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基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法

作　者: 周振
导　师: 李青
学　校: 中国计量学院
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 地下位移三维测量霍尔效应磁阻效应滑坡
分类号: P642.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

摘要：滑坡灾害发生频繁、危害巨大。滑坡监测的各项内容中，地下位移的监测能直观地反映地下土体的变形情况，是滑坡监测的重点和难点。对可能发生滑坡的区域进行地下位移实时在线测量，能起到及时的预警作用。国内外对于坡体深部位移的监测，主要利用埋设在地质钻孔中的测斜仪、多点位移计和TDR同轴电缆。三种主流测量方法都不能测量出地下位移的三维变化。鉴于此，笔者提出一种基于霍尔和磁阻效应的地下位移三维测量方法。分析滑坡发生时的地质变化情况，选取常见的旋转型滑坡、平移型滑坡和块体滑移作为测量对象。基于滑动体的局部地质构造不变性以及三维位移轮廓模型，提出测量方案：将多个圆柱形测量单元沿着共同的中轴线串接后埋入待测土体，通过测量所有相邻单元间的相对位移来实现整个地下土体位移的测量。将霍尔传感器阵列、磁钢、磁阻传感器以及屏蔽层安装在圆柱形测量单元之中，并建立三维系统坐标系。对于测量单元A中的霍尔传感器阵列与测量单元B中的磁钢，地下土体的变形会改变两者之间的相对位置。只要得到磁钢在变形前后的三维坐标，通过几何运算就能得出相对位移的大小。搭建实验平台，逐步改变霍尔传感器与磁钢间的相对位置以标定传感器。采用标定的数据，根据圆柱形磁钢的磁场分布并结合MATLAB分析得出磁感应强度（霍尔电压）等值线，进而构建等值面模型。基于等值面模型，设计采用三个呈等边三角形分布的霍尔传感器组成传感器阵列。对于空间中的一个磁钢，每一个霍尔传感器对应一个特定的霍尔电压及等值曲面。三个等值曲面相交于一点，该点的三维坐标由相应的算法得出。磁阻传感器对地磁的测量结合磁钢三维坐标的测量，可完成相邻测量单元之间相对位移的方向测量。相对位移的测量范围可由一个三维空间中的柱体表示。该柱体是三个圆柱体相交的公共部分，其大小基于霍尔传感器标定的空间范围。实验结果表明：磁钢三维坐标的测量误差保持在±5%以内，地磁测量的误差在±2%以内，相邻单元间的相对位移测量满足实际要求。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-7
Abstract  7-9
目次  9-12
图清单  12-16
1 绪论  16-24
  1.1 研究背景及意义  16-19
    1.1.1 滑坡现象的危害、特征及诱因  16-18
    1.1.2 滑坡灾害的防治与监测  18-19
  1.2 地下位移监测技术  19-23
    1.2.1 TDR 同轴电缆测量技术  19-21
    1.2.2 多点位移计测量技术  21-22
    1.2.3 钻孔测斜仪法  22-23
  1.3 本课题主要研究内容  23
  1.4 本章小结  23-24
2 基本理论  24-29
  2.1 滑坡运动的分析  24-25
  2.2 霍尔效应  25-27
  2.3 磁阻效应  27-28
  2.4 本章小结  28-29
3 硬件设计  29-48
  3.1 测量系统设计概述  29-30
  3.2 集成式传感器设计  30-34
    3.2.1 测量单元设计  30-31
    3.2.2 霍尔传感器 SS94A1  31-32
    3.2.3 双轴磁传感器 MMC212xMG  32-33
    3.2.4 圆柱形磁钢  33-34
  3.3 硬件电路研制  34-39
    3.3.1 主处理芯片 MSP430F449  34-35
    3.3.2 AD 转换模块  35-36
    3.3.3 供电电源设计  36-37
    3.3.4 温度传感器芯片 AD741622  37
    3.3.5 RS485 通信模块  37-38
    3.3.6 实际制作的硬件电路  38-39
  3.4 五轴运动台  39
  3.5 硬件电路性能测试  39-47
    3.5.1 霍尔传感器性能  39-40
    3.5.2 时漂实验  40-42
    3.5.3 采样滤波  42-46
    3.5.4 温漂实验  46-47
  3.6 本章小结  47-48
4 测量方案设计  48-61
  4.1 位移大小测量方案  48-58
    4.1.1 一维位移大小测量  48
    4.1.2 霍尔传感器标定实验  48-52
    4.1.3 二维位移大小测量  52-53
    4.1.4 三维位移大小测量  53-58
  4.2 三维位移方向测量  58-60
  4.3 本章小结  60-61
5 地下位移测量的软件设计  61-77
  5.1 测量程序下位机软件设计  61-65
    5.1.1 下位机软件开发工具  61-62
    5.1.2 测量程序下位机软件的主程序设计  62-63
    5.1.3 测量程序下位机软件的初始化  63
    5.1.4 环境温度值采集  63-64
    5.1.5 霍尔电压值采集  64
    5.1.6 磁阻传感器采集  64
    5.1.7 测量程序下位机软件的数据发送  64-65
  5.2 测量程序上位机软件设计  65-72
    5.2.1 上位机软件开发工具  66
    5.2.2 测量程序上位机软件的主程序设计流程  66
    5.2.3 测量程序上位机软件的初始化  66-67
    5.2.4 等值线插值  67-70
    5.2.5 计算磁钢三维坐标  70-72
  5.3 霍尔传感器标定实验的程序设计  72-76
    5.3.1 标定实验下位机软件的主流程设计  73-74
    5.3.2 接收中断子程序  74-75
    5.3.3 标定实验下位机软件的数据发送  75-76
  5.4 本章小结  76-77
6 实验数据及分析  77-84
  6.1 测量范围  77-78
  6.2 数据分析  78-83
  6.3 本章小结  83-84
7 总结与展望  84-86
  7.1 全文总结  84-85
  7.2 后续展望  85-86
参考文献  86-88
作者简介  88

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