专利名称：基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置的制作方法
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。
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。
具体实施例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，力和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。Sn 为义测量单元上平面，S12为Vi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，力和^可以相对水平移动。当义和^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。当力和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\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dA、dB、dc. A、B、C三点所构成的等边三角形边长为常数a.移动测量单元力，使得dA、dB、dc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UA0、UB0、Ucoo然后对dA、dB、dc 和UA0、UM、Uco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)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,^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UM、UTO*UTO，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dA、dB、dc.利用几何换
算的方法，可以求得P'点的平面坐标。
2 , j 2 j 2 r n a +dA -dRX =-^-(5)
2a
r n a2+dA2+dB2-2dc2
y 二-^^——-(6)设未发生位移时P'点的坐标为(X(1，yci)，位移后P'点的坐标为(Xl，yi)，则力相 对于v2向x方向移动的距离为Ax = Xi-h，向y方向移动的距离为Ay = yry0.2.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义的下端面面板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A和第二测量单元％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
5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。
权利要求
一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法，其特征在于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；测量时，自上到下或自下而上依次测量相邻测量单元的相对位移量和位移方向，从而得到岩土地下深部各个位置的相对位移量和位移方向。
2.根据权利要求1所述方法的一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量装置，其特征在 于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(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。
全文摘要
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。
文档编号G01B7/02GK101871764SQ20101020399
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月21日 优先权日2010年6月21日
发明者李明, 李雄, 李青, 池金谷, 童仁园 申请人:中国计量学院