基于電渦流傳感的地面沉降分層監測裝置設計*

呂中虎，張 青，張曉飛

(1.國土資源部地質環境監測技術重點實驗室，河北 保定 071051； 2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

0 引言

地面沉降是在自然和人為因素作用下，由地殼表層土體壓縮導致區域性地面標高降低的一種環境地質現象,是一種不可補償的永久性環境和資源損失。地面沉降具有生成緩慢、持續時間長、影響范圍廣、成因機制復雜和防治難度大等特點,是一種對資源利用、環境保護、經濟發展、城市建設和人民生活構成威脅的地質災害[1]。

目前我國已經有50多個城市發生地面沉降災害，占世界之最，我國地面沉降監測以長江三角洲、華北平原和汾渭盆地作為重點區域。點狀監測中基巖標、分層標等方式無論從占地面積還是鉆孔等方面考慮，都存在前期投入巨大、施工條件苛刻等問題，同時其無法實現區域性組網監測，限制了其發展[2-3]。因此有必要研究開發一種既實用又節約成本的監測裝置，實現在一孔中對點狀地面沉降進行自動分層監測采集。

1 設計原理

1.1 電渦流傳感器原理

根據法拉第電磁感應原理，塊狀金屬導體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導體內將產生呈渦旋狀的感應電流，此電流叫電渦流，而根據電渦流效應制成的傳感器稱為電渦流式傳感器。

前置器中高頻振蕩電流通過延伸電纜流入探頭線圈，在探頭頭部的線圈中產生交變磁場。當被測金屬體靠近這一磁場時，在此金屬表面產生感應電流，與此同時該電渦流場也產生一個方向與頭部線圈方向相反的交變磁場，由于其反作用，使頭部線圈高頻電流的幅度和相位得到改變(線圈的有效阻抗)。通常假定金屬導體材質均勻且性能是線性和各項同性，則線圈和金屬導體系統的物理性質可由金屬導體的電導率б、磁導率ξ、尺寸因子τ、頭部體線圈與金屬導體表面的距離D、電流強度I和頻率ω參數來描述。則線圈特征阻抗可用如下函數來表示：

Z=F(τ,ξ, б,D,I,ω)

(1)

控制τ、ξ、б、I、ω在一定范圍內不變，則線圈的特征阻抗Z就成為距離D的單值函數，通過前置器電子線路的處理，將頭部線圈與金屬導體的距離D的變化轉化成電壓或電流的變化。電渦流傳感器的工作原理如圖1所示[4]。

圖1 電渦流傳感器工作原理示意圖

1.2 裝置整體設計思路

將電渦流傳感器和傳感器信號處理板封裝于一體化探頭中；在鉆孔中安裝塑料套管，在套管外不同深度放置沉降鋼環；在套管口安裝井口滑輪，并將光電編碼器固定于滑輪上，用于記錄探頭在孔中深度；利用電動絞車上下移動探頭，采集板記錄電渦流傳感器的輸出電壓和光電編碼器的輸出深度，并將數值存儲于U盤上；后續數據處理時，利用U盤存儲的數據，在計算機上繪制出曲線，對比不同時間的全孔電壓-深度曲線，計算不同時間曲線間的同一鋼環的位置變化[5-7]。

2 采集板軟、硬件設計

2.1 硬件設計

選用高精度采樣電阻，將電渦流傳感器與傾角傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，通過電壓跟隨，與AD采樣端口相接；選用低功耗ARM控制器STM32F103RE，對傳感器信號進行采集，顯示傳感器位置信號，控制蜂鳴器等功能。選擇歐姆龍光電編碼器E6C4-CWZ5G,使用分辨率為2 000 P/R的型號，設計編碼器驅動電路。框圖如圖2所示。

圖2 采集板硬件框圖

2.2 軟件設計

根據需求設計采集板底層程序流程圖，如圖3所示。開始初始化AD設置、串口設置、中斷設置等，采集電渦流傳感器和傾角傳感器電壓值，延時一段時間，將當前光電編碼器輸出數字計算成位移量，將當前位移值、電渦流傳感器電壓值、傾角值存儲于U盤上，此時STM32發送步進電機控制指令，使得絞車上拉或下放探頭，循環“采集-延時-存儲-發送控制指令”過程。

圖3 采集與控制流程圖

3 室內實驗

地面沉降分層裝置室內模擬實驗，在室內搭建實驗模型，選取長度為1 500 mm的塑料套管，作為井下套管；選取寬度為120 mm的鋼環，作為分層環，將三個分層環固定于套管外面；制作井口滑輪，將編碼器固定在滑輪上。圖4為裝置模型實物圖。

圖4 模擬裝置實物圖

首先將探頭置于套管底部，緩慢移動探頭至套管頂部，測量得到一組數據并繪制曲線；基準鋼環不移動，將第二個鋼環下移5 mm，第三個鐵環下移30 mm，將探頭回到套管底部，緩慢移動至頂部，測得一組數據并繪制曲線。

圖5、圖6為第二個鋼環和第三個鋼環的深度-電壓曲線，當探頭接觸到鋼環邊緣時，電壓值從3.3 V逐漸降至1.2 V左右，探頭離開時，電壓逐漸上升至3.3 V,并趨于穩定。圖中虛線為移動前電壓-深度曲線，實線為移動后曲線，從圖中估算得到四個拐點深度，兩條錯動的曲線基本平行，估算出平行線間距，如表1所示。表中平行線間距與實際移動尺寸相吻合，拐點差值也接近實際移動尺寸。

圖5 第二個鋼環電壓—深度曲線

深度(虛線)/mm深度(實線)/mm差值/mm平行線間距/mm18978702730275071733303563557654141040465

圖6 第三個鋼環電壓—深度曲線

4 結束語

本文基于電渦流傳感原理，設計了一款適用于地面沉降分層監測的裝置，經過室內實驗驗證，該監測裝置能夠實現一孔原位多層位移監測，具有一定的應用前景。

參考文獻

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[4] 楊理踐,劉佳欣,高松巍,等.大位移電渦流傳感器的設計[J]. 儀表技術與傳感器,2009(2)：11-12.

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[6] 張斌，馮其波,楊婧,等.路基沉降遠程自動監測系統的研發[J].中國鐵道科學，2012,33(1):139-143.

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