基于霍尔效应的地下变形监测仪器系统

 李哲昀1，李青2，王燕杰2

（1．杭州职业技术学院友嘉机电学院，浙江杭州310018；2．中国计量学院机电工程学院，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财产安全的地质灾害发生前和发生时会出现地下深部的位移现象，尾矿坝在不断堆积中也会出现深部位移现象。因此，对岩土地下深部变形或位移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的手段。现有的测斜测量仪必须由人工操作测量，且测量准确性与操作者的技术有关；还有，当测斜管发生大曲率弯曲时，测量探头无法放下去完成测量。另外，测斜管具有较好的抗破坏强度，当地下土质较软时，实际地下土体的位移大于测斜管的倾斜角度所对应的位移值。提出基于测斜和霍尔效应的地下变形（位移）测量集成传感器单元的构成，组成相应的地下位移测量仪器系统，以及地下变形（位移）测量方法，以便解决现有测斜测量仪的缺点。

 关键词：测斜；霍尔测磁；集成传感器；倾斜角；位移

 中图分类号：TP393.1 文章编号：1006 - 2394( 2016) 04 - 0016 - 02

0引言

 针对滑坡地质灾害、矿山尾矿坝垮塌、公路铁路边坡坍塌、建筑基坑坍塌等类型的岩土灾变，可通过监测地下的变形预测灾变的发展和致灾的可能，地下变形是这类岩土灾变预警、预报的有效数据。而现有的地下变形测量产品是测斜管测量仪，该测量仪至少有三大缺陷：①不能实现实时测量；②当岩土体的分层运动使得测斜管成S形时，测斜探头无法放人测斜管；③测斜管是带有引导测斜探头导槽的厚度为3 mm的工程塑料管或铝管，相对软土是较坚硬的管子，因此测出的软土移动量会小于实际软土的移动量。为了改变和消除现有地下变形测量的测斜管测量仪的缺陷，改进地下变形测量仪和方法很有必要。本文提出基于测斜和霍尔效应的地下变形（位移）测量集成传感器单元的构成，组成相应的地下位移测量仪器系统，以及地下变形（位移）测量方法。

1  集成测斜和霍尔效应的集成传感器

 地下变形（位移）测量集成传感器单元包含MCU、测斜MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）芯片、霍尔测磁芯片、磁场发生线圈、MCU可控制磁场发生电路、A/D转换电路、485总线驱动电路，如图1所示。MCU读取测斜集成电路和霍尔芯片的输出电压，并通过485总线传给地面的地下变形（位移）测量集中处理装置；在地面的地下变形（位移）测量集中处理装置，通过485总线发送指令，使上下相邻的集成传感器两两依次受控制，实现从地下深部到地面的岩土变形（位移）测量。

 集成传感器实际实物外形为圆柱形，直径约为8 cm、高为10 cm，集成传感器单元电路封装在壁厚4 mm的工程塑料管内。

2  岩土地下变形（位移）测量仪器系统组成和测量实施过程

 由集成传感器组成集成传感器串，集成传感器串中两两紧连的集成传感器间的夹角和间距由测斜和测磁实现，集成传感器串的外皮是柔软的热缩管，当地下岩土运动时，集成传感器串可以随着岩土任意地运动，而测出的两两集成传感器间的夹角和间距反映出地下岩土体的变形。如图2所示，由现场PC机（可根据需要设定）、地下变形（位移）测量集中处理装置、地下变形（位移）测量集成传感器串、天线、处在远方的PC机以及相应的各类软件，组成图2的虚线框内所示的岩土地下变形（位移）测量仪器系统，。从下而上依次是由1~m个结构相同的由测磁和测斜的地下变形（位移）测量集成传感器单元通过485总线串接而成，其中第m个地下变形（位移）测量集成传感器单元与地下变形（位移）测量集中处理装置A通过485总线连接，且至少1号集成传感器必须放入稳定的基岩层，整个由集成传感器构成的测量串封装在厚度仅1mm的热缩软橡塑管内。从1号到m号地下变形（位移）测量集成传感器的具体测量过程为：地下变形（位移）测量集中处理装置通过485总线发指令让2号集成传感器中的MCU执行磁场发生和测斜，让1号集成传感器的MCU执行测斜和测磁，1号集成传感器将读出的MEMS测斜电压和测磁霍尔电压经485总线发给地下变形（位移）测量集中处理装置，2号集成传感器将读出的MEMS测斜电压经485总线发给地下变形（位移）测量集中处理装置；地下变形（位移）测量集中处理装置中的MCU根据得到的1号集成传感器和2号集成传感器的测斜电压算出两个集成传感器的轴线夹角和1、2号集成传感器各自相对于重力垂线的倾斜值，再根据基于集成传感器的夹角θ、霍尔测磁电压值u和两个集成传感器间相对水平位移值x三者间的测量模型得出两个集成传感器间的相对水平位移，这样地下变形（位移）测量集中处理装置得出了1、2号集成传感器两两间的相对水平位移和1、2号集成传感器的各自倾斜角；依次类推，地下变形（位移）测量集中处理装置再控制2、3号集成传感器进行测量，得出2、3号集成传感器两两间的相对水平位移和各自的倾斜值，再接着对3、4号集成传感器进行控制测量，直至，完成对（m-1）、m号集成传感器的控制测量，最终，获得从稳定基岩到地面整条集成传感器串的变形数据：依次两两集成传感器间的相对位移和各自的倾斜角。集成传感器串的测量结果既可就近传给PC机，也可通过地下变形（位移）测量集中处理装置中的GPRS通信模块，经移动通信电话网和Internet宽带网发送到处在远方的PC机。

3地下变形（位移）测量

 应用本文设计的集成传感器串，放入岩土体中，当岩土体发生变形时可知，上下相邻的两个集成传感器间发生变形的物理表征是集成传感器间相对水平位移和集成传感器轴线夹角发生变化。

 集成传感器轴线夹角变化的测量原理：通过各自集成传感器中的测斜MEMS芯片，测出各自集成传感器相对于地球垂线的倾斜角，将上下相邻的两个集成传感器相对于地球垂线的倾斜角相减，则得出这两个集成传感器轴线的夹角θ。

 集成传感器间相对水平位移的测量原理：上下相邻的两个集成传感器，若其中一个发出磁场，一个通过基于霍尔效应的测磁芯片测量其感受到的磁感应强度，根据理论分析和实验测试，在两个相邻集成传感器轴线的夹角θ确定的情况下，可得出两个相邻集成传感器间霍尔测磁电压u的大小与集成传感器间相对水平位移z的稳定的关系函数（曲线）；在两个相邻集成传感器轴线的夹角θ从0~ 900的各个不同角度，可以得到一个夹角θ值对应的一个u-x关系函数（曲线），将全部0~ 900的各个不同角度所对应的u-x关系函数（曲线）集成，则得到集成传感器间相对水平位移x的测量模型，图3是在测得θ、u后得出集成传感器间相对水平位移x的测量模型的图形表示。在实际测量时将图3测量模型存人图2中所示的地下变形（位移）测量集中处理装置A，由地下变形（位移）测量集中处理装置A根据已测的θ、u得出水平位移x。

4结束语

 本文提出的集成两种物理效应的传感器以及形成的测量仪器系统，已在实际岩土体地下变形的测量中应用，并取得了很好的效果，为地质灾害防治和岩土工程的质量保障提供了有效的测量装置。