CN205332999U - 一种磁测定位装置 - Google Patents

Abstract

一种磁测定位装置，包括封装外壳，封装外壳上沿轴向上部和下部分别安装有一副导向轮，第一三维磁通门传感器安装在封装外壳内部上部，第二三维磁通门传感器安装在封装外壳内部下部，第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器分别通过导线分别与信号采集模块连接，信号采集模块与伸出封装外壳的供电、信号传输线缆连接，第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器之间的间距保持固定。本实用新型提供的一种磁测定位装置，可以解决无法解算出满足监测精度要求的位移值及传感器使用过多的问题，保证深部位移测量的精度，大大降低了系统成本，便于推广应用。

Description

一种磁测定位装置

技术领域

本实用新型涉及磁定位测量技术领域，尤其是一种磁测定位装置。

背景技术

滑坡地质灾害是最为普遍的地质灾害类型，监测预警是应对滑坡地质灾害的主要工程措施之一。通常滑坡结构是由滑坡体、滑床(即基岩)和滑带构成的，滑坡的深部位移指的是在滑带附近测量到的滑坡体相对于滑床的滑动位移。对于需要进行滑坡深部位移监测的滑坡，通常体量较大，滑带的埋深普遍达到二三十米，有的甚至达到百米深度。滑坡地质灾害发育至临滑阶段，其位移速率和总位移量快速发展，此时现有的深部位移测量手段常常失效，无法获得最具预测预警价值的深层滑移数据。

中国专利申请号为2013103527322的实用新型专利公开了一种基于磁定位实现滑坡深层位移测量的在线监测方法，提出了一种采用磁定位技术对滑坡深部位移进行测量的方法，根据以上方法开展相关试验研究，发现这些方法的应用条件与滑坡现场的实际情况出入较大，难以实现监测目标。其主要存在的缺点包括：

(1)没有考虑信噪比的影响

上述专利方法布置两个探测点，空间坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₁,y₁,z₁)，到永磁体中心的距离分别为r₁和r₂。则依据以下公式解算磁极位置(公式中各参数意义见专利2013103527322)：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{1x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{{\mathrm{\πr}}_1}^5}\[(2{\left(x_1-x_0\right)}^2-{\left(y_1-y_0\right)}^2-{\left(z_1-z_0\right)}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3\left(x_1-x_0\right)\left(y_1-y_0\right)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3\left(x_1-x_0\right)\left(z_1-z_0\right)\cos \mathrm{\α}\]\\ B_{1y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{{\mathrm{\πr}}_1}^5}\[(2{\left(y_1-y_0\right)}^2-{\left(x_1-x_0\right)}^2-{\left(z_1-z_0\right)}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3\left(x_1-x_0\right)\left(y_1-y_0\right)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3\left(y_1-y_0\right)\left(z_1-z_0\right)\cos \mathrm{\α}\]\\ B_{1z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{{\mathrm{\πr}}_1}^5}\[(2{\left(z_1-z_0\right)}^2-{\left(x_1-x_0\right)}^2-{\left(y_1-y_0\right)}^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3\left(x_1-x_0\right)\left(z_1-z_0\right)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3\left(y_1-y_0\right)\left(z_1-z_0\right)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\]\\ B_{2x}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{{\mathrm{\πr}}_2}^5}\[(2{\left(x_2-x_0\right)}^2-{\left(y_2-y_0\right)}^2-{\left(z_2-z_0\right)}^2)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3\left(x_2-x_0\right)\left(y_2-y_0\right)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3\left(x_2-x_0\right)\left(z_2-z_0\right)\cos \mathrm{\α}\]\\ B_{2y}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{{\mathrm{\πr}}_2}^5}\[(2{\left(y_2-y_0\right)}^2-{\left(x_2-x_0\right)}^2-{\left(z_2-z_0\right)}^2)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3\left(x_2-x_0\right)\left(y_2-y_0\right)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3\left(y_2-y_0\right)\left(z_2-z_0\right)\cos \mathrm{\α}\]\\ B_{2z}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{{\mathrm{\πr}}_2}^5}\[(2{\left(z_2-z_0\right)}^2-{\left(x_2-x_0\right)}^2-{\left(y_2-y_0\right)}^2)\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}+3\left(x_2-x_0\right)\left(z_2-z_0\right)\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+3\left(y_2-y_0\right)\left(z_2-z_0\right)\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\]\end{array}\right.$

式中 $r_1=\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2},$

$r_2=\sqrt{{(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2}.$

而实际情况是静磁场随距离的3次方衰减，磁传感器和目标磁极只能布置在一个监测孔中，且距离磁极的距离不能超过一定范围。采用N50的磁极所做的试验可以确定磁传感器距离磁极的距离超过5米即无法测量到目标磁极的磁场变化。

其次上述专利将磁极固结在滑带以下，磁传感器安装在滑带以上，因此离磁极最近的磁传感器与目标磁极的距离要超过滑带的厚度，而需要进行深层位移监测的滑坡其滑带厚度20cm到100cm不等，再加上滑带上下的剪切变形区，那么离磁极最近的磁传感器与目标磁极的距离应不小于1.5米。

总结以上的两点要求，则磁传感器的安装位置应该是在磁极以上1.5米到5米范围内，距离磁极距离一近一远。如果按照这样的安装位置，两个传感器采集到的磁场信号的信噪比差异很大，而上述专利的计算公式是没有考虑信噪比的影响的，根据上述专利方法的计算公式是无法解算出满足监测精度要求的位移值。

(2)需要的传感器过多

要求安装3个以上的磁传感器来实现对目标磁极的定位测量，而目前磁传感器的成本很高，采用3个以上传感器使整套系统的成本非常高，不利于该项技术的推广应用。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种磁测定位装置，可以解决无法解算出满足监测精度要求的位移值及传感器使用过多的问题，保证深部位移测量的精度，大大降低了系统成本，便于推广应用。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种磁测定位装置，包括封装外壳，封装外壳上沿轴向上部和下部分别安装有一副导向轮，第一三维磁通门传感器安装在封装外壳内部上部，第二三维磁通门传感器安装在封装外壳内部下部，第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器分别通过导线分别与信号采集模块连接，信号采集模块与伸出封装外壳的供电、信号传输线缆连接，第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器之间的间距保持固定。

信号采集模块采用的是西安华舜测量设备有限责任公司型号为HS-MS-DM3C-100的数据采集模块。

封装外壳为铝制外壳。

一种利用上述磁测定位装置进行滑坡深部位移监测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：对需要监控的滑坡体，从滑坡体地表向下钻孔形成监测孔，监测孔钻至滑带(9)以下的滑床；

步骤2：在监测孔内安装具有两组导槽的测斜管，两组导槽之间相互垂直，其中一组导槽的连线方向与滑坡体的滑动方向一致；

步骤3：在滑坡变形监测的最初阶段使用钻孔倾斜仪对滑坡深部位移进行监测，当滑坡深部在滑带位置的位移达到一定程度，测斜管接近剪断时，再在测斜管内固定安装目标磁极，目标磁极的安装位置低于滑带的下边界；

步骤4：确定磁测定位装置在测斜管内的安装位置：磁测定位装置的安装位置应保证距离目标磁极远端的第一三维磁通门传感器到目标磁极之间的距离不超过5米，磁测定位装置的封装外壳的下端端头高于滑带的上边界；

步骤5：封装磁测定位装置，调整第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器的各个测量方向：第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器的各个测量方向保持一致，三个测量方向中一个测量方向与磁测定位装置的封装外壳的轴线平行，形成Z轴，另外两个测量方向与磁测定位装置的封装外壳的轴线垂直，且其中一个测量方向与上部及下部的导向轮在同一个平面内，形成X轴，上部及下部的导向轮在同一个平面内；

步骤6：监测：将封装好的磁测定位装置顺监测孔下放至步骤4确定的位置，开始监测位移，将第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器在Z轴和X轴上测量到的磁强值相减得到磁强差△B_z和△B_x，根据这两个磁强差解算目标磁极的位置坐标，目标磁极在X轴上的位移变化就是滑坡深层的水平位移值，即计算出滑坡深部位移值。

步骤3中的目标磁极为圆柱状永磁体磁极，外部用防水胶套封闭，封闭后柱体外径不大于5厘米，磁极顺柱体轴线方向磁化，安装固结后应保证磁极轴线与竖直方向的夹角不大于5°。

步骤3中，目标磁极的安装位置低于滑带的下边界10–50厘米。

步骤4中，磁测定位装置的封装外壳的下端端头高于滑带的上边界20–50厘米。

步骤6中，测量计算的方法如下：

步骤6-1：在测量时总共可以从第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器采集到6组磁场强度值，分别是x方向、y方向和z方向：B_x1、B_x2、B_y1、B_y2、B_z1、B_z2，

由于安装测斜管时已经选择其中一组导槽的连线方向与滑坡体下滑朝向一致，那么B_x1、B_x2、B_z1、B_z2的测量值在下滑过程中会产生明显变化，而B_y1、B_y2的测量值不会产生明显变化，因此解算深部位移时，只需要使用B_x1、B_x2、B_z1、B_z2的测量值；

步骤6-2：根据第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器之间的位置关系，确定B_x1、B_x2、B_z1、B_z2的测量值的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{x1}=\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^5}x\·z\\ B_{z1}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^5}(2z^2-x^2)\\ B_{x2}=\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^{\′5}}x\·(z+D)\\ B_{z2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^{\′5}}\[2{(z+D)}^2-x^2\]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中x是磁传感器相对于目标磁极水平向距离，因滑坡体滑动时滑面以上的滑体保持平移运动，所以公式中两个传感器的x参量取相同值；z是下部第二三维磁通门传感器相对于目标磁极竖直向距离，P_m为目标磁极的磁矩，μ₀是为目标磁极的磁导率，D为第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器之间的距离， $r^{\′}=\sqrt{x^2+{(z+D)}^2};$

步骤6-3：将x方向和z方向所测量到的磁场强度值相减得到下组表达式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔB}}_x=\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+z^2}\right)}^5}x\·z_0-\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+{(z+D)}^2}\right)}^5}x\·(z-D)\\ {\mathrm{\ΔB}}_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+z^2}\right)}^5}(2z^2-x^2)-\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+{(z+D)}^2}\right)}^5}\[2{(z+D)}^2-x^2\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

根据式(2)分别画出△B_x和△B_z与x的关系线，并根据这个关系线进行标定试验，根据标定数据表插值求解出目标磁极在x轴和z轴的坐标，目标磁极在X轴上的位移变化即是滑坡体沿滑带滑动的水平向位移值，即计算出滑坡深部位移值。

步骤6-3中，标定试验是在x轴和z轴方向以10厘米为间隔移动目标磁极，测量每个网格点上的△B_x和△B_z，x轴标定范围0–3米，z轴标定范围根据滑带倾角α来确定，为0到3tanα。

本实用新型提供的一种磁测定位装置，有益效果如下：

1、静磁场随距离的衰减是按距离的三次方衰减，超过一定的距离是无法实现磁定位测量方法的，本实用新型根据实际的试验结果对磁极和磁传感器的安装位置范围做了准确的限定，可以保证磁测装置能够测量到满足解算磁极位置的磁强信号；

2、解算目标磁极空间位置的解算式是以两个传感器在Z轴和X轴上测量到的磁强差作为解算的基础参量。这个磁强差不仅将地磁等背景噪音信号减除，而且其信噪比水平与距离目标磁极较近的磁传感器一致，具有较高的信噪比，降低了干扰信号对测量信号的影响，保证采集信号的稳定准确输出，从而保证深部位移测量的精度；

3、本实用新型采用两个三维磁传感器，数量较已有专利技术少，大大降低了系统成本，便于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1为本实用新型方法所监测的滑坡结构以及深层位移监测孔与滑坡的位置关系示意图；

图2为本实用新型方法采用磁测定位装置监测时的示意图；

图3为本实用新型方法中使用的测斜管的俯视图；

图4为本实用新型磁测定位装置的结构示意图；

图5为本实用新型图4的右视图；

图6为本实用新型方法中第一三维磁通门传感器和第二三维磁通门传感器与目标磁极的位置关系图。

具体实施方式

实施例一

如图4和图5所示，一种磁测定位装置，包括封装外壳6，封装外壳6上沿轴向上部和下部分别安装有一副导向轮2，第一三维磁通门传感器3安装在封装外壳6内部上部，第二三维磁通门传感器5安装在封装外壳6内部下部，第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5分别通过导线分别与信号采集模块4连接，信号采集模块4与伸出封装外壳6的供电、信号传输线缆1连接，第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5之间的间距保持固定，间距范围1～1.5米。

信号采集模块采用的是西安华舜测量设备有限责任公司型号为HS-MS-DM3C-100的数据采集模块。

第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5采用的是西安华舜测量设备有限责任公司型号为HS-MS-FG-3-C的三维磁通门传感器。

封装外壳6为铝制外壳。

实施例二

本实用新型方法所监测的滑坡结构以及深层位移监测孔与滑坡的位置关系示意图如图1所示；

一种利用上述磁测定位装置进行滑坡深部位移监测的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：对需要监控的滑坡体7，从滑坡体7地表向下钻孔形成监测孔8，监测孔8钻至滑带9以下的滑床10；

步骤2：在监测孔8内安装具有两组导槽11的测斜管12，两组导槽11之间相互垂直，其中一组导槽11的连线方向与滑坡体7的滑动方向一致；

步骤3：在滑坡变形监测的最初阶段使用钻孔倾斜仪对滑坡深部位移进行监测，当滑坡深部在滑带位置的位移达到一定程度，测斜管12接近剪断时，再在测斜管12内固定安装目标磁极14，目标磁极14的安装位置低于滑带9的下边界；

安装目标磁极14需要根据前一阶段测斜管监测资料准确确定滑带剪切部位，永磁体安装位置应低于滑带下边界10～50cm，到达指定安装位置后，灌入水泥砂浆15或用卡环将磁极固定在测斜管上。如果采用砂浆固结，水泥砂浆上表面达到滑带上表面即可；

步骤4：确定磁测定位装置13在测斜管2内的安装位置：磁测定位装置13的安装位置应保证距离目标磁极14远端的第一三维磁通门传感器3到目标磁极14之间的距离不超过5米，磁测定位装置13的封装外壳6的下端端头高于滑带9的上边界；

地下磁定位的基本原理是采用永磁体作为目标磁极，利用磁传感器测量目标磁极的局部静磁场变化来解算磁传感器相对目标磁极的位移，以此位移作为滑坡深部位移值。而一个永磁体周围的静磁场强度是随距离的三次方衰减的，根据实际室内试验成果，磁测定位装置13的安装位置应保证距离目标磁极14远端的第一三维磁通门传感器3到目标磁极14之间的距离不超过5米；

步骤5：封装磁测定位装置，调整第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5的各个测量方向：第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5的各个测量方向保持一致，三个测量方向中一个测量方向与磁测定位装置13的封装外壳6的轴线平行，形成Z轴，另外两个测量方向与磁测定位装置13的封装外壳6的轴线垂直，且其中一个测量方向与上部及下部的导向轮2在同一个平面内，形成X轴，上部及下部的导向轮2在同一个平面内，封装时应保证两个磁传感器在三个测量方向上的方向偏差小于3°；

步骤6：监测：将封装好的磁测定位装置13顺监测孔8下放至步骤4确定的位置，开始监测位移，应同时采集Z轴和X轴方向的磁强信号，同一方向第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5在同一时间点的采集时间间隔不超过0.1秒，将第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5在Z轴和X轴上测量到的磁强值相减得到磁强差△B_z和△B_x，根据这两个磁强差解算目标磁极14的位置坐标，目标磁极14在X轴上的位移变化就是滑坡深层的水平位移值，即计算出滑坡深部位移值。

本实用新型方法采用磁测定位装置监测时的示意图如图2所示，

本实用新型方法中使用的测斜管的俯视图如图3所示。

步骤3中的目标磁极为圆柱状永磁体磁极，外部用防水胶套封闭，封闭后柱体外径不大于5厘米，磁极顺柱体轴线方向磁化，安装固结后应保证磁极轴线与与钻孔轴线(即竖直方向)的夹角不大于5°。

步骤3中，目标磁极14的安装位置低于滑带9的下边界10–50厘米。

步骤4中，磁测定位装置13的封装外壳6的下端端头高于滑带9的上边界20–50厘米。

监测时，将封装好的磁测定位装置顺监测孔下放至设定位置，如果是不间断的连续监测，则将装置固定在该处高度保持不变，开始监测位移；如果是定期监测，测量结束需要收回仪器，则需要根据下放线缆长度记录测量位置，以便下次测量时能够使仪器处在同一位置测量。

步骤6中，测量计算的方法如下，如图6所示：

步骤6-1：在测量时总共可以从第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5采集到6组磁场强度值，分别是x方向、y方向和z方向：B_x1、B_x2、B_y1、B_y2、B_z1、B_z2，

由于安装测斜管12时已经选择其中一组导槽11的连线方向与滑坡体7下滑朝向一致，那么B_x1、B_x2、B_z1、B_z2的测量值在下滑过程中会产生明显变化，而B_y1、B_y2的测量值不会产生明显变化，因此解算深部位移时，只需要使用B_x1、B_x2、B_z1、B_z2的测量值；

步骤6-2：根据第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5之间的位置关系，确定B_x1、B_x2、B_z1、B_z2的测量值的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{x1}=\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^5}x\·z\\ B_{z1}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^5}(2z^2-x^2)\\ B_{x2}=\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^{\′5}}x\·(z+D)\\ B_{z2}=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4{\mathrm{\πr}}^{\′5}}\[2{(z+D)}^2-x^2\]\end{array}\right.---1$

其中x是磁传感器相对于目标磁极14水平向距离，因滑坡体7滑动时滑面以上的滑体保持平移运动，所以公式中两个传感器的x参量取相同值；z是下部

第二三维磁通门传感器5相对于目标磁极14竖直向距离，P_m为目标磁极14的磁矩，μ₀是为目标磁极14的磁导率，D为第一三维磁通门传感器3和第二三维磁通门传感器5之间的距离， $r=\sqrt{x^2+z^2},r^{\′}=\sqrt{x^2+{(z+D)}^2};$

步骤6-3：将x方向和z方向所测量到的磁场强度值相减得到下组表达式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔB}}_x=\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+z^2}\right)}^5}x\·z_0-\frac{3{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+{(z+D)}^2}\right)}^5}x\·(z-D)\\ {\mathrm{\ΔB}}_z=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+z^2}\right)}^5}(2z^2-x^2)-\frac{{\mathrm{\μ}}_0{P}_m}{4\mathrm{\π}{\left(\sqrt{x^2+{(z+D)}^2}\right)}^5}\[2{(z+D)}^2-x^2\]\end{array}\right.---2$

根据式2分别画出△B_x和△B_z与x的关系线，并根据这个关系线进行标定试验，根据标定数据表插值求解出目标磁极14在x轴和z轴的坐标，目标磁极14在X轴上的位移变化即是滑坡体7沿滑带9滑动的水平向位移值，即计算出滑坡深部位移值。

步骤6-3中，标定试验是在x轴和z轴方向以10厘米为间隔移动目标磁极14，测量每个网格点上的△B_x和△B_z，x轴标定范围0–3米，z轴标定范围根据滑带倾角α来确定，为0到3tanα。

Claims (2)

1.一种磁测定位装置，其特征在于：包括封装外壳（6），封装外壳（6）上沿轴向上部和下部分别安装有一副导向轮（2），第一三维磁通门传感器（3）安装在封装外壳（6）内部的轴向上部，第二三维磁通门传感器（5）安装在封装外壳（6）内部的轴向下部，第一三维磁通门传感器（3）和第二三维磁通门传感器（5）分别通过导线分别与信号采集模块（4）连接，信号采集模块（4）与伸出封装外壳（6）的供电、信号传输线缆（1）连接。

2.根据权利要求1所述的磁测定位装置，其特征在于：封装外壳（6）为铝制外壳。