霍爾元件於地層下陷監測之應用水利署水文組

按讚加入E河川-交流水知識粉絲團 

  發刊期數:第0183期/ 發布日期:2016/07/15

圖1 磁環分層式地層下陷監測井構造與量測示意圖_pic

  水利署為監測國內地層下陷情勢變化,迄民國104年止已分別於宜蘭、桃園、彰化、雲林、嘉義、台南、高雄及屏東等地層下陷嚴重地區設置51口磁環分層式地層下陷分層監測井(以下簡稱地陷監測井)(圖1),掌握各地區不同深度地層的壓縮量,為地層下陷防治政策擬定與研提具體防治措施之重要參據。

相關圖片
(A)構造圖 (B)成果圖
圖1 磁環分層式地層下陷監測井構造與量測示意圖

  現階段觀測方式及頻率,採每月現地人工操作探棒量測各磁環中心位置,以獲取各地層變動情形,惟此方式可收集地層下陷變動資訊有限,為增進地層下陷變動的掌握度,且達到觀測自動化及資訊即時性等目標,嘗試結合機電相關技術,即霍爾元件,利用其電、磁學之特性,研發可自動量測地層下陷分層變形資料之雛型設備,以作為後續推動磁環分層式地層下陷監測井自動監測可行性之參考。有關霍爾元件於電、磁學上之特性,以及如何應用於地層下陷監測,茲概述如下:

 一、霍爾元件於電、磁學上之特性:
  當電流流通之導體置於磁場中導體垂直電流方向之兩側會產生電位差,該現象稱為霍爾效應(Hall effect)。霍爾元件則利用霍爾效應將其本身所受到的磁場強度轉換為電壓訊號,該電壓正負分布則可測出磁場方向分布變化,如圖2所示。

圖2 霍爾元件電學及磁學特性示意圖


 二、霍爾元件磁環感測器之研發及測試:
  利用上述霍爾元件特性可研發霍爾元件磁環感測器,以感測地陷監測井內磁環中心位置。研發初步先進行霍爾元件與DOBOKU磁環磁感測試(圖3),各磁環測試點位之結果如圖4所示。由測試結果可知,霍爾元件感測磁環時,會依背景地磁、N極及S極磁場分布影響而反應出不同的電壓分布,而於各感測點位靠近磁環磁條中心附近皆有線性電壓分布現象產生,由該線性區段則可推估磁條中心位置(磁力為0處)。然而,各點位所量測線性區段之斜率會因磁環磁力分布大小不同而有所差異,較靠近磁環中心之點位(Pos:0、1、3、5、7)因磁力較弱斜率會較小;較接近磁環邊緣之點位(Pos:9、11、13、15)因磁力較強其斜率較大,各感測斜率不同導致推估磁環中心位置會有1~2mm之誤差。鑑此,將構思以3~5個霍爾元件建構磁環感測器,透過各方位元件感測位置高程平均作參據,以降低感測器量測點位不同所造成之誤差。

(A)霍爾元件與磁環匹配測試平台 (B)測試磁環點位分布
圖3 霍爾元件與DOBOKU磁環磁感測試

圖4 霍爾元件磁感測試之結果圖

  水利署研發霍爾元件磁環感測器已有初步成果,後續將持續提升其觀測精度,並評估未來應用於現地觀測之方式(如圖5固定式或移動式兩種)及可能遭遇環境困難之解決措施,俾利未來磁環分層式地層下陷分層監測井可達到自動化觀測、紀錄及傳輸等目標,以即時掌握地層下陷變動。

(A)固定式 (B)移動式
圖5  自記式地層下陷量測架構示意圖

主題回應