[发明专利]基于磁场的边坡深部变形失稳监测系统及监测方法

权利要求书

1.一种基于磁场的边坡深部变形失稳监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1)在边坡内布置若干个测点，每一个测点内埋设一个磁场发射元件；在边坡表面选择n个参考点，且n≥3，且至少三个参考点不共线，在每个参考点布置一个部分张量磁力梯度仪，所述部分张量磁力梯度仪包括两个三轴磁场传感器、微处理器、无线数据传输模块和工程塑料外壳，两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致，两个三轴磁场传感器的形心的连线沿z轴方向，部分张量磁力梯度仪x、y和z轴分别与两个三轴磁场传感器的x、y和z轴一致；两个三轴磁场传感器的形心之间的距离为0.5米；部分张量磁力梯度仪的原点o在两个三轴磁场传感器的形心连线的中心；测量时部分张量磁力梯度仪的z轴方向竖直向上，部分张量磁力梯度仪用于测量边坡内的各个测点处磁场发射元件的部分磁场梯度张量，选择其中一个参考点为监测时的坐标原点O，并定义监测坐标系Oxyz，其中：监测坐标系Oxyz的z轴方向竖直向上，监测坐标系Oxyz的x轴方向和y轴方向分别与部分张量磁力梯度仪的x轴方向和y轴方向保持一致，在监测坐标系Oxyz下，测量参考点的三维坐标，为(x_i，y_i，z_i)，并测量磁场发射元件的初始三维坐标，为(x，y，z)；

S2)计算磁场发射元件在参考点处的磁感应强度沿着z轴方向的变化率：

B_xA和B_xB分别为A和B处的x方向的磁感应强度，A、B分别为两个三轴磁场传感器，从B到A为z轴正方向；B_yA和B_yB分别为A和B处的y方向的磁感应强度；B_zA和B_zB分别为A和B处的z方向的磁感应强度；L为两个三轴磁场传感器之间的距离，取0.5米，B_xA和B_xB，B_yA和B_yB，B_zA和B_zB由部分张量磁力梯度仪中的三轴磁场传感器测得；

S3)计算各参考点处磁场梯度张量的局部模量C_Z,i

磁场发射元件在参考点处的磁场梯度张量的局部模量为：

式(2)中，B_xz、B_yz和B_zz为磁感应强度沿着z轴方向的变化率；

由于有不少于三个参考点，通过式(2)依次得到各参考点处的C_Z,i；

S4)计算各参考点处的参数k_z,i

参考点与测点之间的几何关系为：

式中，为磁场发射元件至参考点的连线和磁偶极子的轴线的夹角，(x，y，z)为磁场发射元件的初始三维坐标，在埋设时进行测量，为已知，(x₀，y₀，z₀)为参考点的坐标；

磁矩参数m(m_x,m_y,m_z)，其中三个方向的磁矩分量分别为m_x、m_y和m_z；m_z＝mcosθ，其中，为方位角，θ为磁偶极子的轴线与z轴的夹角，为磁偶极子的轴线在xoy平面的投影与x轴的夹角，对于磁场发射元件，钕铁硼磁铁置于万向支架的中心，钕铁硼磁铁的磁偶极子的轴向始终保持竖直，即θ＝0，可简化为m(0,0,m)，同时式(3)简化为：

k_z与磁场发射元件至参考点的距离r无关，k_z仅与磁场发射元件至参考点的连线和磁偶极子的轴线的夹角相关，参数k_z近似为：

式中，为磁场发射元件至参考点的连线与磁偶极子的轴线的夹角，当时，参数k_z的取值与对应的取值对称；

由于有不少于三个参考点，参考点坐标(x₀，y₀，z₀)依次取n个参考点中(x_i，y_i，z_i)中的每一个坐标，通过式(4)和式(5)得到各参考点处的k_z,i；

S5)计算磁矩m

钕铁硼磁铁在自然界中磁性恒定不变，近似认为磁矩m的数值恒定不变，则磁场发射元件的磁距m为：

式(6)中，μ₀为介质磁导率，m为磁矩，C_Z取初始状态各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，r取初始状态下各参考点至测点的距离，由于有n个参考点，则由式(6)得到n个磁距参数，理论上每个磁矩参数应相等，由于实际测量时误差会存在差别，对n个磁距参数求平均值得到最终的磁距m；

S6)计算边坡变形过程中磁场发射元件至各参考点的距离

边坡变形过程中，磁场发射元件至各参考点的距离r_i可表示为：

式(7)中，C_Z,i取边坡变形过程中各参考点处的磁场梯度张量的局部模量，k_z,i为各参考点处的k_z参数，m为磁距；

S7)计算边坡变形过程中磁场发射元件的三维坐标(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)，为参考点的三维坐标，r_i为磁场发射元件至参考点的距离；

求解方程(8)得到磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)，在边坡后续的变形过程中，通过连续的测量，依次通过S2)、S6)、S7)得到任意时刻磁场发射元件的三维坐标(X，Y，Z)；

S8)边坡变形的预警

通过磁场发射元件在任意时刻的三维位移(X，Y，Z)，得到三维坐标的变化(ΔX，ΔY，ΔZ)；其中磁场发射元件的三维位移变化为：ΔX为任意时刻的X减去前一时刻的X；ΔY为任意时刻的Y减去前一时刻的Y；ΔZ为任意时刻的Z减去前一时刻的Z，通过(ΔX，ΔY，ΔZ)来判断边坡的深部变形，对边坡的安全进行预警。