閆子壯,李 青,王燕杰

(中國計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,杭州 310018)

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

針對(duì)目前通用測(cè)量方法的缺點(diǎn)和不足,本文提出一種新型測(cè)量方法,系統(tǒng)采用多個(gè)霍爾器件組成陣列,利用霍爾效應(yīng)對(duì)土沉降實(shí)現(xiàn)較高精度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用多個(gè)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(shè)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(dòng)磁環(huán)沉降,使得霍爾器件與磁環(huán)發(fā)生相對(duì)位移,此時(shí)霍爾器件周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度將發(fā)生變化,由于霍爾效應(yīng)的存在,霍爾信號(hào)采集器將會(huì)輸出特定的電信號(hào)[10]。利用RS-485總線將所有霍爾信號(hào)采集器的數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)時(shí)上傳至霍爾信號(hào)匯集器。匯集器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和建模分析并顯示,對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享,進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

在實(shí)際的應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)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(gè)。沉降磁環(huán)分布的越多,對(duì)土體內(nèi)部分層沉降的監(jiān)測(cè)就會(huì)越細(xì)化。該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測(cè),大大提高監(jiān)測(cè)效率和質(zhì)量,改善監(jiān)測(cè)環(huán)境,提高監(jiān)測(cè)檔次和水平。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

圖2 傳統(tǒng)沉降磁環(huán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 沉降磁環(huán)設(shè)計(jì)

2.1 磁環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的是一款高精度土沉降在線監(jiān)測(cè)裝置,目前施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(chǎng)常用的沉降磁環(huán)內(nèi)部圖。

這種沉降磁環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是內(nèi)部由3個(gè)同樣的顆粒狀永磁體組成正三角形。這種結(jié)構(gòu)的沉降磁環(huán)無法做到磁環(huán)一周磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻分布。因此就無法準(zhǔn)確判斷變化的電信號(hào)是來源于沉降位移還是相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移。

針對(duì)目前這種沉降磁環(huán)的缺點(diǎn)和不足,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作了一款新型沉降磁環(huán),圖3為新型沉降磁環(huán)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 新型沉降磁環(huán)

設(shè)計(jì)加工沉降磁環(huán)的材料是釹鐵硼,磁環(huán)尺寸:內(nèi)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(bǔ)傳統(tǒng)沉降磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布不均勻的缺點(diǎn)。以磁環(huán)中心為原點(diǎn),任意半徑的圓上,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小是相同的。將霍爾傳感器放于沉降磁環(huán)內(nèi)部固定位置,沉降磁環(huán)和沉降管之間只發(fā)生旋轉(zhuǎn)位移時(shí),霍爾傳感器輸出信號(hào)是不會(huì)變化的[11]。只有當(dāng)二者發(fā)生相對(duì)沉降位移時(shí),霍爾信號(hào)才會(huì)發(fā)生變化。

2.2 沉降磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)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(qiáng)度,利用仿真軟件ANSYS對(duì)磁環(huán)周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 ANSYS軟件仿真設(shè)計(jì)圖

從仿真結(jié)果可以看出,在磁環(huán)正上方的100 mm內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化是比較明顯的。而且可以得出,在80 mm以內(nèi)單從磁感應(yīng)強(qiáng)度大小變化梯度來看,變化梯度Bo最小可以達(dá)到10 gauss以上。

3 土體分層沉降信號(hào)采集器設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集器設(shè)計(jì)

信號(hào)采集器主要是對(duì)霍爾信號(hào)進(jìn)行采集和傳送。系統(tǒng)利用控制器內(nèi)部A/D采樣端口對(duì)霍爾器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行采樣。運(yùn)用RS-485總線方式將信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至匯集器進(jìn)行處理。圖5是霍爾信號(hào)采集器的設(shè)計(jì)框圖。

圖5 信號(hào)采集器設(shè)計(jì)框圖

霍爾信號(hào)采集器主要包括霍爾器件模塊、信號(hào)放大電路、信號(hào)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(shí)現(xiàn)對(duì)霍爾信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和上傳。

3.2 霍爾傳感器

系統(tǒng)選用SS4951霍爾傳感器進(jìn)行信號(hào)的獲取。SS4951是一款低功耗傳感器,通常在5 VDC供電時(shí)供電電流僅為7 mA,具有精確的靈敏度和溫度補(bǔ)償功能。它還具有體積小、操作簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等特點(diǎn)。如圖6給出SS4951輸出信號(hào)與電磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系圖。

圖6 SS4951輸出特性圖

由圖6中SS4951輸出信號(hào)與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系可以得出式(1):

U=2.5B

(1)

式中:U是輸出電壓,B是磁感應(yīng)強(qiáng)度。

通過式(1)可以看出霍爾輸出信號(hào)隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而不斷增加。通過這個(gè)特性便可以對(duì)霍爾器件周圍磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降磁環(huán)沉降位移的精確監(jiān)測(cè)。

在沉降磁環(huán)磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真設(shè)計(jì)部分已經(jīng)得出在磁環(huán)附近80 mm范圍內(nèi),變化梯度Bo最小可以達(dá)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(hào)最小變化梯度U0可以達(dá)到25 mV。而從這個(gè)仿真結(jié)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(nèi)每變化1 mm,對(duì)應(yīng)霍爾傳感器可以達(dá)到2.5 mV大小的變化輸出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用12位A/D對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣,12位即4 096個(gè)轉(zhuǎn)換單位[12],采樣信號(hào)是0～3 300 mV,因此采樣分辨率可以達(dá)到0.806 mV。所以完全可以滿足對(duì)于2.5 mV的單位采樣。

綜合沉降磁環(huán)的設(shè)計(jì)、ANSYS仿真結(jié)果以及采樣分辨率這三者,從理論上可以得出這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)土體沉降進(jìn)行1 mm精度測(cè)量。

4 土體分層沉降信號(hào)匯集器設(shè)計(jì)

4.1 匯集器硬件設(shè)計(jì)

匯集器主要實(shí)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(shè)計(jì)的總體框圖。

圖7 匯集器硬件設(shè)計(jì)框圖

在霍爾信號(hào)匯集器設(shè)計(jì)中,RS-485通信模塊用來實(shí)現(xiàn)匯集器與采集器之間的通信功能,存儲(chǔ)模塊用來存儲(chǔ)采集器采集信號(hào),顯示模塊主要是對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示,顯示參數(shù)主要包括所有采集器的電信號(hào)、沉降磁環(huán)初始位置、沉降磁環(huán)實(shí)時(shí)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(jìn)行供電。

4.2 匯集器軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)匯集器的軟件設(shè)計(jì)是采用可移植性很高的C語言來實(shí)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(jī)給特定從機(jī)發(fā)送命令,對(duì)應(yīng)從機(jī)接收命令之后返回采集數(shù)據(jù),主機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理,最后控制顯示模塊進(jìn)行顯示和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)共享,圖8為系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖。

4.3 匯集器數(shù)據(jù)處理

首先是搭建實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)是以固定沉降管和采集器為基礎(chǔ),用電機(jī)帶動(dòng)沉降磁環(huán)的移動(dòng)來模擬土沉降。圖9為實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖。

圖8 系統(tǒng)主機(jī)程序流程圖

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖

測(cè)試方案是首先固定霍爾信號(hào)采集器節(jié)點(diǎn),將相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離固定在8 cm,控制電機(jī)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖10為采集器1和采集器2節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)。

圖10 實(shí)驗(yàn)測(cè)試采集數(shù)據(jù)圖

圖11 磁環(huán)磁力線示意圖

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

圖11為設(shè)計(jì)制作沉降磁環(huán)的磁力線示意圖。

在磁環(huán)沉降的過程當(dāng)中,輸出信號(hào)突變是因?yàn)槌两荡怒h(huán)是一個(gè)具有一定尺寸的環(huán)形圓柱而不是一個(gè)永磁體點(diǎn)。由圖11可以看出,在正中心位置上下10 mm范圍內(nèi),有一部分磁場(chǎng)強(qiáng)度為負(fù)方向,所以會(huì)出現(xiàn)霍爾信號(hào)為0 mV的突變現(xiàn)象。其實(shí)不是0 mV,是負(fù)值,但處理器的AD采樣是直接把負(fù)值當(dāng)做0 mV來處理的。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線和理論上是一致的。

為減小實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)誤差,現(xiàn)選取第1個(gè)采集器的前8個(gè)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合利用,當(dāng)沉降磁環(huán)沉降到8 cm以后立即選取第2個(gè)采集器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用,對(duì)于第2個(gè)采集器的前8個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)直接舍棄不用,這樣可以大大提高監(jiān)測(cè)精度。圖12為給出選取的有效數(shù)據(jù)匯總。

圖12 有效測(cè)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(gè)采集器的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降位移在0～16 cm內(nèi)的精確監(jiān)測(cè)。以此類推利用第3個(gè)第4個(gè)等多個(gè)采集器便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更大范圍內(nèi)的位移沉降進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。

從有效實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)走勢(shì)可以看出霍爾輸出信號(hào)是隨著沉降位移不斷變化的,并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是具有一定數(shù)學(xué)關(guān)系的,選取此段數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的建立。為進(jìn)一步減小實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼`差,現(xiàn)采用分段分別進(jìn)行數(shù)學(xué)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(dá)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(jìn)行曲線擬合[14]。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降位移的精確監(jiān)測(cè)。

5 測(cè)試與結(jié)果分析

首先在實(shí)驗(yàn)中分別做出了單個(gè)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(cè)量值和實(shí)際值的對(duì)比結(jié)果,并且分別給出了每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差,如表1給出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。

通過表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)誤差較小,最大誤差絕對(duì)值為1.119 1 mm。雖然測(cè)試誤差沒有達(dá)到1 mm,但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論指導(dǎo)測(cè)量精度可以達(dá)到1 mm的結(jié)論是相吻合的。

表1 單個(gè)磁環(huán)定位測(cè)試結(jié)果 mm

在測(cè)試完成單個(gè)沉降磁環(huán)定位實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上,進(jìn)行多個(gè)沉降磁環(huán)的定位測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在這里是對(duì)3個(gè)沉降磁環(huán)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。表2給出測(cè)試結(jié)果。

表2 多個(gè)磁環(huán)定位測(cè)試結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析,基于霍爾效應(yīng)的土體分層沉降監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土沉降進(jìn)行較高精度的測(cè)量,對(duì)于多個(gè)沉降磁環(huán)定位實(shí)驗(yàn),測(cè)試誤差絕對(duì)值最大為1.254 4 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該研究設(shè)計(jì)新型沉降測(cè)量?jī)x可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土沉降進(jìn)行較高精度在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型基于霍爾效應(yīng)的土沉降監(jiān)測(cè)儀。利用霍爾效應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降磁環(huán)的精確定位。提出了一種新型的測(cè)量方法,結(jié)果顯示這種監(jiān)測(cè)方法監(jiān)測(cè)精度可以達(dá)到1.254 4 mm、其數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土沉降的智能化高精度監(jiān)測(cè)。這種新型監(jiān)測(cè)方法對(duì)于擺脫目前單一機(jī)械式測(cè)量方法具有一定的推動(dòng)意義,而且大大提升了對(duì)土沉降監(jiān)測(cè)的檔次。在設(shè)計(jì)中可結(jié)合當(dāng)前遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享,具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

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