磁致伸缩位移传感器裂缝监测装置的研制

　　针对滑坡、边坡等灾害体地表单点裂缝位移监测的技术手段已开展了大量深入研究，手段丰富。但面对单处多级裂缝或区域多级裂缝的面上分布式监测的措施相对匮乏。本文以地表多级裂缝位移实时监测技术为研究对象，采用磁致伸缩传感技术对滑坡地表多点位移分布式监测预警展开技术方法研究及装置的研制。

　　一、分布式多点位移监测装置研制

　　1、磁致伸缩位移传感原理

　　磁致伸缩传感技术是利用稀土超磁致伸缩材料在磁场中被磁化时，沿磁化方向发生巨大伸缩变形这一物理现象，实现物体位置传感。该技术由于非接触、精度高、重复性好、结构稳定可靠等优势，在发达国家中的油田、化工、电力、工程检测等系统得到广泛应用与研究。

　　磁致伸缩位移传感器核心为应用磁致伸缩传感技术获取位置信息，通过高精度的弱信号检测间接解算出位移。其结构主要由激励脉冲电路、波导丝（磁致伸缩材料）、波导丝阻尼器、移动磁环、回波检测电路等5部分组成。其原理及结构示意如下图所示。

　　磁致伸缩位移传感器内部的激励脉冲电路产生激励脉冲，沿波导丝方向传播，作为时间计数的起始脉冲。激励脉冲产生垂直于波导丝的环形磁场，该磁场遇到可移动的磁环产生的径向磁场相叠加，就会产生一螺旋状磁场，根据威德曼（Wiedemann）效应，波导丝会产生瞬时扭转形变，而产生的扭转波将以一恒定的速度沿波导丝向两侧传播，传到末端时，其能量将被波导丝阻尼器吸收，而返回的扭转波遇到回波检测电路中的传感换能元件，产生感应电流脉冲即终止脉冲，通过测量起始脉冲与终止脉冲之间的时间差即可精确地确定被测位移量。因为扭转波在波导管中是以恒速（接近于3km/s）传播的，所以只要测出脉冲发射与脉冲接收两者之间的时间间隔t，也就测出了磁环相对于规定零点的位置，其工作波形图如下图所示。由于整个感应过程是连续的并且响应时间很短，故每当磁环移动到一个新的位置，就能很快地测量出来。

　　2、磁致伸缩位移传感器选型

　　根据应用于滑坡、边坡等野外场地特征，本装置选用MTS公司的R系列带柔性测杆的磁致伸缩位移传感器。该传感器的柔性测杆可以适应滑坡、边坡等滑动面的起伏不定的特征，能有效贴合滑动面地形，且易于安装。多个移动磁环与测杆非接触测量实现多级裂缝位移的连续监测。该传感器单条测杆最多可挂载15个移动磁环，等同单条测线上最多可以监测15级裂缝。传感器的数据输出为CAN总线格式，最远传输距离2.5km（传输距离与数据传输速率有关），同时采用CAN总线输出方式易于组网，多个传感器进行编号后组成网络，形成监测区域的分布式监测，达到整个滑动面上的多级区域监测。其防水等级达到IP67.适合野外工作环境：

　　3、多点位移监测装置详细设计

　　分布式磁致伸缩多点位移监测装置由磁致伸缩位移传感器、CAN总线转换器、上层控制软件、电源控制系统4部分组成。分布式磁致伸缩多点位移监测装置利用磁致伸缩位移传感器实现滑动面地表多点位移监测，以磁致伸缩位移传感器柔性测杆上的磁环感知滑坡多级滑动体的蠕变，测得的位置传感信号通过CAN总线传输到计算机上的上层控制软件，通过控制软件数据解析与处理，计算出滑动位移量与位移速度，根据位移监测数据实现滑坡裂缝位移实时监测与预警。监测装置原理如下图所示

　　二、上层控制软件设计

　　上层控制软件采用VisualC++6.0平台编写，以Windows事件驱动的模式开发设计控制软件，完成磁致伸缩位移传感器CAN总线数据的提取、解析等总线操作，完成原始位移数据的解算，计算出速度、加速度等信息，最后以分级预警的思路，根据解算出的位移量、速度、加速度等综合信息完成实时监控与预警。程序流程如图4所示。

　　分布式磁致伸缩多点位移监测装置上层控制软件在室内做了模拟测试，其中测试试验中选择磁致伸缩位移传感器量程6m，柔性测杆上挂载6个移动磁环，采样间隔为1s。

　　三、应用试验

　　1、野外应用方案设计

　　固定磁致伸缩位移传感器的传感器头于滑坡后缘稳定体上，其柔性测杆顺滑坡滑动方向展开，以柔性测杆提高位移传感器对坡面不规则的适应性。监测时在测杆上搭载多枚移动磁环，移动磁环嵌入于滑坡滑动体上，不同磁环嵌入滑动体上的不同滑动面的多点位置，使之随着滑动体一起滑动，当滑坡某个滑动面开始滑动时，带动嵌入的磁环移动，磁致伸缩位移传感器通过检测套于其测杆上的磁环的位置，实现对整个滑坡滑动面的滑动监测，形成滑动面多点位移监测。监测方案示意如下图所示。

　　2、云南大关监测实例及监测数据分析

　　云南省昭通市大关县在云南省东北部乌蒙山区，地势南北高、中间低，境内地形地貌深受区域地层、构造的控制，整个县域地貌以峡谷山岳地形地貌为主。大关县地质灾害类型主要有滑坡和崩塌，其次为泥石流、不稳定斜坡等。

　　分布式磁致伸缩多点位移监测野外示范区选择在大关县城职业中学操场北端存在多级裂缝的挡土墙上，利用磁致伸缩位移传感器柔性测杆的便利性，在挡土墙上实施了三级裂缝位移监测。

　　由于连续监测数据量较大，本文以2009年10月14日10min内的多级裂缝监测数据为例对磁致伸缩多点裂缝位移监测装置数据监测效果进行分析。

　　数据图表中”一级裂缝位移点”靠近装置的顶端，安装在挡土墙的顶端靠上位置；”三级裂缝位移点”位于挡土墙底端，即最明显贯穿裂缝的底端；”二级裂缝位移点”居中。

　　从监测数据变化情况来看，三级裂缝位移值在开始阶段减少，一级裂缝位移值在结束时间变大，二级裂缝位移值几乎不变。通过现场调查验证，由于挡土墙底端根部当地已做加固工程支护，造成底端相对稳定，而挡土墙顶端在重力及整体蠕动等作用下缓慢向下滑移，造成第三级裂缝的根部挤压，位移值变小。挡土墙整体缓慢蠕动，造成第一级裂缝位移值缓慢加大。第二级裂缝由于处于相对滑动块中间位置，相对位移量不大，数据保持不变，调查结果与监测数据基本吻合。

　　四、结语

　　分布式磁致伸缩多点位移监测装置利用磁致伸缩位移传感器的非接触磁环作为滑动体多级裂缝位移监测点，实现滑坡、边坡等地表多点裂缝位移的实时监测。其柔性测杆能较好适应滑坡、边坡等特殊地形，通过柔性测杆上的磁环检测滑坡滑动体的蠕变，实现多点、大量程滑坡位移连续监测。通过在云南省大关县职业中学进行的野外测试试验，从试验效果来看，实现了挡土墙面的多级裂缝位移变化连续监测。该装置及其监测方法为滑坡、边坡等滑动体的地表多点裂缝位移实时监测提供了一种有效的监测措施与技术手段。