CN110118522A - 一种低频波发射装置及其组成的无线位移传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低频波发射装置，包括低频波发射器及姿态控制装置，所述姿态控制装置包括姿态控制壳体和高密度重液，所述低频波发射器设置于姿态控制壳体内腔，并浮于高密度重液中，以及公开了使用该低频波发射装置的无线位移传感装置，包括该低频波发射装置及电磁波接收器，电磁波接收器由接收端空间正交线圈及电压测定装置组成，电磁波接收器接收低频波发射器发射的电磁波信号并转化为电压，以获得低频波发射器与电磁波接收器之间的位置变化低频波发射装置。本发明提供的一种无线位移传感装置，用于监测埋设于土体中或浸没于水中的物***移变化量，其结构合理，解决了电磁波易被较大阻碍物阻挡的问题，提高了物***移监测的精度。

Description

一种低频波发射装置及其组成的无线位移传感装置

技术领域

本发明属于地质灾害监测技术领域，涉及一种低频波发射装置及其组成的无线位移传感装置。

背景技术

目前，边坡体实时监测是保障安全生产的重要手段，滑坡位移监测一直是滑坡防治的基础和依据。对滑坡的实时监测不仅能提供滑***移、动向，而且有助于滑坡稳定性评价以及达到预测预警的目的。

最常见的有线监测设备有地基伸缩计，地基伸缩计的原理是在基准点和移动点之间布设一条数据传输线，通过测量输入端的变位监测滑坡***移。其他的有线监测设备原理与地基伸缩计基本一致。由于边坡体不稳定或表层发生泥化，常常发生崩塌、泥石流等现象，从而导致常规有线监测仪器被埋没于泥石中，无法获取监测目标的数据；或者由于被水浸没，导致无法对目标进行监测。另外，一些滑坡体冲入下游河床，或者由于洪水作用，导致监测仪器线路出现故障或仪器被水淹没无法获得监测数据。

为避免有线监测设备局限性，目前多采用非接触式测量仪器监测滑坡***移，当前的非接触式测量仪器主要包括激光测距仪、高频电磁波测距仪等，其原理是获取基准点与监测点之间光或高频电磁波的传播时间来换算距离。但是在一些条件下如在土中、水中以及植被密布等，光信号以及高频电磁波信号发生反射、衰减而无法进行测量。因此当前的非接触式测量仪器使用条件仍具有很大缺陷。

针对有线监测设备和激光、高频电磁波监测设备所具有的缺陷，提出了一种无线位移传感装置。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供的一种无线位移传感装置用于监测埋设于土体中或浸没于水中的物***移变化量，其结构合理，解决了常规有线监测仪器被埋没于泥石中、或被水浸没、或被一些滑坡体或洪水冲入下游河床导致监测仪器线路出现故障，无法获取监测目标的数据，非接触式测量仪器的光信号以及高频电磁波信号发生反射、衰减、易被较大阻碍物阻挡，而无法进行精确测量的技术问题，提高了物***移监测的精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低频波发射装置，包括低频波发射器及姿态控制装置，所述姿态控制装置包括姿态控制壳体和高密度重液，所述低频波发射器设置于姿态控制壳体内腔，并悬浮于高密度重液中。

在一些实施例中，低频波发射器包括交流电供应装置和发射端空间正交线圈，交流电供应装置与发射端空间正交线圈电连接。

在一些实施例中，所述发射端空间正交线圈为三维空间三个正交方向上的线圈，三个正交方向的线圈的至少一个设置为相对于高密度重液表面处于竖直方向。

在一些实施例中，所述姿态控制壳体为圆筒形或球形，所述高密度重液为溴仿、二碘甲烷或克列里奇液。

在一些实施例中，所述姿态控制壳体为薄壁硬质合金。这是考虑到为尽可能减少由于壳体厚度对电磁波衰减影响，将姿态控制壳体设置为薄壁壳体，另外，合金硬度一般较大，将姿态控制壳体的材质选择为硬质合金可降低由于壁厚较薄引起壳体破坏的几率。

本发明还提供一种采用上述低频波发射装置的无线位移传感装置，包括上述低频波发射装置及电磁波接收器，低频波发射装置所述电磁波接收器由接收端空间正交线圈及电压测定装置组成，电磁波接收器接收低频波发射器发射的电磁波信号并转化为电压，以获得低频波发射器与电磁波接收器之间的位置变化。

在一些实施例中，接收端空间正交线圈为三维空间三个正交方向上的线圈，线圈同为左旋或右旋。

更具体的，所述发射端空间正交线圈受到交流电供电装置提供交流电的作用下产生电磁波，发射端空间正交线圈的三个线圈发送的电磁波都可以用右手坐标系规定；在接收端空间正交线圈作用下电磁波信号转化为电信号，接收端空间正交线圈的三个线圈接收的电磁波可以用右手坐标系规定，电压测定装置测定电压值E，根据电压值E的变化计算低频波发射装置与电磁波接收器之间的距离变化。其计算原理如下：

S1、低频波在金属介质中穿透性良好，姿态控制壳体可以采用薄壁硬质合金材料；姿态控制装置内注入高密度重液，将交流电供应装置与发射端空间正交线圈形成的低频波发射器悬浮在高密度重液中，保证三个正交线圈中至少有一个线圈保持铅垂向上。

S2、低频波发射器以三个线圈方向为基矢量方向，基矢量以表示构成三维直角坐标系，电磁波接收器以三个线圈方向为基矢量方向，基矢量以表示构成三维直角坐标系,其中与可不为同一坐标系，但同时遵循右手规则。φ_I'I为I方向上线圈发送的电磁波在I'方向上坡印廷矢量的分量，其表达式及展开式如下：

S3、电磁波本身带有能量，电磁波接收器将电磁波信号转换成电信号,该过程遵循能量守恒定律，通过电磁能转变焦耳热能，坡印廷矢量大小与感应电压平方成正比，其中电磁波能流密度与电压的平方成正比，电压计算公式如下：

e_U ²＝e_UX ²+e_UY ²+e_UZ ²

e_V ²＝e_VX ²+e_VY ²+e_VZ ²

e_W ²＝e_WX ²+e_WY ²+e_WZ ²

E²＝e_U ²+e_V ²+e_W ²＝e_UX ²+e_UY ²+e_UZ ²+e_VX ²+e_VY ²+e_VZ ²+e_WX ²+e_WY ²+e_WZ ²

式中，e_I为电磁波接收其I方向线圈感应电压；e_I'I为电磁波接收器I'方向线圈感应低频波发射器I方向线圈发射电磁波信号产生的电压。

S4、电压E大小与传输距离r三次方成反比。已知低频波发射器与电磁波接收器距离为r₀时电压为E₀，确定电磁波接收器电压即可确定低频波发射器与电磁波接收器之间的距离，计算式如下：

在一些实施例中，所述低频波发射器的三个线圈发射固定峰值、频率的低频波。在边坡、泥石流等监测中，监测线圈的方位并没有任何意义，本发明关键在于反映距离，不在于反映发射端线圈的方位，所以本发明强调三个线圈所发射的电磁波相位和频率一致，因此不需要低频波发射器线圈方位监测，也就没有必要进行坐标系转换，坡印廷矢量是仅仅用于反映电磁波接收端三个线圈电磁场强度，没有刻意强调坐标系转换后，旧坐标系到新坐标系矢量分量的变换。而且发射端三个线圈发射相位和频率一致的电磁波，大大增强了电磁波强度，提高了绕过较大障碍物的能力。

在一些实施例中，所述低频波发射器发射的低频波的频率小于等于1kHz。

本发明一方面还提供一种边坡滑坡位移监测方法，包括如下步骤：

S1，将上述无线位移传感装置的低频波发射装置埋设于边坡内；

S2，使低频波发射装置的低频波发射器发射电磁波信号；

S3，电磁波接收器接收该电磁波信号并转化为电压E；

S4，通过如下公式计算低频波发射器与电磁波接收器之间的距离，

其中低频波发射器与电磁波接收器距离为r₀时电压为E₀，r₀和E₀均为已知；

S5，通过所述距离的变化监测边坡上土体的位移。

本发明有益效果：

本发明提供的低频波发射装置及其组成的无线位移传感装置，用于监测埋设于土体中或浸没于水中的物***移变化量。

其结构合理，由于姿态控制装置包括姿态控制壳体和高密度重液，低频波发射器设置于姿态控制壳体内腔，并悬浮于高密度重液中，三个正交方向的线圈的至少一个处于竖直方向，保证了低频波发射器三个激励线圈至少有一个可测量，解决了电磁波易被较大阻碍物阻挡的问题，使得低频波发射装置可以埋设于土体中或浸没于水中，方便用于边坡和泥石流监测。

电磁波接收器将电磁波信号转换为电信号，由电压的形式表示电磁波衰减程度，方便计算电磁波传输的距离，更准确直观的监测滑坡***移变化和地中水中物体移动情况。

附图说明

通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述优点将变得更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：

图1是本发明所述一种无线位移传感装置的原理示意图；

图2是本发明之低频波发射器的模块示意图；

图3是本发明之电磁波接收器的模块示意图；

图4是本发明之低频波发射器的结构示意图；

图5是本发明之电磁波接收器的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件如下：

10.低频波发射器；11.交流电供应装置；12.发射端空间正交线圈；13.姿态控制壳体；20.电磁波接收器；21.接收端空间正交线圈；30.高密度重液。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图，对本发明进行详细说明。

在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。

本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。

本申请所述一种无线位移传感装置的结构示意图，如图1及图5所示，其包括低频波发射器10及姿态控制装置，所述姿态控制装置包括姿态控制壳体13和高密度重液30，所述低频波发射器10设置于姿态控制壳体13内腔，并悬浮于高密度重液30中，所述低频波发射器10包括交流电供应装置11和发射端空间正交线圈12，所述交流电供应装置11与发射端空间正交线圈12形成的低频波发射器10设置在姿态控制壳体13的内部，所述电磁波接收器20由接收端空间正交线圈21及电压测定装置22组成，电磁波接收器20接收低频波发射器10发射的电磁波信号并转化为电压，以获得低频波发射器10与电磁波接收器20之间的位置变化。

本发明中，所述姿态控制壳体13为圆筒或球形壳体，其内部设置有高密度重液30，高密度重液可采用溴仿、二碘甲烷或克列里奇液如图4所示，所述交流电供应装置11与发射端空间正交线圈12形成的低频波发射器10设置在姿态控制壳体13的内部。所述发射端空间正交线圈12为三维空间三个正交方向上的线圈，三个正交方向的线圈的至少一个处于竖直方向，以保证低频波发射器三个激励线圈至少有一个可测量。可以理解的是，低频波在金属介质中穿透性良好，同时为尽可能减少由于壳体厚度对电磁波衰减影响，将姿态控制壳体设置为薄壁壳体，另外，合金硬度一般较大，将姿态控制壳体的材质选择为硬质合金可降低由于壁厚较薄引起壳体破坏的几率，所以姿态控制壳体13优选为薄壁硬质合金材料，如薄壁铝合金或薄壁钛合金等，在姿态控制壳体13的内部注入高密度重液30，将交流电供应装置11与发射端空间正交线圈12形成的低频波发射器10悬浮在高密度重液30中，保证三个正交线圈中至少有一个线圈保持铅垂向上，当然低频波发射器10亦包含密封壳体，使之能悬浮于高密度重液中，该密封壳体也需采用金属材料，如如薄壁铝合金或薄壁钛合金等。需要说明的是，将任何传感器浮在任何姿态控制壳体13内的高密度重液30中，并且将低频波发射器10保持在固定方向的装置都可以用于本申请的技术方案之中。

所述交流电供应装置11与发射端空间正交线圈12连接以提供交流电并产生电磁波，如图2所示。所述接收端空间正交线圈21将电磁波信号转化为电信号，电压测定装置22测定电磁波接收器20接收到的电磁波对应电信号的变化以获取低频波发射器10与电磁波接收器20之间的位置变化。一些实施例中，所述低频波发射器10发射固定峰值、频率的低频波。具体地，所述低频波发射器10发射的低频波的频率小于等于1kHz。

电磁波接收器20通过将接收到的电磁波信号转换成电信号，计算低频波发射器10到电磁波接收器20之间的距离。其计算原理如下：

S1、低频波在金属介质中穿透性良好，姿态控制壳体13可以采用薄壁硬质合金材料；姿态控制装置13内注入高密度重液，将交流电供应装置11与发射端空间正交线圈12形成的低频波发射器10悬浮在高密度重液中，保证三个正交线圈中至少有一个线圈保持铅垂向上。

S2、低频波发射器10以三个线圈方向为基矢量方向，基矢量以表示构成三维直角坐标系，电磁波接收器20以三个线圈方向为基矢量方向，基矢量以表示构成三维直角坐标系,其中与可不为同一坐标系，但同时遵循右手规则。φ_I'I为I方向上线圈发送的电磁波在I'方向上坡印廷矢量的分量，其表达式及展开式如下：

S3、电磁波本身带有能量，电磁波接收器20将电磁波信号转换成电信号,该过程遵循能量守恒定律，通过电磁能转变焦耳热能，坡印廷矢量大小与感应电压平方成正比，其中电磁波能流密度与电压的平方成正比，电压计算公式如下：

e_U ²＝e_UX ²+e_UY ²+e_UZ ²

e_V ²＝e_VX ²+e_VY ²+e_VZ ²

e_W ²＝e_WX ²+e_WY ²+e_WZ ²

E²＝e_U ²+e_V ²+e_W ²＝e_UX ²+e_UY ²+e_UZ ²+e_VX ²+e_VY ²+e_VZ ²+e_WX ²+e_WY ²+e_WZ ²

式中，e_I为电磁波接收其I方向线圈感应电压；e_I'I为电磁波接收器I'方向线圈感应低频波发射器I方向线圈发射电磁波信号产生的电压。

S4、电压E大小与传输距离r三次方成反比。已知低频波发射器与电磁波接收器距离为r₀时电压为E₀，确定电磁波接收器电压即可确定低频波发射器与电磁波接收器之间的距离，计算式如下：

本申请解决了电磁波易被较大阻碍物阻挡的问题；同时，电磁波接收器将电磁波信号转换为电信号，由电压的形式表示电磁波衰减程度，方便计算电磁波传输的距离，为更准确直观的监测滑坡***移变化和地中水中物体移动情况提供有力的技术支撑。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明提供的一种无线位移传感装置，用于监测埋设于土体中或浸没于水中的物***移变化量，其结构合理，解决了电磁波易被较大阻碍物阻挡的问题，提高了物***移监测的精度，具有较好的应用推广价值。

本发明不局限于上述实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低频波发射装置，其特征在于，包括低频波发射器及姿态控制装置，所述姿态控制装置包括姿态控制壳体和高密度重液，所述低频波发射器设置于姿态控制壳体内腔，并悬浮于高密度重液中。

2.根据权利要求1所述的低频波发射装置，其特征在于，低频波发射器包括交流电供应装置和发射端空间正交线圈，交流电供应装置与发射端空间正交线圈电连接。

3.根据权利要求2所述的低频波发射装置，其特征在于，所述发射端空间正交线圈为三维空间三个正交方向上的线圈，线圈同为左旋或右旋，三个正交方向的线圈的至少一个设置为相对于高密度重液表面处于竖直方向。

4.根据前述权利要求任一所述的低频波发射装置，其特征在于，所述姿态控制壳体为圆筒形或球形，所述高密度重液为溴仿、二碘甲烷或克列里奇液。

5.根据前述权利要求任一所述的低频波发射装置，其特征在于，所述姿态控制壳体为薄壁硬质合金。

6.一种无线位移传感装置，其特征在于，包括前述权利要求任一所述的低频波发射装置及电磁波接收器，低频波发射装置所述电磁波接收器由接收端空间正交线圈及电压测定装置组成，电磁波接收器接收低频波发射器发射的电磁波信号并转化为电压，以获得低频波发射器与电磁波接收器之间的位置变化。

7.根据权利要求6所述的无线位移传感装置，其特征在于，接收端空间正交线圈为三维空间三个正交方向上的线圈，线圈同为左旋或右旋。

8.根据权利要求7所述的无线位移传感装置，其特征在于，所述发射端空间正交线圈受到交流电供电装置提供交流电的作用下产生电磁波，发射端空间正交线圈的三个线圈发送的电磁波都可以用右手坐标系规定；在接收端空间正交线圈作用下电磁波信号转化为电信号，接收端空间正交线圈的三个线圈接收的电磁波可以用右手坐标系规定，电压测定装置测定电压值E，根据电压值E的变化计算低频波发射装置与电磁波接收器之间的距离变化。

9.根据权利要求6-8任一所述的无线位移传感装置，其特征在于，所述发射端空间正交线圈的三个线圈发射固定峰值、频率的低频电磁波信号，所述低频电磁波信号的频率小于等于1kHz。

10.一种边坡滑坡位移监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，将权利要求6-9任一所述的无线位移传感装置的低频波发射装置埋设于边坡内；

S2，使低频波发射装置的低频波发射器发射电磁波信号；

S3，电磁波接收器接收该电磁波信号并转化为电压E；

S4，通过如下公式计算低频波发射器与电磁波接收器之间的距离，

其中低频波发射器与电磁波接收器距离为r₀时电压为E₀，r₀和E₀均为已知；

S5，通过所述距离的变化监测边坡上土体的位移。