本文選題：地下位移測量 + 傳感器��； 參考：《浙江大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：地下位移監(jiān)測是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測、巖土工程項(xiàng)目質(zhì)量安全評(píng)價(jià)的重要手段及研究熱點(diǎn)。它可以深入巖土體內(nèi)部進(jìn)行地下不同深度水平位移、沉降、傾斜方向等地質(zhì)參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測,因此能準(zhǔn)確檢測地下位移形變信息,確定滑移面和變形范圍,進(jìn)而研究變形機(jī)制、成災(zāi)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及防災(zāi)預(yù)報(bào)。監(jiān)測上的不可見和復(fù)雜性導(dǎo)致地下位移監(jiān)測技術(shù)發(fā)展緩慢,存在精度差、成本高、非自動(dòng)化或難于準(zhǔn)確計(jì)算地下位移量等問題。本文提出了一種基于新型電磁式地下位移傳感器組和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的地下位移自動(dòng)測量及遠(yuǎn)程監(jiān)控方法,設(shè)計(jì)了水平型(Ⅰ型)和水平-垂直復(fù)合型(Ⅱ型)兩款電磁式地下位移傳感器。針對(duì)這兩款傳感器進(jìn)行了地下位移測量方法及相關(guān)理論的深入研究工作。綜合考慮影響Ⅰ、Ⅱ型傳感器傳感特性的各種因素及相關(guān)參數(shù),提出了三個(gè)具有較高計(jì)算精度且適合硬件實(shí)現(xiàn)的測量理論模型。利用這三個(gè)測量模型,對(duì)Ⅰ型、Ⅱ型地下位移傳感器獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)反演,推算出地下不同深處的相對(duì)水平位移量、垂直位移量及傾斜角度。實(shí)驗(yàn)和理論仿真對(duì)比研究結(jié)果既檢驗(yàn)了Ⅰ、Ⅱ型傳感器的地下位移測量性能,又驗(yàn)證了上述測量模型及地下位移反演算法的有效性,同時(shí)也構(gòu)成了較完備的地下位移測量理論基礎(chǔ)。 本文主要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)如下： (1)提出了一種新的地下位移測量方法。即將電磁理論、霍爾效應(yīng)、重力測斜等傳感機(jī)制相融合,結(jié)合現(xiàn)代集成傳感技術(shù)和通信技術(shù),設(shè)計(jì)了一種新型的地下位移測量儀和GPRS無線監(jiān)控系統(tǒng)。測量儀采用地下位移測量串的組織形式,由多個(gè)等距間隔的集成地下位移傳感器單元與一個(gè)地下位移測量集中處理單元串接組成。任兩相鄰傳感器單元構(gòu)成一個(gè)電磁式地下位移傳感器,可測出地下某深度處的相對(duì)位移和傾斜角度,而整個(gè)測量串則可實(shí)現(xiàn)從地表直至地下不動(dòng)巖之間整體位移及傾斜角度的測量；配套開發(fā)的GPRS無線監(jiān)測系統(tǒng)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)地下位移和傾斜量的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化傳輸及監(jiān)控。針對(duì)不同應(yīng)用場合,設(shè)計(jì)出水平型(Ⅰ型)和水平-垂直型(Ⅱ型)兩款地下位移傳感器。前者主要用于如順層滑坡、邊坡、基坑及圍護(hù)樁、公鐵路路基等以側(cè)向變形為主的巖土項(xiàng)目的地下水平位移監(jiān)測；后者常用于像崩塌、旋轉(zhuǎn)滑坡、地塌陷、地沉降、軟土基、隧道、圍巖等需要對(duì)水平和垂直兩個(gè)方向的地下位移同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測的應(yīng)用場合。 (2)針對(duì)Ⅰ型傳感器主要對(duì)地下水平位移和傾斜角進(jìn)行監(jiān)測的應(yīng)用特點(diǎn),將電磁場公式推導(dǎo)法和等效圓環(huán)模型相結(jié)合,提出了稱為“公式-圓環(huán)等效法”(EELA)的互感電壓測量模型。建立起Ⅰ型傳感器待測的地下水平位移量、傾斜角度與傳感器輸出互感電壓及傳感器單元幾何形狀參數(shù)之間的理論關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果論證了該模型的準(zhǔn)確性和有效性。 (3)針對(duì)Ⅱ型傳感器需對(duì)地下水平位移、垂直位移及傾斜角同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測的特點(diǎn),將電磁場公式推導(dǎo)法、等效圓環(huán)法和數(shù)值積分法相融合,提出了稱為“數(shù)值積分-圓環(huán)等效法”(NIELA)的互感電壓測量模型,用于描述Ⅱ型傳感器待測地下水平位移量、垂直位移量、傾斜角度與傳感器的互感電壓輸出、傳感器單元幾何、形狀參數(shù)之間的理論關(guān)系。 (4)將霍爾傳感機(jī)理分析、永磁體3D磁場建模和多維數(shù)值積分法相結(jié)合,提出了稱為“等效磁荷-數(shù)值積分法”(EMC-NI)的霍爾電壓測量模型,用于描述Ⅱ型傳感器待測地下水平位移量、垂直位移量、傾斜角度與傳感器的霍爾電壓輸出、傳感器單元及永磁體幾何、形狀、材料特性參數(shù)之間的理論關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NIELA和EMC-NI模型能較準(zhǔn)確高效地描述Ⅱ型傳感器的互感和霍爾特性。二者構(gòu)成Ⅱ型傳感器的地下位移測量模型。 (5)提出了基于“正演模擬-尋優(yōu)反演法”的地下位移反演算法。該算法將上述3個(gè)具有較高精度的測量模型分別作為Ⅰ、Ⅱ型傳感器的正演模型,結(jié)合尋優(yōu)逼近反演法,實(shí)現(xiàn)對(duì)Ⅰ型傳感器地下水平位移的反演和對(duì)Ⅱ型傳感器地下水平和垂直位移的聯(lián)合反演。研究結(jié)果表明,所提出的地下位移參數(shù)反演算法是穩(wěn)定有效的,Ⅰ傳感器的水平位移反演偏差平均值小于3mm(實(shí)測水平位移變化范圍0-100mm),Ⅱ型傳感器的水平位移和垂直位移的反演偏差平均值分別小于2mm和0.5mm(實(shí)測水平位移和垂直位移變化范圍均為0～30mm),反演結(jié)果能較準(zhǔn)確地預(yù)測傳感器所埋地層處的相對(duì)水平位移量和垂直位移量。 (6)將基于上述三個(gè)理論模型計(jì)算所得互感電壓、霍爾電壓理論值與互感電壓、霍爾電壓實(shí)驗(yàn)實(shí)測值進(jìn)行綜合比對(duì)分析和參數(shù)反演應(yīng)用研究,一方面客觀評(píng)估這三個(gè)模型的建模有效性和計(jì)算精確度,為定性分析和定量評(píng)估Ⅰ型和Ⅱ型傳感器的傳感特性、影響因素及傳感器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持和指導(dǎo)意見；另一方面,將上述理論建模的高精度和傳感器自身測數(shù)的穩(wěn)定性相結(jié)合,通過實(shí)施基于正演模型的尋優(yōu)反演算法,將Ⅰ型和Ⅱ型傳感器輸出的互感電壓和霍爾電壓直接換算成Ⅰ、Ⅱ型傳感器所監(jiān)測地下巖土體的水平位移量和垂直位移量,具有直觀、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號(hào)】：P227;TP212.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2080040