CN107576256A - 一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，属于地球物理学领域。包括控制系统和磁悬浮系统以及非接触式位移系统三部分。控制系统包括控制器、霍尔侦测器、功率放大器、UPS以及计算机。磁悬浮系统和非接触式位移系统设置在磁屏蔽罩内，磁悬浮系统由可调节彼此间隔的悬浮磁铁构成。非接触式位移系统中含有单目相机和悬浮磁铁，与磁悬浮系统配合可悬浮在磁屏蔽罩内。单目相机拍摄位于磁屏蔽罩底部的多个标靶圆给计算机来探测地震造成的移动。本发明可在地震持续过程中有效、真实的获取地表绝对位移，避免了加速度基线漂移和计算位移的积分算法中成份缺失问题，可满足后续救灾以及研究工作中对高精度地面运动参数数据的需求。
Description
技术领域
本发明属于地球物理技术领域，具体涉及一种基于非接触性动态位移测试方法的磁悬浮地震绝对位移传感器。
背景技术
地震的能量以地震波的形式来释放，大的地震在近场附近往往产生较强的地面运动，对地表建筑物造成很大的破坏。我国目前由这种破坏造成的地震灾害非常严重。要建立有效的措施来防震减灾其中比较关键的地方就是要深入认识强地面运动特征，在此基础上才能有效研究和发展工程抗震方法与技术，减轻各类工程结构的地震破坏及其造成的经济损失和人员伤亡。强地面运动动观测是认识强地震动特征的主要手段。测量的物理量主要是直接与地震力相关的加速度。
为了进一步了解震源和断层方面的特性，位移是相当关键的信息。理论上由加速度时程积分可得到速度时程，再次积分得到位移时程。然而由于各种原因，最典型的情形为地面倾斜，会带来加速度方面的基线漂移，这样所积分出的速度时程和位移时程都不准确，甚至根本就不可用。近几年测震方面的前沿研究开始引入陀螺仪GPS等设备来测量地震动的旋转分量。但陀螺仪和加速计类似都存在基线漂移问题，GPS技术存在缺少方位信息，更新频率低的问题。
要更深入的认识地面运动的各种特性以及更详尽的反演震源和断层信息，必须突破现有的地面运动观测方法，迫切需要一种设计相对简单，能够提供地震过程中精度更高的绝对位移数据的仪器。但是，如今国内外尚未有这种针对地震，能够精确测量地震持续过程中地表绝对位移的传感器。
发明内容
本发明的目的是针对在地震持续过程中，目前尚没有适用于测量地表绝对位移的传感器的现状，提供一种基于非接触性动态位移测试方法的磁悬浮地震绝对位移传感器。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，包括控制系统，磁悬浮系统，非接触式位移系统，其中，所述控制系统由控制器、霍尔侦测器、功率放大器、计算机组成；所述磁悬浮系统和非接触式位移系统位于由铁磁性材料制作的磁屏蔽罩内，所述磁屏蔽罩利用高磁导金属锚固螺栓与地面固定；所述磁悬浮系统由水平方向并排设置的两个以上的悬浮磁铁组成，各悬浮磁铁分别通过直线导轨悬空固定在磁屏蔽罩中，各悬浮磁铁之间悬挂所述霍尔侦测器，各霍尔侦测器测量所述磁悬浮系统磁场的变化，其测量信号传输给所述控制器，控制器根据霍尔侦测器的信号产生控制信号经所述功率放大器控制所述直线导轨中的步进电机带动相应的悬浮磁铁水平移动，所述控制器包括将电信号转为数字信号的信号转换器、可实现负反馈电路以及闭环控制功能的Arduino电子平台、UPS电源；所述非接触式位移系统位于所述磁悬浮系统下方，由与一个悬浮钕铁硼磁铁固定在一起的单目相机，以及标靶圆组成，其中悬浮磁铁的磁极与所述磁悬浮系统中悬浮磁铁的磁极配合，使单目相机悬浮在磁屏蔽罩内，单目相机的镜头朝向磁屏蔽罩的底面，磁屏蔽罩的底面设置一排间隔均匀的所述标靶圆，单目相机的信号线与所述计算机连接；上述各连接线穿过所述磁屏蔽罩时皆通过磁屏蔽管。
所述悬浮磁铁为两头粗中间细的束腰圆柱形的钕铁硼磁铁，其外部包裹有由软铁磁材料制成的包层。
所述磁屏蔽罩由外罩与底板结合组成，外罩与底板结合处使用凸凹槽技术进行拼接，并在凹凸槽侧面布置多个通孔，通过通孔利用固定螺栓对结合处进行紧固；且在磁屏蔽罩的外罩与底板结合处的外罩与底板外侧同时加装通孔片，利用固定螺栓与螺母将磁屏蔽罩的外罩与底板进行再次加固，螺栓与螺母间加高磁导率金属垫圈；在底板四角利用高磁导金属锚固螺栓将磁屏蔽罩与地面固定。
所述磁悬浮系统中悬浮磁铁数量的优选数是4，且只有最外侧的两个悬浮磁铁安装在所述直线导轨上，中间的悬浮磁铁通过固定杆悬挂设置。
各所述标靶圆的间隔是所述磁屏蔽罩底面长度的1/6。
本发明的优点和效果在于：本发明采用了非接触性位移测试技术以及磁悬浮技术，相比于常规的物理、机械式位移测试技术具有测试精度高并可以有效消除由于接触而产生的测试误差以及机械间相互摩擦等优点，同时具有较强的抗电磁干扰能力，稳定性好，且多个标靶圆可以对测量数据进行校正，以获得更精确的结果。本发明不仅填补了目前尚没有适用于地震作用期间测量地表绝对位移仪器的空白，而且为反演地球深部震源和断层信息、认识地面运动的各种特性的研究工作提供了更高精度，更大范围的数据。本发明设计巧妙，组成结构简单，对其他工程振动测试领域也有很好的启发作用。
附图说明
图1一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器的实施例结构示意图；
图2图1的实施例中的悬浮磁铁的剖面结构及原理图；
图3图1的实施例中的标靶圆的结构图；
图4图1的实施例中磁屏蔽管的结构示意图；
图5图1的实施例中磁屏蔽罩外罩与底板结合处的结构示意图；
图6图1的实施例中固定螺栓的结构示意图。
图7图1的实施例中导轨结构及剖面示意图。
图中标号：1-信号转换器；2-Arduino电子平台；3-UPS电源；4-计算机；5-固定端帽；6-集线器；7-功率放大器；8-霍尔侦测器；9-钕铁硼磁铁；10-包层；11-单目相机；12-标靶圆；13-高磁导金属锚固螺栓；14-直线导轨；15-控制系统；16-磁悬浮系统；17-非接触式位移系统；18-磁屏蔽罩；19-导轨滑块；20-磁屏蔽管；21-凹槽；22-凸槽；23-通孔；24-通孔片；25-高磁导金属螺栓；26-螺母；27-高磁导率金属垫圈；28-步进电机。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例进一步说明本发明。
本发明提出一种基于非接触性动态位移测试方法的磁悬浮地震绝对位移传感器，包括控制系统15，磁悬浮系统16，非接触式位移系统17，磁屏蔽罩18，如图1所示。
所述控制系统15由控制器、霍尔侦测器8、功率放大器7、计算机4组成。其中，控制器包括将电信号转为数字信号的信号转换器1、可实现负反馈电路以及闭环控制功能的Arduino电子平台2、UPS电源3，控制器采用自动控制系统理论的负反馈原理，即令输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定，在本发明中起到通过调节电流控制磁力保证磁悬浮系统的稳定性。闭环电路属于控制论的内容，可以根据输出结果不断调整信号强度使得控制精度更高。霍尔侦测器8侦测磁悬浮系统16中的磁场变化，提供检测信号。功率放大器7输出控制信号调整磁悬浮系统16中磁场的磁感应强度。UPS电源3用于地震发生过程中如遇到断电，UPS电源可持续供电进而保证系统的正常工作。计算机4接收单目相机11采集的标靶圆的动态视频，对分帧后的连续静态图像进行处理得到真实位移，并且根据其余多个标靶圆的设置，对主标靶圆识别数据进行校正，以得到精度更高的位移数据。
所述磁悬浮系统16由四个水平并排设置的悬浮磁铁9及直线导轨14构成，四个悬浮磁铁9中中间的两个悬浮磁铁9用刚性杆悬吊在所述磁屏蔽罩18中，两侧的两个悬浮磁铁9分别固定在两个直线导轨14的两个导轨滑块19上，两个直线导轨14水平同轴相对设置，两个直线导轨14的一端分别固定在所述磁屏蔽罩18中相对的两个侧壁上，并使两个导轨滑块19上的悬浮磁铁9与中间两个悬浮磁铁9齐头排列，而且，两个导轨滑块19上的步进电机28能够带动导轨滑块19沿导轨水平左右移动。在各悬浮磁铁9之间各悬吊设置一个霍尔侦测器8。其中，霍尔侦测器8与控制器连接；直线导轨14中的步进电机与功率放大器7连接。其中的悬浮磁铁9采用如下结构和参数：
如图2所示，悬浮磁铁9采用两头粗中间细的束腰圆柱形的钕铁硼磁铁，取磁铁最稳定磁取向与最长截面尺寸方向对应，即图2中x轴方向。使磁场保持最大平稳状态的磁感应强度可以通过电脑辅助仿真和Landau-Lifschitz方程确定，即解如下方程：
其中，M为磁化矢量，Heff为包含了各项异性项和噪声项的有效磁场，t为时间，r代表三维空间坐标，λ为阻尼参数，γ是旋磁常数。
磁铁外包层提供磁铁的附加磁稳定性，保护磁铁不被外界空气氧化腐蚀。包层10由软铁磁材料制成，在磁铁整体外部为连续包裹状态，无中断和空隙。
所述非接触式位移系统17由与悬浮磁铁9固定为一体的单目相机，11以及标靶圆构成。磁悬浮系统16中四个并联的悬浮磁铁9产生磁场，使得非接触式位移系统17的重力等于磁悬浮系统16中悬浮磁铁产生的吸引力，保证单目相机11处于静止悬浮状态。当单目相机11处于非平衡状态时，霍尔侦测器8侦测到磁场变化，将测量电信号传给控制器，控制器中的Arduino电子平台2将测量电信号转化为可控电流，并经过功率放大器7传输至步进电机28，带动移动滑块19进而调整悬浮磁铁间距增大或减小吸引力，使得单目相机11处于原平衡位置。单目相机11镜头朝向磁屏蔽罩18底部。在磁屏蔽罩18底部每隔相同距离放置标靶圆12，各标靶圆的间隔是所述磁屏蔽罩底面长度的1/6，如图3所示。单目相机11可以采集动态视频并进行视频数据传输至计算机4。计算机4中后续处理软件对视频文件进行分帧并形成连续静态图像序列，通过图像边缘检测，可以识别出图像中标靶圆12，进而获取圆心坐标与半径。按连续静态图片的排列顺序依次存储检测到的标靶圆12的圆心坐标，即可获得图像空间中标靶圆12的圆心的水平、竖直位移时程曲线；再通过标定图像像素与实际物像坐标的关系，即可得到标靶圆在当前坐标下的真实位移。单目相机11正对的多个标靶圆12均可作为分析数据源，通过多标靶分析，实现测试数据优化及最小误差。单目相机11的输出与所述控制系统15中的计算机4连接，信号线采用轻质的抗磁材料包层密封。
所述磁屏蔽罩18采用铁磁性材料由外罩与底板结合组成。为保证没有磁通量外泄，外罩与底板结合处使用凸凹槽技术进行拼接，如图5所示，为了防止凸槽22在凹槽处21晃动，在凹凸槽侧面布置多个通孔23，利用固定螺栓对结合处进行紧固。底板四角利用高磁导金属锚固螺栓13将磁屏蔽罩18与地面固定。由于水平向地震动破坏性作用普遍强于竖直向，因此在磁屏蔽罩18的外罩与底板结合处的外罩与底板外侧同时加装通孔片24，利用固定螺栓25与螺母26将磁屏蔽罩18的外罩与底板进行再次加固，螺栓25与螺母26间加高磁导率金属垫圈27，防止磁屏蔽罩18内部磁泄漏以及外部各种磁场源的干扰，如图6。穿过磁屏蔽罩18的数据线、信号线、电源线等线缆都通过磁屏蔽管20穿过磁屏蔽罩18，磁屏蔽管20利用由磁屏蔽材料制作而成的固定端帽5固定在磁屏蔽罩18上，磁屏蔽管结构如图4所示。其中，单目相机11采集数据线路通过集线器6与控制系统15中的信号线和控制线合并，穿过磁屏蔽罩18后，通过集线器6实现线路分离，数据线接至计算机4，信号线接至控制器。
本实施例中的措施使测量结果更加灵敏准确：
1.磁悬浮系统采用四个悬浮磁铁并联，保证单目相机在均匀恒稳磁场作用下保持静止平衡状态，防止由于单悬浮磁铁的非均匀磁场下导致单目相机受水平力作用影响处于极易失稳的状态。
2.在非接触性动态位移观测中设置多个标靶圆，利用其他标靶圆对观测数据进行校正，以期得到更加准确的结果。
本实施例工作过程说明：
如图1所示的一种基于非接触性动态位移测试方法的磁悬浮地震绝对位移传感器：
平时状态下，由外接电源供电，保证各部件的正常工作，由于与单目相机11固定为一体的悬浮磁铁9在磁悬浮系统16产生的磁场中被向上吸引，与重力向下的作用力相互抵消，使得单目相机11悬浮在空中保持平衡静止状态不变。当地震到来时，如果遭遇停电，则属于控制系统15的UPS电源3开始向各部件供电保证系统的正常工作。此时磁屏蔽罩18由于与地面固定，随地面做相应的运动，由于标靶圆12固定在磁屏蔽罩底部，因此与地面做一致运动。当单目相机处于非平衡状态时，霍尔侦测器8感知到磁场的变化，将电信号传给控制器，通过负反馈调节原理，控制器将控制信号输入给功率放大器7，控制信号控制直线导轨14中的步进电机28，使得导轨滑块19移动，改变相关悬浮磁铁9的间距，促使悬浮磁铁产生的磁场变化，来适应非接触式位移系统17的变化，保证单目相机11保持悬浮的平衡。单目相机通过对标靶圆的识别采集到动态视频并将数据传输至计算机4，由计算机将分帧后的连续静态图像进行处理得到真实位移。其余多个标靶圆的设置可以对主标靶圆识别数据进行校正，以得到精度更高的位移数据。
Claims (6)
1.一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，包括控制系统，磁悬浮系统，非接触式位移系统，其特征在于：所述控制系统由控制器、霍尔侦测器、功率放大器、计算机组成；所述磁悬浮系统和非接触式位移系统位于由铁磁性材料制作的磁屏蔽罩内，所述磁屏蔽罩利用高磁导金属锚固螺栓与地面固定；所述磁悬浮系统由水平方向并排设置的两个以上的悬浮磁铁组成，各悬浮磁铁分别通过直线导轨悬空固定在磁屏蔽罩中，各悬浮磁铁之间悬挂所述霍尔侦测器，各霍尔侦测器测量所述磁悬浮系统磁场的变化，其测量信号传输给所述控制器，控制器根据霍尔侦测器的信号产生控制信号经所述功率放大器控制所述直线导轨中的步进电机带动相应的悬浮磁铁水平移动，所述控制器包括将电信号转为数字信号的信号转换器、可实现负反馈电路以及闭环控制功能的Arduino电子平台、UPS电源；所述非接触式位移系统位于所述磁悬浮系统下方，由与一个悬浮钕铁硼磁铁固定在一起的单目相机，以及标靶圆构成，其中悬浮磁铁的磁极与所述磁悬浮系统中悬浮磁铁的磁极配合，使单目相机悬浮在磁屏蔽罩内，单目相机的镜头朝向磁屏蔽罩的底面，磁屏蔽罩的底面设置一排间隔均匀的所述标靶圆，单目相机的信号线与所述计算机连接；上述各连接线穿过所述磁屏蔽罩时皆通过磁屏蔽管。
2.根据权利要求1所述的一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，其特征在于：所述悬浮磁铁为两头粗中间细的束腰圆柱形的钕铁硼磁铁，其外部包裹有由软铁磁材料制成的包层。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，其特征在于：所述磁屏蔽罩由外罩与底板结合组成，外罩与底板结合处使用凸凹槽技术进行拼接，并在凹凸槽侧面布置多个通孔，通过通孔利用固定螺栓对结合处进行紧固；且在磁屏蔽罩的外罩与底板结合处的外罩与底板外侧同时加装通孔片，利用固定螺栓与螺母将磁屏蔽罩的外罩与底板进行再次加固，螺栓与螺母间加高磁导率金属垫圈；在底板四角利用高磁导金属锚固螺栓将磁屏蔽罩与地面固定。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，其特征在于：所述磁悬浮系统中悬浮磁铁数量的优选数是4，且只有最外侧的两个悬浮磁铁安装在所述直线导轨上，中间的悬浮磁铁通过固定杆悬挂设置。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，其特征在于：各所述标靶圆的间隔是所述磁屏蔽罩底面长度的1/6。
6.根据权利要求4所述的一种基于非接触性动态位移测试方法的位移传感器，其特征在于：各所述标靶圆的间隔是所述磁屏蔽罩底面长度的1/6。
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