地下变形三维测量磁环传感方法及传感器

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因地下岩土体变形所引起的滑坡灾害时常发生并对人类社会危害巨大。能否直观反应出地下岩土体的变形情况是各类滑坡监测指标中的重点和难点,对存在滑坡风险的区域进行实时在线测量,可起到预警的作用。  国内外对于岩土体深部的形变监测主要利用测斜仪、多点位移计和TDR同轴电缆。然而这三种主流的测量方法均不能有效的反映出地下岩土体的三维变形。基于此,笔者提出了一种基于霍尔效应的磁环传感方法来监测地下三维变形。  常见的滑坡类型有旋转型滑坡和平移型滑坡。以此为研究对象,提出测量方案:将多个圆柱形长筒状的测量单元沿着共同的中轴线串接后以一定的方位埋入待测土体,通过测量所有相邻单元间的空间相对位移来反映出测量区域内地下岩土体的三维变形情况。  将霍尔传感器阵列、磁环以及电路板安装在圆柱形测量单元之中,并建立圆柱形坐标系来定位测量单元的空间位置。当地下岩土体发生变形时,会使得相邻测量单元发生空间相对位移。通过采集一系列的电压数据,再调用相应的算法就可得到其中一个测量单元相对于另一个测量单元的空间三维坐标和两者的相对运动方向。  搭建实验平台,依次改变单个霍尔传感器与磁环的空间相对位置以标定放置于测量单元中的传感器。采用标定的数据,根据磁环的磁场分布并结合MATLAB软件得到霍尔传感器输出电压的等值线,依据此等值线特征,提出基于四个霍尔传感器阵列的测量模型。对于空间任意位置的一个磁环,由于磁场的激励,每一个霍尔传感器都会输出一个特定的霍尔电压值,而每一个霍尔电压值都对应这一条电压等值线,理论上四条电压等值线必交于一点,该点就是磁环的空间三维坐标点,实际上通过近似处理,也可得到此点。基于此便可得到两相邻测量单元的空间相对坐标。  三轴数字加速度传感器可完成对测量单元的轴向倾角测量和相邻测量单元之间相对位移的方向测量。  实验结果表明:在圆柱形坐标中,磁环R轴的测量引用误差值保持在?8%以内,Z轴保持在?6%以内,相邻测量单元之间相对位移的方向角?和测量单元的轴向倾角?的测量引用误差都保持在?0.11%以内。则相邻测量单元间所求得的相对位移量可满足实际要求。
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