一种基于霍尔效应和电容测长原理的地下位移三维测量装置

本技术涉及地下位移三维测量，具体为一种基于霍尔效应和电容测长原理的地下位移三维测量装置。

背景技术：

1、近些年来，随着全球气温变暖，冰川融化导致降雨量增多，各地的地质灾害不断增多。地质灾害的发生不仅对人类的生命财产安全造成了巨大的威胁，而且还严重影响着经济建设和人类社会的发展。对于地面形变的监测作为常规的监测手段用于地质灾害的监测。但是对于地面的监测只能监测到地表位移，并不能监测到地下的位移情况，而泥石流，山体滑坡等地质灾害往往需要该地区的地下位移监测才能更好的预防。地下位移监测技术能快速的监测出地下位移的变化情况，在滑坡还没发生之前，能更快、更有效的预测出发生滑坡的可能性，更大概率预防灾害的发生，对地质灾害的监测工作起到了举足轻重的作用。

2、目前国内外地下位移监测技术主要有：tdr技术、钻孔测斜仪、botdr监测技术。tdr监测技术只能确定剪切面的大概位置，无法确定地下各深度的具体位移大小和方向；钻孔测斜仪使用的管状结构，抗应力较差，操作不当容易导致探管破裂，造成仪器的损坏；botdr技术的不足是监测范围有限，位移形变量超过限度会造成光纤损坏。这几种技术都不能很好地测量地下位移三维。

3、为了解决上述问题，cn101871764b提供了一种基于霍尔效应的岩土地下位移测量方法及装置，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，实现了位移量和位移方向的同时测量，但该方案中，包括多个测量单元，各个测量单元的上半部设置三个霍尔传感器，结构复杂，且霍尔传感器成本较高，不利于大批量生产。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种基于霍尔效应和电容测长原理的地下位移三维测量装置，结构简单，且大大降低了成本。

2、为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

3、一种基于霍尔效应和电容测长原理的地下位移三维测量装置，包括多个结构相同的测量单元和至少一个信息集总单元，其中，所述的多个测量单元同轴设置，并通过电源线和485总线上下连成一串，封装在热缩软橡塑管内，上下相邻的两个所述测量单元组成一个最小测量组，热缩软橡塑管垂直放入地下岩土体内，所述的信息集总单元通过485总线采集各个测量单元的数据，所述的测量单元包括：

4、pvc空心管，所述的pvc空心管的顶部设有顶盖，管内中部设有内环，底部设有底盖；

5、可变电容器外管，所述的可变电容器外管与所述的pvc空心管同轴设置，其顶端穿过所述顶盖的中心开口而凸出于所述顶盖的上表面，其底端固定于所述内环的内环周缘；

6、永磁圆环柱，所述的永磁圆环柱套设于可变电容器外管的外壁，且固定于所述顶盖的下表面，所述的永磁圆环柱位于所述pvc空心管管内所述顶盖与所述内环之间；

7、电路板，所述电路板设置于所述pvc空心管管内，且位于所述内环与所述底盖之间，所述电路板设有霍尔传感器和姿态传感器，所述的霍尔传感器与所述pvc空心管同轴设置；

8、可变电容器内芯，所述的可变电容器内芯穿设于所述底盖的中心通孔与所述的pvc空心管同轴设置，且其底端凸出于所述底盖的下表面。

9、本技术提供的地下位移三维测量装置，包括多个结构相同的测量单元和至少一个信息集总单元，通过在各个测量单元上设置永磁圆环柱、霍尔传感器、可变电容器和姿态传感器，并将多个测量单元通过电源线和485总线上下连成一串，同轴封装在热缩软橡塑管内，最后将热缩软橡塑管垂直放入地下岩土体内，以进行地下位移测量。当地下岩土发生形变时，上下相邻的两个测量单元之间相对位置发生改变，对于由上下相邻的两个测量单元组成的一个最小测量组，下方测量单元的永磁圆环柱与上方测量单元的霍尔传感器之间的相对位置发生改变，导致霍尔传感器感受的磁感应强度发生改变，进而导致霍尔传感器的输出电压发生改变，此电压的大小与测量单元的相对位置有关；上方测量单元的底盖和下方测量单元的顶盖之间的直线距离发生改变，导致可变电容器的电容有效值发生变化，此电容值与直线距离成正比；同时，上方测量单元、下方测量单元的倾斜角的变化可由姿态传感器测出。利用磁场变化量，电容值变化量，倾斜角度变化量这三个与两个测量单元之间相对位置有关的量可以计算出测量单元的三维位移。测量时，自上到下或自下而上依次测量各个最小测量组的上述变化量：测量第i(i＝1,2,3...n-1,i表示该测量组的序号，n表示测量组的总数)组最小测量组的互感电压值、电容有效值和倾斜角度，并计算出两个测量单元之间的相对水平位移δxi和相对垂直位移δzi，以此来作为第i组测量组所在位置的位移量。信息集总单元通过485总线获取各个最小测量组的相对位移，通过简单的积分求和便可以得出地下不同深度处的实际水平位移量和垂直位移量，进而得出整体装置的地下位移三维情况。

10、在其中一个实施例中，各个测量单元的可变电容器外管均套设于位于其上方的相邻测量单元的可变电容器内芯外。

11、如此设置，使得地下岩土带动测量单元发生位移时，对于任意一个最小测量组，上方测量单元的底盖和下方测量单元的顶盖之间的直线距离发生改变，导致可变电容器外管与可变电容器内芯的相对面积发生改变，进而导致由可变电容器内芯测得的电容值发生改变，由此确定上方测量单元的底盖和下方测量单元的顶盖之间直线距离的变化量。

12、在其中一个实施例中，pvc空心管的横截面呈圆形或正多边形，pvc空心管起到保护内部结构的作用。

13、如此设置，各个测量单元的pvc空心管的横截面均呈圆形或正多边形，以保证各个测量单元串联后封装于垂直设置的热缩软橡塑管内时，各个pvc空心管均可由热缩软橡塑管内部空间限定而不会发生倾斜。需要注意的是，也可以部分测量单元的pvc空心管的横截面呈圆形，剩余测量单元的pvc空心管的横截面呈正多边形，只要该圆形与正多边形的外切圆面积一致即可。

14、在其中一个实施例中，顶盖、内环、底盖相互平行设置，且均与所述pvc空心管由ab胶水封装。

15、在其中一个实施例中，电路板还设有mcu电路、滤波整流电路、电容测量电路和485通信电路，所述的滤波整流电路电连接于所述霍尔传感器和mcu电路之间，所述的电容测量电路电连接于所述可变电容器内芯和mcu电路之间，所述的485通信电路电连接于所述的485总线和mcu电路之间，所述的姿态传感器与mcu电路电连接。

16、如此设置，mcu通过滤波整流电路接收霍尔传感器的电压变化，通过电容测量电路接收可变电容器内芯测得的电容变化，通过姿态传感器测得倾斜角变化。

17、进一步的，mcu电路以stm32芯片为主处理器，其芯片内部集成的12位ad转换电路可以满足本装置中adc采集电压的精度要求。

18、在其中一个实施例中，姿态传感器为六轴角度传感器，可以获得测量单元相对与地球的姿态数据，并且以iic通信方式将姿态结果发送给mcu。

19、在其中一个实施例中，信息集总单元通过485总线与位于最上方的所述测量单元电连接，信息集总单元通过485总线与各个测量单元通信。

20、在其中一个实施例中，信息集总单元设置于地面。

21、与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：

22、本实用新型是一种基于霍尔效应和电容测长原理的地下位移三维测量装置，该装置可以测量地下岩土形变的三维位移，精确度可以达到毫米级，且装置结构简单，成本低。