周期性傳感器陣列的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器技術。具體來講，本發(fā)明涉及用于測量土壤和土木結構的形狀以及隨時間推移的形狀改變的工具或設備。本發(fā)明表示在以下專利中描述的發(fā)明的改善:美國專利 N0.6，127，672，2000 年 10 月 3 日授予 Lee Danisch(Danisch，672);美國專利 N0.6，563，107，2003 年 5 月 13 日授予 Lee Danisch 等人(Danisch’107)和美國專利N0.7，296，363，2007 年 11 月 20 日授予 Lee Danisch 等人(Danisch，363”)，以及在現(xiàn)有技術的傾斜儀技術上的改善。
[0002]除其它之外，在巖土感測領域中，優(yōu)選用于監(jiān)測滑坡和施工工地的運動的應用。
【背景技術】
[0003]在巖土工程領域中，被稱為傾斜儀的儀器可用于測量在垂直或水平井孔中的傾斜，以用于基于一個或兩個自由度傾斜、傾斜儀的長度和傾斜儀關于其長軸的已知取向來計算井孔路徑的目的，所述長軸通過在用作井孔襯壁的傾斜儀套管中的直溝槽來控制。傾斜儀或者沿套管移動并相隔一定空間距離停止以用于讀取傾斜(橫動傾斜儀)，或者多個傾斜儀擱置在套管中并相隔一定時間間隔讀取(就地傾斜儀)。橫動傾斜儀和就地傾斜儀在這里將被稱為“常規(guī)傾斜儀”。
[0004]在就地傾斜儀上的改善已取得專利權(Danisch’363)。所述就地傾斜儀是由配有傾斜傳感器的剛性管(剛性體)組成的校準測量儀器，所述管通過抗扭曲的內置可彎曲接頭分隔開，其可在無溝槽狀套管的情況下直接用以測量路徑形狀和沿路徑的振動。Danisch’ 363在下文中將被稱為“SAA”，或ShapeAccelArray。SAA不需要套管中有溝槽以執(zhí)行每個剛性體關于SAA的長軸的方位角對齊?？古で宇^保持方位角對齊。在制造過程結束時，通過使用在每個主體中的X傾斜傳感器和Y傾斜傳感器，以當SAA大致水平時測量每個主體的“滾動”角，來校準在制造過程中未進行物理控制的每個剛性體的方位角。在制造過程中，校準傳感器的全部偏移和增益，以便可以在寬的溫度范圍并在全部角度上進行精確的傾斜測量。
[0005]常規(guī)傾斜儀和SAA均依賴于傾斜的重力測量。測量傾斜等于確定在參考系中由彈簧支撐的質量塊隨參考系的軸傾斜而發(fā)生作用的重力矢量的一部分。在一些情況下，常規(guī)傾斜儀使用液體填充的彎管代替彈簧和質量塊。在其它情況下，使用伺服控制的彈簧和質量塊。
[0006]類似于傾斜儀的另一種現(xiàn)有技術測量系統(tǒng)為“巴塞特收斂系統(tǒng)”。所述系統(tǒng)為在橫截面平面中全部形成環(huán)繞隧道圓周的弧的臂(金屬桿)的陣列。所述臂之間的角度用杠桿式傾斜傳感器來測量，所述杠桿提供對運動的放大和對橫截面的改變形狀的適形能力。角度測量是針對一個自由度的。收斂是隧道壁朝向或遠離隧道中心的運動。通過布置在成型為圓弧并附接到隧道內壁(其也在橫截面平面中)的管內的SAA進行類似測量。所述弧的角變形是在一個自由度上進行測量的，并用于測量如在巴塞特收斂系統(tǒng)中的平面收斂。
[0007]常規(guī)傾斜儀和SAA兩者的不足均包括:
[0008].系統(tǒng)不能沿所述路徑軸向地壓縮或擴展，或者不能測量鄰近儀器的介質的軸向變形，諸如沉降土壤的壓縮，或膨脹土壤的擴張。這是因為路徑通常是直的。例如，環(huán)繞傾斜儀套管的土壤壓縮將不改變套管的長度或儀器內部的傾斜。在一些情況下，可伸縮套管用于使得套管能夠隨土壤壓縮變化而縮短或延長，但保持傾斜不變；這即是目的。測量套管或土壤的壓縮需要其它使用儀器。甚至可安裝在非常柔性的套管中但被安裝為平直的SAA將不受環(huán)繞套管的土壤壓縮或延伸的影響，除非在非常大的橫向變形(例如，由于滑坡)的情況下，這可導致由于在一個軸向位置處的大的橫向剪切而造成的從路徑的一端向另一端的位移的垂直分量上的一些改變。但甚至當發(fā)生橫向變形時，軸向變形(如果有的話)不能與橫向變形區(qū)別開。只有在已知首先發(fā)生橫向變形并且然后已知隨后發(fā)生僅軸向壓縮或延伸的時候，所述使用儀器將能夠測量完全可信的總軸向分量。然而，這種順序的僅橫向和軸向運動的發(fā)生是未知的，并且是假設的。即使它們確實發(fā)生了，仍將不提供在沿路徑的不同標高處的軸向變形的細節(jié)。巴塞特收斂系統(tǒng)允許沿其彎曲弧的一些擴展，但不測量該擴展，隧道通常也不改變它們的圓周；它們通常改變形狀同時保持恒定的弧長度。
[0009].當路徑接近水平時不能測量路徑的橫向變形。這是因為重力儀器關于重力矢量的任何旋轉不改變重力對儀器的影響。
[0010].不能用一臺儀器測量表面的形狀。大多數(shù)現(xiàn)有技術傾斜儀和SAA儀器測量初始直線的變形。將需要多臺直線儀器以定義表面的形狀。
[0011].不能測量在沿著路徑或接近路徑的不同位置處的軸向變形的細節(jié)。這是在不測量任何軸向變形或在以上引用的SAA首先經(jīng)歷僅橫向變形隨后經(jīng)歷僅軸向變形的假設情況下的結果，其中，將不存在沿路徑的軸向變形的細節(jié)；僅對于一個橫向變形特征(諸如在一個軸向位置處的剪切)的一個軸向變形數(shù)。
[0012]?不能測量除在收斂測量的弓形路徑(諸如在弧中的SAA或巴塞特收斂系統(tǒng)的弧)的垂直平面內的變形之外的變形。收斂測量受限于朝向或遠離隧道中心的移動，其通過布置成弧形或圓形的傾斜傳感器或角度傳感器來執(zhí)行。沒有由在弧形或圓形的平面之外的方向上的變形構成的測量。
[0013].不能將測量儀器固定在套管或管內的。在井孔和其它窄通道中的儀器必須能夠自由通過進入到通道中，當進行測量時還建立與通道壁的固定接觸。對于SAA，上述是使用當在軸向壓縮下時膨脹的接頭來完成的，但膨脹的范圍僅足以使接觸部分地穩(wěn)定。對于傾斜儀，彈簧加載的輪用于在套管中的溝槽中接合，但這些可以變得磨損并且制造費用昂貴且難以處理。其它緊固方法是可用的，諸如可膨脹囊，但這些是昂貴和復雜的。
[0014]常規(guī)傾斜儀和SAA的現(xiàn)有技術描述限制于通常初始直的路徑，并且不預期或允許計算由幾何形狀引起的延伸和壓縮(或總體，或沿路徑的詳細情況)以及橫向變形，所述幾何形狀導致在特意非直路徑的端部之間的直線間距的改變。SAA和傾斜儀的現(xiàn)有技術也不考慮沿大致水平的中軸安裝，其中提供在水平平面內的中軸的橫向變形的測量。中軸是指與包含傾斜儀或SAA的路徑的表面的最長尺寸軸向對齊的直線或曲線。它遵循路徑的“中心”。對于直路徑，則其就是所述路徑。對于波狀路徑，中軸落在大致等份的起伏之間。稍后在本說明書中將更細致地定義中軸。
[0015]現(xiàn)有技術SAA和傾斜儀的描述限于大致垂直、傾斜或水平的直路徑的形狀，其中不可以延伸或壓縮路徑，并且不可以測量在水平平面中的水平路徑的橫向變形。例外的是通過在垂直平面中的一個自由度(1D0F)傳感器的圓形或弧形執(zhí)行的收斂測量。然而，這些弓形測量限于在平面內的運動，并且或者難以與表面(巴塞特收斂系統(tǒng))物理地配合，或者是不完全的配合(在塑料管內SAA為弓形或圓形形狀)。SAA的不完全配合稍后將在本說明書中進行說明。
[0016]在現(xiàn)有技術中，通過將SAA置于直管中并致使接頭在軸向壓縮下膨脹以接觸管的內表面來安裝SAA。這幫助將SAA穩(wěn)定在管內，但不足以阻止所有運動。接頭必須足夠短以減少扭曲，但該短小限制接頭可在軸向載荷下膨脹的程度。在插入到管中或從管中取出的過程中膨脹必須減少，為此接頭必須足夠柔性，同時仍具有足夠的剛度以在膨脹時保持管內的陣列穩(wěn)定。結果是導致不完全固定的陣列的折衷。
[0017]在巖土工程領域中，有必要測量表現(xiàn)出由于延伸或壓縮造成的變形，在一些情況下還伴隨由于一層或多層土壤的剪切(諸如在不穩(wěn)定斜坡或滑坡中)造成的橫向變形的土壤變形。土壤的壓縮通常與可壓縮介質(諸如土壤內的泥煤)的存在或空隙的存在相關聯(lián)。延伸可以由膨脹粘土的存在或存在于土壤中的膨脹化合物引起，或由旨在使軟土穩(wěn)定的灰漿的注射引起。為措辭簡單起見，除非另有定義，否則術語“延伸”(或“壓縮”)將用于涵蓋這兩種情況，因為延伸或壓縮可以是正向的或負向的(我們可以認為負向延伸是壓縮)。延伸可以使用靠近井孔固定到土壤的磁鐵和沿土壤中的井孔移動的磁性傳感器來測量，但是該測量不提供橫向變形數(shù)據(jù)，并需要手動地移動傳感器。
[0018]在巖土工程領域中，有必要測量在斜坡坡腳處的橫向變形，其中上面的剪切作用可導致橫向接近斜坡底(“坡腳”)的土壤的鋪展。如果SAA或常規(guī)傾斜儀被水平安裝在斜坡坡腳處，那么其將提供在垂直平面但非水平平面內的變形的測量。這是因為由于重力場關于垂直尺寸的對稱性，導致感測不到重力設備在水平平面內的旋轉?？梢园惭b多個垂直SAA或常規(guī)傾斜儀以提供在水平平面內的變形數(shù)據(jù)，但這是昂貴的。
[0019]在隧道和壁測量領域中，沿隧道或壁布置成大致水平路徑的常規(guī)傾斜儀或SAA的安裝將不測量橫向變形，因為由于重力場關于垂直尺寸的對稱性而造成感測不到重力設備在水平平面內的旋轉。例如，如果壁凸出，或如果由于在附近挖掘或灌漿而造成隧道壁在水平平面內彎曲，那么在水平平面內凸出或彎曲的分量將不被上述水平放置的儀器測量。可以安裝多個垂直的常規(guī)傾斜儀或SAA，各自從遠低于隧道或壁的非移動土壤延伸，但該解決方案是昂貴的并且難以安裝。
[0020]另外在隧道測量領域中，已知的是將常規(guī)傾斜儀或SAA沿隧道的頂部、底部或壁放置于水平路徑中，從而提供在垂直平面但從不在水平平面內的變形的測量。還已知的是將此類儀器置于環(huán)繞隧道的垂直橫截面的圓周或圓周一部分的大致圓形路徑中以用于測量收斂，所述收斂由隧道壁在垂直平面內的任何角度下朝向或遠離隧道中心的運動組成。但不存在用于使用具有單路徑且基于重力的單個儀器來測量隧道的三維(3D)形狀的設備和方法，其中“三維”意味著垂直沉降、水平曲率和收斂。類比將測量蛇狀物的所有運動，包括水平起伏和垂直起伏及其橫截面形狀。
[0021]更具體地，在上面介紹的收斂測量領域中，在現(xiàn)有技術中的測量總是在儀器的弧形平面內。存在著對于單臺儀器的需要，以提供不僅在平面內的數(shù)據(jù)，還有從平面延伸出來并且包括與沿隧道的軸向運動相關聯(lián)的隧道的3D方面的數(shù)據(jù)。
[0022]在巖土工程領域中，有必要使用排列在大致水平路徑中的常規(guī)傾斜儀或SAA的安裝，來測量在垂直平面內的形變，其中，允許延伸、允許儀器的一部分在平面內向上或向下彎曲(例如起伏或沉降)，并允許橫向運動，并且測量所有參數(shù)。例如，期望鄰接鐵路軌道來安裝傾斜儀或SAA，以檢測支撐枕木和軌道的道渣的變化，或沿道路的路肩安裝以檢測路肩的侵蝕。水平直線儀器的局限性在于，如果道渣或路肩材料從路徑下方移除，諸如通過侵蝕或沉降，儀器的路徑可以保持不彎曲，因為該儀器是不可延伸的并且在沉降區(qū)域的兩邊緣處保持張力。因此，可以發(fā)生沉降而不測量沉降，或可以大的深度衰減來測量沉降。
[0023]在巖土工程領域中，有必要固定傾斜儀或SAA，使得它們不在套管內移動，這導致在傾斜測量或振動測量中的誤差。
[0024]常規(guī)傾斜儀通常安裝在溝槽狀套管中，其中輪接合在溝槽中以提供傾斜儀主體與套管壁的方位角控制和一致配準。SAA通常安裝在非溝槽狀套管中。SAA具有抗扭轉接頭并且已被校準以提供沿SAA的一致方位角。套管的直徑和傾斜儀或SAA的剛性體的長度和直徑設定了套管在不干擾測量的情況下可以彎曲的量的上限。所述干擾可由剛性體的彎曲或在測量、安裝或取出期間不能沿套管移動儀器而產(chǎn)生。當存在大的變形或用于安裝在巖石中時這是嚴重的問題，在所述巖石中套管的彎曲可以是非常尖銳和生硬的。通常期望安裝較大直徑的套管，并且在此類情況下使用較短的剛性體，但這導致更大的花費和松動的儀器。在現(xiàn)有技術中未描述在不添加夾具且接頭不膨脹的情況下使小直徑儀器適形于大直徑圓筒的內部的方法。
[0025]現(xiàn)有技術的發(fā)明已包括非直傳感器路徑，但一直依賴于彎曲和扭曲傳感器(“曲率”傳感器)。例如Danisch’107(形繩”)描述“測量設備，其用于以能夠以至少一個自由度彎曲并沿中軸或平面延伸的柔性的、適形的、測量構件形式，提供對應于空間中幾何構型的數(shù)據(jù)。所述構件具有分布在構件上的已知位置處的間隔開的撓曲傳感器，并以已知傳感器間距分開以提供指示存在于該位置處的撓曲的局部狀態(tài)的撓曲信號。所述構件包括大量形成即成型光纖，這些光纖包括具提供撓曲傳感器的傳感部分的傳感光纖，不同光纖的傳感部分位于沿構件的不同距離處，以便位于傳感器間距處，形成的光纖為相互支撐關系，如通過連續(xù)或重復互相接觸。此類光纖可構成大部分或所有的構件?！?br>[0026]使用在級聯(lián)陣列中的撓曲傳感器的設備經(jīng)歷嚴重的缺陷:當傳感器中的一個存在誤差時，以計算順序經(jīng)過該點的所有陣列的取向將共受誤差的角度偏移，這將造成表示測量路徑的整個數(shù)據(jù)集依照誤差的角度而遠離路徑擺動。這可導致在路徑末端處的巨大位移。
[0027]進一步地，在Danisch’ 107中，光纖被預先形成并且為不適于被軸向壓縮并從而橫向膨脹以適形于封閉表面的相互支撐關系。事實上，Danisch’107認為將單獨延伸傳感器用于可以拉伸的形繩的彈性體形式。Danisch’ 107沒有教導可以卷起到卷盤上的直陣列，所述卷盤可以被部署為直的，并且然后通過將其插入到井孔中并施加軸向壓縮力而形成為螺旋線。相反，Danisch’ 107需要大量光纖被預先形成為固定尺寸的相互支撐的螺旋線，該構型并不適合于使用重力傳感器測量傾斜。沒有教導由柔性接頭分離的剛性體，剛性體提供了參照重力沿區(qū)域均勻地采樣傾斜的方法，而不是沿通過與物體接觸容易扭曲的柔性構件采樣彎曲。沒有教導在剛性體之間提供抗扭剛度但允許彎曲的柔性接頭。沒有教導所有傳感器參考重力，使得取向誤差不能向上傳播計算鏈。沒有提教導在剛性體中的傳感器，使得取向可以通過重力傳感器直接讀取，而不是從彎曲和扭曲的測量來推斷。有提出將光學纖維或電容纖維陣列(其本身已經(jīng)為螺旋繩形)形成為螺旋形式，但這沒有更多區(qū)別于形成彈簧或構建螺旋梯現(xiàn)有技術。提出的是作為柔性構件內部周期性結構的結果通過該柔性構件可以采用的形式的描述。
[0028]本發(fā)明將螺旋、波狀和Z字形形式(周期性形式)結合到測量具體新參數(shù)的方法中，同時改善傳感器陣列與被測量的那些；但那不是全部的配合。主要的發(fā)明步驟是利用MEMS (微機械機電系統(tǒng))加速計來進行測量，雖然似乎不可以這樣做，因為由于重力的方向性造成它們取向范圍受限制。
[0029]彎曲和扭曲傳感器可以容易地測量繩狀結構的3D撓曲，無論其總體取向可以是什么；然而如果總體取向是在約垂直的+/-60度，那么靜態(tài)加速計測量(“傾斜”測量或“重力”測量)只能預先用于進行3D測量。這是因為根本既不是X傳感器、Y傳感器，也不是Z傳感器響應關于重力矢量的旋轉，并且X傳感器和Y傳感器(當SAA是垂直的時對于傾斜最大響應的那些)下降以響應與垂直面的角度的余弦。在本發(fā)明之前，實現(xiàn)3D測量垂直平面的唯一方式是沿平面安裝多個垂直SAA，每個SAA延伸到靜止土壤中以用于參考，使得各自由固定參考提供3D數(shù)據(jù)。沒有辦法沿水平平面內的水平溝渠和捕捉運動延伸SAA或傾斜儀。也有人認為不可以將土壤沉降運動耦合到薄、直傳感器陣列。一旦考慮SAA的螺旋形式，似乎仍不可將那種形式耦合到土壤沉降運動，直到認識到泊松比和螺旋線應變比之間的關系(該關系稍后在本說明書中詳細說明)為止?，F(xiàn)在，在傳感器的小型化和用于接頭的施工方法中的進步使得可以考慮匹配兩個比率所必需的低螺距角。
[0030]雖然3D測量可以用彎曲和扭曲傳感器在全部球面范圍上的取向進行，但對彎曲和扭曲傳感器的精確度不包括它們用于監(jiān)測巖土參數(shù)。幾十年來，在幾十米的陣列長度上，巖土測量必須精確到一或兩毫米。事實上，低成本的彎曲和扭曲傳感器(諸如在Danisch’ 107和’ 672的現(xiàn)有技術中所用的光學纖維曲率傳感器)不能這么精確。它們能夠約1cm每米每天，這是用于巖土測量的太差的數(shù)量級。
[0031]周期性形式的適配與重力傳感器一起使用以在點處測量，而不是在路徑長度上積分曲率的光學或電容性傳感器需要引入剛性體以容納“點”傳感器，與接頭長度相比，剛性體足夠長以適當?shù)乇硎娟嚵械膬A斜。實際感測裝置還需要接頭的設計，這樣它們可以盡可能長，而不需要昂貴的機制。具有單調且恒定的彎曲和/或扭曲的長接頭的概念實現(xiàn)長得多的接頭，如果使用的話，那么可以保持恒定。
[0032]改善的2D數(shù)據(jù)也可以用本發(fā)明來獲得。水平貯存在溝渠中的直陣列可以錯過沉降，諸如從陣列下面的所有材料的沖洗，因為它們是不可延伸的并且將簡單地穿過沖洗而沒有明顯的下陷。波狀陣列將允許延伸并進行測量，這是非常有用的，即使只用Z傳感器僅進行2D測量。在其中在該圓形的平面內僅需要2D收斂測量的情況下，通過使陣列環(huán)繞其大致圓形路徑為波狀可以進行改善的收斂測量，所述路徑環(huán)繞隧道的圓周。在該收斂情況下，改善來自更好地固定在波狀套管內的陣列，并且對圓形路徑添加可延伸性。鐵路軌道的傾斜和扭曲的測量是通過周期性部署所賦予的改善的另一個2D (可以說是3D方面)示例，因為是在水平平面內用于測量水平表面的沉降剖面的陣列的其它波狀。
[0033]類