基于霍爾效應(yīng)的地下變形監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)
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李哲昀1，李青2，王燕杰2
（1．杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院友嘉機(jī)電學(xué)院，浙江杭州310018；2．中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江杭州310018）
摘要：滑坡、崩塌、泥石流、地塌、地陷等危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前和發(fā)生時(shí)會(huì)出現(xiàn)地下深部的位移現(xiàn)象，尾礦壩在不斷堆積中也會(huì)出現(xiàn)深部位移現(xiàn)象。因此，對(duì)巖土地下深部變形或位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)是防御災(zāi)害、保障建筑和水利等巖土工程質(zhì)量的必要的手段。現(xiàn)有的測(cè)斜測(cè)量?jī)x必須由人工操作測(cè)量，且測(cè)量準(zhǔn)確性與操作者的技術(shù)有關(guān)；還有，當(dāng)測(cè)斜管發(fā)生大曲率彎曲時(shí)，測(cè)量探頭無法放下去完成測(cè)量。另外，測(cè)斜管具有較好的抗破壞強(qiáng)度，當(dāng)?shù)叵峦临|(zhì)較軟時(shí)，實(shí)際地下土體的位移大于測(cè)斜管的傾斜角度所對(duì)應(yīng)的位移值。提出基于測(cè)斜和霍爾效應(yīng)的地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器單元的構(gòu)成，組成相應(yīng)的地下位移測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，以及地下變形（位移）測(cè)量方法，以便解決現(xiàn)有測(cè)斜測(cè)量?jī)x的缺點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：測(cè)斜；霍爾測(cè)磁；集成傳感器；傾斜角；位移
中圖分類號(hào)：TP393.1 文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 04 - 0016 - 02
0引言
針對(duì)滑坡地質(zhì)災(zāi)害、礦山尾礦壩垮塌、公路鐵路邊坡坍塌、建筑基坑坍塌等類型的巖土災(zāi)變，可通過監(jiān)測(cè)地下的變形預(yù)測(cè)災(zāi)變的發(fā)展和致災(zāi)的可能，地下變形是這類巖土災(zāi)變預(yù)警、預(yù)報(bào)的有效數(shù)據(jù)。而現(xiàn)有的地下變形測(cè)量產(chǎn)品是測(cè)斜管測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x至少有三大缺陷：①不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量；②當(dāng)巖土體的分層運(yùn)動(dòng)使得測(cè)斜管成S形時(shí)，測(cè)斜探頭無法放人測(cè)斜管；③測(cè)斜管是帶有引導(dǎo)測(cè)斜探頭導(dǎo)槽的厚度為3 mm的工程塑料管或鋁管，相對(duì)軟土是較堅(jiān)硬的管子，因此測(cè)出的軟土移動(dòng)量會(huì)小于實(shí)際軟土的移動(dòng)量。為了改變和消除現(xiàn)有地下變形測(cè)量的測(cè)斜管測(cè)量?jī)x的缺陷，改進(jìn)地下變形測(cè)量?jī)x和方法很有必要。本文提出基于測(cè)斜和霍爾效應(yīng)的地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器單元的構(gòu)成，組成相應(yīng)的地下位移測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，以及地下變形（位移）測(cè)量方法。
1 集成測(cè)斜和霍爾效應(yīng)的集成傳感器
地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器單元包含MCU、測(cè)斜MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）芯片、霍爾測(cè)磁芯片、磁場(chǎng)發(fā)生線圈、MCU可控制磁場(chǎng)發(fā)生電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、485總線驅(qū)動(dòng)電路，如圖1所示。MCU讀取測(cè)斜集成電路和霍爾芯片的輸出電壓，并通過485總線傳給地面的地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置；在地面的地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置，通過485總線發(fā)送指令，使上下相鄰的集成傳感器兩兩依次受控制，實(shí)現(xiàn)從地下深部到地面的巖土變形（位移）測(cè)量。
集成傳感器實(shí)際實(shí)物外形為圓柱形，直徑約為8 cm、高為10 cm，集成傳感器單元電路封裝在壁厚4 mm的工程塑料管內(nèi)。
2 巖土地下變形（位移）測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)組成和測(cè)量實(shí)施過程
由集成傳感器組成集成傳感器串，集成傳感器串中兩兩緊連的集成傳感器間的夾角和間距由測(cè)斜和測(cè)磁實(shí)現(xiàn)，集成傳感器串的外皮是柔軟的熱縮管，當(dāng)?shù)叵聨r土運(yùn)動(dòng)時(shí)，集成傳感器串可以隨著巖土任意地運(yùn)動(dòng)，而測(cè)出的兩兩集成傳感器間的夾角和間距反映出地下巖土體的變形。如圖2所示，由現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)（可根據(jù)需要設(shè)定）、地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置、地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器串、天線、處在遠(yuǎn)方的PC機(jī)以及相應(yīng)的各類軟件，組成圖2的虛線框內(nèi)所示的巖土地下變形（位移）測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，。從下而上依次是由1~m個(gè)結(jié)構(gòu)相同的由測(cè)磁和測(cè)斜的地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器單元通過485總線串接而成，其中第m個(gè)地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器單元與地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置A通過485總線連接，且至少1號(hào)集成傳感器必須放入穩(wěn)定的基巖層，整個(gè)由集成傳感器構(gòu)成的測(cè)量串封裝在厚度僅1mm的熱縮軟橡塑管內(nèi)。從1號(hào)到m號(hào)地下變形（位移）測(cè)量集成傳感器的具體測(cè)量過程為：地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置通過485總線發(fā)指令讓2號(hào)集成傳感器中的MCU執(zhí)行磁場(chǎng)發(fā)生和測(cè)斜，讓1號(hào)集成傳感器的MCU執(zhí)行測(cè)斜和測(cè)磁，1號(hào)集成傳感器將讀出的MEMS測(cè)斜電壓和測(cè)磁霍爾電壓經(jīng)485總線發(fā)給地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置，2號(hào)集成傳感器將讀出的MEMS測(cè)斜電壓經(jīng)485總線發(fā)給地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置；地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置中的MCU根據(jù)得到的1號(hào)集成傳感器和2號(hào)集成傳感器的測(cè)斜電壓算出兩個(gè)集成傳感器的軸線夾角和1、2號(hào)集成傳感器各自相對(duì)于重力垂線的傾斜值，再根據(jù)基于集成傳感器的夾角θ、霍爾測(cè)磁電壓值u和兩個(gè)集成傳感器間相對(duì)水平位移值x三者間的測(cè)量模型得出兩個(gè)集成傳感器間的相對(duì)水平位移，這樣地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置得出了1、2號(hào)集成傳感器兩兩間的相對(duì)水平位移和1、2號(hào)集成傳感器的各自傾斜角；依次類推，地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置再控制2、3號(hào)集成傳感器進(jìn)行測(cè)量，得出2、3號(hào)集成傳感器兩兩間的相對(duì)水平位移和各自的傾斜值，再接著對(duì)3、4號(hào)集成傳感器進(jìn)行控制測(cè)量，直至，完成對(duì)（m-1）、m號(hào)集成傳感器的控制測(cè)量，最終，獲得從穩(wěn)定基巖到地面整條集成傳感器串的變形數(shù)據(jù)：依次兩兩集成傳感器間的相對(duì)位移和各自的傾斜角。集成傳感器串的測(cè)量結(jié)果既可就近傳給PC機(jī)，也可通過地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置中的GPRS通信模塊，經(jīng)移動(dòng)通信電話網(wǎng)和Internet寬帶網(wǎng)發(fā)送到處在遠(yuǎn)方的PC機(jī)。
3地下變形（位移）測(cè)量
應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的集成傳感器串，放入巖土體中，當(dāng)巖土體發(fā)生變形時(shí)可知，上下相鄰的兩個(gè)集成傳感器間發(fā)生變形的物理表征是集成傳感器間相對(duì)水平位移和集成傳感器軸線夾角發(fā)生變化。
集成傳感器軸線夾角變化的測(cè)量原理：通過各自集成傳感器中的測(cè)斜MEMS芯片，測(cè)出各自集成傳感器相對(duì)于地球垂線的傾斜角，將上下相鄰的兩個(gè)集成傳感器相對(duì)于地球垂線的傾斜角相減，則得出這兩個(gè)集成傳感器軸線的夾角θ。
集成傳感器間相對(duì)水平位移的測(cè)量原理：上下相鄰的兩個(gè)集成傳感器，若其中一個(gè)發(fā)出磁場(chǎng)，一個(gè)通過基于霍爾效應(yīng)的測(cè)磁芯片測(cè)量其感受到的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在兩個(gè)相鄰集成傳感器軸線的夾角θ確定的情況下，可得出兩個(gè)相鄰集成傳感器間霍爾測(cè)磁電壓u的大小與集成傳感器間相對(duì)水平位移z的穩(wěn)定的關(guān)系函數(shù)（曲線）；在兩個(gè)相鄰集成傳感器軸線的夾角θ從0~ 900的各個(gè)不同角度，可以得到一個(gè)夾角θ值對(duì)應(yīng)的一個(gè)u-x關(guān)系函數(shù)（曲線），將全部0~ 900的各個(gè)不同角度所對(duì)應(yīng)的u-x關(guān)系函數(shù)（曲線）集成，則得到集成傳感器間相對(duì)水平位移x的測(cè)量模型，圖3是在測(cè)得θ、u后得出集成傳感器間相對(duì)水平位移x的測(cè)量模型的圖形表示。在實(shí)際測(cè)量時(shí)將圖3測(cè)量模型存人圖2中所示的地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置A，由地下變形（位移）測(cè)量集中處理裝置A根據(jù)已測(cè)的θ、u得出水平位移x。
4結(jié)束語(yǔ)
本文提出的集成兩種物理效應(yīng)的傳感器以及形成的測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)，已在實(shí)際巖土體地下變形的測(cè)量中應(yīng)用，并取得了很好的效果，為地質(zhì)災(zāi)害防治和巖土工程的質(zhì)量保障提供了有效的測(cè)量裝置。
