用于地质灾害监测的液态金属传感器及地质灾害监测系统的制作方法

本发明涉及传感器，尤其涉及一种用于地质灾害监测的液态金属传感器及地质灾害监测系统。

背景技术：

1、地质灾害主要来源于自然作用和人为作用对地质环境的灾难性破坏，主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷和地裂缝等。而我国地质灾害频繁，灾害复杂多样，是世界上地质灾害最严重的国家之一，因此，需要提前对地质灾害进行监测，以最大程度的降低地质灾害所带来的损失。由于地质灾害的复杂性，现有的地质监测设备具有多种多样的类型，目前可实现通用预警监测的装置通常采用应变传感器进行监测判定。

2、应变传感器也被称作应变片，应变片的发展具有悠久的历史，应变片通常可分为如下类型：一、按工作原理：分为电阻式应变片和电容式应变片；二、按类型：分为导体应变片和半导体应变片。电阻式导体应变片一般由金属丝敏感栅构成，工作时应变片容易粘附在被测物体的表面，当物体表面发生形变时，敏感栅发生形变随之产生电阻变化，电阻变化由转换电路将电阻信号转换为电压信号并放大。

3、然而，传统金属丝电阻式应变片可变形程度低，且需要粘附于待测物体表面，导致在使用过程中存在诸多限制因素；而在地质监测领域，通常需要对山体、土地等进行位移监测，传统应变传感器难以固定，且在较大范围内无法反复拉伸和变形，难以满足地质监测使用需求。

4、因此，如何设计一种可满足各种复杂环境下的地质监测需求的传感器及监测装置，是当下亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供了一种用于地质灾害监测的液态金属传感器，可满足各种复杂地质监测环境的监测使用需求，对待测物体表面的平整度无要求，适用性强；本发明还提供了一种地质灾害监测系统，反应灵敏，结构简单、成本低廉。

2、为达到上述目的，本发明提出如下技术方案：一种用于地质灾害监测的液态金属传感器，包括可拉伸的柔性管、封装至柔性管内的液态金属和连通至柔性管两端且与液态金属导通的电极；液态金属通过注射法灌入柔性管内；柔性管为高分子聚合物，柔性管呈长条状且均匀对折排布。

3、优选的，柔性管的对折方式为：绕固定销进行180°对折成均布的n排，对折次数为n-1次。

4、优选的，将n取值为偶数且使得柔性管两端的两个电极在液态金属传感器同一侧。

5、优选的，电极包括电极插针、位于电极插针外端的电极帽和电极导线，电极插针的外径不小于柔性管的内径；通过将电极插针插入柔性管两端使电极导线与液态金属的两端导通。

6、优选的，电极通过电极导线接入转换电路，转换电路包括电桥电路和放大电路。

7、优选的，液态金属的电阻通过公式(1)进行计算：

8、

9、其中，ρ、l、s分别为液态金属的电阻率、液态金属通过的电流长度及液态金属垂直电流方向的截面积。

10、优选的，当山体滑坡发生前，设滑坡滑移面于滑坡体产生的微小缓慢位移为δl，δl＞0，设柔性管均匀变形、柔性管内的液态金属体积不变，由位移δl产生的电阻如公式(2)所示：

11、

12、其中，n取值越大，电阻变化δr越大。

13、优选的，柔性管的长度为柔性管内径的10倍以上；固定销的直径不小于柔性管外径的2倍。

14、一种地质灾害监测系统，采用上述液态金属传感器进行地质灾害监测，包括

15、固定部，用于辅助柔性管进行对折、固定对折后的柔性管；

16、监测装置，内部集成了转换电路和微控制单元，以将传感器模拟信号转换为数字信号

17、无线通信装置，用以实现多个监测装置的组网并与互联网实现双向通信；

18、水土传感器组件，用以协同判断山体滑坡发生可能性。

19、优选的，固定部包括插入地下的固定锚和固定柱，固定销位于固定锚上端；固定柱包括第一固定部和第二固定部，第一固定部包括垂直插入地下的杆状固定柱且液态金属传感器在杆状固定柱的顶部处与柔性管中不带电极的一侧相连；第二固定部为垂直插入地下的钢筋混凝土柱且液态金属传感器在钢筋混凝土柱的上端处与柔性管的电极侧相连接；当液态金属传感器在固定部上固定好后，液态金属传感器的两端引线接入监测装置；通过监测装置采集液态金属应变传感器和水土传感器组件的信号，再通过无线通信装置实现组网和接入物联网云平台。

20、本发明有益效果是：

21、1、本发明结构简单、安装便捷，工作时液态金属传感器埋入地面以下，液态金属传感器的两端由固定部进行固定，当固定部发生相对形变时牵引应变传感器产生形变，转换电路将形变产生的电阻信号转换为可供芯片搭载的模拟数字转换器识别的电压信号，至此，可根据“应变-电阻-电压”关系映射获取应变值，反应灵敏，适用性强。

22、2、本发明采用液态金属作为一种导电介质，将其封装在可拉伸的柔性管内部制成柔性电阻式应变传感器，可解决地质应变检测的使用需求，在地质灾害预测、水利、采矿、地质科研等领域具有广泛的用途。

技术特征：

1.一种用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，包括可拉伸的柔性管(1)、封装至柔性管(1)内的液态金属和连通至柔性管(1)两端且与液态金属导通的电极；所述液态金属通过注射法灌入柔性管(1)内；所述柔性管(1)为高分子聚合物，柔性管(1)呈长条状且均匀对折排布。

2.根据权利要求1所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，所述柔性管(1)的对折方式为：绕固定销(5)进行180°对折成均布的n排，对折次数为n-1次。

3.根据权利要求2所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，将n取值为偶数且使得柔性管(1)两端的两个电极在液态金属传感器同一侧。

4.根据权利要求3所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，所述电极包括电极插针(3)、位于电极插针(3)外端的电极帽(2)和电极导线(4)，所述电极插针(3)的外径不小于柔性管(1)的内径；通过将电极插针(3)插入柔性管(1)两端使电极导线(4)与液态金属的两端导通。

5.根据权利要求4所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，所述电极通过电极导线(4)接入转换电路，所述转换电路包括电桥电路和放大电路。

6.根据权利要求5所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，所述液态金属的电阻通过公式(1)进行计算：

7.根据权利要求6所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，当山体滑坡发生前，设滑坡滑移面于滑坡体产生的微小缓慢位移为δl，δl＞0，设柔性管(1)均匀变形、柔性管(1)内的液态金属体积不变，由位移δl产生的电阻如公式(2)所示：

8.根据权利要求2-7中任一项所述的用于地质灾害监测的液态金属传感器，其特征在于，所述柔性管(1)的长度为柔性管(1)内径的10倍以上；所述固定销(5)的直径不小于柔性管(1)外径的2倍。

9.一种地质灾害监测系统，采用权利要求2-8中的液态金属传感器进行地质灾害监测，其特征在于，包括

10.根据权利要求9所述的地质灾害监测系统，其特征在于，所述固定部包括插入地下的固定锚(7)和固定柱(8)，固定销(5)位于固定锚(7)上端；所述固定柱(8)包括第一固定部和第二固定部，所述第一固定部包括垂直插入地下的杆状固定柱(8)且液态金属传感器在杆状固定柱(8)的顶部处与柔性管(1)中不带电极的一侧相连；第二固定部为垂直插入地下的钢筋混凝土柱且液态金属传感器在钢筋混凝土柱的上端处与柔性管(1)的电极侧相连接；当液态金属传感器在固定部上固定好后，液态金属传感器的两端引线接入监测装置(11)；通过监测装置(11)采集液态金属应变传感器(9)和水土传感器(12)组件的信号，再通过无线通信装置(10)实现组网和接入物联网云平台。

技术总结
本发明涉及传感器技术领域，具体提供了一种用于地质灾害监测的液态金属传感器，包括可拉伸的柔性管、封装至柔性管内的液态金属和连通至柔性管两端且与液态金属导通的电极；液态金属通过注射法灌入柔性管内；柔性管呈长条状且均匀对折排布；本发明还提供了一种地质灾害监测系统，采用液态金属传感器进行地质灾害监测，包括固定部，用于辅助柔性管进行对折、固定对折后的柔性管；监测装置，用以实现多个监测装置的组网并与互联网实现双向通信；水土传感器组件，用以协同判断山体滑坡发生可能性。本发明中的液态金属传感器及地质灾害监测系统结构简单、成本低廉、可靠性高，反应灵敏、且对待测物体表面的平整度无要求，适用性强。

技术研发人员：陈文杰
受保护的技术使用者：空间液态金属科技发展（江苏）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5