磁致伸縮多點地表裂縫位移監(jiān)測裝置的研制

蔣 凡 ，郝文杰 ，王洪磊

（1.國土資源部地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測技術實驗室，保定 071051；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051）

針對滑坡、邊坡等災害體地表單點裂縫位移監(jiān)測的技術手段已開展了大量深入研究，手段豐富。但面對單處多級裂縫或區(qū)域多級裂縫的面上分布式監(jiān)測的措施相對匱乏。本文以地表多級裂縫位移實時監(jiān)測技術為研究對象，采用磁致伸縮傳感技術對滑坡地表多點位移分布式監(jiān)測預警展開技術方法研究及裝置的研制。

1 分布式多點位移監(jiān)測裝置研制

1.1 磁致伸縮位移傳感原理

磁致伸縮傳感技術是利用稀土超磁致伸縮材料在磁場中被磁化時，沿磁化方向發(fā)生巨大伸縮變形這一物理現(xiàn)象，實現(xiàn)物體位置傳感。該技術由于非接觸、精度高、重復性好、結構穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，在發(fā)達國家中的油田、化工、電力、工程檢測等系統(tǒng)得到廣泛應用與研究[1]。

磁致伸縮位移傳感器核心為應用磁致伸縮傳感技術獲取位置信息，通過高精度的弱信號檢測間接解算出位移。其結構主要由激勵脈沖電路、波導絲（磁致伸縮材料）、波導絲阻尼器、移動磁環(huán)、回波檢測電路等5部分組成。其原理及結構示意如圖1所示。

圖1 磁致伸縮位移傳感器原理及結構示意Fig.1 Magnetostrictive displacement sensor principle

磁致伸縮位移傳感器內(nèi)部的激勵脈沖電路產(chǎn)生激勵脈沖，沿波導絲方向傳播，作為時間計數(shù)的起始脈沖。激勵脈沖產(chǎn)生垂直于波導絲的環(huán)形磁場，該磁場遇到可移動的磁環(huán)產(chǎn)生的徑向磁場相疊加，就會產(chǎn)生一螺旋狀磁場，根據(jù)威德曼（Wiedemann）效應，波導絲會產(chǎn)生瞬時扭轉(zhuǎn)形變，而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)波將以一恒定的速度沿波導絲向兩側傳播，傳到末端時，其能量將被波導絲阻尼器吸收，而返回的扭轉(zhuǎn)波遇到回波檢測電路中的傳感換能元件，產(chǎn)生感應電流脈沖即終止脈沖，通過測量起始脈沖與終止脈沖之間的時間差即可精確地確定被測位移量。因為扭轉(zhuǎn)波在波導管中是以恒速（接近于3 km/s）傳播的，所以只要測出脈沖發(fā)射與脈沖接收兩者之間的時間間隔t，也就測出了磁環(huán)相對于規(guī)定零點的位置，其工作波形圖如圖2所示。由于整個感應過程是連續(xù)的并且響應時間很短，故每當磁環(huán)移動到一個新的位置，就能很快地測量出來[2-3]。

圖2 磁致伸縮位移傳感器工作波形Fig.2 Magnetostrictive displacement sensor operating waveform diagram

1.2 磁致伸縮位移傳感器選型

根據(jù)應用于滑坡、邊坡等野外場地特征，本裝置選用MTS公司的R系列帶柔性測桿的磁致伸縮位移傳感器。該傳感器的柔性測桿可以適應滑坡、邊坡等滑動面的起伏不定的特征，能有效貼合滑動面地形，且易于安裝。多個移動磁環(huán)與測桿非接觸測量實現(xiàn)多級裂縫位移的連續(xù)監(jiān)測。該傳感器單條測桿最多可掛載15個移動磁環(huán)，等同單條測線上最多可以監(jiān)測15級裂縫。傳感器的數(shù)據(jù)輸出為CAN總線格式，最遠傳輸距離2.5 km（傳輸距離與數(shù)據(jù)傳輸速率有關），同時采用CAN總線輸出方式易于組網(wǎng)，多個傳感器進行編號后組成網(wǎng)絡，形成監(jiān)測區(qū)域的分布式監(jiān)測，達到整個滑動面上的多級區(qū)域監(jiān)測。其防水等級達到IP67，適合野外工作環(huán)境。

1.3 多點位移監(jiān)測裝置詳細設計

分布式磁致伸縮多點位移監(jiān)測裝置由磁致伸縮位移傳感器、CAN總線轉(zhuǎn)換器、上層控制軟件、電源控制系統(tǒng)4部分組成。分布式磁致伸縮多點位移監(jiān)測裝置利用磁致伸縮位移傳感器實現(xiàn)滑動面地表多點位移監(jiān)測，以磁致伸縮位移傳感器柔性測桿上的磁環(huán)感知滑坡多級滑動體的蠕變，測得的位置傳感信號通過CAN總線傳輸?shù)接嬎銠C上的上層控制軟件，通過控制軟件數(shù)據(jù)解析與處理，計算出滑動位移量與位移速度，根據(jù)位移監(jiān)測數(shù)據(jù)實現(xiàn)滑坡裂縫位移實時監(jiān)測與預警。監(jiān)測裝置原理如圖3所示。

圖3 分布式磁致伸縮多點位移監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Distributed multipoint magnetostrictive displacement monitoring system

2 上層控制軟件設計

上層控制軟件采用Visual C++6.0平臺編寫，以Windows事件驅(qū)動的模式開發(fā)設計控制軟件，完成磁致伸縮位移傳感器CAN總線數(shù)據(jù)的提取、解析等總線操作，完成原始位移數(shù)據(jù)的解算，計算出速度、加速度等信息，最后以分級預警的思路，根據(jù)解算出的位移量、速度、加速度等綜合信息完成實時監(jiān)控與預警。程序流程如圖4所示。

圖4 上層控制軟件流程Fig.4 Control software flow chart

分布式磁致伸縮多點位移監(jiān)測裝置上層控制軟件在室內(nèi)做了模擬測試，其中測試試驗中選擇磁致伸縮位移傳感器量程6 m，柔性測桿上掛載6個移動磁環(huán)，采樣間隔為1 s，連續(xù)監(jiān)測的運行效果如圖5所示。

3 應用試驗

3.1 野外應用方案設計

圖5 上層控制軟件運行效果Fig.5 Control software runs renderings

固定磁致伸縮位移傳感器的傳感器頭于滑坡后緣穩(wěn)定體上，其柔性測桿順滑坡滑動方向展開，以柔性測桿提高位移傳感器對坡面不規(guī)則的適應性。監(jiān)測時在測桿上搭載多枚移動磁環(huán)，移動磁環(huán)嵌入于滑坡滑動體上，不同磁環(huán)嵌入滑動體上的不同滑動面的多點位置，使之隨著滑動體一起滑動，當滑坡某個滑動面開始滑動時，帶動嵌入的磁環(huán)移動，磁致伸縮位移傳感器通過檢測套于其測桿上的磁環(huán)的位置，實現(xiàn)對整個滑坡滑動面的滑動監(jiān)測，形成滑動面多點位移監(jiān)測。監(jiān)測方案示意如圖6所示。

圖6 多點位移監(jiān)測方案示意Fig.6 Multi-displacement monitoring programme schematic

3.2 云南大關監(jiān)測實例及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

云南省昭通市大關縣在云南省東北部烏蒙山區(qū)，地勢南北高、中間低，境內(nèi)地形地貌深受區(qū)域地層、構造的控制，整個縣域地貌以峽谷山岳地形地貌為主[4]。大關縣地質(zhì)災害類型主要有滑坡和崩塌，其次為泥石流、不穩(wěn)定斜坡等[5]。

分布式磁致伸縮多點位移監(jiān)測野外示范區(qū)選擇在大關縣城職業(yè)中學操場北端存在多級裂縫的擋土墻上，利用磁致伸縮位移傳感器柔性測桿的便利性，在擋土墻上實施了三級裂縫位移監(jiān)測。

由于連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大，本文以2009年10月14日10 min內(nèi)的多級裂縫監(jiān)測數(shù)據(jù)為例對磁致伸縮多點裂縫位移監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)監(jiān)測效果進行分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 磁致伸縮多點裂縫位移監(jiān)測裝置監(jiān)測實時數(shù)據(jù)Fig.7 Magnetostrictive multi crack displacement monitoring means for monitoring real-time data

數(shù)據(jù)圖表中“一級裂縫位移點”靠近裝置的頂端，安裝在擋土墻的頂端靠上位置；“三級裂縫位移點”位于擋土墻底端，即最明顯貫穿裂縫的底端；“二級裂縫位移點”居中。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況來看，三級裂縫位移值在開始階段減少，一級裂縫位移值在結束時間變大，二級裂縫位移值幾乎不變。通過現(xiàn)場調(diào)查驗證，由于擋土墻底端根部當?shù)匾炎黾庸坦こ讨ёo，造成底端相對穩(wěn)定，而擋土墻頂端在重力及整體蠕動等作用下緩慢向下滑移，造成第三級裂縫的根部擠壓，位移值變小。擋土墻整體緩慢蠕動，造成第一級裂縫位移值緩慢加大。第二級裂縫由于處于相對滑動塊中間位置，相對位移量不大，數(shù)據(jù)保持不變，調(diào)查結果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合。

4 結語

分布式磁致伸縮多點位移監(jiān)測裝置利用磁致伸縮位移傳感器的非接觸磁環(huán)作為滑動體多級裂縫位移監(jiān)測點，實現(xiàn)滑坡、邊坡等地表多點裂縫位移的實時監(jiān)測。其柔性測桿能較好適應滑坡、邊坡等特殊地形，通過柔性測桿上的磁環(huán)檢測滑坡滑動體的蠕變，實現(xiàn)多點、大量程滑坡位移連續(xù)監(jiān)測。通過在云南省大關縣職業(yè)中學進行的野外測試試驗，從試驗效果來看，實現(xiàn)了擋土墻面的多級裂縫位移變化連續(xù)監(jiān)測。該裝置及其監(jiān)測方法為滑坡、邊坡等滑動體的地表多點裂縫位移實時監(jiān)測提供了一種有效的監(jiān)測措施與技術手段。

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