基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置。由多个测量单元串接组成，使相邻一个测量单元的下表面平行于另一个测量单元的上表面。每一个测量单元由下表面安装永磁体或电磁铁，上表面安装至少3个霍尔传感器，每个测量单元通过电源线和485总线上下连成一串，将整串测量装置垂直插入岩层中，其输出电压通过模数转换芯片传入单片机。当相邻测量单元发生相对位移时，其中一个测量单元上的霍尔传感器与另一个测量单元上的永磁体或电磁铁的相对位置发生改变，从而使霍尔传感器的输出电压发生改变。根据霍尔传感器的输出电压的变化计算得到两个相邻测量单元的位移量和位移方向，从而得到岩土地下位移量和位移方向。

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移测量方法及装置，尤其是涉及一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置。

背景技术

我国是地质灾害多发国家，频发的地质灾害给人们的生命和财产带来了巨大的损失和威胁。为了减少地质灾害造成的损失，各种灾害防治监测手段和技术被广泛应用到各个领域并且取得了显著的避灾防灾效果。如滑坡、地面沉降等地质灾害的灾前地质征兆和地质结构动态变化参数多数首先来自于灾害体地下深部。如果能够提前针对灾害体地下地质结构参数变化的测量中得到灾害的前兆信息的话，就能大大有利于避灾、防灾工作的有效开展，减少灾害造成的损失。地下位移监测技术就是一种针对灾害体地下深部地质结构参数的重要监测手段。

目前国内外常用的地下位移测量技术主要有钻孔测斜法和TDR法，但这两种技术都存在较多的缺点，大大降低了其性能。如钻孔测斜法需要人工操作计算，效率低，测量结果的可靠性受到操作人员素质影响大；必须靠近危险源测量，安全性不高；不能测量位移方向；难以测量土层发生较大曲率的滑移情况等。TDR法无法测量未发生剪切作用的土层滑移情况；对位移量测量精度不高；无法测量滑移方向等。还有由申请人提出的基于互感机理的地下位移测量方法，虽然解决了具有方向判别和实时测量的问题，但在位移初始阶段测量精度较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置。

本发明采用的技术方案是：

一、一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法：

每一个测量单元均由下表面安装永磁体或电磁铁，上表面安装三个霍尔传感器，以及测量电路和单片机组成；将多个测量单元串连插入岩土层中，使任意相邻两个测量单元中的一个测量单元的下表面平行于另一个测量单元的上表面；根据霍尔效应，霍尔传感器在磁场作用下输出霍尔电压；当相邻测量单元发生相对位移时，其中一个测量单元上的霍尔传感器与另一个测量单元上的永磁体或电磁铁的相对位置发生改变；霍尔传感器的输出电压也发生改变，通过测量每个霍尔传感器输出电压来判断永磁体或电磁铁在霍尔传感器所在平面的投影与该霍尔传感器的相对距离；在获得磁体的平面投影与平面上所有霍尔传感器的相对距离后，通过几何计算的方法得到磁体平面投影在该平面上的二维坐标位置，通过两个测量单元发生相对位移前后永磁体或电磁铁平面投影二维坐标的变化计算得到两个测量单元的相对位移量和位移方向；

二、一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量装置：

每一个测量单元均由下表面安装永磁体或电磁铁，上表面安装三个霍尔传感器，以及测量电路和单片机组成，相应的两块圆形印刷电路板都装入一个厚壁PVC塑料管内，并灌胶密封；每一个测量单元均分为两个部分，一部分是一块永磁体或电磁铁，固定在第一测量单元的下端面面板上，另一部分是由三个霍尔传感器组成的传感器阵列，固定在第二测量单元的上端面面板上，霍尔传感器紧密地水平贴合在面板上，三个霍尔传感器的中心点在上端面面板平面上构成一个等边三角形的三个顶点A、B、C，下端面面板和上端面面板之间相互平行，并能相对水平移动；当第一测量单元和第二测量单元未发生相对位移时，永磁体或电磁铁的端面中心点在上端面面板平面上的投影点与等边三角形的中心点重合；每个测量单元通过电源线和485总线上下连成一串，由485总线将各测量单元的测量数据送至地面的信息集中处理装置，信息集中处理装置将通过有线和无线的方式传送到PC机，通过PC机人机对话界面观察各个测量单元的数据即可知道地下位移的大小。

本发明具有的有益效果是：

本发明将霍尔效应应用于地下岩土的位移测量，实现了位移量和位移方向的同时测量，提出了一种新的岩土地下位移测量方法。

附图说明

图1是岩土未发生相对位移时传感器三维结构图。

图2是岩土未发生相对位移时传感器俯视图。

图3是岩土发生相对位移时传感器三维结构图。

图4是岩土发生相对位移时传感器俯视图。

图5是永磁体或电磁铁中心点投影坐标计算。

图6是地下位移测量系统示意图。

图7是地下位移测量单元的硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

1、基于霍尔效应测量位移的机理：

如图1所示，V₁和V₂为一对相邻的基于霍尔效应的地下位移传感器测量单元。S₁₁为V₁测量单元上平面，S₁₂为V₁测量单元下平面，S₂₁为V₂测量单元上平面，S₂₂为V₂测量单元下平面。在两个测量单元上表面都固定有三个霍尔传感器(如SS94A1F霍尔传感器)组成的阵列。在两个测量单元下表面都固定有一块永磁体或电磁铁。其中M是固定于S₁₂平面上的永磁体或电磁铁。A、B、C三个顶点为贴在平面S₂₁构成一个等边三角形的三块霍尔传感器的中心点。平面S₁₂和S₂₁之间相互平行，V₁和V₂可以相对水平移动。当V₁和V₂未发生相对位移时，如图1和图2所示，永磁体或电磁铁M的中心点P在S₂₁平面上的投影P′点与等边三角形的中心点Q重合。当V₁和V₂发生相对位移时，如图3和图4所示，永磁体或电磁铁相对三个霍尔传感器的位置发生变化，P′点发生位移，使得穿过霍尔传感器的磁感应强度发生变化。根据霍尔效应，霍尔传感器的输出电压与穿过霍尔传感器的磁感应强度有关。因此当V₁和V₂发生相对位移时，霍尔传感器的输出电压也随之发生变化。

如图5所示，在S₂₁平面上建立坐标系，A、B、C三点为三个霍尔传感器的中心点，P′点为永磁体或电磁铁M中心点P在S₂₁平面上的投影，P′到A、B、C点的距离分别为d_A、d_B、d_C.A、B、C三点所构成的等边三角形边长为常数a.移动测量单元V₁，使得d_A、d_B、d_C取不同数值时，测量对应的A、B、C点三个霍尔传感器的输出电压U_AO、U_BO、U_CO。然后对d_A、d_B、d_C和U_AO、U_BO、U_CO测量数据应用多项式最小二乘拟合法得到永磁体或电磁铁中心点投影P′到霍尔传感器的距离与该霍尔传感器输出电压的函数关系式。(以一阶最小二乘拟合为例)

d_A＝a₁*U_AO+a₀                (1)

d_B＝b₁*U_BO+b₀                (2)

d_C＝c₁*U_CO+c₀                (3)

式(1)、式(2)和式(3)中a₀、a₁、b₀、b₁、c₀、c₁为最小二乘拟合得到的常系数。

假设P′点坐标为(x，y)。测量霍尔传感器的输出电压U_AO、U_BO和U_CO，再根据式(1)、式(2)和式(3)可获得P′点到三个霍尔传感器中心点的距离d_A、d_B、d_C.利用几何换算的方法，可以求得P′点的平面坐标。

$x=\frac{a^2+{d_A}^2-{d_B}^2}{2a}---\left(5\right)$

$y=\frac{a^2+{d_A}^2+{d_B}^2-2{d_C}^2}{2\sqrt{3}a}---\left(6\right)$

设未发生位移时P′点的坐标为(x₀，y₀)，位移后P′点的坐标为(x₁，y₁)，则V₁相对于V₂向x方向移动的距离为Δx＝x₁-x₀，向y方向移动的距离为Δy＝y₁-y₀.

2.地下位移测量装置：

如图1所示，每一个测量单元均由下表面安装永磁体或电磁铁，上表面安装三个霍尔传感器，以及测量电路和单片机组成，如图7所示，相应的两块圆形印刷电路板都装入一个厚壁PVC塑料管内，并灌胶密封；每一个测量单元均分为两个部分，一部分是一块永磁体或电磁铁M，固定在第一测量单元V₁的下端面面板S₁₂上，另一部分是由三个霍尔传感器组成的传感器阵列，固定在第二测量单元V₂的上端面面板S₂₁上，霍尔传感器紧密地水平贴合在面板S₂₁上，三个霍尔传感器的中心点在上端面面板S₂₁平面上构成一个等边三角形的三个顶点A、B、C，下端面面板S₁₂和上端面面板S₂₁之间相互平行，并能相对水平移动；当第一测量单元V₁和第二测量单元V₂未发生相对位移时，永磁体或电磁铁M的端面中心点P在上端面面板S₂₁平面上的投影P′点与等边三角形的中心点Q重合；每个测量单元通过电源线和485总线上下连成一串，由485总线将各测量单元的测量数据送至地面的信息集中处理装置，信息集中处理装置将通过有线和无线的方式传送到PC机，通过PC机人机对话界面观察各个测量单元的数据即可知道地下位移的大小。

也可安装三个以上霍尔传感器组成的传感器阵列，固定在第二测量单元V₂的上端面面板S₂₁上，构成等边多边形。

多个测量单元外部套上具有热缩功能的薄壁软塑料管，形成整串测量装置，如图6所示。将整串测量装置垂直插入岩层中，每对测量单元间的相对位移的测量机理如前第1节所述。每个测量单元中的霍尔传感器输出电压受到上一个测量单元永磁体或电磁铁的磁场的影响。其输出电压通过模数转换芯片传入单片机，根据前述的位移测量机理计算得到相邻测量单元的相对位移，最后通过485芯片接入485总线将测量数据送至地面的信息集中处理装置。当地层发生相对滑动时，每一个基于霍尔效应的地下位移测量单元将随周围地层发生相对移动，自下而上或自上而下记录每对相邻测量单元的相对移动就可以得到整串测量装置所在岩土的位移情况。