[發明專利]基于霍爾和磁阻效應的地下位移三維測量方法及裝置

有效

• 申請號: 201310000331.0
• 申請日: 2013-01-04
• 公開（公告）號: CN103063122A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 李青;周振;李雄;童仁園;施閣
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明涉及一種地下位移測量方法及裝置，尤其是涉及一種基于霍爾和磁阻效應的地下位移三維測量方法及裝置。

背景技術

地質災害和地震給人們的生命和財產帶來了巨大的損失和威脅。滑坡體的地下位移測量是監測滑坡體穩定性的有效手段,對地殼板塊擠壓時地下變形的測量是觀測地震前兆和研究地震規律的重要依據。現有的地下位移測量尚不能測量出地下位移的三維變化。滑坡體地下位移和地殼板塊擠壓變形的三維變化測量，是研究滑坡體是否致災、地殼變形與地震發生規律的重要監測信息。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于霍爾和磁阻效應的地下位移三維測量方法及裝置。

本發明采用的技術方案是：

一、一種基于霍爾和磁阻效應的地下位移三維測量方法：

本發明的集成式傳感器由多個圓柱體測量單元通過電源線和通訊線串接而成，相鄰單元的上、下表面互相平行，每個單元均內嵌面板S₁、S₂、S₃和S₄；第一塊面板S₁上是由三個呈等邊三角形分布的霍爾效應傳感器組成的傳感器陣列；第二塊面板S₂上是一片基于磁阻效應的雙軸磁傳感器及測量電路；第三塊面板S₃是屏蔽層；第四塊面板S₄上是一個圓柱形永久磁鋼；將集成式傳感器直插入巖土體中；圓柱形永久磁鋼周圍的磁場關于其中軸線對稱分布；霍爾傳感器測量沿磁鋼中軸線方向的磁感應強度分量，進行坐標轉換得到該分量在磁鋼周圍的磁感應強度相同等值面面簇分布；等值面形似拋物面，磁鋼沿著等值面運動時霍爾傳感器的輸出值不變；對于每一對上下兩個圓柱體測量單元，在上面的測量單元下端的磁鋼所產生的磁場作用下，下面的測量單元上端的呈等邊三角形分布的三個霍爾傳感器輸出三個電壓值，得到三個等值面；三個等值面在空間中相交于一點，該點坐標值就是磁鋼的三維坐標；巖土體變形會改變上下兩個圓柱體測量單元之間的相對位置；在得到磁鋼新的三維坐標之后，通過幾何運算得出三維位移的大小；在一個測量單元中基于磁阻效應的雙軸磁傳感器的Y?_axis軸、X?_axis軸分別與系統坐標系的Y軸、X軸平行；分別測得空間中地磁場沿Y_?axis軸和X_?axis軸的磁場強度分量，得出兩個圓柱體測量單元相對變形的方位角；結合上面的位移大小測量，完成相鄰測量單元的相對位移測量，其他單元同理，由此完成整個巖土體從地下到地表的變形的三維測量。

二、一種基于霍爾和磁阻效應的地下位移三維測量裝置：

本發明包括集成式傳感器及信息處理單元組成；集成式傳感器的多個圓柱體測量單元均內嵌四個面板，四個面板從上至下分別有霍爾傳感器陣列、雙軸磁傳感器及測量電路、屏蔽層和圓柱形磁鋼；霍爾傳感器選用SS94A1，其陶瓷片的中心點感受磁感應強度，三個霍爾傳感器的陶瓷片中心點A、B、C構成一個等邊三角形的三個頂點；采集霍爾傳感器和雙軸磁傳感器的輸出，并送入485總線；等邊三角形、雙軸磁傳感器及磁鋼的中心均在圓柱體測量單元的中軸線上；三塊圓形印刷電路板面板以及一塊屏蔽層面板都裝入PVC塑料管內，并灌膠密封；每個測量單元通過電源線和485總線上下連成一串，由485總線將各測量單元的數據送至信息處理單元，再由MCU通過GSM/GPRS模塊將數據發往遠程上位機，監測地下位移情況。

本發明具有的有益效果是：

本發明將集成式傳感器直插入巖層中，其輸出信號由信息處理單元采集并處理。建立三維坐標系，利用測地磁的雙軸磁傳感器測量出坐標軸的方位角；利用霍爾傳感器陣列測量出磁鋼的三維坐標值；土層變形使得相鄰測量單元發生相對位移，測量磁鋼新的三維坐標值。三個值通過幾何運算完成相鄰測量單元的相對位移測量，其他測量單元同理，由此完成整個巖土體從地下到地表面的變形的三維測量，實現了三維位移量和位移方向的同時測量。

附圖說明

圖1是單個測量單元結構圖。

圖2是霍爾傳感器標定實驗簡圖。

圖3是兩個測量單元結構圖。

圖4是發生相對位移后的兩個測量單元結構圖。

圖5是面板S₂₁俯視圖。

圖6是測量裝置系統三維坐標系示意圖。

圖7是測量裝置系統三維坐標系的俯視圖。

圖8是空間中三個等值曲面相交示意圖。

圖9是位移方向測量圖解。