基于重力驱动磁传感的河床冲刷监测系统研究

 为了对长期处于三维水环境中的桥墩局部河床的冲刷情况进行监测，本研究设计了一种基于重力驱动磁传感的河床冲刷监测系统。该系统利用扇形扫描声呐技术扫描河床冲刷情况，为铁磁标签传感器等设备布设点位的选取提供前置信息。结合重力驱动导轨，减小磁偶极子自由度，以达到简化反演计算过程及明确反演位置的目的。根据磁偶极子模型，本研究设计了一种铁磁标签传感器，具有水下工作、远程开关、自供电等特点；其中，远程开关的功能可用于监测点位传感器磁场与背景磁场分离。为了解决国内外磁偶极子定位方法太过复杂，所需仪器造价过高，适应环境能力薄弱的问题，本研究通过变化磁偶极子磁场空间分布坐标系，联立三个方向上的磁场分布公式，推导出能够反演单自由度铁磁标签传感器位置的公式。反演公式为一元二次方程，理论解易求，且理论解只存在两个，便于选取正解。为了证明铁磁标签传感器位置反演公式的成立，本研究通过ANSYS有限元仿真和实验验证，结果证明，虽然由于磁偶极子与铁磁标签传感器在形态上有一定差异，致使铁磁标签传感器的感应磁场强度与磁偶极子磁场分布模式给出的理论磁场强度存在一定的差别，但反演结果误差较小，所推导的公式能够作为铁磁标签传感器位置的反演公式，且具有一定的抗噪能力。为了研究各预设参数对反演结果的影响，本研究通过控制变量法，通过对ANSYS有限元仿真和实验数据的分析，得出了各预设参数对反演结果的影响效果，并据此对各预设参数的设定给出了设计要点。本研究根据所推导的公式，编写了“重力驱动磁传感河床冲刷监测系统”程序，形成使用界面，达到远程监控的目的。