基於霍爾效應的巖土地下位移測量方法及裝置的製作方法

2023-05-06 07:58:16

專利名稱：基於霍爾效應的巖土地下位移測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種位移測量方法及裝置，尤其是涉及一種基於霍爾效應的巖土地下 位移測量方法及裝置。
背景技術：
我國是地質災害多發國家，頻發的地質災害給人們的生命和財產帶來了巨大的損 失和威脅。為了減少地質災害造成的損失，各種災害防治監測手段和技術被廣泛應用到各 個領域並且取得了顯著的避災防災效果。如滑坡、地面沉降等地質災害的災前地質徵兆和 地質結構動態變化參數多數首先來自於災害體地下深部。如果能夠提前針對災害體地下地 質結構參數變化的測量中得到災害的前兆信息的話，就能大大有利於避災、防災工作的有 效開展，減少災害造成的損失。地下位移監測技術就是一種針對災害體地下深部地質結構 參數的重要監測手段。目前國內外常用的地下位移測量技術主要有鑽孔測斜法和TDR法，但這兩種技術 都存在較多的缺點，大大降低了其性能。如鑽孔測斜法需要人工操作計算，效率低，測量結 果的可靠性受到操作人員素質影響大；必須靠近危險源測量，安全性不高；不能測量位移 方向；難以測量土層發生較大曲率的滑移情況等。TDR法無法測量未發生剪切作用的土層 滑移情況；對位移量測量精度不高；無法測量滑移方向等。還有由申請人提出的基於互感 機理的地下位移測量方法，雖然解決了具有方向判別和實時測量的問題，但在位移初始階 段測量精度較低。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於霍爾效應的巖土地下位移測量方法及裝置。本發明採用的技術方案是一、一種基於霍爾效應的巖土地下位移測量方法每一個測量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個霍爾傳感器， 以及測量電路和單片機組成；將多個測量單元串連插入巖土層中，使任意相鄰兩個測量單 元中的一個測量單元的下表面平行於另一個測量單元的上表面；根據霍爾效應，霍爾傳感 器在磁場作用下輸出霍爾電壓；當相鄰測量單元發生相對位移時，其中一個測量單元上的 霍爾傳感器與另一個測量單元上的永磁體或電磁鐵的相對位置發生改變；霍爾傳感器的輸 出電壓也發生改變，通過測量每個霍爾傳感器輸出電壓來判斷永磁體或電磁鐵在霍爾傳感 器所在平面的投影與該霍爾傳感器的相對距離；在獲得磁體的平面投影與平面上所有霍 爾傳感器的相對距離後，通過幾何計算的方法得到磁體平面投影在該平面上的二維坐標位 置，通過兩個測量單元發生相對位移前後永磁體或電磁鐵平面投影二維坐標的變化計算得 到兩個測量單元的相對位移量和位移方向；二、一種基於霍爾效應的巖土地下位移測量裝置每一個測量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個霍爾傳感器，以及測量電路和單片機組成，相應的兩塊圓形印刷電路板都裝入一個厚壁PVC塑料管內， 並灌膠密封；每一個測量單元均分為兩個部分，一部分是一塊永磁體或電磁鐵，固定在第一 測量單元的下端面面板上，另一部分是由三個霍爾傳感器組成的傳感器陣列，固定在第二 測量單元的上端面面板上，霍爾傳感器緊密地水平貼合在面板上，三個霍爾傳感器的中心 點在上端面面板平面上構成一個等邊三角形的三個頂點A、B、C，下端面面板和上端面面板 之間相互平行，並能相對水平移動；當第一測量單元和第二測量單元未發生相對位移時，永 磁體或電磁鐵的端面中心點在上端面面板平面上的投影點與等邊三角形的中心點重合；每 個測量單元通過電源線和485總線上下連成一串，由485總線將各測量單元的測量數據 送 至地面的信息集中處理裝置，信息集中處理裝置將通過有線和無線的方式傳送到PC機，通 過PC機人機對話界面觀察各個測量單元的數據即可知道地下位移的大小。本發明具有的有益效果是本發明將霍爾效應應用於地下巖土的位移測量，實現了位移量和位移方向的同時 測量，提出了一種新的巖土地下位移測量方法。


圖1是巖土未發生相對位移時傳感器三維結構圖。圖2是巖土未發生相對位移時傳感器俯視圖。圖3是巖土發生相對位移時傳感器三維結構圖。圖4是巖土發生相對位移時傳感器俯視圖。圖5是永磁體或電磁鐵中心點投影坐標計算。圖6是地下位移測量系統示意圖。圖7是地下位移測量單元的硬體結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。1、基於霍爾效應測量位移的機理如圖1所示，力和V2為一對相鄰的基於霍爾效應的地下位移傳感器測量單元。Sn 為義測量單元上平面，S12為Vi測量單元下平面，S21為v2測量單元上平面，s22為v2測量單 元下平面。在兩個測量單元上表面都固定有三個霍爾傳感器(如SS94A1F霍爾傳感器)組 成的陣列。在兩個測量單元下表面都固定有一塊永磁體或電磁鐵。其中M是固定於S12平 面上的永磁體或電磁鐵。A、B、C三個頂點為貼在平面S21構成一個等邊三角形的三塊霍爾 傳感器的中心點。平面S12和S21之間相互平行，力和^可以相對水平移動。當義和^未 發生相對位移時，如圖1和圖2所示，永磁體或電磁鐵M的中心點P在S21平面上的投影P' 點與等邊三角形的中心點Q重合。當力和V2發生相對位移時，如圖3和圖4所示，永磁體 或電磁鐵相對三個霍爾傳感器的位置發生變化，P'點發生位移，使得穿過霍爾傳感器的磁 感應強度發生變化。根據霍爾效應，霍爾傳感器的輸出電壓與穿過霍爾傳感器的磁感應強 度有關。因此當\和V2發生相對位移時，霍爾傳感器的輸出電壓也隨之發生變化。如圖5所示，在S21平面上建立坐標系，A、B、C三點為三個霍爾傳感器的中心點， P'點為永磁體或電磁鐵M中心點P在S21平面上的投影，P'到A、B、C點的距離分別為dA、dB、dc. A、B、C三點所構成的等邊三角形邊長為常數a.移動測量單元力，使得dA、dB、dc取不 同數值時，測量對應的A、B、C點三個霍爾傳感器的輸出電壓UA0、UB0、Ucoo然後對dA、dB、dc 和UA0、UM、Uco測量數據應用多項式最小二乘擬合法得到永磁體或電磁鐵中心點投影P'到 霍爾傳感器的距離與該霍爾傳感器輸出電壓的函數關係式。(以一階最小二乘擬合為例)dA = a^U^+ao(1)dB = b^Ueo+bo(2)dc = c^Ucq+Cq(3)式(1)、式(2)和式(3)中ao.a^bo.b^co,^為最小二乘擬合得到的常係數。假設P'點坐標為(x，y)。測量霍爾傳感器的輸出電壓UM、UTO*UTO，再根據式 (1)、式(2)和式(3)可獲得P'點到三個霍爾傳感器中心點的距離dA、dB、dc.利用幾何換
算的方法，可以求得P'點的平面坐標。
2 , j 2 j 2 r n a +dA -dRX =-^-(5)
2a
r n a2+dA2+dB2-2dc2
y 二-^^——-(6)設未發生位移時P'點的坐標為(X(1，yci)，位移後P'點的坐標為(Xl，yi)，則力相 對於v2向x方向移動的距離為Ax = Xi-h，向y方向移動的距離為Ay = yry0.2.地下位移測量裝置如圖1所示，每一個測量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個 霍爾傳感器，以及測量電路和單片機組成，如圖7所示，相應的兩塊圓形印刷電路板都裝入 一個厚壁PVC塑料管內，並灌膠密封；每一個測量單元均分為兩個部分，一部分是一塊永磁 體或電磁鐵M,固定在第一測量單元義的下端面面板S12上，另一部分是由三個霍爾傳感器 組成的傳感器陣列，固定在第二測量單元V2的上端面面板S21上，霍爾傳感器緊密地水平貼 合在面板S21上，三個霍爾傳感器的中心點在上端面面板S21平面上構成一個等邊三角形的 三個頂點A、B、C，下端面面板S12和上端面面板S21之間相互平行，並能相對水平移動；當第 一測量單元A和第二測量單元％未發生相對位移時，永磁體或電磁鐵M的端面中心點P在 上端面面板S21平面上的投影P'點與等邊三角形的中心點Q重合；每個測量單元通過電源 線和485總線上下連成一串，由485總線將各測量單元的測量數據送至地面的信息集中處 理裝置，信息集中處理裝置將通過有線和無線的方式傳送到PC機，通過PC機人機對話界面 觀察各個測量單元的數據即可知道地下位移的大小。也可安裝三個以上霍爾傳感器組成的傳感器陣列，固定在第二測量單元V2的上端 面面板S21上，構成等邊多邊形。多個測量單元外部套上具有熱縮功能的薄壁軟塑料管，形成整串測量裝置，如圖6 所示。將整串測量裝置垂直插入巖層中，每對測量單元間的相對位移的測量機理如前第1 節所述。每個測量單元中的霍爾傳感器輸出電壓受到上一個測量單元永磁體或電磁鐵的磁 場的影響。其輸出電壓通過模數轉換晶片傳入單片機，根據前述的位移測量機理計算得到 相鄰測量單元的相對位移，最後通過485晶片接入485總線將測量數據送至地面的信息集 中處理裝置。當地層發生相對滑動時，每一個基於霍爾效應的地下位移測量單元將隨周圍
5地層發生相對移動，自下而上或自上而下記錄每對相鄰測量單元的相對移動就可以得到整 串測量裝置所在巖土的位移情況。
權利要求
一種基於霍爾效應的巖土地下位移測量方法，其特徵在於每一個測量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個霍爾傳感器，以及測量電路和單片機組成；將多個測量單元串連插入巖土層中，使任意相鄰兩個測量單元中的一個測量單元的下表面平行於另一個測量單元的上表面；根據霍爾效應，霍爾傳感器在磁場作用下輸出霍爾電壓；當相鄰測量單元發生相對位移時，其中一個測量單元上的霍爾傳感器與另一個測量單元上的永磁體或電磁鐵的相對位置發生改變；霍爾傳感器的輸出電壓也發生改變，通過測量每個霍爾傳感器輸出電壓來判斷永磁體或電磁鐵在霍爾傳感器所在平面的投影與該霍爾傳感器的相對距離；在獲得磁體的平面投影與平面上所有霍爾傳感器的相對距離後，通過幾何計算的方法得到磁體平面投影在該平面上的二維坐標位置，通過兩個測量單元發生相對位移前後永磁體或電磁鐵平面投影二維坐標的變化計算得到兩個測量單元的相對位移量和位移方向；測量時，自上到下或自下而上依次測量相鄰測量單元的相對位移量和位移方向，從而得到巖土地下深部各個位置的相對位移量和位移方向。
2.根據權利要求1所述方法的一種基於霍爾效應的巖土地下位移測量裝置，其特徵在 於每一個測量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個霍爾傳感器，以及測 量電路和單片機組成，相應的兩塊圓形印刷電路板都裝入一個厚壁PVC塑料管內，並灌膠 密封；每一個測量單元均分為兩個部分，一部分是一塊永磁體或電磁鐵(M)，固定在第一測 量單元(V1)的下端面面板(S12)上，另一部分是由三個霍爾傳感器組成的傳感器陣列，固定 在第二測量單元(V2)的上端面面板(S21)上，霍爾傳感器緊密地水平貼合在面板(S21)上， 三個霍爾傳感器的中心點在上端面面板(S21)平面上構成一個等邊三角形的三個頂點A、B、 C，下端面面板(S12)和上端面面板(S21)之間相互平行，並能相對水平移動；當第一測量單 元(V1)和第二測量單元(V2)未發生相對位移時，永磁體或電磁鐵(M)的端面中心點(P)在 上端面面板(S21)平面上的投影(P')點與等邊三角形的中心點(Q)重合；每個測量單元 通過電源線和485總線上下連成一串，由485總線將各測量單元的測量數據送至地面的信 息集中處理裝置，信息集中處理裝置將通過有線和無線的方式傳送到PC機，通過PC機人機 對話界面觀察各個測量單元的數據即可知道地下位移的大小。
全文摘要
本發明公開了一種基於霍爾效應的巖土地下位移測量方法及裝置。由多個測量單元串接組成，使相鄰一個測量單元的下表面平行於另一個測量單元的上表面。每一個測量單元由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝至少3個霍爾傳感器，每個測量單元通過電源線和485總線上下連成一串，將整串測量裝置垂直插入巖層中，其輸出電壓通過模數轉換晶片傳入單片機。當相鄰測量單元發生相對位移時，其中一個測量單元上的霍爾傳感器與另一個測量單元上的永磁體或電磁鐵的相對位置發生改變，從而使霍爾傳感器的輸出電壓發生改變。根據霍爾傳感器的輸出電壓的變化計算得到兩個相鄰測量單元的位移量和位移方向，從而得到巖土地下位移量和位移方向。
文檔編號G01B7/02GK101871764SQ20101020399
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月21日 優先權日2010年6月21日
發明者李明, 李雄, 李青, 池金谷, 童仁園 申請人:中國計量學院