一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪及测量方法与流程

本发明属于建设工程技术领域，涉及应用于工程监测的测斜仪器，特别涉及一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪及测量方法。

背景技术：

滑坡是一种危害人民生命和财产安全的常见地质灾害，发生前会出现地下深部的位移现象，因此，对岩土地下深部变形进行监测是防御灾害、保障建筑和水利等岩土工程质量的必要手段。其中，钻孔测斜仪为边坡深层水平位移传统监测工具。该仪器是一种用来测定钻孔倾角及方位角的原位测量设备，通过对所测倾角进行换算就可以计算出岩土体内部不同深度位置处的位移变化值，从而评价边坡的稳定性和承载力特性，目前测斜仪技术在边坡监测领域已有着较为广泛的应用。

测斜仪在得到广泛应用的同时，也存在较大的不足，如倾角测量范围小，难以监测滑坡体的中后期变形，无法满足长期监测的要求；另一方面现场测试受限于测试环境的影响，耐久性和稳定性很难得到保障，同时传统的电阻式传感器的测试精度易受水、温度、盐分等因素的干扰，这些问题成为边坡长期在线监测准确度的主要影响因素。针对这些问题，提出一种测试精度高、范围大、抗干扰能力强的新型磁感测斜仪就尤为重要。

本发明提供一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪，采用霍尔元件作为倾角传感元件构建新型测斜仪，对变形较大的特征点或滑动面附近测试点进行后期变形进行连续观测，对边坡滑动变形进行预警，从而更好地为边坡工程提供安全保障。这对于提高测量精度、量程、准确反映滑坡体位移变化特性具有重要意义。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪，以克服现有手段的不足。利用精度高、寿命长、耐震动、耐腐蚀性好的霍尔元件作为测斜仪内部的倾角测量手段，同时提出得到滑坡体的位移变化情况的优选方法。

本发明的技术方案：

一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪，包括载体螺栓1、永磁体套管2、霍尔元件3、滑轮4、铝合金上板5、铝合金下板6、圆柱铜螺栓7、钕铁硼永磁体8、柔性管9、连接刚性段10、计算机11和导线12；

铝合金上板5和铝合金下板6通过圆柱铜螺栓7和载体螺栓1相连接，形成一个结构单元；圆柱铜螺栓7用于连接两个铝合金上板5和两个铝合金下板6的端部，两个铝合金上板5之间和两个铝合金下板6之间均存在间隔，圆柱铜螺栓7起连接、组装和固定作用；两个铝合金上板5分别位于两个铝合金下板6的外部，载体螺栓1与铝合金上板5连接形式为刚接，可传递力矩；载体螺栓1与铝合金下板6连接形式为铰接，不可传递力矩；永磁体套管2通过圆柱铜螺栓7固定在两个铝合金板6之间，其内部开有与钕铁硼永磁体8同体积的凹槽，用于安装钕铁硼永磁体8，钕铁硼永磁体8为霍尔元件3创造磁场环境；霍尔元件3通过环氧树脂胶粘贴在载体螺栓1表面，用于测量磁场大小；导线12的一端连接霍尔元件3，另一端与计算机11相连接，由计算机11实时读取霍尔元件3的霍尔电压大小；滑轮4通过螺栓固定在两个铝合金上板5和两个铝合金下板6之间，具有滑动功能，可在柔性管9凹槽中上下滑动；柔性管9为一空心导管，内侧壁开有凹槽，尺寸根据滑轮尺寸确定；连接刚性段10的材料刚度不小于铝合金板，通过圆柱铜螺栓7跟上下两个结构单元连接，形成阵列式分段测斜仪结构。

柔性管9可以是pvc管，也可以是其他柔性材料，其抵抗变形能力小于测斜仪结构材料的抗变形性能。

工作原理：

本发明提供的基于霍尔元件的新型磁感测斜仪采用霍尔元件作为传感元件安装在测斜仪的载体螺栓表面。霍尔元件是一种由半导体材料制作的磁电器件，其工作原理为：在与磁场垂直的半导体薄片上通以电流i，由于洛伦兹力的作用，半导体中的电荷将分别向两侧偏转，产生电场力。当电场力与洛伦兹力相等时，电荷的积累达到动态平衡，在半导体的两端截面之间建立电场，相应的电势称为霍尔电压uh。若磁场的磁感应强度为b，则霍尔电压的基本关系:

式中：rh为霍尔元件的霍尔系数；n为单位体积内载流子或自由电子的个数；q为电子电量；i为通过的电流；b为垂直于i的磁感应强度；d为导体的厚度。

本发明提供的基于霍尔元件的新型磁感测斜仪安装到边坡土体钻孔中后，由于滑坡体的长期蠕动效应和滑移面的推力作用，新型磁感测斜仪产生弯曲，铝合金上板相对于铝合金下板产生倾角θ，进而通过载体螺栓带动霍尔元件产生相同角度大小的旋转，由此引起通过霍尔元件截面的磁通量发生变化。由霍尔原理可知，霍尔元件的霍尔电压与磁通量大小存在线性关系，可进行室内实验确定霍尔电压与倾角值变化关系。因此，通过测量霍尔元件的霍尔电压变化大小，就能够准确反映测斜仪转动倾角的变化规律，计算也可以得到滑坡体位移的演化特征。本测斜仪可以通过连接刚性段进一步设计成阵列式分段测斜仪结构，这种结构能够增加测量点，有利于岩土体深部大变形的测量，利用霍尔电压值确定各个测点的相对转动倾角大小，就可以递推出任意一点的侧向位移。

本发明的有益效果：本发明采用高精度、非接触、大量程的霍尔元件磁测技术，可克服传统电阻式测斜仪精度低、量程小等缺点，避免复杂外界环境对测试结果产生的不良影响，增加滑坡体位移测量结果的可靠性；采用铝合金和铜螺栓制作主体结构，有效避免了铁磁性材料对测试环境造成的附加磁场影响，进一步提高了本装置的可靠性；本发明通过测量霍尔元件的霍尔电压计算各个测点的倾角值与位移值，计算简单，操作便捷。

附图说明

图1为本发明提供的测斜仪的内部结构俯视图。

图2(a)为本发明提供的测斜仪的内部结构主视图。

图2(b)为铝合金上板转动θ对应的本发明提供的测斜仪的内部结构主视图。

图3为本发明提供的永磁体套管示意图。

图4为本发明提供的霍尔电压与倾角关系曲线示意图。

图5为本发明的现场安装示意图。

图6(a)为本发明的单个单元位移计算方法示意图。

图6(b)为本发明的多个单元位移计算方法示意图。

图中：1载体螺栓；2永磁体套管；3霍尔元件；4滑轮；5铝合金上板；6铝合金下板；7圆柱铜螺栓；8钕铁硼永磁体；9柔性管；10连接刚性段；11计算机；12导线。

具体实施方式

为更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明做详细说明。

实施例一：

如图1、图2，加工一种基于霍尔元件的新型磁感测斜仪，包括圆柱铜螺栓7、永磁体套管2、钕铁硼永磁体8、霍尔元件3、滑轮4、铝合金上板5、铝合金下板6、载体螺栓1、导线12、计算机11、柔性管9、连接刚性段10。

铝合金上板5和铝合金下板6通过圆柱铜螺栓7和载体螺栓1相连接，形成一个结构单元。圆柱铜螺栓7连接两个铝合金上板5和连接两个铝合金下板6，起连接、组装和固定作用。载体螺栓1与铝合金上板5连接形式为刚接，可传递力矩，截面形状为正方形，同时在铝合金上板5打正方形孔。载体螺栓1与铝合金下板6连接形式为铰接，不可传递力矩，截面形状为圆形，同时在铝合金下板6打圆形孔，方便载体螺栓1放入。如图3永磁体套管2两侧打磨开凿螺纹，通过圆柱铜螺栓7固定在两个铝合金板7之间，内部开凿有圆柱体空间，可以安装钕铁硼永磁体8。钕铁硼永磁体8采用圆柱体形状，直接塞入永磁体套管2，为霍尔元件3创造磁场环境。霍尔元件3通过环氧树脂胶粘贴在载体螺栓1表面的正中央位置，与钕铁硼永磁体8的中心轴线垂直，作用是测量钕铁硼永磁体8所散发的磁场大小。导线12下端连接霍尔元件3，上端延申至结构外侧与计算机11相连接，由计算机11实时采集读取霍尔元件3的霍尔电压大小。滑轮4通过螺栓固定在两个铝合金上板5和两个铝合金下板6之间，与铝合金上板5和铝合金下板6平行。柔性管9采用pvc管，内侧壁开有凹槽，尺寸比滑轮尺寸略大，允许滑轮在一定轨道内上下滑动。

如图5，本实施方式中所提供的新型磁感测斜仪安装到边坡土体钻孔中后，由于滑坡体的长期蠕动效应和滑移面的推力作用，新型磁感测斜仪产生弯曲，铝合金上板5相对于铝合金下板6产生倾角θ，进而通过载体螺栓1带动霍尔元件3产生相同角度大小的旋转，由此引起通过霍尔元件3截面的磁通量发生变化。将钕铁硼永磁体与霍尔元件单独拿出进行室内标定实验，比如设置二者距离分别为0.5cm,1cm,1.5cm,2cm,2.5cm,3cm,对霍尔元件进行0～90°和0～-90°的旋转，得到霍尔电压与倾角值变化关系并进行非线性拟合，如图4所示。因此，通过测量霍尔元件的霍尔电压变化大小，就能够通过拟合曲线准确反推出霍尔元件的旋转角度，进而反映测斜仪转动倾角的变化规律。为了增加测点数量，更好地反映滑坡演化规律，增加连接刚性段10和测斜仪单元数量，形成阵列式分段测斜仪结构。其中连接刚性段10采用钢板，通过圆柱铜螺栓7跟上下两个结构单元连接。

如图6，以测斜仪底部的固定点为参考点，用新型磁感测斜仪测量单元与垂直线的夹角，结合几何关系测量水平位移。假设测斜仪的一系列单元段沿同一方向产生变形，每个测点之间的段长为l，铝合金材料与连接刚性段具有足够大的刚度，忽略材料本身的变形。利用霍尔电压值确定各个测点的相对转动倾角大小，就可以递推出任意一点的侧向位移。

第一个测量段的水平偏移量计算为

d1＝l×sinθ1

同样，第二段的水平偏移量计算为

d2＝d1+l×sin(θ1+θ2)

通过在测量点以下的范围内积累水平偏移量，可以得到土体中任意测深处的水平位移。计算公式如下:

式中：di为由下到上第i个单元的水平偏移量；l为测斜仪单元长度；θi为第i个单元相对于第i-1个单元的转动角度。