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地下位移测量方法及理论研究

地下位移监测是地质灾害预测、岩土工程项目质量安全评价的重要手段及研究热点。它可以深入岩土体内部进行地下不同深度水平位移、沉降、倾斜方向等地质参数的动态监测,因此能准确检测地下位移形变信息,确定滑移面和变形范围,进而研究变形机制、成灾现状、发展趋势及防灾预报。

监测上的不可见和复杂性导致地下位移监测技术发展缓慢,存在精度差、成本高、非自动化或难于准确计算地下位移量等问题。本文提出了一种基于新型电磁式地下位移传感器组和GPRS无线网络的地下位移自动测量及远程监控方法,设计了水平型(Ⅰ型)和水平-垂直复合型(Ⅱ型)两款电磁式地下位移传感器。针对这两款传感器进行了地下位移测量方法及相关理论的深入研究工作。综合考虑影响Ⅰ、Ⅱ型传感器传感特性的各种因素及相关参数,提出了三个具有较高计算精度且适合硬件实现的测量理论模型。

不同类型接近传感器的工作原理

电容式接近传感器的工作原理：电容式接近传感器由高频振荡器和放大器等组成，由传感器的检测面与大地间构成一个电容器，参与振荡回路工作，起始处于振荡状态。当物体接近传感器检测面时，回路的电容量发生变化，使高频振荡器振荡。振荡与停振这二种状态转换为电信号经放大器转化成二进制的开关信号。

电感式接近传感器的工作原理：电感式接近传感器由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。振荡器在传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测面时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振。振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过放大转换成二进制的开关信号，经功率放大后输出。

高频振荡型接近传感器的工作原理：由LC高频振荡器和放大处理器电路组成，当金属物体接近振荡感应头时会产生涡流，使接近传感器振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。所有金属型传感器的工作原理：所有金属型传感器基本上属于高频振荡型。和普通型一样，它也有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率。目标物接近传感器时，不论目标物金属种类如何，振荡频率都会提高。传感器检测到这个变化并输出检测信号。

有色金属型传感器的工作原理：有色金属传感器基本上属于高频振荡型。它有一个振荡电路，电路中因感应电流在目标物内流动引起的能量损失影响到振荡频率的变化。当铝或铜之类的有色金属目标物接近传感器时，振荡频率；当铁一类的黑色金属目标物接近传感器时，振荡频率降低。如果振荡频率高于参考频率，传感器输出信号。

TMR/超导复合式磁传感器

1995 年，由美国麻省理工学院和日本东北大学的两个研究小组***发现，将两个磁性电极层之间用极薄的绝缘层分开会产生很大的磁电阻效应(室温下达到11%)。这种由磁性层/绝缘层/磁性层构成的结构，称为磁性隧道结(MTJ)。在MTJ 中，中间的绝缘层很薄(几个纳米)，使得可以有大量电子隧穿通过。通过隧道结的电流依赖于两个磁性层的磁化强度矢量的相对取向。这种隧穿电流随外磁场变化的效应被称为隧道磁电阻(TMR)效应。隧道磁电阻效应可以由Julliere 双电流模型解释。假定电子在隧穿过程中自旋不发生翻转，并且隧穿电流正比于费米面附近电子的态密度。当MTJ两侧铁磁层处于平行排列时，左侧的少子电子向右侧的少子空态隧穿，左侧的多子电子向右侧的多子空态隧穿，MTJ 处于低阻态；当MTJ两侧铁磁层处于反平行排列时，左侧的少子电子向右侧的多子空态隧穿，而左侧的多子电子向右侧的少子空态隧穿，MTJ 呈现高阻态。

由于贴合TMR器件与超导磁放大器的低温胶过厚导致TMR—超导磁放大器间距过大(50 μm)，使得TMR/超导复合式磁传感器的灵敏度、探测精度较GMR/超导复合式磁传感器、SQUID 等器件仍有明显差距。理论计算表明，减小TMR—超导磁放大器间距将使得磁场放大倍数呈指数形式上升；若能将TMR—超导磁放大器间距降低至0.5 μm以内，磁场放大倍数可接近1000 倍。今后可通过热压印等技术减小TMR—超导磁放大器间距，从而提高器件的灵敏度。