二分傳感器陣列的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]該發(fā)明涉及傳感器技術(shù)。具體地，本發(fā)明涉及用于測(cè)量土壤和土木結(jié)構(gòu)的形狀以及形狀隨時(shí)間的變化的工具或設(shè)備。本發(fā)明表示在Lee DaniSCh(DaniSCh' 672)于2000年 10 月 3 日發(fā)布的美國(guó)專利 N0.6，127，672 ；Lee Dannisch 等人(Danisch' 107)于 2003年5月13日發(fā)布的美國(guó)專利6，563，107，以及Lee Danisch等人(Danisch' 363)于2007年11月20日發(fā)布的美國(guó)專利7，296，363中所描述的發(fā)明中的改善，以及對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的傾斜計(jì)技術(shù)的改善。
[0002]其中的優(yōu)選應(yīng)用在用于監(jiān)控滑坡運(yùn)動(dòng)和施工場(chǎng)地的地質(zhì)技術(shù)感測(cè)的領(lǐng)域中。
【背景技術(shù)】
[0003]在地質(zhì)技術(shù)工程領(lǐng)域中，被稱作傾斜計(jì)的儀器可用于測(cè)量垂直鉆孔或水平鉆孔中的傾斜，以用于基于一個(gè)自由度傾斜或兩個(gè)自由度傾斜、傾斜計(jì)的長(zhǎng)度以及傾斜計(jì)關(guān)于其長(zhǎng)軸的已知取向來(lái)計(jì)算鉆孔的路徑的目的，其中傾斜計(jì)的已知取向在給鉆孔加襯的傾斜計(jì)套管中由筆直凹槽控制。傾斜計(jì)沿著套管移動(dòng)并在空間間隔處停止以用于讀取傾斜(橫向傾斜計(jì))，或者多個(gè)傾斜計(jì)在套管中靜止并且在時(shí)間間隔處進(jìn)行讀取(原地傾斜計(jì))。橫向傾斜計(jì)和原地傾斜計(jì)在此將被稱為“常規(guī)傾斜計(jì)”。
[0004]對(duì)原地傾斜計(jì)的改善已經(jīng)取得專利(DaniscM 363)。可在沒(méi)有帶槽套管的情況下直接使用以便測(cè)量路徑形狀和沿路徑的振動(dòng)的是校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，所述校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器由配備有傾斜傳感器的剛性管(剛性體)組成，所述管由抗扭曲的內(nèi)置可彎曲接頭隔開(kāi)。Danisch' 363在下文中將被稱為“SAA”，或ShapeAccelArray。SAA不要求套管中的凹槽執(zhí)行每個(gè)剛性體關(guān)于SAA的長(zhǎng)軸的方位角對(duì)準(zhǔn)?？古で宇^維持方位角對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)使用每個(gè)主體中的X傾斜傳感器和Y傾斜傳感器，在制造過(guò)程結(jié)束時(shí)對(duì)在制造期間未被物理上控制的每個(gè)剛性體的方位角進(jìn)行校準(zhǔn)，以便當(dāng)SAA大致水平時(shí)測(cè)量每個(gè)主體的“滾動(dòng)”角。在制造期間，校準(zhǔn)傳感器的所有偏移和增益，使得可在廣泛的溫度范圍內(nèi)以及在所有角度范圍內(nèi)作出精確的傾斜測(cè)量。
[0005]兩種常規(guī)傾斜計(jì)和SAA依賴于傾斜的重力計(jì)量測(cè)量。由于參考系的軸是傾斜的，所以傾斜的測(cè)量相當(dāng)于在參考系中確定作用于由彈簧支撐的質(zhì)量塊上的一部分重力向量。在一些情況下，常規(guī)傾斜計(jì)使用充液彎管而不是彈簧和質(zhì)量塊。在其他情況下，使用伺服控制彈簧和質(zhì)量塊。
[0006]從傾斜計(jì)算形狀從現(xiàn)有技術(shù)中已知。通常，由柔性接頭隔開(kāi)的剛性體陣列可被描繪成多段線(在頂點(diǎn)相遇的線段)，所述多段線的頂點(diǎn)表示接頭中心。當(dāng)陣列為筆直的時(shí)，線段的長(zhǎng)度通常被取為接頭中心到接頭中心距離。對(duì)于在Z上延伸并在X和Y上彎曲的垂直陣列，X傾斜傳感器和Y傾斜傳感器足以感測(cè)剛性體的整體傾斜。Z傳感器僅需要用于上報(bào)陣列是否“顛倒”。有必要將接頭約束為具有1D0F的彎曲和1D0F的扭曲，或2D0F的彎曲而無(wú)扭曲，否則X傳感器和Y傳感器在世界坐標(biāo)系(WCS)內(nèi)的方位角將是未知的。在接頭約束的情況下，解決X傾斜和Y傾斜是可能的并且知道它們的方位角(羅盤)方向是可能的，即使遠(yuǎn)離用于計(jì)算的參考端。傾斜計(jì)系統(tǒng)中的約束由傾斜計(jì)套管中的凹槽提供。傾斜計(jì)的剛性體具有適合凹槽的輪子。對(duì)于SAA，接頭被構(gòu)建用于抵抗扭曲但允許2D0F彎曲，或者對(duì)于帶狀形式的SAA，接頭具有1D0F的彎曲和自1D0F的扭曲。基于X傾斜和Y傾斜，約束允許每個(gè)節(jié)段相對(duì)于之前一個(gè)的2D0F取向的計(jì)算。
[0007]水平現(xiàn)有技術(shù)筆直陣列的形狀的計(jì)算局限于包括陣列路徑的垂直面內(nèi)的形狀。僅需要Z傳感器。
[0008]常規(guī)傾斜計(jì)的缺陷包括:
[0009].必須通過(guò)一個(gè)人在現(xiàn)場(chǎng)讀取橫向傾斜計(jì)(每隔一段時(shí)間下降并且被讀取的單獨(dú)儀器)，因此以頻繁的間隔進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)收集是不可能的。
[0010].原地傾斜計(jì)系統(tǒng)具有連接為鏈的多個(gè)傾斜計(jì)，每個(gè)傾斜計(jì)具有適合傾斜計(jì)套管中的凹槽的輪子。每個(gè)單獨(dú)傾斜計(jì)的“標(biāo)距長(zhǎng)度”(傾斜計(jì)為剛性體)可通過(guò)剛性桿的方式延伸，其中輪子組件中的一個(gè)在所述剛性桿端部。安裝者必須記錄傾斜計(jì)的順序、它們的長(zhǎng)度以及它們的校準(zhǔn)系數(shù)。已知原地傾斜計(jì)系統(tǒng)是難以安裝的，并且通常長(zhǎng)度受限于必須從每個(gè)傾斜計(jì)傳到表面電纜的數(shù)目。電纜問(wèn)題可通過(guò)數(shù)字化并使用共用串行“總線電纜”避免，但是成本比較高并且仍然具有輪子和凹槽的復(fù)雜性。
[0011].長(zhǎng)標(biāo)距長(zhǎng)度導(dǎo)致原地傾斜計(jì)的容易變形或夾住，即使是對(duì)于小的形變，從而導(dǎo)致裝備和金錢損失。
[0012].傾斜計(jì)使用帶槽套管以保持傾斜計(jì)的軸與方位角對(duì)準(zhǔn)。這排除使用剛性厚金屬管代替傾斜計(jì)套管，以提供保護(hù)。輪子將難以穿過(guò)堅(jiān)固管材的節(jié)段之間的接頭。
[0013]SAA的缺陷包括:
[0014].盡管SAA由于其是儲(chǔ)存在卷軸上的校準(zhǔn)獨(dú)立陣列而便利，但由于將要求非常大的卷軸，因此所述SAA限于短標(biāo)距長(zhǎng)度(其剛性體的長(zhǎng)度)，并且其中安裝SAA的小尺寸套管將以非常小的形變導(dǎo)致其剛性體的彎曲。短節(jié)段必須全部具有傳感器，否則信息將沿陣列丟失。例如，如果土壤中的狹窄剪切區(qū)域恰好使僅一個(gè)剛性體傾斜，其中其他剛性體保持直立，則如果一個(gè)傾斜主體不具有傳感器，那么將發(fā)生大的誤差。許多短剛性體的需求導(dǎo)致較高的成本。
[0015].通常不預(yù)期施工場(chǎng)地涉及大的形變。在形變的低量級(jí)早期階段期間足以收到警告。針對(duì)這種情況，SAA具有許多傳感器并且因此成本很高，所以其在許多施工監(jiān)控應(yīng)用中的便利不總是足以證明其價(jià)格的合理性。
[0016]原地傾斜計(jì)和SAA兩者的缺陷包括:
[0017].兩種類型的儀器均未被裝備鎧甲以抵擋巖石類土壤或純巖層造成的破碎。在精密儀器和外部介質(zhì)之間僅存在塑料套管和少量空氣。
[0018].兩種類型的儀器均不可從已經(jīng)嚴(yán)重變形的套管恢復(fù)。不存在用于任一儀器越過(guò)套管的急劇彎曲或其他形變的足夠空間。
[0019]現(xiàn)有技術(shù)傾斜計(jì)和SAA不提供便利、無(wú)輪子陣列，其適合在卷軸上并且是不要求特殊帶槽套管，同時(shí)在安裝時(shí)提供具有長(zhǎng)剛性體長(zhǎng)度的裝置的獨(dú)立、校準(zhǔn)儀器。
[0020]在大直徑套管中具有長(zhǎng)標(biāo)距長(zhǎng)度的現(xiàn)有技術(shù)傾斜計(jì)，以及在小直徑套管中具有短標(biāo)距長(zhǎng)度的SAA在形變已經(jīng)使鉆孔彎曲之后，不提供用于通過(guò)允許具有短剛性體的分離的儀器化陣列從留在鉆孔中的一組犧牲的較長(zhǎng)剛性體中拉出來(lái)取出儀器。
[0021]現(xiàn)有技術(shù)傾斜計(jì)和SAA不通過(guò)具有由可彎曲接頭連接的堅(jiān)固的最外面剛性體來(lái)提供在巖石類土壤中的持久性，所述剛性體為內(nèi)部不太堅(jiān)固的剛性體提供免受巖石力作用的保護(hù)。
[0022]現(xiàn)有技術(shù)傾斜計(jì)和SAA不提供由通過(guò)撓性件連接的剛性體制成的非常柔性的陣列，所述撓性件足夠長(zhǎng)以允許位置位移、可從卷軸展開(kāi)、由較長(zhǎng)剛性體的分離系統(tǒng)包括，其中接頭在無(wú)剪切的情況下提供彎曲(即，防止所包括的內(nèi)部陣列的不可測(cè)量的側(cè)向位置位移
[0023]現(xiàn)有技術(shù)傾斜計(jì)和SAA不提供無(wú)傳感器的中空剛性體和接頭(“第二中空外骨架部分”)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可由多種材料在本地提供，并且在適合于內(nèi)部的“第二帶有傳感器的陣列部分”到達(dá)之前安裝，兩個(gè)系統(tǒng)然后一起工作以提供形狀和形狀形變的測(cè)量，由于大的傳感器間距，所以帶有傳感器的部分在成本上為低的。
[0024]與本文所描述的二分陣列部件的路徑中的一些的螺旋形式相關(guān)，現(xiàn)有技術(shù)發(fā)明包括非筆直傳感器路徑，但是依賴于彎曲傳感器和扭曲傳感器(“曲率”傳感器)。例如，Danischr 107( “形狀繩”)描述了以下內(nèi)容:
[0025]“一種測(cè)量設(shè)備，其用于提供對(duì)應(yīng)于空間中的幾何構(gòu)造的數(shù)據(jù)，所述設(shè)備為能夠以至少一個(gè)自由度彎曲并沿著中軸或平面延伸的柔性順應(yīng)性測(cè)量構(gòu)件的形式。構(gòu)件具有間隔開(kāi)的撓性傳感器，所述傳感器分布在構(gòu)件上的已知位置處并且由已知的傳感器間距間隔隔開(kāi)，以提供指示存在于所述位置處的局部撓性狀態(tài)的撓性信號(hào)。構(gòu)件包括多個(gè)成型的即成形的光纖，這些光纖包括具有提供撓性傳感器的感測(cè)部分的感測(cè)光纖，不同光纖的感測(cè)部分位于沿構(gòu)件的不同距離處，以便位于傳感器間距間隔處，成型光纖處于互相支撐關(guān)系，如通過(guò)彼此的持續(xù)或重復(fù)接觸。該類光纖可構(gòu)成大部分或全部構(gòu)件?！?br>[0026]在串級(jí)陣列中使用撓曲傳感器的設(shè)備具有嚴(yán)重缺陷:當(dāng)傳感器的一個(gè)中存在誤差時(shí)，在計(jì)算順序中越過(guò)那個(gè)點(diǎn)的全部陣列的取向?qū)⒐蚕碚`差的角度偏移，這將導(dǎo)致表示測(cè)量路徑的整個(gè)數(shù)據(jù)集以誤差的角度遠(yuǎn)離路徑擺動(dòng)。這可在路徑的端部處導(dǎo)致極大的位移。
[0027]進(jìn)一步地，在DaniscM 107中，光纖為預(yù)先成型的并且處于不適合軸向壓縮的互相支撐的關(guān)系，并從而側(cè)向膨脹以符合封閉表面。Danisch' 107并未教導(dǎo)筆直陣列，其可卷起在可筆直展開(kāi)的卷軸上，并且然后通過(guò)將其插入中空外骨架部分并施加用于固定包括的軸向壓縮力來(lái)形成螺旋。相反，Danisch' 107要求多個(gè)光纖被預(yù)先成型為具有固定尺寸的互相支撐的螺旋，所述構(gòu)造并不適于使用測(cè)量?jī)A斜的重力傳感器。未給出由柔性接頭隔開(kāi)的剛性體的教導(dǎo)，剛性體提供沿著參考重力的區(qū)域?qū)A斜均勻取樣，而不是沿著通過(guò)與物體的接觸容易變形的柔性構(gòu)件對(duì)彎曲取樣的裝置。未給出提供扭轉(zhuǎn)剛度但允許在剛性體之間彎曲的柔性接頭的教導(dǎo)。未給出相對(duì)重力參考所有傳感器的教導(dǎo)，使得取向誤差不可以向上傳播到計(jì)算鏈。未給出剛性體中的傳感器的教導(dǎo)，使得取向可由重力傳感器直接讀取，而不是從彎曲和扭轉(zhuǎn)的測(cè)量進(jìn)行推斷。此外，未包括第二中空外骨架部分，所述第二中空外骨架部分包括第一傳感陣列部分，因此提供保護(hù)第一部分、減少傳感器數(shù)目、提供長(zhǎng)標(biāo)距長(zhǎng)度以及第二中空外骨架部分的分離制造、供應(yīng)、輸送和安裝的優(yōu)點(diǎn)。
[0028]盡管可在取向的完全球形范圍內(nèi)使用彎曲傳感器和扭曲傳感器進(jìn)行3D測(cè)量，但彎曲傳感器和扭曲傳感器的精確度將它們從監(jiān)控地質(zhì)技術(shù)參數(shù)的使用中排除。數(shù)十年來(lái)，對(duì)于幾十米的陣列長(zhǎng)度，地質(zhì)技術(shù)測(cè)量必須精確到一毫米或兩毫米。實(shí)際的低成本彎曲傳感器和扭曲傳感器，諸如在DaniscM 107和，672現(xiàn)有技術(shù)中使用的光纖曲率傳感器并不具備該種精確度。它們能夠精確到每天每米約1cm，這對(duì)于地質(zhì)技術(shù)測(cè)量來(lái)說(shuō)是太差的數(shù)量級(jí)。
[0029]Danisch' 672 描述了:
[0030]“一種以柔性襯底形式提供的位置、取向、形狀和動(dòng)作測(cè)量工具，其中彎曲傳感器和扭曲傳感器以已知間隔沿其表面分布。帶式襯底為優(yōu)選的?；跈z測(cè)到的彎曲值和扭曲值，從相互參考傳感器的位置和取向計(jì)算襯底的幾何構(gòu)造。合適的應(yīng)用包括用于動(dòng)畫(huà)中的人類的動(dòng)作捕捉、輸入到計(jì)算機(jī)的六個(gè)自由度、大的非奇異工作空間內(nèi)的輪廓測(cè)量和位置追足示ο ”
[0031]所述Danisch' 672( “形狀帶”)不適于安裝在中空管中以用于測(cè)量3D形狀，因?yàn)椤靶螤顜А辈豢梢栽谄淦矫鎯?nèi)彎曲，并且不會(huì)對(duì)將該類彎曲強(qiáng)加于其條帶形式上的中空外骨架部分的形變做出良好反應(yīng)(其可扣住或斷裂)。Danisch' 672也未教導(dǎo)用于增大的精確度的重力計(jì)量傳感器的使用，如以上關(guān)于Danisch' 107所討論的。
[0032]