基于電渦流傳感的地面沉降分層監(jiān)測裝置設(shè)計*

呂中虎，張 青，張曉飛

(1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)重點實驗室，河北 保定 071051； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

地面沉降是在自然和人為因素作用下，由地殼表層土體壓縮導(dǎo)致區(qū)域性地面標高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象,是一種不可補償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失。地面沉降具有生成緩慢、持續(xù)時間長、影響范圍廣、成因機制復(fù)雜和防治難度大等特點,是一種對資源利用、環(huán)境保護、經(jīng)濟發(fā)展、城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成威脅的地質(zhì)災(zāi)害[1]。

目前我國已經(jīng)有50多個城市發(fā)生地面沉降災(zāi)害，占世界之最，我國地面沉降監(jiān)測以長江三角洲、華北平原和汾渭盆地作為重點區(qū)域。點狀監(jiān)測中基巖標、分層標等方式無論從占地面積還是鉆孔等方面考慮，都存在前期投入巨大、施工條件苛刻等問題，同時其無法實現(xiàn)區(qū)域性組網(wǎng)監(jiān)測，限制了其發(fā)展[2-3]。因此有必要研究開發(fā)一種既實用又節(jié)約成本的監(jiān)測裝置，實現(xiàn)在一孔中對點狀地面沉降進行自動分層監(jiān)測采集。

1 設(shè)計原理

1.1 電渦流傳感器原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，而根據(jù)電渦流效應(yīng)制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。

前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產(chǎn)生交變磁場。當被測金屬體靠近這一磁場時，在此金屬表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，與此同時該電渦流場也產(chǎn)生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變(線圈的有效阻抗)。通常假定金屬導(dǎo)體材質(zhì)均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)可由金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率б、磁導(dǎo)率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導(dǎo)體表面的距離D、電流強度I和頻率ω參數(shù)來描述。則線圈特征阻抗可用如下函數(shù)來表示：

Z=F(τ,ξ, б,D,I,ω)

(1)

控制τ、ξ、б、I、ω在一定范圍內(nèi)不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數(shù)，通過前置器電子線路的處理，將頭部線圈與金屬導(dǎo)體的距離D的變化轉(zhuǎn)化成電壓或電流的變化。電渦流傳感器的工作原理如圖1所示[4]。

圖1 電渦流傳感器工作原理示意圖

1.2 裝置整體設(shè)計思路

將電渦流傳感器和傳感器信號處理板封裝于一體化探頭中；在鉆孔中安裝塑料套管，在套管外不同深度放置沉降鋼環(huán)；在套管口安裝井口滑輪，并將光電編碼器固定于滑輪上，用于記錄探頭在孔中深度；利用電動絞車上下移動探頭，采集板記錄電渦流傳感器的輸出電壓和光電編碼器的輸出深度，并將數(shù)值存儲于U盤上；后續(xù)數(shù)據(jù)處理時，利用U盤存儲的數(shù)據(jù)，在計算機上繪制出曲線，對比不同時間的全孔電壓-深度曲線，計算不同時間曲線間的同一鋼環(huán)的位置變化[5-7]。

2 采集板軟、硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

選用高精度采樣電阻，將電渦流傳感器與傾角傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過電壓跟隨，與AD采樣端口相接；選用低功耗ARM控制器STM32F103RE，對傳感器信號進行采集，顯示傳感器位置信號，控制蜂鳴器等功能。選擇歐姆龍光電編碼器E6C4-CWZ5G,使用分辨率為2 000 P/R的型號，設(shè)計編碼器驅(qū)動電路?？驁D如圖2所示。

圖2 采集板硬件框圖

2.2 軟件設(shè)計

根據(jù)需求設(shè)計采集板底層程序流程圖，如圖3所示。開始初始化AD設(shè)置、串口設(shè)置、中斷設(shè)置等，采集電渦流傳感器和傾角傳感器電壓值，延時一段時間，將當前光電編碼器輸出數(shù)字計算成位移量，將當前位移值、電渦流傳感器電壓值、傾角值存儲于U盤上，此時STM32發(fā)送步進電機控制指令，使得絞車上拉或下放探頭，循環(huán)“采集-延時-存儲-發(fā)送控制指令”過程。

圖3 采集與控制流程圖

3 室內(nèi)實驗

地面沉降分層裝置室內(nèi)模擬實驗，在室內(nèi)搭建實驗?zāi)Ｐ?，選取長度為1 500 mm的塑料套管，作為井下套管；選取寬度為120 mm的鋼環(huán)，作為分層環(huán)，將三個分層環(huán)固定于套管外面；制作井口滑輪，將編碼器固定在滑輪上。圖4為裝置模型實物圖。

圖4 模擬裝置實物圖

首先將探頭置于套管底部，緩慢移動探頭至套管頂部，測量得到一組數(shù)據(jù)并繪制曲線；基準鋼環(huán)不移動，將第二個鋼環(huán)下移5 mm，第三個鐵環(huán)下移30 mm，將探頭回到套管底部，緩慢移動至頂部，測得一組數(shù)據(jù)并繪制曲線。

圖5、圖6為第二個鋼環(huán)和第三個鋼環(huán)的深度-電壓曲線，當探頭接觸到鋼環(huán)邊緣時，電壓值從3.3 V逐漸降至1.2 V左右，探頭離開時，電壓逐漸上升至3.3 V,并趨于穩(wěn)定。圖中虛線為移動前電壓-深度曲線，實線為移動后曲線，從圖中估算得到四個拐點深度，兩條錯動的曲線基本平行，估算出平行線間距，如表1所示。表中平行線間距與實際移動尺寸相吻合，拐點差值也接近實際移動尺寸。

圖5 第二個鋼環(huán)電壓—深度曲線

深度(虛線)/mm深度(實線)/mm差值/mm平行線間距/mm18978702730275071733303563557654141040465

圖6 第三個鋼環(huán)電壓—深度曲線

4 結(jié)束語

本文基于電渦流傳感原理，設(shè)計了一款適用于地面沉降分層監(jiān)測的裝置，經(jīng)過室內(nèi)實驗驗證，該監(jiān)測裝置能夠?qū)崿F(xiàn)一孔原位多層位移監(jiān)測，具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻

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