CN108802635A - 一种用于滑坡监测的岩土体磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于滑坡监测的岩土体磁场传感器，包括：感应线圈，感应线圈与大地耦合，用于采集磁场信号；第一导线，第一导线的一端连接绕组，另一端连接磁场前置放大单元的输入端，用于将采集的磁场信号传输到磁场前置放大器单元；磁场前置放大器单元，其输出端连接第二导线的一端，用于接收磁场信号并进行放大，并通过第二导线传输至磁场信号输出单元；磁场信号输出单元，其输入端连接第二导线的另一端，输出端连接外部设备，用于将接收的放大后的磁场信号输出至外部设备。该岩土体磁场传感器能满足滑坡孕育的探测或监测要求，其测量稳定、结构简单、使用方便，能匹配现有的大地电磁法仪器。

Description

一种用于滑坡监测的岩土体磁场传感器

技术领域

本发明属于野外地质探测技术领域，尤其涉及一种磁场传感器。

背景技术

滑坡灾害监测技术是一门综合性很强的应用学科，是以工程地质学、土力学、电子学、传感器、测量学及计算机技术等多门学科交叉为理论实践基础的技术方法体系的综合应用。

大地电磁法是地球物理科学中的一种探测方法，其理论及反演技术成熟，仪器早已商业化并成功应用在找矿、找水、工程地质中多年。大地电磁法根据频率的高低可分为高频音频大地电磁法、音频大地电磁法、大地电磁法、甚低频超长周期大地电磁法等多种方法，分别针对不同的勘探深度和勘探目的。滑坡工程地质勘察中也经常使用高频音频大地电磁法进行勘探，将高频音频大地电磁法应用于滑坡长期监测理论上可行的，需要特别提出的是，岩石受力后首先出现一系列的微破裂，并被地下水所填充，岩石电阻率因而显著降低。实验表明，在岩石发生破裂之前它的电阻率将下降到原来的十分之一，所以将此作为研发电磁法监测滑坡孕育过程的合理性和正确性的依据之一。

目前国内使用的大地电磁法仪器采用国外的大地电磁法仪器及其配件中的磁场传感器，但是大地电磁法仪器及磁场传感器通过成套出售，在使用过程中即使仅磁场传感器出现问题也需国际贸易报关购买并更换或整体更换，因此，成本高，而且国内零售市场尚无一般的国产大地电磁法仪器及与之配套的磁场传感器销售，更无满足探测或监测滑坡孕育的专用岩土体电磁仪及与之配套的岩土体磁场传感器销售。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提供一种测量稳定、结构简单、使用方便、能满足滑坡孕育探测或监测的测量需求，且可匹配现有一般大地电磁法仪的岩土体磁场传感，以降低对大地电磁法仪器的使用维护成本。

为实现上述发明目的，本发明提供了的技术方案如下：

一种用于滑坡监测的岩土体磁场传感器，包括：

感应线圈，所述感应线圈与大地耦合，用于采集磁场信号；所述感应线圈包括磁芯以及沿着所述磁芯的轴线缠绕的绕组；

第一导线，所述第一导线的一端连接所述绕组，另一端连接磁场前置放大单元的输入端，用于将采集的磁场信号传输到磁场前置放大器单元；

所述磁场前置放大器单元，其输出端连接第二导线的一端，用于接收磁场信号并进行放大，并通过第二导线传输至磁场信号输出单元；

所述磁场信号输出单元，其输入端连接所述第二导线的另一端，输出端连接外部设备，用于将接收的放大后的磁场信号输出至外部设备。

本发明的有益效果：该岩土体磁场传感器能满足滑坡孕育的探测或监测要求，其测量稳定、结构简单、使用方便，能匹配现有的大地电磁法仪器，替换现有成套出售的大地电磁法仪器及其配件中的磁场传感器，因而本发明能显著降低因维护大地电磁法仪器的配件即磁场传感器的维护成本。

附图说明

图1为本发明岩土体磁场传感器结构示意图；

图2为本发明岩土体磁场传感器中磁场前置放大器单元的信号放大电路图；

图3为本发明岩土体磁场传感器的测试连接关系示意图；

图4为本发明岩土体磁场传感器的测试效果图；

图5为本发明岩土体磁场传感器与美国EH4专用磁棒对比测试效果图。

其中，附图标记说明如下：

1-磁芯、2-绕组、3-第一导线、4-磁场前置放大器单元、5-第二导线、6-磁场信号输出单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

如图1所示，本发明提供一种用于滑坡监测的岩土体磁场传感器，包括：

感应线圈，所述感应线圈与大地耦合，用于采集磁场信号；所述感应线圈包括磁芯1以及沿着所述磁芯1的轴线缠绕的绕组2；

第一导线3，所述第一导线3的一端连接所述绕组2，另一端连接磁场前置放大单元4的输入端，用于将采集的磁场信号传输到磁场前置放大器单元4；

所述磁场前置放大器单元4，其输出端连接第二导线5的一端，用于接收磁场信号并进行放大，并通过第二导线5传输至磁场信号输出单元6；

所述磁场信号输出单元6，其输入端连接所述第二导线5的另一端，输出端连接外部设备，用于将接收的放大后的磁场信号输出至外部设备。

本实施例中，为采集滑坡孕育过程中岩土体微弱大地磁场值，磁芯1一般选择导磁率较高的磁芯，比如：铁氧体磁芯、坡莫合金磁芯或铁氧体环磁芯。综合考虑，铁氧体环磁芯的性质差于铁氧体磁芯的金属性质；坡莫合金磁芯优点是容易制作，但坡莫合金磁芯价格昂贵且要求磁芯长度较长，易变形引起磁场叠加，在滑坡监测频段范围内，铁氧体磁芯已能满足要求；因此，优选用铁氧体材质的磁芯作为岩土体磁场传感器的磁芯。

本实施例中，为采集滑坡孕育过程中岩土体微弱大地磁场值，绕组2采用耐高温、耐腐蚀、高绝缘、低热敏、低电阻率、高强度的漆包线。

本实施例中，为了达到微弱磁场信号无失真的传输，本发明采用了前置放大器方案，要求放大增益稳定、频率响应稳定，其中，磁场前置放大器单元4，包括外壳和信号放大电路。为不失真的放大感应线圈所采集的磁场值，并确保放大增益稳定，频率响应稳定，磁场前置放大器单元4的信号放大电路应需满足高频响应和宽频带的特点，工作频率为1KHz～20KHz。其中，信号放大电路优选差动多级放大电路。

本实施例中，为满足野外恶劣环境中连续工作，防水防潮，信号放大增益稳定，频率响应稳定，磁场前置放大器单元4的外壳选用耐热、耐酸、耐腐蚀、无感材质的工业PVC(聚氯乙烯)加工成模。

本实施例中，为减少因温度或其它人为因素造成的随机噪声电压值，第一导线3采用双芯屏蔽电缆，其阻抗值为47Ω～53Ω；第二导线5采用多芯屏蔽电缆，其阻抗值为47Ω～53Ω。

磁场信号输出单元6选择能与现有的大地电磁法仪器相匹配(即与大地电磁法仪器的信号输入接口匹配)的连接器，本实施例中，选用八芯军用连接器，能匹配美国GEOMERTICS公司生产和销售的EH-4大地电磁仪。

本实施例中的岩土体磁场传感器用于滑坡孕育过程中对岩土体的磁场信号采集的具体工作过程为：

磁芯1和绕组2与大地耦合，采集岩土体中的磁场信号，并通过第一导线3，将采集的磁场信号送入磁场前置放大器单元4；

磁场前置放大器单元4，对来自绕组2的磁场信号进行放大，并通过第二导线5将放大的电场信号传送至磁场信号输出单元6；

最后，通过磁场信号输出单元6将经前置放大单元4放大的磁场信号输出到主机，从而实时完成对采集的磁场信号的分析与监测。

在本发明中，磁场前置放大器单元4的信号放大电路原理图如附图2所示，它是一种差动多级放大电路，包括由初级运算放大器A1和次级运算放大器A2构成的级联运算放大电路，其中，磁场信号由Input端经电阻R1从初级运算放大器A1的反向输入端输入，A1的同向输入端连接电源负极Vin-，A1的反相输入端通过电阻R2连接A1的输出端；A1的输出端经电阻R3耦合至次级运算放大器A2的反向输入端，A2的同向输入端连接电源正极Vin+，A2的输出端Output将放大后的磁场信号输出至第二导线5的一端，A1的反相输入端通过串联电阻R4、R5连接至A2的输出端，且串联电阻R4、R5的连接节点连接至A2的反相输入端。其中，为了简化传感器结构，传感器的电源正极Vin+、电源负极Vin-由八芯军品级连接器提供。电阻R1、R2、R3、R4和R5共同决定前置放大器电路增益GAIN，其大小可由如下公式计算得出：

GAIN＝(R4/R3)(1+1/2*((R2/R1)+(R3/R4))+(R2+R3)/R5)；

为了测试本实施例的性能及效果，选用了美国GEOMERTICS公司生产和销售的EH-4大地电磁仪器及配套前置放大器、电场接收器、磁场接收器等整套系统作为测试测量设备进行滑坡孕育监测。EH-4测试连接关系详见附图3中所示，其中，放大器为电、磁道前置放大器，接收机为电场接收器、磁场接收器，Hy、Hx为磁场传感器,Ex0、Ex1、Ey0、Ey1为电场传感器,其中x表示X方向，y表示Y方向，Ex0和Ex1共同组成X方向的电场，Ey0和Ey1共同组成Y方向的电场。Hy为美国原产配套磁场传感器，Hx为本实施例的岩土体磁场传感器，实测滑坡孕育地质并对比测试数据及波形。

采用合金电极所得的测试效果详见附图4，左边框图的纵轴是时间轴，有49159个离散的时间点，横轴表示该时间点上的电压,介于-10V到+10V之间，有49159个离散的电压值，其中Hxt通道是本发明的测量结果，Hyt通道是国外原产传感器的测量结果，所测值属于同一数量级；右边框图是将时间域数据做快速傅立叶变换至频率域，其中，Hxr是电场Ex的实部，Hxi是电场Ex的虚部，Hyr是电场Hy的实部，Hyi是电场Hy的虚部，频率域数据是一个虚数。通过图4可以对比本实施例的频率特征，频响接近一致且在高频段优于美国原产磁场传感器，因此本实施例能与现有的大地电磁仪匹配并进行滑坡孕育探测或监测。

如图5所示，为本发明岩土体磁场传感器与美国EH4专用磁棒对比测试效果图，通过对比分析再次验证了本岩土体磁场传感器的正确性及优越性。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (10)

1.一种用于滑坡监测的岩土体磁场传感器，其特征在于，包括：

感应线圈，所述感应线圈与大地耦合，用于采集磁场信号；所述感应线圈包括磁芯(1)以及沿着所述磁芯(1)的轴线缠绕的绕组(2)；

第一导线(3)，所述第一导线(3)的一端连接所述绕组(2)，另一端连接磁场前置放大单元(4)的输入端，用于将采集的磁场信号传输到磁场前置放大器单元(4)；

所述磁场前置放大器单元(4)，其输出端连接第二导线(5)的一端，用于接收磁场信号并进行放大，并通过第二导线(5)传输至磁场信号输出单元(6)；

所述磁场信号输出单元(6)，其输入端连接所述第二导线(5)的另一端，输出端连接外部设备，用于将接收的放大后的磁场信号输出至外部设备。

2.根据权利要求1所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述磁场前置放大器单元(4)由外壳和信号放大电路构成。

3.根据权利要求2所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述外壳的材质为工业PVC。

4.根据权利要求2所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述信号放大电路为差动多级放大电路。

5.根据权利要求4所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述差动多级放大电路包括由初级运算放大器A1和次级运算放大器A2构成的级联运算放大电路，其中，磁场信号由Input端经电阻R1从初级运算放大器A1的反向输入端输入，A1的同向输入端连接电源负极Vin-，A1的反相输入端通过电阻R2连接A1的输出端；A1的输出端经电阻R3耦合至次级运算放大器A2的反向输入端，A2的同向输入端连接电源正极Vin+，A2的输出端Output将放大后的磁场信号输出至第二导线(5)的一端，A1的反相输入端通过串联电阻R4、R5连接至A2的输出端，且串联电阻R4、R5的连接节点连接至A2的反相输入端。

6.根据权利要求1所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述磁芯(1)采用高导磁率的铁氧体磁芯。

7.根据权利要求1所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述绕组(2)采用耐高温、耐腐蚀、高绝缘、低热敏、低电阻率、高强度的漆包线。

8.根据权利要求1所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述第一导线(3)采用双芯屏蔽电缆，其阻抗值为47Ω～53Ω。

9.根据权利要求1所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述第二导线(5)采用多芯屏蔽电缆，其阻抗值为47Ω～53Ω。

10.根据权利要求1所述的岩土体磁场传感器，其特征在于，所述磁场信号输出单元(6)采用八芯军用连接器。