CN105547560B - 一种基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测方法，它包括1、在滑坡主滑方向滑动面上布置多个单向应力传感器；利用单向应力传感器中的液态金属天线在受力后长度改变引起频率变化进行滑坡信息检测；2、测定各时段各液态金属天线的工作频率；通过数据采集模块记录下各时段的工作频率；3、将采集的液态金属天线工作频率发送至指定终端；4、计算滑面推力并进行预警。本发明具有如下的优点：能够实时远程监测滑动面推力的变化，既简化了数据处理，又提高了滑面推力的监测精度。

Description

一种基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测 方法

技术领域

本发明属于地质灾害防控技术领域，具体涉及一种基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测方法。

背景技术

滑坡即指处于斜坡上的岩土体，在自重或上部加载、前缘卸荷等情况下，沿着滑动面向下滑动的地质现象。我国地域辽阔，地质环境复杂，属地质灾害多发地区，滑坡灾害在其中占据了不可小觑位置。尤其以西南地区的云南、四川、重庆、西藏、贵州等地较为严重。20世纪以来，国内先后发生了多起典型大型滑坡如：1933年的四川的岷江叠溪滑坡；1982年的长江鸡扒子滑坡；1991年的昭通头寨滑坡；2000年的西藏易贡滑坡2004年的四川宣汉天台乡滑坡；2005年的四川丹巴滑坡，2015年12月深圳市光明新区凤凰社区恒泰裕工业园发生的山体滑坡等。

随着经济的高速发展，人类活动对自然环境的改造不断加剧，滑坡的诱发率呈现出逐年上升的趋势。据相关数据表明，至1995年以来，由于滑坡而导致的死亡人数多年超过1000人/年，大型滑坡不但给当地的居民造成严重的生命财产损失，还对一系列基础设施(铁路、水库、公路、电站等)造成难以修复的损坏。因此对滑坡等地质灾害进行监测预警，在灾害发生之前采取相应的防护措施显得尤为重要，国外很多学者方面做出了大量的工作，并取得了相应的进展。

国内方面虽然起步较晚，但经过10余年的经验积累也取得了一些成绩。目前国内对于滑坡监测的手段主要有宏观简易地质监测法、大地精密测量法等。宏观简易地质监测法即对地面裂隙、泉水动态、房屋裂缝等进行定期观测，了解滑坡所处状态。该方法虽然获取的信息直观、方法简单，但存在精度较低、人力物力投入过大等缺点。大地精密测量法即采用高精度测量仪器，如水准仪、测斜仪、全站仪等，观测滑坡各点的变形、位移情况，该方法的精度高，但缺点是受到地形条件和气象条件的限制、工作量大、周期长。

中国专利文献CN104048640 A于2014年9月17日公开了一种基于L型液态金属天线的滑坡灾变智能监测方法，它包括以下步骤：1、在待监测的滑坡体内布置一定数量的L型液态金属天线；2、测定L型液态金属天线的固有频率；3、传输L型液态金属天线固有频率的数据；4、数据分析及滑坡报警。它实现了远程实时监测滑坡的状态变化。但是该专利存在以下问题：

1、由于使用了L型液态金属天线，它的L型空心管顶端安装微型泵，该微型泵用于对L型空心管抽空气，以维持L型空心管气压平衡，因为L型空心管内的气压值无法检测并保持恒定，导致与气压值相关的液态金属流动受到微型泵控制，所以L型空心管的液态金属长短不能真实反映弹性壳体的受力变形，导致滑坡位移变形的监测错误；

2、L型空心管分为L水平段和L竖直段，L型液态金属天线频率的改变也依据L水平段和L竖直段分为两种频率变化关系，这种分段的频率需要准确监测液态金属流动范围，对应不同的分段函数进行数据处理，并且需要设置检测液态金属流动的附加装置，增加了测试的复杂性和误差。

发明内容

针对L型液态金属天线的滑坡灾变智能监测方法存在的问题，本发明要解决的技术问题就是提供一种基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测方法，它既能使数据处理简化，还能提高滑面推力的监测精度。

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，它包括以下步骤：

步骤1、在滑坡主滑方向滑动面上布置多个单向应力传感器；这些液态金属天线随压力产生形变，由变形改变自身频率谐振特性；

步骤2、测定每个液态金属天线的工作频率；

扫频信号源通过谐振线圈发送电信号，扫频信号的频段覆盖液态金属天线自身频率，液态金属天线辐射的电磁波又被谐振线圈接收，当扫频信号的频率与发生形变的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，通过谐振检波电路，检测出最大电信号峰值，频率计数电路精确地计量通过的最大电信号时的频率，该频率值就等于液态金属天线的固有频率值，通过数据采集模块记录下各时段的工作频率；

步骤3、传输液态金属天线固有频率的数据；

用无线收发装置将各时段采集的各液态金属天线工作频率发送至指定IP终端；

步骤4、计算滑面推力并进行预警

利用计算机将一系列液态金属天线工作频率值进行转换，根据液态金属天线工作频率f与液态金属长度l的关系式：

式中，其中c是光速，a是l与波长间的关系系数，ε_p是有机聚合物介电常数；

盒体受力F与变形量ΔL成正比，关系式如下：

F＝KΔL

式中，K为盒体的弹性系数，ΔL＝l₁-l₂，l₁为压力作用前的液态金属天线长度；l₂为压力作用后的液态金属天线长度。

依据f-l-ΔL-F的相互关系，计算出滑面推力，建立及更新滑面推力变化数据库，对数据进行分析，进行蠕动滑动阶段、快速滑动阶段、停止滑动阶段三个阶段的滑面推力变化情况进行比对，判别滑坡所属阶段并将滑坡是否危险及时反馈，在现场利用无线电进行广播。

由于本发明的液态金属天线工作频率f与液态金属长度l的变化为一个固定关系，克服了使用L型液态金属天线的分段函数关系，简化了数据处理，监测的准确性有所提高；由于岩土压力通过单向应力传感器面板直接作用在液态金属天线上，液态金属天线的变化能真实反映盒体受力变形，避免了L型液态金属天线因微型泵抽出管道空气所引起的液态金属流动变形而产生的监测错误，提高了滑面推力的监测精度。

与现有技术相比，本发明具有如下的优点：既简化了数据处理，又提高了滑面推力的监测精度

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的流程图；

图2为本发明使用的单向应力传感器的外形结构图；

图3为本发明使用的单向应力传感器的内部结构图；

图4为单向应力传感器中的有机聚合物圆柱体的结构示意图；

图5为金属丝螺旋柱模具的外形结构示意图。

图中：1.同轴馈线；2.盒体；3.盒体封装物；4.微流道；5.有机聚合物圆柱体；6.有机弹性薄膜；7.填充材料；8.金属丝螺旋柱模具。

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，本发明包括以下步骤：

步骤1、在滑坡主滑方向滑动面上布置多个单向应力传感器；这些液态金属天线随压力产生形变，由变形改变自身频率谐振特性。

如图2和图3所示，单向应力传感器包括有盒体2，在盒体2内部有两个可压缩的有机聚合物圆柱体5，有机聚合物圆柱体5长度为盒体内两个相对面之间距离，盒体2内部充满填充材料7。

如图2和图4所示，每个有机聚合物圆柱体5设有螺旋形微流道4，螺旋形微流道4内填充满液态金属，螺旋形微流道内的液态金属与同轴馈线1电连接，同轴馈线1从盒体封装物3中引出。盒体内部的填充材料7选用硅胶，液态金属选用3:1的镓铟合金。

螺旋形微流道4内注满液态金属，外部电路通过接入的同轴馈线1给液态金属馈电，使两个有机聚合物圆柱体5上的螺旋形微流道4内的液态金属构成液态金属天线，辐射出电磁波。盒体受力面为是可变形的钢膜、非受力面为不变形的钢板。当盒体2受到外部压力时，盒体受力面板变形，盒体内的有机聚合物圆柱体5变形，螺旋形微流道4内的液态金属也跟着压缩变形。此时，只要外加接收装置就可以接收到频率的变化，便可以反过来分析频率变化与受力的关系，进而远程监测出压力的变化。

单向应力传感器制备方法，包括以下步骤：

(1)如图5所示，制备金属丝螺旋柱模具8，并制备一个圆柱形的空心模具；

(2)将金属丝螺旋柱模具放入圆柱形的空心模具内，并将金属丝螺旋柱模具紧贴空心模具内壁粘接固定，在金属丝螺旋柱模具和空心模具内壁涂上脱模剂，然后填充胶状有机聚合物溶液，待有机聚合物固化后，按螺旋方向旋转取出有机聚合物圆柱体，有机聚合物圆柱体的柱面上得到一个螺旋形微流道凹槽；

(3)如图4所示，在有机聚合物圆柱体5表面紧贴上一圈有机弹性薄膜6，使微流道凹槽密封形成螺旋形微流道4；

(4)通过微流道一端开口向微流道内注入液态金属，微流道填充满液态金属后，将微流道两端开口用薄膜密封，并在其中一端的薄膜上开孔；

(5)将同轴馈线接入到薄膜开孔；

(6)对开孔进行密封；

(7)将上述做好的含有螺旋形微流道的有机聚合物圆柱体5放置到盒体2里；

(8)如图3所示，往盒体里注入填充材料7，填充材料7选用硅胶，盒体内填充满硅胶后，用盒体封装物3将盒体顶部密封。

步骤2、测定每个液态金属天线的工作频率；

由于单向应力传感器内的可压缩有机聚合物圆柱体变形导致液态金属天线工作频率的改变，通过数据采集模块记录下各时段的工作频率；

步骤3、将采集的液态金属天线工作频率发送至指定终端；用无线收发装置将各时段的各液态金属天线工作频率发送至指定IP终端；

步骤4、计算滑面推力并进行预警。

利用计算机对接收的一系列液态金属天线工作频率值进行转换，“基于液态金属的频率可重构天线研究与设计”，夏林艳，重庆邮电大学硕士学位论文，第34页公式3.5，记载了液态金属天线的频率f与天线长度l的关系：

式中，其中c是光速，a是l与波长间的关系系数，ε_p是有机聚合物介电常数。

由于液态金属天线工作频率f与受压盒体的液态金属长度l成反比，盒体受力F与变形量ΔL成正比，关系式如下：

F＝KΔL

式中，K为盒体的弹性系数，ΔL＝l₁-l₂，l₁为压力作用前的液态金属天线长度；l₂为压力作用后的液态金属天线长度。

获得液态金属天线天线频率f后，即可计算出该状态下螺旋形液态金属长度l，从而得知盒体变形量ΔL，进而计算出滑面推力，建立及更新滑面推力变化数据库，该数据库用于储存各类滑坡在不同阶段时，滑动面上的推力变化情况，为以后进行其他滑坡监测提供经验数据。对数据进行分析，进行蠕动滑动阶段、快速滑动阶段、停止滑动阶段三个阶段的滑面推力变化情况进行比对，判别滑坡所属阶段并将滑坡是否危险及时反馈，在现场利用无线电进行广播，立即采取相应的防护措施。

液态金属天线的频率测定电路与中国专利文献CN104048640A中的L型液态金属天线的频率测定电路相同。

Claims (2)

1.一种基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤1、在滑坡主滑方向滑动面上布置多个单向应力传感器；这些液态金属天线随压力产生形变，由变形改变自身频率谐振特性；

单向应力传感器包括有盒体(2)，在盒体(2)内部有两个可压缩的有机聚合物圆柱体(5)，有机聚合物圆柱体(5)长度为盒体内两个相对面之间距离，盒体(2)内部充满填充材料(7)；每个有机聚合物圆柱体(5)设有螺旋形微流道(4)，螺旋形微流道(4)内填充满液态金属，螺旋形微流道内的液态金属与同轴馈线(1)电连接，同轴馈线(1)从盒体封装物(3)中引出；

步骤2、测定每个液态金属天线的工作频率；

扫频信号源通过谐振线圈发送电信号，扫频信号的频段覆盖液态金属天线自身频率，液态金属天线辐射的电磁波又被谐振线圈接收，当扫频信号的频率与发生形变的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，通过谐振检波电路，检测出最大电信号峰值，频率计数电路精确地计量通过的最大电信号时的频率，该频率值就等于液态金属天线的固有频率值，通过数据采集模块记录下各时段的工作频率；

步骤3、传输液态金属天线固有频率的数据；

用无线收发装置将各时段采集的各液态金属天线工作频率发送至指定IP终端；

步骤4、计算滑面推力并进行预警。

2.根据权利要求1所述的基于液态金属天线单向应力传感器的滑面推力远程检测方法，其特征是：在步骤4中，根据液态金属天线工作频率f与受压盒体的液态金属长度l的关系式

式中，其中c是光速，a是l与波长间的关系系数，ε_p是有机聚合物介电常数；

盒体受力F与变形量ΔL成正比，关系式如下：

F＝KΔL

式中，K为盒体的弹性系数，ΔL＝l₁-l₂，l₁为压力作用前的液态金属天线长度；l₂为压力作用后的液态金属天线长度；

计算出滑面推力，建立及更新滑面推力变化数据库，对数据进行分析，进行蠕动滑动阶段、快速滑动阶段、停止滑动阶段三个阶段的滑面推力变化情况进行比对，判别滑坡所属阶段并将滑坡是否危险及时反馈，在现场利用无线电进行广播。