CN102622636A - 一种用于监测、定位的磁性标签及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于监测、定位的磁性标签及方法，属于测量技术领域。其特征是：磁性标签由激磁线圈、定向仪、RF通信控制器、天线、电源、环氧复合密封材料组成。激磁线圈、RF通信控制器、天线、电源位于定向仪的中部，整体采用环氧复合材料密封。通过定向仪，使激磁线圈的磁矩保持恒定，磁性标签的未知数仅为位置参数。采用磁力梯度仪测量磁性标签激发的磁场，通过磁场梯度张量和优化算法得到磁性标签的位置，实现磁性标签的监测、定位。本发明的效果和益处是在水下、淤泥、土层深部等环境中，实现监测、定位；具有操作简单、测试精度高、性能稳定的优点，可用于边坡、堤岸等岩土结构的变形监测，也可广泛应用于水库大坝、河道堤防等重大工程结构冲刷监测。

Description

一种用于监测、定位的磁性标签及方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种土木工程安全监测的磁性标签。

背景技术

在自然地质作用、降雨、人为因素等条件下，露天边坡、山体边坡发生失稳滑坡时，对农业、水利、交通、建筑等的危害巨大，对其进行监测预警有着十分重要的意义。传统的边坡监测方法，主要有常规的位移计、大地测量、TDR电缆、光纤传感、合成孔径雷达干涉测量技术、GPS测量、摄影测量方法等，但大多存在以下问题：(1)现有边坡变形监测大多将传感器布置在边坡表面，通过表面的变形监测数据分析土体内部的位移时，存在人为误差。而边坡失稳时，在边坡内部形成滑移路径，边坡深层变形的监测尤为重要。(2)目前，边坡变形监测大多采用有线健康监测技术，在实际的应用中，有线健康监测系统安装维护成本极高，特殊部位布线困难，传输距离受布线长度的限制。(3)边坡发生滑动或滑移时为大变形，超出了目前大多数变形传感器的量程。(4)现有边坡变形监测传感器测易受雨水、滚石、泥石流等环境破环，需要精心的维护。

鉴于露天边坡、山体边坡在监测中亟需解决的问题，本发明基于磁场梯度张量定位原理和优化算法，提供一种用于监测、定位的磁性标签，布置在土层深部和表面，磁性标签能抵抗雨水、滚石、泥石流等环境破坏，监测边坡、山体等结构的变形，对边坡的滑动、山体的坍塌等进行预警。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测、定位的磁性标签，解决在雨水、泥石流、滚石等环境中对边坡、山体的深部和表面，进行变形监测、定位的问题。

本发明的技术方案：磁性标签包括激磁线圈、定向仪、RF通信控制器、天线、电源和环氧复合密封材料。将激磁线圈、RF通信控制器、天线、电源置于定向仪的中部，整体采用环氧复合材料密封。通过定向仪，使激磁线圈的磁矩保持恒定。

本发明采用磁性标签中的激磁线圈激发磁场，通过磁力梯度仪监测磁场的改变，基于磁场梯度张量定位和优化算法反演磁性标签的位置改变。通过磁性标签中的定向仪，将未知数由磁矩参数m(m_x，m_y，m_z)和位置参数(u，v，w)简化为位置参数(u，v，w)。通过磁性标签中的RF通信控制器和天线，依次开启、关闭每一个磁性标签的磁场，依次得到每一个磁性标签的位置，可忽略不同磁性标签之间的磁场叠加对定位原理和定位算法的影响。

采用RF通信控制器，决定激磁线圈是否通电激励磁场；仅在监测定位采集数据时进行通电，节省电源，同时避免不同磁性标签之间的磁场叠加在磁场反演中存在的不适定性、多解性、局部收敛性等问题。

采用磁力梯度仪测量磁性标签激发的磁场，通过磁场梯度张量和优化算法反演得到磁性标签的位置，即可实现磁性标签的监测、定位。在监测定位的磁场反演中，磁性标签的未知数仅为位置参数。

本发明的效果和益处是：一种用于监测、定位的磁性标签，可布置在水下、淤泥、土层深部等环境中，实现监测、定位，且具有操作简单、测试精度高、性能稳定等突出优点。可用于边坡等岩土结构的变形监测，也可应用于山体的滑坡监测。

附图说明

附图1是本发明的磁性标签的结构框图。

附图2是本发明的基于磁性标签在堤岸或边坡变形监测中的实施示意图。

图中：1天线；2RF通信控制器；3激磁线圈；4电源；5定向仪；6环氧树脂外壳；7磁力梯度仪；8磁性标签；9边坡。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

选择需要监测、定位的部位，例如边坡9的表层或深部，埋置磁性标签8，在结构的非变形区选择参考位置布置磁力梯度仪7，测量磁性标签8的磁场。

磁性标签8激发磁场，由于磁性标签8与磁力梯度仪7的距离比激磁线圈3的尺寸大得多，将磁性标签8视为磁偶极子，其磁矩为：

|m|＝πNIR²    (1)

式中，m(m_x，m_y，m_z)为磁性标签8的磁矩，|m|为磁矩的模，I为激磁线圈3中的电流，R为激磁线圈3的半径，N为激磁线圈3的匝数，激磁线圈3由电源4提供电能。通过定向仪5，使磁性标签8在移动、旋转、倾斜时，激磁线圈3的磁矩保持恒定，即m(m_x，m_y，m_z)保持恒定，使磁场梯度张量定位中的未知数由磁矩参数m(m_x，m_y，m_z)和位置参数(u，v，w)简化为位置参数(u，v，w)。

地磁异常的磁感应强度一般为几百nT以下，与地磁背景磁场(约50000nT)相比要小几个数量级。但地磁场的梯度值一般比地磁异常的梯度值小的多，一般约为20nT/km(垂向)和5nT/km(水平)，因此可认为磁场梯度张量G只是由地磁异常产生，另外对于基线距离很小(有的小于1m)的磁场梯度测量系统，地磁场对磁场梯度张量测量的影响可忽略不计。

参考位置的磁场梯度张量G可视为磁性标签8所激励，与地球磁场无关。当参考位置至磁性标签8超过一定的距离时，可将磁性标签8视为一个磁偶极子模型，则磁性标签8在参考位置的磁感应强度为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[\frac{3\left(\mathrm{mgr}\right)r}{r^5}-\frac{m}{r^3}]---\left(2\right)$

式中，μ₀为介质磁导率，m(m_x，m_y，m_z)为磁性标签8的磁矩，r＝xi+yj+zk为磁性标签8至参考位置的位矢，r＝|r|。

磁感应强度B的梯度张量为：

$G_{\mathrm{ij}}=\frac{\∂B_i}{\∂r_j}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}[-\frac{15\left(\mathrm{mgr}\right)r_i{r}_j}{r^7}+\frac{3m_i{r}_j}{r^5}+\frac{3m_j{r}_i}{r^5}+\frac{3\left(\mathrm{mgr}\right){\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}}{r^5}]---\left(3\right)$

${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}=\left\{\begin{array}{cc}1& i=j\\ 0& i\≠j\end{array}\right.---\left(4\right)$

如表示成空间三个方向(x，y，z)的变化率，则磁场梯度张量包括9个要素，即：

$G=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\∂B_x}{\∂x}& \frac{\∂B_x}{\∂y}& \frac{\∂B_x}{\∂z}\\ \frac{\∂B_y}{\∂x}& \frac{\∂B_y}{\∂y}& \frac{\∂B_y}{\∂z}\\ \frac{\∂B_z}{\∂x}& \frac{\∂B_z}{\∂y}& \frac{\∂B_z}{\∂z}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{B}_{\mathrm{xx}}& B_{\mathrm{xy}}& B_{\mathrm{xz}}\\ B_{\mathrm{yx}}& B_{\mathrm{yy}}& B_{\mathrm{yz}}\\ B_{\mathrm{zx}}& B_{\mathrm{zy}}& B_{\mathrm{zz}}\end{array}\right]---\left(5\right)$

在无源空间中，磁感应强度的旋度为0，即

则磁场梯度张量为对称，B_xy-B_yx＝0，B_yz-B_zy＝0，B_xz-B_zx＝0；磁感应强度的散度为0，即

则其迹trace G＝B_xx+B_yy+B_zz＝0。故在磁场梯度张量的9个要素中，仅有5个要素是独立的。通过优化算法寻找定位参数解，使得磁场梯度的拟合误差最小，即：

$O\left(r\right)=\min {\left\{\right[{(B_{\mathrm{xx}}-B_{\mathrm{xx}}^{\′})}^2+{(B_{\mathrm{xy}}-B_{\mathrm{xy}}^{\′})}^2+{(B_{\mathrm{xz}}-B_{\mathrm{xz}}^{\′})}^2+{(B_{\mathrm{yy}}-B_{\mathrm{yy}}^{\′})}^2+{(B_{\mathrm{yz}}-B_{\mathrm{yz}}^{\′})}^2]/5\}}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

式中，B_xx，B_xy，B_xz，B_yy，B_zz为通过式(1)，式(3)～式(5)计算得到的磁场梯度，均含有未知的位矢r(x，y，z)；B′_xx，B′_xy，B′_xz，B′_yy，B′_zz为实测的磁场梯度。

通过遗传算法等优化搜索算法求解式(6)，即可得到磁性标8签至参考位置的位矢r(x，y，z)，由于参考位置为已知的确定位置，故可得到磁性标签8的绝对位置(u，v，w)。采用RF通信控制器2和天线1依次开启、关闭每一个磁性标签8的磁场，则可得到所有磁性标签8的位置。

通过磁性标签8的位置改变，分析边坡9的变形状况，对边坡的滑动、山体的坍塌等进行预警。

Claims (2)

1.一种用于监测、定位的磁性标签，包括激磁线圈、定向仪、RF通信控制器、天线、电源和环氧复合外壳；其特征在于：激磁线圈、RF通信控制器、天线和电源位于定向仪的中心部位，定向仪的外部采用环氧复合材料整体密封；激磁线圈的匝数和半径根据磁矩确定；其磁矩为：

|m|＝πNIR²    (1)

式中，m(m_x，m_y，m_z)为磁性标签(8)的磁矩，|m|为磁矩的模，I为激磁线圈(3)中的电流，R为激磁线圈(3)的半径，N为激磁线圈(3)的匝数。

2.使用权利要求1所述的磁性标签的监测定位方法，其特征在于：通过定向仪(5)，使磁性标签(8)在移动、旋转、倾斜时，激磁线圈(3)的磁矩保持恒定，使磁场梯度张量定位中的未知数由磁矩参数和位置参数简化为位置参数；采用磁力梯度仪测量磁性标签激发的磁场，通过磁场梯度张量和优化算法反演得到磁性标签的位置。

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