專(zhuān)利名稱(chēng)：基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測(cè)量方法及裝置，尤其是涉及一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下 位移測(cè)量方法及裝置。
背景技術(shù)：
我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國(guó)家，頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損 失和威脅。為了減少地質(zhì)災(zāi)害造成的損失，各種災(zāi)害防治監(jiān)測(cè)手段和技術(shù)被廣泛應(yīng)用到各 個(gè)領(lǐng)域并且取得了顯著的避災(zāi)防災(zāi)效果。如滑坡、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)前地質(zhì)征兆和 地質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化參數(shù)多數(shù)首先來(lái)自于災(zāi)害體地下深部。如果能夠提前針對(duì)災(zāi)害體地下地 質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的測(cè)量中得到災(zāi)害的前兆信息的話，就能大大有利于避災(zāi)、防災(zāi)工作的有 效開(kāi)展，減少災(zāi)害造成的損失。地下位移監(jiān)測(cè)技術(shù)就是一種針對(duì)災(zāi)害體地下深部地質(zhì)結(jié)構(gòu) 參數(shù)的重要監(jiān)測(cè)手段。目前國(guó)內(nèi)外常用的地下位移測(cè)量技術(shù)主要有鉆孔測(cè)斜法和TDR法，但這兩種技術(shù) 都存在較多的缺點(diǎn)，大大降低了其性能。如鉆孔測(cè)斜法需要人工操作計(jì)算，效率低，測(cè)量結(jié) 果的可靠性受到操作人員素質(zhì)影響大；必須靠近危險(xiǎn)源測(cè)量，安全性不高；不能測(cè)量位移 方向；難以測(cè)量土層發(fā)生較大曲率的滑移情況等。TDR法無(wú)法測(cè)量未發(fā)生剪切作用的土層 滑移情況；對(duì)位移量測(cè)量精度不高；無(wú)法測(cè)量滑移方向等。還有由申請(qǐng)人提出的基于互感 機(jī)理的地下位移測(cè)量方法，雖然解決了具有方向判別和實(shí)時(shí)測(cè)量的問(wèn)題，但在位移初始階 段測(cè)量精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量方法及裝置。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一、一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量方法每一個(gè)測(cè)量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個(gè)霍爾傳感器， 以及測(cè)量電路和單片機(jī)組成；將多個(gè)測(cè)量單元串連插入巖土層中，使任意相鄰兩個(gè)測(cè)量單 元中的一個(gè)測(cè)量單元的下表面平行于另一個(gè)測(cè)量單元的上表面；根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾傳感 器在磁場(chǎng)作用下輸出霍爾電壓；當(dāng)相鄰測(cè)量單元發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，其中一個(gè)測(cè)量單元上的 霍爾傳感器與另一個(gè)測(cè)量單元上的永磁體或電磁鐵的相對(duì)位置發(fā)生改變；霍爾傳感器的輸 出電壓也發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量每個(gè)霍爾傳感器輸出電壓來(lái)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(duì)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(duì)距離后，通過(guò)幾何計(jì)算的方法得到磁體平面投影在該平面上的二維坐標(biāo)位 置，通過(guò)兩個(gè)測(cè)量單元發(fā)生相對(duì)位移前后永磁體或電磁鐵平面投影二維坐標(biāo)的變化計(jì)算得 到兩個(gè)測(cè)量單元的相對(duì)位移量和位移方向；二、一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量裝置每一個(gè)測(cè)量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個(gè)霍爾傳感器，以及測(cè)量電路和單片機(jī)組成，相應(yīng)的兩塊圓形印刷電路板都裝入一個(gè)厚壁PVC塑料管內(nèi)， 并灌膠密封；每一個(gè)測(cè)量單元均分為兩個(gè)部分，一部分是一塊永磁體或電磁鐵，固定在第一 測(cè)量單元的下端面面板上，另一部分是由三個(gè)霍爾傳感器組成的傳感器陣列，固定在第二 測(cè)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(gè)霍爾傳感器的中心 點(diǎn)在上端面面板平面上構(gòu)成一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A、B、C，下端面面板和上端面面板 之間相互平行，并能相對(duì)水平移動(dòng)；當(dāng)?shù)谝粶y(cè)量單元和第二測(cè)量單元未發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，永 磁體或電磁鐵的端面中心點(diǎn)在上端面面板平面上的投影點(diǎn)與等邊三角形的中心點(diǎn)重合；每 個(gè)測(cè)量單元通過(guò)電源線和485總線上下連成一串，由485總線將各測(cè)量單元的測(cè)量數(shù)據(jù) 送 至地面的信息集中處理裝置，信息集中處理裝置將通過(guò)有線和無(wú)線的方式傳送到PC機(jī)，通 過(guò)PC機(jī)人機(jī)對(duì)話界面觀察各個(gè)測(cè)量單元的數(shù)據(jù)即可知道地下位移的大小。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明將霍爾效應(yīng)應(yīng)用于地下巖土的位移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了位移量和位移方向的同時(shí) 測(cè)量，提出了一種新的巖土地下位移測(cè)量方法。


圖1是巖土未發(fā)生相對(duì)位移時(shí)傳感器三維結(jié)構(gòu)圖。圖2是巖土未發(fā)生相對(duì)位移時(shí)傳感器俯視圖。圖3是巖土發(fā)生相對(duì)位移時(shí)傳感器三維結(jié)構(gòu)圖。圖4是巖土發(fā)生相對(duì)位移時(shí)傳感器俯視圖。圖5是永磁體或電磁鐵中心點(diǎn)投影坐標(biāo)計(jì)算。圖6是地下位移測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖7是地下位移測(cè)量單元的硬件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。1、基于霍爾效應(yīng)測(cè)量位移的機(jī)理如圖1所示，力和V2為一對(duì)相鄰的基于霍爾效應(yīng)的地下位移傳感器測(cè)量單元。Sn 為義測(cè)量單元上平面，S12為Vi測(cè)量單元下平面，S21為v2測(cè)量單元上平面，s22為v2測(cè)量單 元下平面。在兩個(gè)測(cè)量單元上表面都固定有三個(gè)霍爾傳感器(如SS94A1F霍爾傳感器)組 成的陣列。在兩個(gè)測(cè)量單元下表面都固定有一塊永磁體或電磁鐵。其中M是固定于S12平 面上的永磁體或電磁鐵。A、B、C三個(gè)頂點(diǎn)為貼在平面S21構(gòu)成一個(gè)等邊三角形的三塊霍爾 傳感器的中心點(diǎn)。平面S12和S21之間相互平行，力和^可以相對(duì)水平移動(dòng)。當(dāng)義和^未 發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，如圖1和圖2所示，永磁體或電磁鐵M的中心點(diǎn)P在S21平面上的投影P' 點(diǎn)與等邊三角形的中心點(diǎn)Q重合。當(dāng)力和V2發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，如圖3和圖4所示，永磁體 或電磁鐵相對(duì)三個(gè)霍爾傳感器的位置發(fā)生變化，P'點(diǎn)發(fā)生位移，使得穿過(guò)霍爾傳感器的磁 感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化。根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾傳感器的輸出電壓與穿過(guò)霍爾傳感器的磁感應(yīng)強(qiáng) 度有關(guān)。因此當(dāng)\和V2發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，霍爾傳感器的輸出電壓也隨之發(fā)生變化。如圖5所示，在S21平面上建立坐標(biāo)系，A、B、C三點(diǎn)為三個(gè)霍爾傳感器的中心點(diǎn)， P'點(diǎn)為永磁體或電磁鐵M中心點(diǎn)P在S21平面上的投影，P'到A、B、C點(diǎn)的距離分別為dA、dB、dc. A、B、C三點(diǎn)所構(gòu)成的等邊三角形邊長(zhǎng)為常數(shù)a.移動(dòng)測(cè)量單元力，使得dA、dB、dc取不 同數(shù)值時(shí)，測(cè)量對(duì)應(yīng)的A、B、C點(diǎn)三個(gè)霍爾傳感器的輸出電壓UA0、UB0、Ucoo然后對(duì)dA、dB、dc 和UA0、UM、Uco測(cè)量數(shù)據(jù)應(yīng)用多項(xiàng)式最小二乘擬合法得到永磁體或電磁鐵中心點(diǎn)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(shù)關(guān)系式。(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系數(shù)。假設(shè)P'點(diǎn)坐標(biāo)為(x，y)。測(cè)量霍爾傳感器的輸出電壓UM、UTO*UTO，再根據(jù)式 (1)、式(2)和式(3)可獲得P'點(diǎn)到三個(gè)霍爾傳感器中心點(diǎn)的距離dA、dB、dc.利用幾何換
算的方法，可以求得P'點(diǎn)的平面坐標(biāo)。
2 , j 2 j 2 r n a +dA -dRX =-^-(5)
2a
r n a2+dA2+dB2-2dc2
y 二-^^——-(6)設(shè)未發(fā)生位移時(shí)P'點(diǎn)的坐標(biāo)為(X(1，yci)，位移后P'點(diǎn)的坐標(biāo)為(Xl，yi)，則力相 對(duì)于v2向x方向移動(dòng)的距離為Ax = Xi-h，向y方向移動(dòng)的距離為Ay = yry0.2.地下位移測(cè)量裝置如圖1所示，每一個(gè)測(cè)量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個(gè) 霍爾傳感器，以及測(cè)量電路和單片機(jī)組成，如圖7所示，相應(yīng)的兩塊圓形印刷電路板都裝入 一個(gè)厚壁PVC塑料管內(nèi)，并灌膠密封；每一個(gè)測(cè)量單元均分為兩個(gè)部分，一部分是一塊永磁 體或電磁鐵M,固定在第一測(cè)量單元義的下端面面板S12上，另一部分是由三個(gè)霍爾傳感器 組成的傳感器陣列，固定在第二測(cè)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(gè)霍爾傳感器的中心點(diǎn)在上端面面板S21平面上構(gòu)成一個(gè)等邊三角形的 三個(gè)頂點(diǎn)A、B、C，下端面面板S12和上端面面板S21之間相互平行，并能相對(duì)水平移動(dòng)；當(dāng)?shù)?一測(cè)量單元A和第二測(cè)量單元％未發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，永磁體或電磁鐵M的端面中心點(diǎn)P在 上端面面板S21平面上的投影P'點(diǎn)與等邊三角形的中心點(diǎn)Q重合；每個(gè)測(cè)量單元通過(guò)電源 線和485總線上下連成一串，由485總線將各測(cè)量單元的測(cè)量數(shù)據(jù)送至地面的信息集中處 理裝置，信息集中處理裝置將通過(guò)有線和無(wú)線的方式傳送到PC機(jī)，通過(guò)PC機(jī)人機(jī)對(duì)話界面 觀察各個(gè)測(cè)量單元的數(shù)據(jù)即可知道地下位移的大小。也可安裝三個(gè)以上霍爾傳感器組成的傳感器陣列，固定在第二測(cè)量單元V2的上端 面面板S21上，構(gòu)成等邊多邊形。多個(gè)測(cè)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(cè)量裝置，如圖6 所示。將整串測(cè)量裝置垂直插入巖層中，每對(duì)測(cè)量單元間的相對(duì)位移的測(cè)量機(jī)理如前第1 節(jié)所述。每個(gè)測(cè)量單元中的霍爾傳感器輸出電壓受到上一個(gè)測(cè)量單元永磁體或電磁鐵的磁 場(chǎng)的影響。其輸出電壓通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳入單片機(jī)，根據(jù)前述的位移測(cè)量機(jī)理計(jì)算得到 相鄰測(cè)量單元的相對(duì)位移，最后通過(guò)485芯片接入485總線將測(cè)量數(shù)據(jù)送至地面的信息集 中處理裝置。當(dāng)?shù)貙影l(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，每一個(gè)基于霍爾效應(yīng)的地下位移測(cè)量單元將隨周?chē)?br> 5地層發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，自下而上或自上而下記錄每對(duì)相鄰測(cè)量單元的相對(duì)移動(dòng)就可以得到整 串測(cè)量裝置所在巖土的位移情況。
權(quán)利要求
一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量方法，其特征在于每一個(gè)測(cè)量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個(gè)霍爾傳感器，以及測(cè)量電路和單片機(jī)組成；將多個(gè)測(cè)量單元串連插入巖土層中，使任意相鄰兩個(gè)測(cè)量單元中的一個(gè)測(cè)量單元的下表面平行于另一個(gè)測(cè)量單元的上表面；根據(jù)霍爾效應(yīng)，霍爾傳感器在磁場(chǎng)作用下輸出霍爾電壓；當(dāng)相鄰測(cè)量單元發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，其中一個(gè)測(cè)量單元上的霍爾傳感器與另一個(gè)測(cè)量單元上的永磁體或電磁鐵的相對(duì)位置發(fā)生改變；霍爾傳感器的輸出電壓也發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量每個(gè)霍爾傳感器輸出電壓來(lái)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(duì)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(duì)距離后，通過(guò)幾何計(jì)算的方法得到磁體平面投影在該平面上的二維坐標(biāo)位置，通過(guò)兩個(gè)測(cè)量單元發(fā)生相對(duì)位移前后永磁體或電磁鐵平面投影二維坐標(biāo)的變化計(jì)算得到兩個(gè)測(cè)量單元的相對(duì)位移量和位移方向；測(cè)量時(shí)，自上到下或自下而上依次測(cè)量相鄰測(cè)量單元的相對(duì)位移量和位移方向，從而得到巖土地下深部各個(gè)位置的相對(duì)位移量和位移方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法的一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量裝置，其特征在 于每一個(gè)測(cè)量單元均由下表面安裝永磁體或電磁鐵，上表面安裝三個(gè)霍爾傳感器，以及測(cè) 量電路和單片機(jī)組成，相應(yīng)的兩塊圓形印刷電路板都裝入一個(gè)厚壁PVC塑料管內(nèi)，并灌膠 密封；每一個(gè)測(cè)量單元均分為兩個(gè)部分，一部分是一塊永磁體或電磁鐵(M)，固定在第一測(cè) 量單元(V1)的下端面面板(S12)上，另一部分是由三個(gè)霍爾傳感器組成的傳感器陣列，固定 在第二測(cè)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(gè)霍爾傳感器的中心點(diǎn)在上端面面板(S21)平面上構(gòu)成一個(gè)等邊三角形的三個(gè)頂點(diǎn)A、B、 C，下端面面板(S12)和上端面面板(S21)之間相互平行，并能相對(duì)水平移動(dòng)；當(dāng)?shù)谝粶y(cè)量單 元(V1)和第二測(cè)量單元(V2)未發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，永磁體或電磁鐵(M)的端面中心點(diǎn)(P)在 上端面面板(S21)平面上的投影(P')點(diǎn)與等邊三角形的中心點(diǎn)(Q)重合；每個(gè)測(cè)量單元 通過(guò)電源線和485總線上下連成一串，由485總線將各測(cè)量單元的測(cè)量數(shù)據(jù)送至地面的信 息集中處理裝置，信息集中處理裝置將通過(guò)有線和無(wú)線的方式傳送到PC機(jī)，通過(guò)PC機(jī)人機(jī) 對(duì)話界面觀察各個(gè)測(cè)量單元的數(shù)據(jù)即可知道地下位移的大小。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于霍爾效應(yīng)的巖土地下位移測(cè)量方法及裝置。由多個(gè)測(cè)量單元串接組成，使相鄰一個(gè)測(cè)量單元的下表面平行于另一個(gè)測(cè)量單元的上表面。每一個(gè)測(cè)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(gè)霍爾傳感器，每個(gè)測(cè)量單元通過(guò)電源線和485總線上下連成一串，將整串測(cè)量裝置垂直插入巖層中，其輸出電壓通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片傳入單片機(jī)。當(dāng)相鄰測(cè)量單元發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，其中一個(gè)測(cè)量單元上的霍爾傳感器與另一個(gè)測(cè)量單元上的永磁體或電磁鐵的相對(duì)位置發(fā)生改變，從而使霍爾傳感器的輸出電壓發(fā)生改變。根據(jù)霍爾傳感器的輸出電壓的變化計(jì)算得到兩個(gè)相鄰測(cè)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(hào)G01B7/02GK101871764SQ20101020399
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者李明, 李雄, 李青, 池金谷, 童仁園 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院