基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法及装置.pdf

本发明公开了一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法及装置。集成式传感器由多个圆柱体测量单元通过电源线和通讯线串接而成，各单元均内嵌四块面板。四块面板依次分别由三个呈等边三角形分布的霍尔效应传感器组成的传感器阵列、基于磁阻效应的双轴磁传感器及测量电路、屏蔽层和圆柱形永久磁钢。将集成式传感器直插入岩土体中，其输出信号由信息处理单元采集并处理。利用测地磁的双轴磁传感器测量出坐标轴的方位角；利用霍尔传感器阵列测量出磁钢的三维坐标值；土层变形使得相邻测量单元发生相对位移，测量磁钢新的三维坐标值。三个值通过几何运算完成相邻测量单元的相对位移测量，完成整个岩土体从地下到地表面的变形的三维测量。

权利要求书一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法，其特征在于：集成式传感器由多个圆柱体测量单元通过电源线和通讯线串接而成，相邻单元的上、下表面互相平行，每个单元均内嵌面板S1、S2、S3和S4；第一块面板S1上是由三个呈等边三角形分布的霍尔效应传感器组成的传感器阵列；第二块面板S2上是一片基于磁阻效应的双轴磁传感器及测量电路；第三块面板S3是屏蔽层；第四块面板S4上是一个圆柱形永久磁钢；将集成式传感器直插入岩土体中；圆柱形永久磁钢周围的磁场关于其中轴线对称分布；霍尔传感器测量沿磁钢中轴线方向的磁感应强度分量，进行坐标转换得到该分量在磁钢周围的磁感应强度相同等值面面簇分布；等值面形似抛物面，磁钢沿着等值面运动时霍尔传感器的输出值不变；对于每一对上下两个圆柱体测量单元，在上面的测量单元下端的磁钢所产生的磁场作用下，下面的测量单元上端的呈等边三角形分布的三个霍尔传感器输出三个电压值，得到三个等值面；三个等值面在空间中相交于一点，该点坐标值就是磁钢的三维坐标；岩土体变形会改变上下两个圆柱体测量单元之间的相对位置；在得到磁钢新的三维坐标之后，通过几何运算得出三维位移的大小；在一个测量单元中基于磁阻效应的双轴磁传感器的Y axis轴、X axis轴分别与系统坐标系的Y轴、X轴平行；分别测得空间中地磁场沿Y axis轴和X axis轴的磁场强度分量，得出两个圆柱体测量单元相对变形的方位角；结合上面的位移大小测量，完成相邻测量单元的相对位移测量，其他单元同理，由此完成整个岩土体从地下到地表的变形的三维测量。
根据权利要求1所述方法的一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量装置，其特征在于：包括集成式传感器及信息处理单元组成；集成式传感器的多个圆柱体测量单元均内嵌四个面板，四个面板从上至下分别有霍尔传感器阵列、双轴磁传感器及测量电路、屏蔽层和圆柱形磁钢；霍尔传感器选用SS94A1，其陶瓷片的中心点感受磁感应强度，三个霍尔传感器的陶瓷片中心点A、B、C构成一个等边三角形的三个顶点；采集霍尔传感器和双轴磁传感器的输出，并送入485总线；等边三角形、双轴磁传感器及磁钢的中心均在圆柱体测量单元的中轴线上；三块圆形印刷电路板面板以及一块屏蔽层面板都装入PVC塑料管内，并灌胶密封；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数据送至信息处理单元，再由MCU通过GSM/GPRS模块将数据发往远程上位机，监测地下位移情况。
根据权利要求2所述的一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量装置，其特征在于：所述的双轴磁传感器选用MMC212xMG。

说明书基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种地下位移测量方法及装置，尤其是涉及一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法及装置。
背景技术
地质灾害和地震给人们的生命和财产带来了巨大的损失和威胁。滑坡体的地下位移测量是监测滑坡体稳定性的有效手段,对地壳板块挤压时地下变形的测量是观测地震前兆和研究地震规律的重要依据。现有的地下位移测量尚不能测量出地下位移的三维变化。滑坡体地下位移和地壳板块挤压变形的三维变化测量，是研究滑坡体是否致灾、地壳变形与地震发生规律的重要监测信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法及装置。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法：
本发明的集成式传感器由多个圆柱体测量单元通过电源线和通讯线串接而成，相邻单元的上、下表面互相平行，每个单元均内嵌面板S1、S2、S3和S4；第一块面板S1上是由三个呈等边三角形分布的霍尔效应传感器组成的传感器阵列；第二块面板S2上是一片基于磁阻效应的双轴磁传感器及测量电路；第三块面板S3是屏蔽层；第四块面板S4上是一个圆柱形永久磁钢；将集成式传感器直插入岩土体中；圆柱形永久磁钢周围的磁场关于其中轴线对称分布；霍尔传感器测量沿磁钢中轴线方向的磁感应强度分量，进行坐标转换得到该分量在磁钢周围的磁感应强度相同等值面面簇分布；等值面形似抛物面，磁钢沿着等值面运动时霍尔传感器的输出值不变；对于每一对上下两个圆柱体测量单元，在上面的测量单元下端的磁钢所产生的磁场作用下，下面的测量单元上端的呈等边三角形分布的三个霍尔传感器输出三个电压值，得到三个等值面；三个等值面在空间中相交于一点，该点坐标值就是磁钢的三维坐标；岩土体变形会改变上下两个圆柱体测量单元之间的相对位置；在得到磁钢新的三维坐标之后，通过几何运算得出三维位移的大小；在一个测量单元中基于磁阻效应的双轴磁传感器的Y axis轴、X axis轴分别与系统坐标系的Y轴、X轴平行；分别测得空间中地磁场沿Y axis轴和X axis轴的磁场强度分量，得出两个圆柱体测量单元相对变形的方位角；结合上面的位移大小测量，完成相邻测量单元的相对位移测量，其他单元同理，由此完成整个岩土体从地下到地表的变形的三维测量。
二、一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量装置：
本发明包括集成式传感器及信息处理单元组成；集成式传感器的多个圆柱体测量单元均内嵌四个面板，四个面板从上至下分别有霍尔传感器阵列、双轴磁传感器及测量电路、屏蔽层和圆柱形磁钢；霍尔传感器选用SS94A1，其陶瓷片的中心点感受磁感应强度，三个霍尔传感器的陶瓷片中心点A、B、C构成一个等边三角形的三个顶点；采集霍尔传感器和双轴磁传感器的输出，并送入485总线；等边三角形、双轴磁传感器及磁钢的中心均在圆柱体测量单元的中轴线上；三块圆形印刷电路板面板以及一块屏蔽层面板都装入PVC塑料管内，并灌胶密封；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数据送至信息处理单元，再由MCU通过GSM/GPRS模块将数据发往远程上位机，监测地下位移情况。
本发明具有的有益效果是：
本发明将集成式传感器直插入岩层中，其输出信号由信息处理单元采集并处理。建立三维坐标系，利用测地磁的双轴磁传感器测量出坐标轴的方位角；利用霍尔传感器阵列测量出磁钢的三维坐标值；土层变形使得相邻测量单元发生相对位移，测量磁钢新的三维坐标值。三个值通过几何运算完成相邻测量单元的相对位移测量，其他测量单元同理，由此完成整个岩土体从地下到地表面的变形的三维测量，实现了三维位移量和位移方向的同时测量。
附图说明
图1是单个测量单元结构图。
图2是霍尔传感器标定实验简图。
图3是两个测量单元结构图。
图4是发生相对位移后的两个测量单元结构图。
图5是面板S21俯视图。
图6是测量装置系统三维坐标系示意图。
图7是测量装置系统三维坐标系的俯视图。
图8是空间中三个等值曲面相交示意图。
图9是位移方向测量图解。
图10是地下位移三维测量装置结构图。
图11是测量电路框图。
图中：1、测量电路，2、圆柱形永久磁钢，3、霍尔传感器，5、第一测量单元，6、第二测量单元， 8、霍尔传感器陶瓷片，9、第二测量单元的上端面， 11、第一个等值曲面，12、第二个等值曲面，13、第三个等值曲面，14、三个等值曲面的交点，15、一条等值曲面交线，16、电源线和485总线，17、集成式传感器，18、各个相同的测量单元，19、信息处理单元，20、上位机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
1、基于霍尔和磁阻效应测量三维位移的机理:
如图2所示，对霍尔传感器进行标定。固定霍尔传感器3，水平、上下移动磁钢2。采集霍尔传感器输出电压，并用MATLAB进行三维绘图，得到霍尔传感器输出电压关于X轴及Z轴的分布图。由此可绘制霍尔传感器输出电压的等值线。由于圆柱形永久磁钢周围的磁场关于其中轴线对称分布，可以将折线绕着Z轴旋转一圈，得到一个三维等值曲面。类似的，可画出任意多个等值曲面，当磁钢在一个等值曲面上移动时，霍尔传感器输出的电压值不变。
参照附图3、图4所示，图中5和6分别为第一、第二两个相邻的测量单元。第一测量单元的面板S4中心有一个钕铁硼圆柱形永久磁钢2。第二测量单元6的面板S1距离其上端面为h1（13.5mm）。三个霍尔传感器呈等边三角形分布于面板S1上。第二测量单元的面板S2中心有一块双轴磁传感器N。第一测量单元的面板S4 与第二测量单元6的上端面相距h0。霍尔传感器陶瓷片的中心点可感受磁感应强度，在图5中可以看到，三个霍尔传感器陶瓷片的中心点A、B、C构成一个等边三角形的三个顶点。其中3为霍尔传感器，8为霍尔传感器陶瓷片。建立如图6所示的测量装置系统三维笛卡尔坐标系，9为第二测量单元的上端面，N为双轴磁传感器。三个霍尔传感器陶瓷片的中心点A、B、C在第二测量单元上端面上的投影为A0，B0，C0。以B0点为三维笛卡尔坐标系的原点，X轴沿着线段B0 C0水平向右，Y轴同处在第二测量单元上端面且垂直于X轴，Z轴垂直XY平面向上。双轴磁传感器的Y axis轴、X axis轴分别与系统坐标系的Y轴、X轴平行。测量装置系统三维笛卡尔坐标系的俯视图如图7所示，9为第二测量单元上端面。在实际安装集成式传感器时，调整好第二测量单元6的位置，使得第二测量单元6上的双轴磁传感器N的Y axis轴指向正北，此时系统坐标系的Y轴也指向正北。
对于第一测量单元5的磁钢M，第二测量单元6中呈等边三角形分布的三个霍尔传感器输出三个电压值，分别对应三个等值曲面。三个等值曲面在空间中交于一点，如图8所示，这一点就是圆柱形永久磁钢下端面的中心点。11为第一个等值曲面，12为第二个等值曲面，13为第三个等值曲面，14为三个等值曲面交点，15为一条等值曲面交线。基于附图2所述的标定实验，可以得出三个等值曲面的数学模型，由此计算出某一时刻磁钢M的三维坐标(x1,y1,z1)。当地下岩土体发生变形，推动第一测量单元5与第二测量单元6之间的相对位置发生变化，如图8所示，可测量出磁钢新的三维坐标(x2,y2,z2)。位移的大小可由式（1）计算。
                                    (1)
对于位移方向的测量，可不考虑Z轴坐标，如图9所示。图中J点坐标为(x1,y1)，K点坐标为(x2,y2)。最简单的情况是岩层发生变化时第二测量单元6的 Y轴始终指向正北，此时位移的方位角为：
                                               (2)
如果岩层变形过程中第二测量单元6发生旋转运动，这就使得第二测量单元6的 Y轴有角度β的的偏转，β可以由双轴磁传感器测量。假设测量系统测得的磁钢在岩层变形前后的三维坐标依旧是(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，则实际上位移的方向角为 (β + α)。
2、地下位移三维测量装置：
参照图10所示，地下位移三维测量装置由集成式传感器17及信息处理单元19组成，集成式传感器由多个相同的测量单元18组成。参照附图1所示，测量单元内嵌四个面板，四个面板S1、S2、S3、S4上分别有霍尔传感器阵列、双轴磁传感器N及测量电路1、屏蔽层、圆柱形永久磁钢M。霍尔传感器选用SS94A1，其陶瓷片的中心点可感受磁感应强度。三个霍尔传感器的陶瓷片中心点A、B、C构成一个等边三角形的三个顶点，边长L为12mm。双轴磁传感器N选用MMC212xMG。测量电路1可采集各个传感器的输出，并送入485总线。屏蔽层用于消除磁钢对双轴磁传感器以及霍尔传感器的干扰；圆柱形永久磁钢M为钕铁硼材质，Ф5×h18（mm）。面板S1与圆柱体测量单元上端面相距h1（13.5mm）。等边三角形、双轴磁传感器及磁钢的中心均在圆柱体测量单元的中轴线上。三块圆形印刷电路板面板以及一块屏蔽层面板都装入一个厚壁PVC塑料管内，并灌胶密封。参照附图10所示，每个测量单元通过电源线和485总线16上下连成一串。由485总线将各测量单元的数据送至信息处理单元19，再由MCU通过GSM/GPRS模块将数据发往远程上位机20，监测地下位移情况。
每个测量单元中的测量电路如图11所示。霍尔传感器的输出电压由AD转换电路AD7706模块采集，并经过SPI通信传输到MSP430微处理器。测量装置所处环境的温度由AD7416模块采集，用于温度补偿、修正测量值。双轴磁传感器与温度传感器输出值均由I2C通信传输到MSP430。MSP430将采集到的各项值通过485通信传给信息处理单元。