外文翻译译文-评估基于MEMS技术的倾角仪在寒冷地区的自动化

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 1 页 共 13 页评估基于 MEMS 技术的倾角仪在寒冷地区的自动化摘要：测斜仪探头用于测量地面运动。当一个行业标准包括昂贵的手工测量过程，操作误差以及由于套管变形的测量有限，那么这项技术也有缺点。相对较新的行业中，基于 MEMS 的就地测斜仪（M-IPIS）是由一系列的 MEMS 加速度计分部分开不同的加速度段柔性接头或现场通讯系统，并且装在水密住房。M-IPIS 提供近乎连续的地面运动测量，由于其的灵活性而不必频繁的实地考察而容纳更大的地面运动，并且可能包含温度传感器，可用于冷冻接地应用。由于 MIPIS 尚未对在不同的寒冷地区使用进行充分评估，两个不同的 M-IPIS 制造商把其 M-IPI 安装在已知边坡失稳面积中南部阿拉斯加州。永久冻土带内每个 M-IPI 被评价为在冷冻地面便于安装和后续检索耐用性和功能。将 M-IPI 地面运动数据和温度测量值进行比较，以获得的测斜仪探头和热敏电阻字符串。所有的工具表示地面运动的深度约 16.8 米（55 英尺）。从两台设备比较测量从斜探头，小于 1.8 毫米（6.910 - 2 英寸）和相同的壳体不同的测量两个不同的相邻的壳体小于 3.8 毫米（0.15英寸）的测量。温度数据分析表明，M-IPI 设备测得的温度范围内0.2C（0.4F）的那些记录，由热敏电阻器串。如果用于测量地面运动和温度冻土，对 M-的 IPI 温度传感器进行校准。关键词：倾角传感器，MEMS，热敏电阻，多年冻土，阿拉斯加。1引言倾角仪在岩土工程中被广泛使用，用于测量地面运动包括斜坡、堤防、桥梁和挡土墙结构。垂直倾角的传统技术依赖于安装槽（或引导）套管成钻探试验孔。装有轮子的斜探头可以手动降低其壳体。一般情况下，这种类型的仪器包含两个平衡力的伺服加速度计来衡量它的倾向。测量是指记录在指定的深度间隔，这包括给测斜仪定位真正的垂直。这样一系列的测量值和最初的一组读数进行相互比较。以这种方式，在每次测量的时候建立所述壳体的轮廓。绘制随后的概况可让在壳体内的变化变得显而易见。一系列读数的分析有利于对一个或多个移动的区域和在这些区域中的运动速率进行识别。监测解决水平外壳的测量都以类似的方式作出。马昌和 Bennett（2008）提供了一个关于倾角传感器类型，用法和数据分析技术全面的概述。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 2 页 共 13 页尽管在过去的 40 年作为一个行业标准，但是这项技术也有一些缺点。由于手动收集数据，每个数据代表在测量过程中测量过此点。由于项目位置偏远，这些测量数据成为一个昂贵整体监控程序一部分。由于预算的考虑测量频率可以降低，所记录的数据都是必须的。因为测斜仪必须在指定的为位置放置在相同的时间间隔收集，所以数据的准确性取决于每个人的测量技能。因为每个人收集的数据的技术水平和技术差异都是融入每一个数据集，从而引入人为误差。其他错误可能会导致随着时间提出由污垢或碎屑在套管槽所造成的扰动。手动测斜仪是一种有500 毫米长轴距的刚性设备与，其配置限制了在读数之前一个外壳变形量可以体验是不再可能。对于山体滑坡，外形的上部可能变形，为了防止测斜仪的推移，因此留下一个较低的剪切带未被发现。最后，测斜仪套管本身具有有限灵活性并会在出现过多地面运动时切变，结束监控。一个相对较新类型的岩土仪器采用微机电一系统（MEMS）加速度计。基于MEMS 技术的倾角仪由一系列带有柔性接头的加速度计组成连接。将这些设备封装在防水住房，使其适合用于直埋在地下。据报道 M-IPI 设备有测斜探头精度高以及相关的结果。较短长度和直径较小的 M-IPI 段理论上让这些仪器记录较大变形，但仍然可以检索。当安装的陪同下远程电源遥测链路，M-IPI 可以提供几乎连续观测地面运动没有多次往返到外地。M-IPI 制造商的这些设备状态因为它们可以从一个安装移除所以是可重用的。放置到另一个地方，从而进一步的成本积蓄。有些 M-IPIS 也有集成的温度传感器，这有利于同时进行地面运动和温度读数。由于这些技术相对较新，所以使用 M-IPI 特别是在寒冷地区并没有被充分的评价。M-IPIS 具有潜在的可重复使用性，但是使用新提取技术的冻土可能需要被创建和评估。至于在寒冷的任何设备区域，M-IPI 在低于冰点的温度的耐久性也必须进行评估。要解决这些问题，笔者制定了一个研究项目目标如下：1）比较M-IPIS 与传统测斜仪探头，评估每个仪器的重复性；2）对 M-IPIS 便于使用性，可检索性和耐久性评价。本文总结了可以垂直安装两种不同的 M-IPI 产品：INC500 和 SAA。这概要并非概述任一产品，而是每一个独立的评估其在寒冷地区的使用。随着这个项目第一次代表笔者安装的 M-IPI 设备，本文还包括在外地工作轶事。2研究网站及安装中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 3 页 共 13 页2.1 M-IPI摘要INC500 装置由 2.4 米（8 英尺）长的组件其中包含了一系列基与 MEMS 技术的加速度传感器组成用来测量倾斜。在一个标准的模块有双轴感应器每一 30.5 厘米，以及一个温度传感器，具有一个精确度为1.7C 报告。该模块加入了水下连接器，连接耦合器及加劲组件，以便使整个仪器具有长度均匀的刚性。此外，三四个扶正器安装沿每个模块的长度如图。每扶正包含四个不锈钢轮毂，旨在引导和定位设备的在导向套管。由于它的模块化，INC500 的移动设备可以被延长或缩短，以适应给定的安装的几何形状。一个 SAA 由特殊关节的刚性连接段每个段包含 MEMS 用于测量倾斜的重力传感器。此部分分成八组，一个温度传感器位于每个八位位组的中点。该温度传感器具有报告精度为1.2C，除非顾客指定的才会未校准。为从制造商给定的安装SAA 得到被期望的长度，SAA 是装上后可以把它直接安装在现场。表 1 是概要的规格为这些设备的两个，以及一个斜探头，以此依据的标准进行了比较项目。这些规范简化表明完整的讨论仪器的性能以及更多详细信息，数据表是针对制造商的。2.2地质背景本文总结了安装在阿拉斯加中南部沿公路 113 里程碑的理查德森站点。在这个位置，公路沿着一个方向朝东（见图 2）。该地区已经历了几十年来运动，需要从边缘调整的高速公路于。在这方面的多年冻土是温暖的，年均气温为-0.6C（31F），且由地下 1.5 米（5 英尺）厚的表层淤泥层，下面浮冰丰富，粘质土壤。在地表以下约 15.8 米（52 英尺）（BGS），土壤变得更加冰粗粒。正是在这样的土壤的过渡发生运动。原位分析测量和土壤蠕变试验表明，富含冰的粘性土遇到蠕变，与速度最多到 2.5 厘米（1 英寸）每年。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 4 页 共 13 页中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 5 页 共 13 页图 1：安装和检索的 M-IPI 设备。 （一）安装扶正器的 INC500 用螺丝刀;（二）使用电池供电的钻附加的耦合器的 INC500（三）在安装在所述壳体的装置，（四）将在安装过程中从卷轴 SAA 检索从壳体 SAA。2.3 仪器安装阿拉斯加运输部和公共设施人员在 2003 年和 2007 年在该地区的进行钻探计划，安装了几个导向套管。现有记录测量的装置和几年的这个站点的理想之一的M-IPI 评价研究地点。用 AK DOTPF 人员一起，笔者 2009 年 11 月在野外工作期间安装额外的导向壳。由于高温冻土区，在 7 厘米导向套管灌浆到位。相反，干砂倾斜和夯实进入环空的空间中，通常在 28 厘米（1 到 3 英寸）的升降机。所有外壳当时采用了传统的测斜仪探头，建立基线读数计量。从厂家订购钻探计划中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 6 页 共 13 页完成后，M-IPI 仪器因为需要的确切长度被称为一次从采集回来。在收到这两种仪器进行测试，以确保它们将在现场使用记录的数据和通信以及与自动化数据采集系统（ADAS）。 INC500 装置有 8 个 2.4 米长（8 英尺）模块;包括在每个连接的电缆的长度/耦合，INC500 的总长度是 20.6 米。 SAA 装置由 8 个标准字节，一个额外的部分八位位组，以达到所需的长度。作为衡量在走廊的测试中，SAA 是20.9 米长。这些长度都不包括连接电缆。表 1：三种仪器的规格相比。提供的值（在某些情况下转换）。测斜仪探头报告的值是英语仪器。 （*表示数据未提供数据表）中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 7 页 共 13 页图 2：富 113 区的横截面，解释地层钻井数据解释剪切带（显示为白色的虚线）。三个钻孔位置本文中引用的东部的高速公路。由两个人安装在随后的途中的 M-IPI 仪器在 2010 年 3 月期间中旬的一天在阳光下的温度范围从-17.8C（0F）到-1C（30F）。这 INC500 耦合器组件，每个所需的 10 个机螺钉每个扶正需要两个机器螺丝紧紧围绕以确保模块。在安装现场，我们使用了一把螺丝刀和一个电池供电的电钻，以确保这些螺丝能够固定（见图1a 和 1b）。安装螺丝也有了挑战，因为在低于冰点的温度和手套使手失去了灵巧性而很难找到螺丝并将其投进雪地。作者在不知不觉中面向正 90 从他们的方向是否正确。由于不正确取向，这些模块没有很容易地滑动到导向套管，而需要努力把 INC500 到适当的深度。导向套管需要填充丙二醇防止任何水的冻结，因为冷凝和/或泄漏可能会累积在所述壳体内。SAA 制造商建议该装置安装了 2.54 厘米直径。电气 PVC 套管，可以灌浆到位。 SAA 适合舒服地进入这个直径较小更灵活的 7 厘米（2.75 英寸）的导向壳壳体。由于 M-IPI 评估项目关注的焦点是比较，而使用两种不同的仪器响应套管尺寸将引入另一个变量来评估。作为一种妥协，我们安装在直径 2.54 厘米，电气 7厘米的导向套管 PVC 套管内，环回填实干砂。 PVC 胶水的说明表明，它必须在温度高于 10C 时使用，胶合连接必须在一个小时前完成。由于实际的温度安装在远低于建议和必须的时间，我们修改了推荐程序。 PVC 胶为了保持温暖，一直放在作者的夹克里面直到需要。然后，需要加快装配过程中，我们把两个 3 米长的路段粘在一起。然后把 2.54 厘米的壳体插入到外套管。事后看来，这是一个糟糕的选择,6.1 米的 PVC 套管被贴向下钻孔套管时会在空中摇曳很难保持稳定，而安装PVC 套管在 SAA 内能够毫不费力地进行。仪器都被连接到一个 ADAS，它是一个由太阳能电池板充电电池组电源。数据记录仪记录的是每 6 个小时测量值，之后数据会从站点上通过遥测链路发送。该研究项目在此安排以及工作的过程中，数据传输方面没有任何困难。图 3 是一张照片的网页采取在高速公路以东沿图 2 中的横截面，示出了三种不同的外壳进行测量和 ADAS。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 8 页 共 13 页图 3：相对的位置测量外壳 Rich113。垂直箭头标记测试孔标识符。这是直到 2010 年的夏天，在安装在另一位置过程中的，笔者认识到不正确的定位扶正 Rich113。在 2010 年 9 月，我们回到的 Rich113 站点来纠正这一错误。把 INC500 从壳体提取出来，扶正旋转，然后重新安装设备。在此进行第二次安装，INC500 设备顺利沿其导向壳到适当的深度。重新安装后，位移测量没有了问题。根据 2010 年第二次安装，9 月 3 日被定为 INC500，SAA 和斜探头装置的基线读数。下面的分析中使用的数据那时从直到 2011 年 8 月 16 日。在检索过程中，我们研究了每种乐器有磨损的迹象（见图 1D）。我们进行另一组的途径测试，以确保每个设备的正常运行从外地回国。3结果与讨论中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 9 页 共 13 页图 4a 和 b 是从三个工具获得的累积位移曲线。它与传统的斜探头表示运动发生在约 16.8 米（55 英尺）BGS，1.3 和 1.5 厘米（0.50.6 英寸）内累积位移之间分析的时间框架。虽然小，这种运动是一致的深度和字符先前记录的这个网站。内部导向套管内，我们安装了 INC500 和 TH09-1511。当我们提取的 M-IPI 设备，我们测量的测斜仪探头外壳比较。因此，从累积位移 INC500 和图 4a 中所示的测斜仪探头直接比较。视觉分析表示两个组读数是相似的，与 1.8 的读数的最大差值毫米。这两个仪器的读数相当于深度绘制图 4c 在 45 红色实线表示 1:1 的关系。对于每对读数，精度（或重复）的测斜仪探头和 INC500 显示为横向的，或者垂直晶须。测量对审核表明每个点范围内的测斜仪探头装置的精度，因此不能出彼此不同。图 4：所选测量和分析从 Rich113 站点。 （一）从阅读 INC500 和斜探头为中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 10 页 共 13 页一个单一的安装，（二）从阅读 SAA 和斜探头两个相邻的安装，（三）所示的INC500 和斜探头测量比较（四）（b）中所示的 SAA 和斜探头测量比较。排量所示（a）和（b）是到东部。两个同心圆外壳内安装的 SAA 在 TH09-1512。由于对内 2.54 厘米为直径。 PVC 套管需要的 SAA 安装，我们无法做斜探头读数从相同的外壳直接比较。相反，图 4bTH07-1711 包含斜探头测量，另一个无聊的约 1.2 米远（见图 3）。在 20.4和 21.3 米，SAA 读数表示没有累积位移。虽然 3-6 米安装在一个稳定的阶层推荐，这些读数表明，底部的 SAA 锚入低于运动区的土壤。斜探头读数表示没有 SAA 读数低于 16.8 米，而运动表明约 3.8 毫米（0.15 英寸），低于这个深度的累积位移。上面这个深度，视觉分析表示两组读数之间的相似性，有最大差值为 2.2 毫米约在 14.3 米发生 BGS。相当于深度阅读 SAA 和斜探头绘制在图 4d，也显示出一条红线，表明 1:1 的关系须代表每台仪器的精度。群集的起源和另一点附近的最大读数偏离 1:1 的关系以上的测斜仪探头的精度。而不是假设偏离测斜仪读数是由于不准确的，其他的可能性必须加以考虑。该套读数是从两个不同的外壳。虽然彼此接近，有可能的土壤变形这两个位置之间略有不同。此外，内壳内移动的沙子回填，安装完毕后，尽管小心固沙; 解释 SAA 和斜探头之间的紧密协议支持，从 0 到 12.8 米并再次从 20.4 到 21.3 米读数。否则，两个设备之间的读数接近一致。从 M-IPI 设备的温度测量对这些收集到的热敏电阻串进行比较。热敏电阻的字符串被安装在 2.54 厘米直径。TH09-1512 外壳内。每个热敏电阻的字符串内有一个报告的准确性0.1，并在校准整个字符串。热敏电阻测量的记录，可在 2.4米（8 英尺）的长度间隔沿着字符串，热敏电阻除 12.5 米 BGS，不再上报数据安装（见图 5a） 。由于温度传感器 INC500 和 SAA 位置不作为热敏电阻的有孔玻璃珠在完全相同的深度，从最近的两个读数传感器的上方和下方各热敏电阻珠内插所需的热敏电阻深度。这些值示于图 5b 为 INC500，图 5c 为 SAA。从在 2010 年的三个不同的日子数据显示的每个装置（见图 5AC）;每个设备测量相同的温度0.01（0.02F）最低的两个深处，表示一致的温度内的永久冻土带和每次测量的稳定性设备整个六个月内提出。接下来，INC500 和 SAA 数据的相比，热敏电阻的字符串数据。图 5D 所示，中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 11 页 共 13 页是 6 月 1 日，8 月 1 日至 12 月 1 日，所有三种器件的地块测量。每个数据点的曲线，显示指示传感器的精度水平晶须。每个群集的测量温度范围内的精度的范围内，这两个工具。在这三天的平均水平，INC500 和 SAA 传感器的范围分别为0.23C 和 0.22C 的热敏电阻测量。虽然气温绘制这些设备能够证明的大势温度与深度，这个 0.2C（0.4F）偏移的活动进行分析，在活性层或鉴定多年冻土表有问题。这个问题可能是由使用 M-IPI 设备与解决校准的温度传感器。图 5：测得的温度比较。的图形（一），（二），及（c）分别为测量温度的热敏电阻串，INC500，和 SAA 设备。三个数据为每个设备显示不同的日子。 （d）中的图表，（e）项及（f）的比较从 2010 年 6 月 1 日 2010 年 8 月 1 日和 12 月所有三个文书的测量数据 1。4结论中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 翻 译第 12 页 共 13 页这一研究项目的结果表明，两个 M-IPI 设备测试是由相关的测斜仪探头提供结果。每个设备检索后场的使用，表明可重复使用的设备和业务。基于这种分析，这些设备是适合于在寒冷地区使用，产生的结果可用于典型的斜坡的稳定分析。现场经验表明，但是由于必要的手巧和套管胶粘剂对温度的要求，每个安装过程仪器更好地在冰点以上的温度下进行的。此外，笔者建议，如果项目需要的要求在使用前对 M-IPI 温度传感器校准 M-IPI 的移动然后通过设备产生测量地面的移动和温度。致谢笔者想感谢该项目共同出资方阿拉斯加运输部和公共设施阿拉斯加大学交通中心，成员研究委员会负责监督这个项目。笔者也想感谢 A.帕森斯，T. Haller 的，K. Obermiller，S.黄，J.姚明为他们在该领域的帮助，L. Danisch 的和 J.莱姆克来解决我的问题和他们的耐心。参考文献Barendse, M. B., 2008. “Field evaluation of a MEMS-based, real-time deformation monitoring system.” Geotechnical Instrumentation News, 54, 41-44.Barendse, M. B., and Machan, G., 2008. “In-place MEMS inclinometer strings evaluation of an evolving technology.” TRB 88th Annual Meeting Compendium of Papers DVD, 12 p.Cornforth, D. H., 2005. Landslides in Practice: John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, NJ.Darrow, M. M., Bray, M. T., and Huang, S. L., 2012. “Analysis of a Deep-Seated Landslide i