CN104037495B - 一种用于滑坡监测的l型液态金属天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于滑坡监测的L型液态金属天线，它包括有弹性壳体（2）、L型空心管（4）、微型泵（6）和馈电同轴线（3）以及接地片（5），弹性壳体（2）内部装满液态金属（1），L型空心管（4）设置在弹性壳体（2）顶部侧边，并连通弹性壳体（2）内部，L型空心管（4）向上延伸，L型空心管（4）顶端安装微型泵（6），从L型空心管（4）内部位于液态金属溢流口处有馈电同轴线（3）引出，溢流口处的液态金属（1）与接地片（5）电连接。本发明的优点是：电路抗干扰能够强，自动化程度高，测量精度高，以及能够实时的远程监测滑坡的状态变化。

Description

一种用于滑坡监测的L型液态金属天线

技术领域

本发明属于地质灾害防控技术领域，具体涉及一种用于滑坡监测的L型液态金属天线。

背景技术

我国属地形地貌极为复杂的国家，也是一个多山的国家，尤其是我国西南地区以及东南沿海的福建、广西、广东和海南等地。在过去的几百年里，发生过多起特大型滑坡事件。随着国民经济的发展，大量铁路、公路、水利、矿山和城镇等设施的修建，特别是丘陵和山区建设，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量会越来越多，高度将越来越大。边坡滑坡等地质灾害给受灾区造成巨大地经济损失和重大的人员伤亡。对边坡进行实时变形监测，并根据长期的监测结果做出合理的分析和安全预报，是保证滑坡地段安全的重要手段。

长期以来，滑坡等地质灾害对工程设施的破坏以及由此而造成的损失十分巨大，因此，世界各国对滑坡等地质灾害极为重视，该领域的专家学者在滑坡灾害的评估、预防、监测、预测预报方面作了大量的工作，并取得了一系列有实际意义的研究成果。

我国的边坡监测技术正由过去的人工、皮尺等简易工具的量测转为仪器监测，并向自动化、远程的系统监测方向发展。目前常用的主要监测装置有如下两种：

第一种装置是钻孔测斜仪，它是一种测定钻孔水平位移的原位监测仪器，由测斜管、传感器、数字式测读仪三部分组成，其工作原理是通过摆锤受重力作用来测传感器与铅垂线之间的倾角，获得钻孔在整个深度范围内水平方向的位移，从而可以比较准确地确定其变形的大小、方向和深度。但是其缺点是成本高、远程监控难等。

第二种装置为应变管监测装置，它将电阻应变片黏贴于硬质聚氯乙烯或金属管上，埋入钻孔，并在管外灌浆以监测滑坡的地下位移和滑动面位置，其原理是：被测边坡发生滑坡，埋在其内的应变管随着滑坡的位移而变形，从而导致管上电阻应变片的电阻值也跟着发生变化，据此可分析、计算地下位移量和滑动面的位置。但是由于监测过程必须通电，使得这种应变管的耐腐蚀性和抗干扰性较差，稳定性也难以满足要求

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于滑坡监测的L型液态金属天线，它能够实现对滑坡的位移变形进行实时、远程、高精度和强抗干扰地监测。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有弹性壳体、L型空心管、微型泵和馈电同轴线以及接地片，弹性壳体内部装满液态金属，液态金属为镓铟合金或者镓铟锡合金，L型空心管设置在弹性壳体顶部侧边，并连通弹性壳体内部，L型空心管向上延伸，L型空心管顶端安装微型泵，从L型空心管内部位于液态金属引流口处有馈电同轴线引出，引流口处的液态金属与接地片电连接。

本发明通过弹性壳体受力，液态金属受压流动，然后由外部电路通过馈电同轴线给流入L型空心管的液态金属进行馈电，接地片与液态金属构成单极子液态金属天线，液态金属天线进行工作，辐射电磁波，此时，只要外加微型无线电设备，便可监测L型液态金属天线辐射谐振频率，从而能反过来分析L型液态金属天线受力产生形变的关系，进而得到滑坡变形的状态。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：电路抗干扰能够强，自动化程度高，测量精度高，以及能够实时的远程监测滑坡的状态变化。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的L型液态金属天线结构示意图；

图2为当L≤h时，L型液态金属天线的状态图；

图3为当h≤L≤h+S时，L型液态金属天线的状态图；

图4为本发明的频率测定的电路原理框图。

图1中：1.液态金属；2.弹性壳体；3.馈电同轴线；4.L型空心管；5.接地片；6.微型泵。

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：

如图1所示，本发明包括有弹性壳体2、L型空心管4、微型泵6和馈电同轴线3以及接地片5，弹性壳体2内部装满液态金属1，L型空心管4设置在弹性壳体2顶部侧边，并连通弹性壳体2内部，L型空心管4向上延伸，L型空心管4顶端安装微型泵6，从L型空心管4内部位于液态金属溢流口处由馈电同轴线3引出，溢流口处的液态金属1与接地片5电连接。

弹性壳体2的材料选用硅胶或聚二甲基硅氧烷PDMS。液态金属1采用镓铟合金或者镓铟锡合金，本发明选用镓铟合金。镓铟合金的优点是：1)电气性能良好，其电导率，满足天线电气要求；2)低粘度性，这是利用其制作天线达到分布均匀与完整性的前提；3)可氧化性，该金属一旦接触到空气，就会立即被氧化形成氧化表层，阻止其流动，但内部金属仍保持了良好的柔韧性。镓铟合金室温下为液态，受外力驱动具有流动性。

弹性壳体2存在“受力”与“消力”两个过程：

当弹性壳体2“受力”时，弹性壳体2受力挤压，其中的液态金属1流动至L型空心管4中，在微型泵6的作用下，液态金属1最终达到平衡状态。当弹性壳体2“消力”时，弹性壳体2受力减小或者消失，L型空心管4中的液态金属在微型泵6的作用下，流回至弹性壳体2中，并且最终达到平衡状态。当弹性壳体2“受力”时，L型空心管4中包含有液态金属，此时接地片5与L型空心管4中的液态金属构成单极子天线，由外部电路通过馈电同轴线对L型空心管4中的液态金属进行馈电，而不激励弹性壳体2中的液态金属，该L型液态金属天线就可以辐射所需要的电磁波以利于频率检测和计算。

若采用空心直管，在竖向变形较大时，会与弹性壳体脱离，所以使用L型空心管，与弹性壳体连接可靠。

L型液态金属天线自身频率的改变有两种情况：

第一种情况，如图2所示，当L≤h时，即被挤出的液态金属占L型空心管4的长度L不大于L型空心管4的水平长度h的情况，其中ε₀为弹性壳体内的液态金属等效相对介电常数，即L与f成反比；

第二种情况，如图3所示，当h≤L≤h+S时，即被挤出的液态金属的长度L在L型空心管4的水平长度h与总长度h+S之间的情况，通过大量仿真得出频率f随L变化关系是成反比例的，具体表达式为其中k为待定的系数，可以通过拟合大量的仿真数据得出。

通过测定L型空心管4天线频率随液态金属长度L的变化，可直接判定弹性壳体2形变与受力之间的变化，即频率、长度与受力三者间关系通过测定弹性壳体2的容积的大小，可以确定频率变化最大范围。

测试点的弹性壳体受力F与L型空心管内的液态金属长度L的关系为

F＝ρgπR²L

其中ρ为液态金属的密度，g为重力加速度，π为圆周率，R为弹性壳体的截面半径。

本发明的频率测定的电路原理：

如图4所示，频率测定电路由扫频信号源、自动增益控制电路、带通滤波器、信号发射电路、频率计数电路、谐振检波电路和幅值测量电路组成。扫频信号源产生的电信号覆盖L型液态金属天线的频段。

扫频信号源产生频率变化的正弦电信号；自动增益控制电路将一系列频率的扫频信号与幅值测量电路测得的电信号幅值相比较，将比较后的信号进行放大；带通滤波器允许特定频段的电信号通过；信号发射电路将特定频段电信号转化为电磁波信号，它含有谐振线圈和由馈电同轴线连接的L型液态金属天线，该特定频段电信号由L型液态金属天线发射，并通过谐振线圈接收返回信号，返回信号与原电信号进行叠加；谐振检波电路记忆信号峰值，检测出峰值谐振点，以此作为中断信号；当特定频段中某一频率电信号与发生形变的L型液态金属天线的自身频率一致时，谐振线圈上获得最大电信号，频率计数电路精确地计量通过的最大电信号时的频率，该频率值就等于L型液态金属天线的固有频率值。幅值测量电路测得检波电路中电信号的幅值，传送给自动增益控制电路作为反馈信号。

Claims (2)

1.一种用于滑坡监测的L型液态金属天线，其特征是：包括有弹性壳体(2)、L型空心管(4)、微型泵(6)和馈电同轴线(3)以及接地片(5)，弹性壳体(2)内部装满液态金属(1)，液态金属(1)为镓铟合金或者镓铟锡合金，L型空心管(4)设置在弹性壳体(2)顶部侧边，并连通弹性壳体(2)内部，L型空心管(4)向上延伸，L型空心管(4)顶端安装微型泵(6)，从L型空心管(4)内部位于液态金属溢流口处有馈电同轴线(3)引出，溢流口处的液态金属(1)与接地片(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的用于滑坡监测的L型液态金属天线，其特征是：弹性壳体(2)的材料选用硅胶或聚二甲基硅氧烷。