11'、11”均為彈性絕緣材料，12、13是兩層平行螺旋繞制的線圈，從而構成了螺旋平行傳輸線。基於TDR效應測量方法是在螺旋平行傳輸線的一端接一個匹配阻抗，另一端加一窄脈衝電壓，由於螺旋平行傳輸線的特性阻抗在拉伸前後會有變化，分析螺旋平行傳輸線拉伸前後的反射電壓波形的變化，可得出拉伸量ΔL的大小，加上原有的長度L0，可得出L=L0+ΔL；基於電感量測量方法是將運用螺旋平行傳輸線的一端短路，在另一端測量螺旋平行傳輸線電感量，經標定可得出不同一根螺旋平行傳輸線拉伸為不同長度的對應的電感量（或感抗），從而得出上部集成感測器單元的下端面中心點和下部集成感測器單元的上端面中心點間的距離L。
如圖2所示，螺旋平行線TDR效應或電感測量電路的輸入端連線螺旋平行傳輸線，輸出端連線第一A/D轉換電路；再將第一A/D轉換電路的輸出端連線到MCU固定連線埠，正弦電壓發生電路和正弦電壓測量電路各自一端通過電子模擬開關連線到線圈，其中電子模擬開關由MCU控制；正弦電壓發生電路另一端通過正弦電壓發生控制線連線到MCU，正弦電壓測量電路的另一端連線第二A/D轉換電路，將第二A/D轉換電路另一端連線到MCU；MEMS測斜積體電路（如MMA6260Q或其他型號）和地磁測量積體電路（如HMC5883或其他型號）連線到MCU；485匯流排驅動電路的兩端分別連線485匯流排和MCU；
這些電路裝在圓形印製電路板上，尤其是必須將測斜MEMS積體電路的xy坐標與地磁測量積體電路的東方北方坐標重疊安裝（因為在集成感測器串所處的地質環境有變形時，一定是有集成感測器單元向變形的方向發生傾斜，則可得出該集成感測器的變形方向的地磁方位角），圓形電路板的直徑與線圈內徑一致，圓形電路板須在徑向與線圈的軸向垂直的狀態下放置線上圈中間的圓柱空間中。
當地下變形測量集中處理裝置通過485匯流排發出指令後，相應的一對圓柱型集成感測器單元得到回響，感測器內部的MCU將會測量圓柱型集成感測器單元之間的線圈互感電壓值Uout，兩感測器單元之間的軸線夾角θ，兩感測器單元之間的中心相對距離L和集成感測器的地磁方位值。
如圖3所示，所述的地下變形測量集中處理裝置：包括MCU電路、485匯流排驅動電路、GPS測量模組和遠程通訊模組；是現場測量的控制中心和數據坐標換算終端。MCU電路分別於遠程通訊模組、485匯流排驅動電路和GPS測量模組連線，通過485匯流排向地下變形量集成感測器串發出控制指令，通過遠程通訊模組向PC機傳送地下變形的測量信息。
遠方測量儀器由遠程信息接收裝置、PC上位機、軟體系統組成。其中軟體系統包括通訊程式、人機界面軟體、信號處理程式、圖形軟體、資料庫軟體等；該軟體系統已登記若干軟體著作權。 已登記的軟體著作權：
1、登記號：2010SR014868，證書號：軟著登字第0203141號；
2、登記號：2010SR014867，證書號：軟著登字第0203140號；
3、登記號：2011SR003590，證書號：軟著登字第0267264號；
4、登記號：2011SR003611，證書號：軟著登字第0267285號；
5、登記號：2011SR003592，證書號：軟著登字第0267266號；
6、登記號：2010SR067669，證書號：軟著登字第0255942號；
7、登記號：2011SR067671，證書號：軟著登字第0255944號。
《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》的地下變形量的測量方法：
由地下變形量測量集中處理裝置，通過485匯流排，對集成感測器串中的1-m個集成感測器從上向下，兩個一對，依次發出指令，要求測出集成感測器兩兩間的互感電壓、傾斜角、螺旋平行傳輸線的拉伸量、傾斜的地磁方位角，並換算成集成感測器兩兩間水平變形量X和垂直變形量Y以及變形的方向，再與地面GPS空間測量結合，實現依次從上到下將逐個測出的水平變形量X、Y換算成與空間坐標統一的地下變形坐標。一對集成感測器兩兩間的測量是由相對下面的集成感測器中的正弦交流電壓發生電路發出Uin電壓加線上圈上，這時上面的集成感測器的線圈就感應到一個正弦交流電壓（即互感電壓）Uout，正弦交流電壓Uout的大小與兩個集成感測器的相互間的水平位置X、垂直距離Y、集成感測器軸線夾角θ有關，X、Y、θ的關係描述見圖4。相對上面的集成感測器的電路測到Uout的同時，也測出了集成感測器的傾斜角、傾斜方向的地磁方位角、螺旋平行傳輸線的伸長量，若以圖4的示意為例，因下面的集成感測器沒有動，這樣上面集成感測器的傾斜角即等於兩個集成感測器軸線的夾角，經理論證明和實驗驗證，建立了在不同集成感測器軸線夾角θ的狀態下，互感電壓Uout、水平位置（兩個集成感測器線圈中心間距）X、螺旋平行傳輸線的長度（上部集成感測器單元的下端面中心點和下部集成感測器單元的上端面中心點間的距離）L的關係模型，
圖6是θ分別為0°（黑色）、25°（淺灰色）、70°（深灰色）時的關係模型曲面圖，因此，在測出Uout、θ、L後，可得出X，再根據L2=X2+Y2，可算出Y，有了X、Y和傾斜的地磁方位角，即可換算出與GPS測量一致的空間坐標，從而得出地下變形的空間坐標。
地下變形量的測量工作過程：
現場測量儀器部分（由1~m集成感測器單元構成的集成感測器串和地下變形量測量集中處理裝置組成）運用前述地下變形量的測量方法，將測出的從地面到地下不同深度的各個部位的變形坐標，通過地下變形量測量集中處理裝置中的遠程通訊模組，用GPRS或GSM的方式，傳送到遠方的PC上位機；通常GPRS是通過移動通訊網進入到Internet網14，遠方的PC上位機通過有線或無線的方式與Internet網聯通，接收現場發來的數據；而GSM方式是現場以簡訊的形式傳送，遠方的遠程接收裝置以簡訊的方式接收。遠方PC上位機，將接收到的數據進行處理，並進行保存、數據表格顯示、曲線顯示、圖形顯示等一系列的軟體運行。
榮譽表彰
2020年7月14日，《一種地下變形量的三維測量方法及測量系統》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
