閆子壯,李 青,王燕杰

(中國計量大學機電工程學院,杭州 310018)

土地基由于自身條件的限制,一般路堤載荷條件和施工條件都具有復雜性[1],所以很難對每種處理方法進行嚴密的理論分析和精確計算[2],因此往往只能通過施工過程中監(jiān)測和施工完成后的質量檢驗來保證工程質量[3]。目前大量使用的沉降監(jiān)測儀器主要還是對地面沉降的監(jiān)測,是對整個土地基沉降位移總和的監(jiān)測,例如紅外監(jiān)測、激光監(jiān)測[4]。但對于具體地下分層沉降的監(jiān)測方法和儀器還是比較少的。目前也有一些對地下土分層實現(xiàn)監(jiān)測的儀器,比如沉降儀,沉降儀主要由探測頭、指示儀表和測尺等組成[5]。這種測量方法將沉降磁環(huán)埋于土中,手動用帶有刻度尺的繩索將電磁感應探頭沿沉降管往下放,當探頭遇到磁環(huán)時會發(fā)出提示,此時施工人員記錄測尺的示數(shù)即沉降磁環(huán)的位置[6]。兩次測得示數(shù)差值即為這段時間內的位移沉降。而這種測量方法對分層沉降測量存在能力有限[7]、儀器自動化程度低[8]、可靠性差、數(shù)據(jù)采集耗時長等問題[9]。

針對目前通用測量方法的缺點和不足,本文提出一種新型測量方法,系統(tǒng)采用多個霍爾器件組成陣列,利用霍爾效應對土沉降實現(xiàn)較高精度實時在線監(jiān)測。

1 總體方案設計

系統(tǒng)采用多個霍爾器件組成陣列,將霍爾器件固定在沉降管上,沉降管是固定在假設不發(fā)生沉降的基巖處,沉降磁環(huán)埋于土中。利用土沉降帶動磁環(huán)沉降,使得霍爾器件與磁環(huán)發(fā)生相對位移,此時霍爾器件周圍的磁感應強度將發(fā)生變化,由于霍爾效應的存在,霍爾信號采集器將會輸出特定的電信號[10]。利用RS-485總線將所有霍爾信號采集器的數(shù)據(jù)信號實時上傳至霍爾信號匯集器。匯集器對數(shù)據(jù)進行處理和建模分析并顯示,對數(shù)據(jù)信號還可以實現(xiàn)遠程共享,進行實時在線監(jiān)測。總體方案設計如圖1所示。

在實際的應用現(xiàn)場沉降磁環(huán)的數(shù)量可以按照需要來布置,并不僅僅局限于圖1中的3個。沉降磁環(huán)分布的越多,對土體內部分層沉降的監(jiān)測就會越細化。該設計可實現(xiàn)網絡化在線監(jiān)測,大大提高監(jiān)測效率和質量,改善監(jiān)測環(huán)境,提高監(jiān)測檔次和水平。

圖1 總體方案設計圖

圖2 傳統(tǒng)沉降磁環(huán)內部結構圖

2 沉降磁環(huán)設計

2.1 磁環(huán)結構設計

本系統(tǒng)所設計的是一款高精度土沉降在線監(jiān)測裝置,目前施工現(xiàn)場應用的以顆粒狀永磁體為核心的沉降磁環(huán)是無法滿足要求的。圖2是目前現(xiàn)場常用的沉降磁環(huán)內部圖。

這種沉降磁環(huán)的結構特點是內部由3個同樣的顆粒狀永磁體組成正三角形。這種結構的沉降磁環(huán)無法做到磁環(huán)一周磁感應強度均勻分布。因此就無法準確判斷變化的電信號是來源于沉降位移還是相對旋轉位移。

針對目前這種沉降磁環(huán)的缺點和不足,本系統(tǒng)設計制作了一款新型沉降磁環(huán),圖3為新型沉降磁環(huán)結構圖。

圖3 新型沉降磁環(huán)

設計加工沉降磁環(huán)的材料是釹鐵硼,磁環(huán)尺寸:內徑60 mm、外徑75 mm、厚度7.5 mm。這種沉降磁環(huán)可以很好的彌補傳統(tǒng)沉降磁環(huán)磁感應強度分布不均勻的缺點。以磁環(huán)中心為原點,任意半徑的圓上,磁感應強度的大小是相同的。將霍爾傳感器放于沉降磁環(huán)內部固定位置,沉降磁環(huán)和沉降管之間只發(fā)生旋轉位移時,霍爾傳感器輸出信號是不會變化的[11]。只有當二者發(fā)生相對沉降位移時,霍爾信號才會發(fā)生變化。

2.2 沉降磁環(huán)磁感應強度仿真

系統(tǒng)按照加工沉降磁環(huán)的尺寸大小、材料以及磁性強度,利用仿真軟件ANSYS對磁環(huán)周圍磁感應強度進行仿真,仿真結果如圖4所示。

圖4 ANSYS軟件仿真設計圖

從仿真結果可以看出,在磁環(huán)正上方的100 mm內磁感應強度變化是比較明顯的。而且可以得出,在80 mm以內單從磁感應強度大小變化梯度來看,變化梯度Bo最小可以達到10 gauss以上。

3 土體分層沉降信號采集器設計

3.1 信號采集器設計

信號采集器主要是對霍爾信號進行采集和傳送。系統(tǒng)利用控制器內部A/D采樣端口對霍爾器件輸出的電信號進行采樣。運用RS-485總線方式將信號數(shù)據(jù)上傳至匯集器進行處理。圖5是霍爾信號采集器的設計框圖。

圖5 信號采集器設計框圖

霍爾信號采集器主要包括霍爾器件模塊、信號放大電路、信號濾波電路、控制器、總線通信電路以及供電電源等電路,最終實現(xiàn)對霍爾信號的實時采集和上傳。

3.2 霍爾傳感器

系統(tǒng)選用SS4951霍爾傳感器進行信號的獲取。SS4951是一款低功耗傳感器,通常在5 VDC供電時供電電流僅為7 mA,具有精確的靈敏度和溫度補償功能。它還具有體積小、操作簡單、性價比高等特點。如圖6給出SS4951輸出信號與電磁感應強度的關系圖。

圖6 SS4951輸出特性圖

由圖6中SS4951輸出信號與磁感應強度的關系可以得出式(1):

U=2.5B

(1)

式中:U是輸出電壓,B是磁感應強度。

通過式(1)可以看出霍爾輸出信號隨著磁感應強度的增強而不斷增加。通過這個特性便可以對霍爾器件周圍磁感應強度進行測量,從而實現(xiàn)對沉降磁環(huán)沉降位移的精確監(jiān)測。

在沉降磁環(huán)磁感應強度仿真設計部分已經得出在磁環(huán)附近80 mm范圍內,變化梯度Bo最小可以達到10 gauss。因此將最小變化梯度Bo代入式(1)中便可得出霍爾傳感器輸出信號最小變化梯度U0可以達到25 mV。而從這個仿真結果中可以看出,最小變化梯度是不大于10 mm的,因此在沉降磁環(huán)附近80 mm范圍內每變化1 mm,對應霍爾傳感器可以達到2.5 mV大小的變化輸出。系統(tǒng)設計采用12位A/D對數(shù)據(jù)進行采樣,12位即4 096個轉換單位[12],采樣信號是0～3 300 mV,因此采樣分辨率可以達到0.806 mV。所以完全可以滿足對于2.5 mV的單位采樣。

綜合沉降磁環(huán)的設計、ANSYS仿真結果以及采樣分辨率這三者,從理論上可以得出這種設計可實現(xiàn)對土體沉降進行1 mm精度測量。

4 土體分層沉降信號匯集器設計

4.1 匯集器硬件設計

匯集器主要實現(xiàn)采集器數(shù)據(jù)的匯總和加工處理,主要硬件包括處理器電路、總線通信電路、電源電路以及顯示模塊。圖7為匯集器硬件設計的總體框圖。

圖7 匯集器硬件設計框圖

在霍爾信號匯集器設計中,RS-485通信模塊用來實現(xiàn)匯集器與采集器之間的通信功能,存儲模塊用來存儲采集器采集信號,顯示模塊主要是對整個監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測結果進行顯示,顯示參數(shù)主要包括所有采集器的電信號、沉降磁環(huán)初始位置、沉降磁環(huán)實時定位、沉降磁環(huán)的沉降位移量、系統(tǒng)供電電壓和電流、環(huán)境溫濕度等。電源模塊主要是3.3 V、5.0 V給系統(tǒng)進行供電。

4.2 匯集器軟件設計

信號匯集器的軟件設計是采用可移植性很高的C語言來實現(xiàn)的[13]。軟件思想主要是采取一問一答的主從通信方式,主機給特定從機發(fā)送命令,對應從機接收命令之后返回采集數(shù)據(jù),主機再次發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令,依次獲取采集器的有效數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理,最后控制顯示模塊進行顯示和遠程數(shù)據(jù)共享,圖8為系統(tǒng)程序設計流程圖。

4.3 匯集器數(shù)據(jù)處理

首先是搭建實驗數(shù)據(jù)測試平臺。測試平臺是以固定沉降管和采集器為基礎,用電機帶動沉降磁環(huán)的移動來模擬土沉降。圖9為實驗測試平臺示意圖。

圖8 系統(tǒng)主機程序流程圖

圖9 實驗測試平臺示意圖

測試方案是首先固定霍爾信號采集器節(jié)點,將相鄰節(jié)點之間的距離固定在8 cm,控制電機使沉降磁環(huán)從0開始沿x方向往下發(fā)生沉降,分別記錄沉降到100 cm處的實驗數(shù)據(jù)。圖10為采集器1和采集器2節(jié)點的采集數(shù)據(jù)。

圖10 實驗測試采集數(shù)據(jù)圖

圖11 磁環(huán)磁力線示意圖

從實驗數(shù)據(jù)來看,沉降位移在0～8 cm區(qū)間段不斷沉降時,采集器1輸出是不斷增加的,之后采集器1輸出會有一個到0 mV的突變過程。隨后采集器1輸出信號上升到峰值,接著會有一個隨沉降位移增加而輸出信號不斷減小的過程。

圖11為設計制作沉降磁環(huán)的磁力線示意圖。

在磁環(huán)沉降的過程當中,輸出信號突變是因為沉降磁環(huán)是一個具有一定尺寸的環(huán)形圓柱而不是一個永磁體點。由圖11可以看出,在正中心位置上下10 mm范圍內,有一部分磁場強度為負方向,所以會出現(xiàn)霍爾信號為0 mV的突變現(xiàn)象。其實不是0 mV,是負值,但處理器的AD采樣是直接把負值當做0 mV來處理的。這個實驗結果曲線和理論上是一致的。

為減小實驗過程中的實驗誤差,現(xiàn)選取第1個采集器的前8個有效數(shù)據(jù)進行擬合利用,當沉降磁環(huán)沉降到8 cm以后立即選取第2個采集器的實驗數(shù)據(jù)進行利用,對于第2個采集器的前8個實驗數(shù)據(jù)直接舍棄不用,這樣可以大大提高監(jiān)測精度。圖12為給出選取的有效數(shù)據(jù)匯總。

圖12 有效測試數(shù)據(jù)圖

在圖12的有效數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn),利用兩個采集器的有效數(shù)據(jù)進行曲線擬合可以實現(xiàn)對沉降位移在0～16 cm內的精確監(jiān)測。以此類推利用第3個第4個等多個采集器便可以實現(xiàn)對更大范圍內的位移沉降進行精確監(jiān)測。

從有效實驗測試數(shù)據(jù)走勢可以看出霍爾輸出信號是隨著沉降位移不斷變化的,并且實驗數(shù)據(jù)是具有一定數(shù)學關系的,選取此段數(shù)據(jù)進行模型的建立。為進一步減小實驗模型誤差,現(xiàn)采用分段分別進行數(shù)學模型建立的方法。在曲線擬合中,常用的擬合方法有解析表達式逼近離散數(shù)據(jù)的方法和最小二乘法,系統(tǒng)采用最小二乘法進行曲線擬合[14]。從而實現(xiàn)對沉降位移的精確監(jiān)測。

5 測試與結果分析

首先在實驗中分別做出了單個沉降磁環(huán)沉降位移在0、100 mm、200 mm、300 mm、400 mm、500 mm、600 mm、700 mm、800 mm、900 mm、1 000 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(shù)據(jù)誤差,如表1給出實驗測試結果。

通過表1實驗數(shù)據(jù)可以得出實驗結果較為穩(wěn)定,實驗誤差較小,最大誤差絕對值為1.119 1 mm。雖然測試誤差沒有達到1 mm,但是這個實驗測試結果與理論指導測量精度可以達到1 mm的結論是相吻合的。

表1 單個磁環(huán)定位測試結果 mm

在測試完成單個沉降磁環(huán)定位實驗的基礎之上,進行多個沉降磁環(huán)的定位測試實驗。在這里是對3個沉降磁環(huán)進行測試實驗。表2給出測試結果。

表2 多個磁環(huán)定位測試結果

通過實驗測試數(shù)據(jù)分析,基于霍爾效應的土體分層沉降監(jiān)測儀可以實現(xiàn)對土沉降進行較高精度的測量,對于多個沉降磁環(huán)定位實驗,測試誤差絕對值最大為1.254 4 mm。實驗結果表明該研究設計新型沉降測量儀可以實現(xiàn)對土沉降進行較高精度在線實時監(jiān)測。

6 結論

本系統(tǒng)設計并實現(xiàn)了一種新型基于霍爾效應的土沉降監(jiān)測儀。利用霍爾效應原理來實現(xiàn)對沉降磁環(huán)的精確定位。提出了一種新型的測量方法,結果顯示這種監(jiān)測方法監(jiān)測精度可以達到1.254 4 mm、其數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好,可以實現(xiàn)多點實時在線監(jiān)測,從而實現(xiàn)對土沉降的智能化高精度監(jiān)測。這種新型監(jiān)測方法對于擺脫目前單一機械式測量方法具有一定的推動意義,而且大大提升了對土沉降監(jiān)測的檔次。在設計中可結合當前遠程傳輸技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程共享,具有更加廣泛的應用前景。

參考文獻:

[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.

[2] 王霞. 軟土地基處理及監(jiān)測技術研究[J]. 河南科技,2016(13):117-119.

[3] 張建偉. 軟土路基常見處治方法及沉降動態(tài)監(jiān)測分析[J]. 科技視界,2015(28):289-303.

[4] 李長山. 中山市地質災害監(jiān)測預警信息系統(tǒng)應用[J]. 環(huán)境與發(fā)展,2017,29(8):159-160.

[5] 張本東,汪祖民. 高速公路軟土地基沉降變形監(jiān)測分析與預報[J]. 海洋測繪,2005(1):36-39.

[6] 張文卓. 軟土地基沉降監(jiān)測儀的研究[D]. 中國計量科學研究院,2006.

[7] 姜道旭. 非飽和軟土路基沉降計算研究[D]. 重慶:重慶大學,2016.

[8] 顧幫全. 道路軟基沉降計算與觀測的問題分析及新型觀測設備的研發(fā)[D]. 青島:青島理工大學,2011.

[9] 沈興春. 公路軟土地基沉降分析與監(jiān)測研究[J]. 江蘇科技信息,2016(13):56-57.

[10] 趙浩.一種基于霍爾效應的無刷式測速發(fā)電機[J]. 傳感技術學報,2017,30(3):467-470.

[11] 趙浩. 一種基于霍爾效應的扭矩傳感器[J]. 傳感技術學報,2016,29(10):1505-1508.

[12] Kawahito Shoji. A/D Converters for High-Definition High-Speed Image Sensors[J]. ITE Technical Report,2013,37(01):37-40.

[13] Liu Chunfang,Sun Yibiao,Wang Limei. C Language Animation Design Teaching Methods Analysis for Engineering Applications[J]. Advanced Materials Research,2014(2):889-891.

[14] 田垅,劉宗田. 最小二乘法分段直線擬合[J]. 計算機科學,2012(S1):482-484.