CN1916560A - 基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法及传感器。将绕在绝缘管上的若干个匝数、排列紧疏和间隔均相等的线圈组成的传感器插入地下，当传感器未发生变形时，各线圈的自感相同；线圈间隔相等，相邻线圈间的互感相同；地下滑动层对传感器的推力使传感器变形，则互感M变成了M’、自感L₂变成了L’₂，从上到下依次对两两相邻线圈进行M和L₂的测量，可判断出地下位移的大小和滑动层的深度；滑动层的深度是由发现某一对相邻线圈间的M发生变化时，通过这两个线圈在绕制时的位置得出滑动层离地面的深度。本发明用于地质灾害发生前地下深部位移或变形大小的测量；也可用于建筑、水利、岩土、公路、铁路等工程中对地下深部位移进行监测。

Description

基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法及传感器

技术领域

本发明涉及测量电磁变量的装置，尤其是涉及一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法及传感器。

背景技术

目前在地质灾害的监测或建筑、水利等工程中，对地下深部位移的监测是用测斜管方式或时间域反射测试(TDR，Time Domain Reflectometry)法实现。

用测斜管测地下位移有两种方式，一种是每次测量时由人工向测斜管内放入基于重力机理的测斜仪观察埋入地下的测斜管是否应土体地下的推力产生倾斜(位移)；另一种是在测斜管壁上贴装了若干片基于重力机理的MEMS(微机电系统)集成器件，当埋入地下的管子发生倾斜时，MEMS(微机电系统)集成器件产生与倾斜成正比的电压，通常价格较贵。土体深部的位移将使测斜管倾斜，倾斜的角度大小与位移成一定的比例关系。

TDR技术原是一种检测通讯电缆通断的技术，其测量原理是在电缆的端部发一高频信号，在信号到达另一端部时会产生反射，当电缆中间有扭曲或断裂时也会有反射信号，根据反射信号与发出信号的相位差，可以判断电缆中间扭曲点到信号发射端部的距离。但这种方法存在的问题是：①扭曲变形小则反射信号很弱，几乎测不出，②测出电缆中间扭曲点到信号发射端部距离的误差很大，③电缆中间扭曲的几何尺寸无法测准。因此，TDR技术测土体深部的位移与测斜管相比具有价格低廉、安装方便，但其只能检测出土体深层的剪切滑动面的深度(且误差较大)，不能测出位移量的大小，有不少研究者正研究如何使用TDR技术测出滑坡体的深层位移量，但结果不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法及传感器，可实现地下深部位移量大小测量、地下位移空间位置，即位移处离地面的深度测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法：

将绕在绝缘管上有若干个匝数相等、导线排列紧疏相等和间隔相等线圈的传感器插入地下深部，当传感器未发生变形时，若干个匝数相同线圈的自感相同；线圈间间隔相等，即相邻线圈间的互感相同；地下滑动层对传感器的推力，使传感器出现了变形，则使得互感M变成了互感M’、自感L₂变成了自感L’₂，测量时从上到下依次对两两相邻线圈进行互感M和自感L₂的测量，从而判断出地下位移的大小和滑动层的深度；滑动层的深度是由发现某一对相邻线圈间的互感M发生变化时，通过这两个线圈在绕制时的位置可得出滑动层离地面的深度。

二、一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量传感器：

在绝缘管外绕制有若干个匝数相等、导线排列紧疏相等和间隔相等的单层线圈，在绕制有线圈的绝缘管外包覆绝缘保护层，线圈的端线从绝缘管中间穿出，都连在航空插头上。

本发明具有的有益效果是：将传感器插入地下深部，从上到下依次对两两相邻线圈进行互感和自感的测量，从而判断出地下位移的大小和滑动层的深度。本发明可于滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生前的地下深部位移或变形大小的测量，从而向防灾减灾的预报预警系统提供数据；也可用于建筑、水利、岩土、公路、铁路等类似工程中对地下深部位移进行监测(测量)，以便观测工程的质量和状态。

附图说明

图1是本发明的传感器结构示意图；

图2是图1的A-A剖视放大图；

图3是本发明的传感器测量原理示意图。

图3中：1-绝缘管，2-绝缘保护层，3-线圈。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明是在绝缘管1外绕制有若干个匝数相等、导线排列紧疏相等和间隔相等的单层线圈3，在绕制有线圈的绝缘管1外包覆绝缘保护层2，线圈3的端线从绝缘管中间穿出，都连在航空插头上。

图3是基于电感的自感和互感机理的插入地下实现深部位移测量的传感器测量原理示意图，其中图3a是传感器插入地下未发生形变时的原始状态，图3b是传感器受到滑动层下滑推力的作用后产生的变形状态。传感器未发生形变时的原始状态是在一空心管上绕有若干个匝数相同线圈(即各线圈的自感相同)，这些线圈间的间隔距离相同(即相邻线圈间的互感相同)。当在滑动层的下滑推力作用下，传感器出现了如图3b所示的变形，则使得互感M变成了互感M’、自感L₂变成了自感L’₂。根据电路理论可得图3a中各物理量的关系(忽略线圈内阻)：

${\stackrel{\·}{U}}_1=j{\mathrm{\ωL}}_1{\stackrel{\·}{I}}_1+\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_2---\left(1\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ω}{L}_2{\stackrel{\·}{I}}_2+\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(2\right)$

根据电路理论可得图3b中各物理量的关系：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\mathrm{j\ω}{L}_1{\stackrel{\·}{I}}_1+\mathrm{j\ω}{M}^{\′}{\stackrel{\·}{I}}_2---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ω}{L}_2^{\′}{\stackrel{\·}{I}}_2+\mathrm{j\ω}{M}^{\′}{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(4\right)$

根据式(1)、(3)，若令 ${\stackrel{\·}{I}}_2=0,$ 则可得：

${\stackrel{\·}{U}}_1=\mathrm{j\ω}{L}_1{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(5\right)$

根据式(2)，若令 ${\stackrel{\·}{I}}_2=0,$ 则可得：

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ωM}{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(6\right)$

根据式(4)，若令 ${\stackrel{\·}{I}}_2=0,$ 则可得：

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ω}{M}^{\′}{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(7\right)$

将式(5)代入式(6)和式(7)，得：

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ωM}\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{j\ω}{L}_1}=\frac{M}{L_1}{\stackrel{\·}{U}}_1---\left(6\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_2=\mathrm{j\ω}{M}^{\′}\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{\mathrm{j\ω}{L}_1}=\frac{M^{\′}}{L_1}{\stackrel{\·}{U}}_1---\left(7^{\′}\right)$

从式(6’)和式(7’)可以发现，当传感器在滑动层下滑推力的作用下发生变形时，定会引起互感系数M的变化(即从M→M’)，则将使U₂的值产生与M成正比的变化(U₁和L₁不变)，式(6’)和式(7’)的有效值表达式：

$U_2=\frac{U_1}{L_1}M---\left(6^{\′\′}\right)$

$U_2=\frac{U_1}{L_1}{M}^{\′}---\left(7^{\′\′}\right)$

由于互感系数M反映的是两个相邻线圈的磁耦合状况，当图3b所示的变形发生时，线圈L₁与线圈L₂间的磁耦合状况也发生了变化M→M’，而这种变化与图3b所示变形的几何尺寸相关。从图3b的情况可得出：M＞M’，且变形的后线圈L₁与线圈L₂中心轴错开的距离越大(即地下滑动位移越大)M’越小。可以通过实验标定确定地下位移(线圈L₁与线圈L₂中心轴错开的距离)与互感系数的变化量(ΔM＝M-M’)的关系，这种关系可以是表格型，在测量时可事先保存在测量系统的存储器中。上述式(6”)和式(7”)，在实际测量系统中是这样的， 是交流信号源， 是测量电压，只要将L₂端的测量电路的输入阻抗设计成足够大的话，则 ${\stackrel{\·}{I}}_2=0$ 是成立的，这样U₂的值的大小即与M的大小成正比，实际测量时只要测 的有效值U₂即可。

从图3b可见，在地下滑动层的推动下，因传感器的变形，使线圈L₂发生了变形，其自感系数L₂变成了L’₂。这种情况在实际测量中可能出现也可能不出现，这与传感器变形的位置有关。且当线圈发生变形时还将影响互感系数。若线圈不变形，则互感系数M是两个相同线圈(在实际中设计成L₁＝L₂)间的互感系数；但线圈变形的话，则互感系数M’是一个正圆柱线圈与一个变形圆柱线圈间的互感系数。因此，通过测线圈L₂的自感，可以知道线圈L₂是否变形，通过标定实验，可得出变形后不同的L’₂值时，互感系数的变化量(ΔM＝M-M’)与地下位移量的关系。

必须说明，对于传感器上的线圈，不论是互感系数还是自感系数，理论计算是较复杂的，当变形后将更复杂，因而利用互感和自感机理测地下位移，几乎不可能通过理论计算互感系数的变化与地下位移值的关系，只能通过标定得出在不同的变形自感系数前提下互感系数的变化量(ΔM＝M-M’)与地下位移量的关系。

在实际使用该传感器时，将传感器上绕制的线圈从上到下，依次对两两线圈进行互感系数和自感系数的测量，从而得出地下位移的大小和滑动层的深度；具体的测量电路和系统的设计方案将由测量仪表部分的研究完成，仪表部分的设计不在本发明之内。

基于上述测量原理，制作的传感器的结构，如图1、图2所示：由传感器的绝缘管(可选择有一定韧性的塑料管)，绕在绝缘管上的线圈，以及最外层的绝缘保护层组成。传感器的横截面示意如图2所示；传感器的外形是一空心长圆管，在绝缘管和最外层绝缘层之间的绕制多个单层线圈，每个线圈的匝数90～580，线圈间的间距为4～5cm，线圈的端线从绝缘管的中间穿出。测量传感器的长一般由被测地质地层的需要确定，通常在30m～70m的范围；实际实现一般先按上述要求做成3m长的传感器，上面的线圈与外部连接的端线都连在航空插头上，一段段3m长的传感器通过管接头在现场完成机械连接，通过航空插头完成各线圈与测量电路的连接。

Claims (2)

1、一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量方法，其特征在于：将绕在绝缘管上有若干个匝数相等、导线排列紧疏相等和间隔相等线圈的传感器插入地下深部，当传感器未发生变形时，若干个匝数相同线圈的自感相同；线圈间间隔相等，即相邻线圈间的互感相同；地下滑动层对传感器的推力，使传感器出现了变形，则使得互感M变成了互感M’、自感L₂变成了自感L’₂，测量时从上到下依次对两两相邻线圈进行互感M和自感L₂的测量，从而判断出地下位移的大小和滑动层的深度；滑动层的深度是由发现某一对相邻线圈间的互感M发生变化时，通过这两个线圈在绕制时的位置可得出滑动层离地面的深度。

2、一种基于互感和自感机理的地下深部位移测量传感器，其特征在于：在绝缘管(1)外绕制有若干个匝数相等、导线排列紧疏相等和间隔相等的单层线圈(3)，在绕制有线圈的绝缘管(1)外包覆绝缘保护层(2)，线圈(3)的端线从绝缘管中间穿出，都连在航空插头上。

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