專利名稱：基于互感和自感機理的地下深部位移測量方法及傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量電磁變量的裝置，尤其是涉及一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量方法及傳感器。
背景技術(shù)：
目前在地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測或建筑、水利等工程中，對地下深部位移的監(jiān)測是用測斜管方式或時間域反射測試(TDR，Time Domain Reflectometry)法實現(xiàn)。
用測斜管測地下位移有兩種方式，一種是每次測量時由人工向測斜管內(nèi)放入基于重力機理的測斜儀觀察埋入地下的測斜管是否應(yīng)土體地下的推力產(chǎn)生傾斜(位移)；另一種是在測斜管壁上貼裝了若干片基于重力機理的MEMS(微機電系統(tǒng))集成器件，當(dāng)埋入地下的管子發(fā)生傾斜時，MEMS(微機電系統(tǒng))集成器件產(chǎn)生與傾斜成正比的電壓，通常價格較貴。土體深部的位移將使測斜管傾斜，傾斜的角度大小與位移成一定的比例關(guān)系。
TDR技術(shù)原是一種檢測通訊電纜通斷的技術(shù)，其測量原理是在電纜的端部發(fā)一高頻信號，在信號到達另一端部時會產(chǎn)生反射，當(dāng)電纜中間有扭曲或斷裂時也會有反射信號，根據(jù)反射信號與發(fā)出信號的相位差，可以判斷電纜中間扭曲點到信號發(fā)射端部的距離。但這種方法存在的問題是①扭曲變形小則反射信號很弱，幾乎測不出，②測出電纜中間扭曲點到信號發(fā)射端部距離的誤差很大，③電纜中間扭曲的幾何尺寸無法測準。因此，TDR技術(shù)測土體深部的位移與測斜管相比具有價格低廉、安裝方便，但其只能檢測出土體深層的剪切滑動面的深度(且誤差較大)，不能測出位移量的大小，有不少研究者正研究如何使用TDR技術(shù)測出滑坡體的深層位移量，但結(jié)果不理想。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量方法及傳感器，可實現(xiàn)地下深部位移量大小測量、地下位移空間位置，即位移處離地面的深度測量。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一、一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量方法將繞在絕緣管上有若干個匝數(shù)相等、導(dǎo)線排列緊疏相等和間隔相等線圈的傳感器插入地下深部，當(dāng)傳感器未發(fā)生變形時，若干個匝數(shù)相同線圈的自感相同；線圈間間隔相等，即相鄰線圈間的互感相同；地下滑動層對傳感器的推力，使傳感器出現(xiàn)了變形，則使得互感M變成了互感M’、自感L2變成了自感L’2，測量時從上到下依次對兩兩相鄰線圈進行互感M和自感L2的測量，從而判斷出地下位移的大小和滑動層的深度；滑動層的深度是由發(fā)現(xiàn)某一對相鄰線圈間的互感M發(fā)生變化時，通過這兩個線圈在繞制時的位置可得出滑動層離地面的深度。
二、一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量傳感器在絕緣管外繞制有若干個匝數(shù)相等、導(dǎo)線排列緊疏相等和間隔相等的單層線圈，在繞制有線圈的絕緣管外包覆絕緣保護層，線圈的端線從絕緣管中間穿出，都連在航空插頭上。
本發(fā)明具有的有益效果是將傳感器插入地下深部，從上到下依次對兩兩相鄰線圈進行互感和自感的測量，從而判斷出地下位移的大小和滑動層的深度。本發(fā)明可于滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前的地下深部位移或變形大小的測量，從而向防災(zāi)減災(zāi)的預(yù)報預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)；也可用于建筑、水利、巖土、公路、鐵路等類似工程中對地下深部位移進行監(jiān)測(測量)，以便觀測工程的質(zhì)量和狀態(tài)。


圖1是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的A-A剖視放大圖；圖3是本發(fā)明的傳感器測量原理示意圖。
圖3中1-絕緣管，2-絕緣保護層，3-線圈。
具體實施例方式
如圖1、圖2所示，本發(fā)明是在絕緣管1外繞制有若干個匝數(shù)相等、導(dǎo)線排列緊疏相等和間隔相等的單層線圈3，在繞制有線圈的絕緣管1外包覆絕緣保護層2，線圈3的端線從絕緣管中間穿出，都連在航空插頭上。
圖3是基于電感的自感和互感機理的插入地下實現(xiàn)深部位移測量的傳感器測量原理示意圖，其中圖3a是傳感器插入地下未發(fā)生形變時的原始狀態(tài)，圖3b是傳感器受到滑動層下滑推力的作用后產(chǎn)生的變形狀態(tài)。傳感器未發(fā)生形變時的原始狀態(tài)是在一空心管上繞有若干個匝數(shù)相同線圈(即各線圈的自感相同)，這些線圈間的間隔距離相同(即相鄰線圈間的互感相同)。當(dāng)在滑動層的下滑推力作用下，傳感器出現(xiàn)了如圖3b所示的變形，則使得互感M變成了互感M’、自感L2變成了自感L’2。根據(jù)電路理論可得圖3a中各物理量的關(guān)系(忽略線圈內(nèi)阻)
U·1=jωL1I·1+jωMI·2---(1)]]>U·2=jωL2I·2+jωMI·1---(2)]]>根據(jù)電路理論可得圖3b中各物理量的關(guān)系U·1=jωL1I·1+jωM′I·2---(3)]]>U·2=jωL2′I·2+jωM′I·1---(4)]]>根據(jù)式(1)、(3)，若令I(lǐng)·2=0,]]>則可得U·1=jωL1I·1---(5)]]>根據(jù)式(2)，若令I(lǐng)·2=0,]]>則可得U·2=jωMI·1---(6)]]>根據(jù)式(4)，若令I(lǐng)·2=0,]]>則可得U·2=jωM′I·1---(7)]]>將式(5)代入式(6)和式(7)，得U·2=jωMU·1jωL1=ML1U·1---(6)]]>U·2=jωM′U·1jωL1=M′L1U·1---(7′)]]>從式(6’)和式(7’)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器在滑動層下滑推力的作用下發(fā)生變形時，定會引起互感系數(shù)M的變化(即從M→M’)，則將使U2的值產(chǎn)生與M成正比的變化(U1和L1不變)，式(6’)和式(7’)的有效值表達式U2=U1L1M---(6′′)]]>U2=U1L1M′---(7′′)]]>由于互感系數(shù)M反映的是兩個相鄰線圈的磁耦合狀況，當(dāng)圖3b所示的變形發(fā)生時，線圈L1與線圈L2間的磁耦合狀況也發(fā)生了變化M→M’，而這種變化與圖3b所示變形的幾何尺寸相關(guān)。從圖3b的情況可得出M＞M’，且變形的后線圈L1與線圈L2中心軸錯開的距離越大(即地下滑動位移越大)M’越小?？梢酝ㄟ^實驗標(biāo)定確定地下位移(線圈L1與線圈L2中心軸錯開的距離)與互感系數(shù)的變化量(ΔM＝M-M’)的關(guān)系，這種關(guān)系可以是表格型，在測量時可事先保存在測量系統(tǒng)的存儲器中。上述式(6”)和式(7”)，在實際測量系統(tǒng)中是這樣的， 是交流信號源， 是測量電壓，只要將L2端的測量電路的輸入阻抗設(shè)計成足夠大的話，則I·2=0]]>是成立的，這樣U2的值的大小即與M的大小成正比，實際測量時只要測 的有效值U2即可。
從圖3b可見，在地下滑動層的推動下，因傳感器的變形，使線圈L2發(fā)生了變形，其自感系數(shù)L2變成了L’2。這種情況在實際測量中可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)，這與傳感器變形的位置有關(guān)。且當(dāng)線圈發(fā)生變形時還將影響互感系數(shù)。若線圈不變形，則互感系數(shù)M是兩個相同線圈(在實際中設(shè)計成L1＝L2)間的互感系數(shù)；但線圈變形的話，則互感系數(shù)M’是一個正圓柱線圈與一個變形圓柱線圈間的互感系數(shù)。因此，通過測線圈L2的自感，可以知道線圈L2是否變形，通過標(biāo)定實驗，可得出變形后不同的L’2值時，互感系數(shù)的變化量(ΔM＝M-M’)與地下位移量的關(guān)系。
必須說明，對于傳感器上的線圈，不論是互感系數(shù)還是自感系數(shù)，理論計算是較復(fù)雜的，當(dāng)變形后將更復(fù)雜，因而利用互感和自感機理測地下位移，幾乎不可能通過理論計算互感系數(shù)的變化與地下位移值的關(guān)系，只能通過標(biāo)定得出在不同的變形自感系數(shù)前提下互感系數(shù)的變化量(ΔM＝M-M’)與地下位移量的關(guān)系。
在實際使用該傳感器時，將傳感器上繞制的線圈從上到下，依次對兩兩線圈進行互感系數(shù)和自感系數(shù)的測量，從而得出地下位移的大小和滑動層的深度；具體的測量電路和系統(tǒng)的設(shè)計方案將由測量儀表部分的研究完成，儀表部分的設(shè)計不在本發(fā)明之內(nèi)。
基于上述測量原理，制作的傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示由傳感器的絕緣管(可選擇有一定韌性的塑料管)，繞在絕緣管上的線圈，以及最外層的絕緣保護層組成。傳感器的橫截面示意如圖2所示；傳感器的外形是一空心長圓管，在絕緣管和最外層絕緣層之間的繞制多個單層線圈，每個線圈的匝數(shù)90～580，線圈間的間距為4～5cm，線圈的端線從絕緣管的中間穿出。測量傳感器的長一般由被測地質(zhì)地層的需要確定，通常在30m～70m的范圍；實際實現(xiàn)一般先按上述要求做成3m長的傳感器，上面的線圈與外部連接的端線都連在航空插頭上，一段段3m長的傳感器通過管接頭在現(xiàn)場完成機械連接，通過航空插頭完成各線圈與測量電路的連接。
權(quán)利要求
1.一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量方法，其特征在于將繞在絕緣管上有若干個匝數(shù)相等、導(dǎo)線排列緊疏相等和間隔相等線圈的傳感器插入地下深部，當(dāng)傳感器未發(fā)生變形時，若干個匝數(shù)相同線圈的自感相同；線圈間間隔相等，即相鄰線圈間的互感相同；地下滑動層對傳感器的推力，使傳感器出現(xiàn)了變形，則使得互感M變成了互感M’、自感L2變成了自感L’2，測量時從上到下依次對兩兩相鄰線圈進行互感M和自感L2的測量，從而判斷出地下位移的大小和滑動層的深度；滑動層的深度是由發(fā)現(xiàn)某一對相鄰線圈間的互感M發(fā)生變化時，通過這兩個線圈在繞制時的位置可得出滑動層離地面的深度。
2.一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量傳感器，其特征在于在絕緣管(1)外繞制有若干個匝數(shù)相等、導(dǎo)線排列緊疏相等和間隔相等的單層線圈(3)，在繞制有線圈的絕緣管(1)外包覆絕緣保護層(2)，線圈(3)的端線從絕緣管中間穿出，都連在航空插頭上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于互感和自感機理的地下深部位移測量方法及傳感器。將繞在絕緣管上的若干個匝數(shù)、排列緊疏和間隔均相等的線圈組成的傳感器插入地下，當(dāng)傳感器未發(fā)生變形時，各線圈的自感相同；線圈間隔相等，相鄰線圈間的互感相同；地下滑動層對傳感器的推力使傳感器變形，則互感M變成了M’、自感L
文檔編號G01B7/02GK1916560SQ20061005281
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者李青, 李雄, 施閣 申請人:中國計量學(xué)院