基于霍爾效應的土沉降監測方法及裝置

閆子壯，李 青，王燕杰，賈生堯

(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018)

基于霍爾效應的土沉降監測方法及裝置

閆子壯，李 青，王燕杰，賈生堯

(中國計量大學 機電工程學院，杭州 310018)

針對我國目前土沉降監測的自動化程度及儀器可靠性低、監測數據不及時、測量精度不高等問題，提出了一種新型基于霍爾效應的科學監測方法；這種方法采用多個霍爾器件組成陣列，將沉降磁環分布在土中，土的沉降會帶動沉降磁環的跟隨沉降，于是便會引起霍爾器件周圍磁場強度發生相應的變化;利用霍爾效應監測霍爾器件周圍磁場強弱并轉化為相應的電信號，采用RS485總線通訊方式將采集到的數據實時上傳至實驗主機，主機對實驗數據進行科學建模處理找到沉降磁環沉降位移與電信號的關系，并設計監測管理平臺以實現對土沉降實時在線監測;通過實驗驗證這種監測方法監測精度高最大誤差在0.4 mm、穩定性好，可以對多點實時在線監測，從而實現對土沉降的智能化高精度監測；在設計中可結合當前遠程傳輸控制技術實現數據遠程共享，具有更加廣泛的應用前景。

霍爾效應；土沉降；在線檢測；485總線通訊

0 引言

土路基地質條件、路堤載荷條件和施工條件都具有復雜性,一般難以對每種處理方法進行嚴密的理論分析和計算,因此不能在設計時作精確的計算和預測,所以一般只能通過施工過程中監測以及施工完成后的質量檢驗來保證工程質量[1]。現場大量使用的沉降檢測儀主要還是對地面沉降的監測，例如紅外監測激光監測。但是大量的監測方法還是僅僅停留對整體沉降的總和進行監測，對具體地下分層在線監測的方法還是比較少的。目前也有一些對地下土分層實現監測的儀器，這些儀器主要由探測頭、指示儀表和測尺等組成[2]。但是這種測量方法主要由人工讀取測尺并記錄數值，此方法存在的問題是測量精度不高，信號線易疲勞受損，數據量少且不及時，數據處理難度比較大。

針對目前大量測量方法的缺點和不足，該設計采用多個霍爾器件組成陣列，將沉降磁環埋于土中，當土發生沉降時沉降磁環會跟隨一起沉降。這樣就會使得霍爾器件節點周圍的磁場強度發生變化。由于沉降磁環周圍磁場強度不同，利用霍爾效應精確測量磁場強度并轉化為相應的電信號[3]，設計采用RS485串口通訊方式將電信號數據時時上傳至實驗主機，實驗主機對霍爾陣列數據進行處理并建立數學模型找出沉降磁環沉降位移與霍爾節點輸出的電信號的對應關系，從而可以精確測量沉降磁環的沉降位移。

本裝置是一個實時在線監測設計裝置，在設計中還可以利用以太網實現遠程數據共享，可以實現對地下土沉降的遠程監測，具有深遠意義。

1 土沉降監測方法與方案設計

該設計具體方法是采用多個霍爾器件和沉降磁環，將霍爾器件節點固定在已經固定好的標桿上，標桿是固定在假設不隨著土沉降發生沉降位移的基巖上，假設標桿和固定樁都是不隨土發生位移沉降的，沉降磁環埋在土中。利用土沉降帶動磁環沉降，從而使霍爾器件與磁環發生相對位移，因此霍爾節點周圍的磁場分布將會發生變化，于是由于霍爾效應的存在所以霍爾器件將會輸出特定的電信號。利用RS485總線方式將所有霍爾節點的數據信號上傳至實驗主機。實驗主機對數據進行處理和建模分析并顯示，對數據還可以遠程共享進行實時監控，總體方案設計如圖1所示。

圖1 總體方案設計圖

在實際的應用現場沉降磁環的數量可以按照需要來分配并不僅僅局限于圖1的3個。沉降磁環分布的越多，對土層分布沉降的監測就會越精確。該設計可以實現網絡化在線監測，可以大大的提高監測精度、效率和質量,改善監測環境,提高監測的檔次和水平。

2 硬件電路設計

設計思路是采用多組霍爾器件和沉降磁環，將霍爾器件與磁環固定在特定的位置。利用軟土沉降帶動磁環沉降，從而使霍爾器件與磁環發生相對位移并輸出特定的信號。系統利用控制器的AD采樣端口對霍爾器件輸出的電壓信號進行采樣。再運用總線方式將數據信號上傳至主機。主機對實驗數據進行分析和科學建模并顯示。信息數據可以利用以太網進行數據共享。本系統硬件電路包括霍爾模塊電路、系統從機電路、RS485模塊電路、系統主機電路、RS232通訊電路、GPRS模塊電路和給系統多種電壓電源供電電源電路。系統硬件電路如圖2所示。

圖2 系統硬件電路框圖

2.1 主控制器

主控制器是選用STM32F103ZET6作為系統主控制器，STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3的微處理器。這個處理器的特點是可應用I/O口多，自帶3路共16通道的12位AD輸入采樣，而且是低電壓3.3 V供電的低功耗產品。支持片外高速晶振(8M),和片外低速晶振(32K)[4]，其中片外低速晶振可用于CPU的實時時鐘,帶后備電源引腳,用于掉電后的時鐘行走。

2.2 霍爾器件

本模塊選用的是SS4951霍爾傳感器進行監測的。SS4951是一個低功耗霍爾傳感器，通常在5 VDC供電時供電電流僅僅為7 mA，單個電流吸收或電流源線性輸出。它的工作溫度范圍為±40～+ 150 ℃。SS4951霍爾傳感器還具有體積小、操作簡單、性價比高等特點[5]。如圖3給出SS4951輸出信號與磁感應強度的關系圖。

圖3 SS4951輸出特性圖

由圖2可得SS4951輸出電壓信號與磁感應強度的關系表達式為公式(1)，其中y是輸出電壓，g是磁感應強度。

y= 0.0025g+ 2.5

(1)

2.3 電壓放大模塊

系統由于外形尺寸的限制，所以沉降磁環需要定制特定的形狀，所以輸出電壓信號在42～500 mV之間。單片機AD采樣信號在0～3 300 mV之間，為了提高系統分別率和沉降測量精度的大小，系統設計采用單階信號放大電路。該放大電路選用放大芯片OP07放大器，OP07芯片是一種低噪聲運算放大器。由于OP07具有非常低的輸入失調電壓(對于OP07A最大為25 μV)[6]，所以輸出信號穩定性較高。OP07同時具有輸入偏置電流低(OP07A為±2nA)和開環增益高(對于OP07A為300 V/mV)的特點，這種低失調、高開環增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設備和放大傳感器的微弱信號等方面，具體放大電路設計如圖4所示。

圖4 電壓放大電路

由同向比例放大電路的輸出與輸入對應關系為式(2)所示。

Vout=Vin( 1 +Rf/R2)

(2)

所以可以得出該放大電路的放大倍數，可根據實際需要來設定運算放大電路的放大倍數。在該設計中由于霍爾節點輸出信號較小，放大倍數設定為2。

2.4 RS485通訊

RS485采用差分信號負邏輯，+2～+6 V表示“0”，- 6～- 2 V表示“1”。RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現點對點的通信方式[7]，現很少采用，現在大多采用的是兩線制接線。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只需要簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來即可實現總線通信，圖5為本系統使用的通信電路設計。

圖5 MAX485通訊電路

在設計中匹配電阻R1是設計在內的，但是在實際實用過程當中由于實驗距離較近，所有的霍爾通信節點只需要在最后一個霍爾通信節點電路設計上加上這個匹配電阻即可，其他霍爾通信節點是不需要加的。

3 系統軟件設計

土沉降監測裝置系統軟件設計主要包括智能管理中心上位機界面設計和控制器的軟件設計。

3.1 上位機界面軟件設計

上位機界面軟件設計采用Java語言。Java語言是甲骨文公司推出來的一種電腦編程語言，擁有跨平臺、面向對象等特點[8]。為實現實時顯示沉降環精確位移，研究設計了一套精美上位機顯示平臺。本設計的上位機顯示平臺主要顯示初始沉降磁環的位置、實時霍爾陣列輸出信號、實時沉降磁環的沉降位移和北京時間等技術參數。

3.2 控制器軟件設計

控制器的核心是STM32F103ZET6，軟件是采用可移植性很高的C語言來實現的。系統使用RS485總線級聯的，所以就分為實驗主機和從機。軟件首先是進行初始化，然后是主機設定為發送模式分別給從機發送特定的信號命令然后設定自己為接收模式；每一個從機初始化后設定為接收模式接收到屬于自己的命令之后，根據命令進行傳輸霍爾器件傳輸來的信號；主機接收到從機發送來的信號后進行建模、濾波等處理，最后控制顯示模塊進行顯示和遠程數據共享，圖6是系統程序設計流程圖。

圖6 系統主機程序流程圖

4 實驗數據處理與結果

4.1 數據處理

系統測試首先是搭建測試平臺，測試平臺是固定沉降管和固定樁，分別將霍爾器件節點安裝在固定樁上面。用電機帶動沉降磁環的上下沉降來模擬土沉降。系統實驗數據較多，必須進行大量的數據處理篩選，最終選取最優數據進行利用。圖7是實驗測試平臺示意圖。

圖7 實驗測試品臺示意圖

實驗測試是首先固定霍爾器件節點，將每個節點之間的距離固定在8 cm，手動使沉降磁環從0開始沿x方向往下發生沉降，分別記錄沉降到16 cm處的實驗數據，并多次取樣取平均數值為實驗數據，測試數據如圖8。

圖8 實驗測試數據

從實驗數據來看，沉降位移在0～8 cm內霍爾節點1輸出是不斷增加的，之后霍爾節點1輸出會有一個到0 mV的突變過程。在然后輸出信號的上升到峰值，隨后是隨著沉降位移增加而不斷減小的過程。這個過程當中的突變是因為沉降磁環是一個具有一定尺寸的圓柱體而不是一個永磁體點，所以會有一段霍爾信號輸出為0 mV的過程。這個實驗結果曲線和理論上是一致的。

實驗過程當中為了減小實驗誤差，現采用選取第一個霍爾節點的前8個有效數據進行擬合利用，當實驗沉降磁環沉降到8 cm以后立即選取第二個霍爾節點的實驗數據進行利用，對于第二個霍爾節點的實驗數據前8個直接舍棄不用，因為霍爾信號數據變化量較小，如果利用進行擬合會引起較大誤差，所以只利用第二個霍爾節點的后8個有效數據進行擬合，這樣可以有效地減小實驗誤差。圖9給出了選取的有效數據匯總。

圖9 實驗測試數據

在圖9的有效數據中可以發現，利用兩個霍爾節點的有效數據進行曲線擬合可以實現對沉降磁環沉降位移在0-16 cm內精確監測。以此類推第三個第四個等多個霍爾節點便可以實現對更大沉降位移進行精確監測。對于有效實驗測試數據走勢可以看出霍爾輸出信號是隨著沉降磁環的沉降位移不斷變化的，可以根據這種圖變化來預測出沉降磁環的實時位置。圖8中實驗數據是具有一定數學關系的，所以進行數學模型的建立。為了進一步減小實驗模型誤差，現在采用分段分別進行數學模型的建立。曲線擬合常用的方法有解析表達式逼近離散數據的方法和最小二乘法，在這里采用最小二乘法進行曲線擬合[9]。從而實現對沉降位移的精確監測。

在設計中根據圖8實驗有效數據可以采用兩種方式進行曲線擬合。方式一根據曲線走勢直接采用二次曲線擬合如式(3)。

x=ay2+by+c

(3)

公式(3)是進行二次曲線擬合，其中a、b、c是擬合系數。方案二是采用分段一次曲線進行擬合，如公式(4)。

x=ay+b

(4)

公式(4)是采用分段一次曲線進行擬合，其中a、b是擬合系數。為了更好的進行數據就監測，現在將兩者結合起來，采用分段擬合，綜合一次、二次曲線擬合。

4.2 實驗結果

在實驗中分別做出了單個沉降磁環沉降位移在為0、200、400、600、800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800 mm處的測量值和實際值的對比結果，并且分別給出了每組實驗數據誤差結果，如表1給出了實驗測試結果。

表1 實驗測試結果

實驗測試結果顯示測量沉降位移量和實際沉降位移值很相近，能夠較好的對沉降位移進行監測。但是還是存在一定的誤差，最大誤差達到6.2 mm，可以看出測量精度不是很高。針對實驗結果分析和總結，分析系統發現誤差存在的原因有：

1) 選取的運算放大器精度不夠高，而且經過測量發現運放存在一定的失調電壓。

解決措施：重新選取高精度精密運算放大器，重新設計信號放大電路對失調電壓進行補償。

2) 霍爾器件供電電源電壓穩定性不夠高，節點與節點供電電壓之間有時差值在200 mV，這樣會引起霍爾器件的輸出不穩定，而且進過實驗測試發現霍爾器件輸出信號跟自身供電電源電壓大小是有一定關系的。

解決措施：重新設計霍爾器件節點供電電源電路，采用同一個開關電源進行并聯供電，解決了不同霍爾器件節點供電不同引起輸出誤差的問題。

重新修改電路設計之后進行測試、數據處理建模，得出新的測試結果如表2。

表2 實驗測試結果

通過新的實驗數據可以得出實驗結果較為穩定，實驗誤差很小，最大實驗誤差為0.4 mm。實驗結果表明該研究設計可以很好的對土沉降進行高精度的監測。

5 結論

本文針對土沉降設計實現了一種新型基于霍爾效應的科學監測方法。這種方法采用多個霍爾陣列，利用霍爾效應監測周圍磁場強弱，并采用485通訊方式將數據實時上傳至實驗主機，實驗主機對霍爾節點信號進行建模處理，即可實現對沉降位移進行實時在線監測。實驗結果顯示這種監測方法監測精度高、數據量大、穩定性好，可以實現多點實時在線監測，從而實現對土沉降的智能化高精度在線監測。這個設計方法對于土沉降的監測的研究具有一定突破。

[1] 王海波. 軟土路基沉降機理及沉降預測研究[D].西安：西安建筑科技大學,2009.

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[4] 孫書鷹,陳志佳,寇 超. 新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J]. 微計算機應用,2010(12):59-63.

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Method and Device for Soil Settlement Monitoring Based on Hall Effect

Yan Zizhuang, Li Qing,Wang Yanjie, Jia Shengyao

(Institute of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China)

A new scientific monitoring method based on Hall effect is proposed to solve the problem of low degree of automation and low reliability, low monitoring data and low measurement accuracy. This method uses a number of Hall devices to form an array, the settlement of the magnetic distribution in the soil, the settlement of the soil will lead to the settlement of the magnetic ring to follow the settlement, so it will cause the Hall device magnetic field around the corresponding changes. The Hall effect is used to monitor the strength of the magnetic field around the Hall device and converted into the corresponding electrical signal. The data collected by the RS485 bus is used to upload the data to the experimental host in real time. The host model is found in the scientific modeling of the experimental data. Displacement and electrical signal relationship, and design monitoring management platform to achieve real-time monitoring of soil settlement. The experimental results show that the maximum accuracy of the monitoring method is 0.4 mm, the stability is good, and the multi - point real - time monitoring can be realized in order to realize the intelligent high - precision monitoring of soil settlement. This design can be combined with the current remote transmission control technology to achieve remote sharing of data, with a wider range of applications

Hall effect; soft soil settlement; on-line detection; 485 bus communication

2017-05-04；

2017-07-07。

國家重點研發計劃課題(2017YFC0804604)；國家自然科學基金面上項目(41376111);浙江省科技計劃項目(2015C33045);浙江省教育廳項目(Y201533855)。

閆子壯(1991-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要從事檢測技術方向的研究。

李 青(1955-)，男，浙江杭州人，教授，主要從事檢測技術方向的研究。

1671-4598(2017)12-0009-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.003

TP23

A