基于电涡流传感的地面沉降分层监测装置设计*

吕中虎，张 青，张晓飞

(1.国土资源部地质环境监测技术重点实验室，河北 保定 071051； 2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

地面沉降是在自然和人为因素作用下，由地壳表层土体压缩导致区域性地面标高降低的一种环境地质现象,是一种不可补偿的永久性环境和资源损失。地面沉降具有生成缓慢、持续时间长、影响范围广、成因机制复杂和防治难度大等特点,是一种对资源利用、环境保护、经济发展、城市建设和人民生活构成威胁的地质灾害[1]。

目前我国已经有50多个城市发生地面沉降灾害，占世界之最，我国地面沉降监测以长江三角洲、华北平原和汾渭盆地作为重点区域。点状监测中基岩标、分层标等方式无论从占地面积还是钻孔等方面考虑，都存在前期投入巨大、施工条件苛刻等问题，同时其无法实现区域性组网监测，限制了其发展[2-3]。因此有必要研究开发一种既实用又节约成本的监测装置，实现在一孔中对点状地面沉降进行自动分层监测采集。

1 设计原理

1.1 电涡流传感器原理

根据法拉第电磁感应原理，块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时，导体内将产生呈涡旋状的感应电流，此电流叫电涡流，而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。

前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈，在探头头部的线圈中产生交变磁场。当被测金属体靠近这一磁场时，在此金属表面产生感应电流，与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场，由于其反作用，使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗)。通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性，则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。则线圈特征阻抗可用如下函数来表示：

Z=F(τ,ξ, б,D,I,ω)

(1)

控制τ、ξ、б、I、ω在一定范围内不变，则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数，通过前置器电子线路的处理，将头部线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。电涡流传感器的工作原理如图1所示[4]。

图1 电涡流传感器工作原理示意图

1.2 装置整体设计思路

将电涡流传感器和传感器信号处理板封装于一体化探头中；在钻孔中安装塑料套管，在套管外不同深度放置沉降钢环；在套管口安装井口滑轮，并将光电编码器固定于滑轮上，用于记录探头在孔中深度；利用电动绞车上下移动探头，采集板记录电涡流传感器的输出电压和光电编码器的输出深度，并将数值存储于U盘上；后续数据处理时，利用U盘存储的数据，在计算机上绘制出曲线，对比不同时间的全孔电压-深度曲线，计算不同时间曲线间的同一钢环的位置变化[5-7]。

2 采集板软、硬件设计

2.1 硬件设计

选用高精度采样电阻，将电涡流传感器与倾角传感器输出的电流信号转换为电压信号，通过电压跟随，与AD采样端口相接；选用低功耗ARM控制器STM32F103RE，对传感器信号进行采集，显示传感器位置信号，控制蜂鸣器等功能。选择欧姆龙光电编码器E6C4-CWZ5G,使用分辨率为2 000 P/R的型号，设计编码器驱动电路。框图如图2所示。

图2 采集板硬件框图

2.2 软件设计

根据需求设计采集板底层程序流程图，如图3所示。开始初始化AD设置、串口设置、中断设置等，采集电涡流传感器和倾角传感器电压值，延时一段时间，将当前光电编码器输出数字计算成位移量，将当前位移值、电涡流传感器电压值、倾角值存储于U盘上，此时STM32发送步进电机控制指令，使得绞车上拉或下放探头，循环“采集-延时-存储-发送控制指令”过程。

图3 采集与控制流程图

3 室内实验

地面沉降分层装置室内模拟实验，在室内搭建实验模型，选取长度为1 500 mm的塑料套管，作为井下套管；选取宽度为120 mm的钢环，作为分层环，将三个分层环固定于套管外面；制作井口滑轮，将编码器固定在滑轮上。图4为装置模型实物图。

图4 模拟装置实物图

首先将探头置于套管底部，缓慢移动探头至套管顶部，测量得到一组数据并绘制曲线；基准钢环不移动，将第二个钢环下移5 mm，第三个铁环下移30 mm，将探头回到套管底部，缓慢移动至顶部，测得一组数据并绘制曲线。

图5、图6为第二个钢环和第三个钢环的深度-电压曲线，当探头接触到钢环边缘时，电压值从3.3 V逐渐降至1.2 V左右，探头离开时，电压逐渐上升至3.3 V,并趋于稳定。图中虚线为移动前电压-深度曲线，实线为移动后曲线，从图中估算得到四个拐点深度，两条错动的曲线基本平行，估算出平行线间距，如表1所示。表中平行线间距与实际移动尺寸相吻合，拐点差值也接近实际移动尺寸。

图5 第二个钢环电压—深度曲线

深度(虚线)/mm深度(实线)/mm差值/mm平行线间距/mm18978702730275071733303563557654141040465

图6 第三个钢环电压—深度曲线

4 结束语

本文基于电涡流传感原理，设计了一款适用于地面沉降分层监测的装置，经过室内实验验证，该监测装置能够实现一孔原位多层位移监测，具有一定的应用前景。

参考文献

[1] 崔振东，唐益群.国内外地面沉降现状与研究[J].西北地震学报，2007，29(3)：275-278.

[2] 岳建平,方露.城市地面沉降监控技术研究进展[J].测绘通报，2008(3):1-4.

[3] 方正，武健强，赵建康.长江三角洲地区地面沉降监测[J].上海地质，2003(2)：1-4.

[4] 杨理践,刘佳欣,高松巍,等.大位移电涡流传感器的设计[J]. 仪表技术与传感器,2009(2)：11-12.

[5] 申屠南瑛.地下位移测量方法及理论研究[D].杭州： 浙江大学，2013.

[6] 张斌，冯其波,杨婧,等.路基沉降远程自动监测系统的研发[J].中国铁道科学，2012,33(1):139-143.

[7] 张文卓.软土地基沉降监测仪的研究[D].北京：中国计量科学研究院，2006.