CN103234723B - 振动式冲刷传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动式冲刷传感器，包括固定架和振动传感探头，在固定架的每一层顶部内侧均设置一个振动传感探头。当振动传感探头在水体中，水流变化会带动振动传感探头中的应变传感元件发生振动变形，根据测量得到的应变数据的振动幅度和频率就可判断该探头处于水体中；若振动传感探头在土体中，土体本身相对稳定，传感探头获得的应变数据几乎没有变化；由此根据应变数据的振动幅度和频率区分水体和土体，即确定了泥面深度。本发明不受温度变化等因素干扰，具有无温漂和无零漂的优点，制作简单、成本较低，可根据使用条件和要求改变测量精度和测量深度范围，在多个监测地点安装本发明的监测装置，实现区域性冲刷监测。

Description

振动式冲刷传感器

技术领域

本发明涉及一种水利工程监测装置，具体涉及一种振动式冲刷传感器。

背景技术

近年来，伴随着我国对海洋资源的不断开发与利用，在我国的沿海地区出现大量的海洋工程结构物，如海岸防护工程、跨海大桥和大型港口等。这些大型结构物会改变周围的波浪和水流条件，由此带来的冲蚀作用会逐渐降低结构物地基的强度，造成结构物安全隐患，危及广大人民群众的财产和生命安全。

目前的冲刷监测方法主要有人工深度尺、声纳、雷达和时域反射计(TDR)等，但是这些方法在实际工程应用中具有很大局限性，比如有离线、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点，难于实时、准确监测桩基和堤岸的冲刷状态。

现有一些新型的冲刷传感器，如专利号为200710144304.5的《光纤光栅冲刷监测传感器及其制作方法》、专利号为200710144305.X的《一种高耐久性光纤光栅冲刷传感器》、专利号为201110352894.7的《长标距光纤光栅冲刷传感器及其制作、安装布设方法和由其构成的冲刷监测系统》，它们利用光纤光栅等传感元件，能实现动态的实时冲刷监测，相较于传统的监测方法更加精确；但这些传感器制作工艺复杂，测量变量是根据传感元件信号强度值确定，受到的干扰因素较多，成本较高，不能适应我国冲刷监测环境的现实需要。

而在冲刷状态下，水流自身带有脉动和紊流变化，这与土体相对稳定的状态不同。基于此特性，本发明提供一种新型的冲刷传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种振动式冲刷传感器，精确度高、耐久性高、不受温度干扰、制作简单、成本较低，用以监测水下冲刷。

实现本发明目的的技术解决方案为：振动式冲刷传感器包括固定架和振动传感探头，在固定架的每一层顶部内侧均设置一个振动传感探头。

上述振动传感探头包括信号线、应变传感元件、保护壳、传导杆、波形盘。传导杆一端与波形盘边沿连接，另一端贴有应变传感元件并引出信号线。保护壳为半个金属圆柱，底面圆心开有卡口，两个相同的保护壳在传导杆的顶端压合罩住应变传感元件，留有的卡口卡住传导杆，确保卡口与传导杆紧密贴合，起到密封作用。保护壳顶面固定在固定架上。

上述固定架为格构式管架，外圈铺有钢丝网，防止大颗粒的杂物进入。

上述传导杆为竖直细扁杆件，应变传感元件贴在传导杆的宽表面上。

上述波形盘是剖面为波浪形的圆盘。

上述振动传感探头制作方法，包括以下几个步骤：

（a1）将波形盘与传导杆一端连接成一体；

（a2）在传导杆另一端宽表面粘贴应变传感元件，信号线一端与应变传感元件连接，另一端沿传导杆引出；

（a3）将两个相同的保护壳压合罩住应变传感元件，留有的卡口卡住传导杆固定密封。

振动式冲刷传感器工作原理和方法如下：

当振动传感探头在水体中，垂直于波形盘的水流会由于水流自身的脉动而带动波形盘振动；平行于波形盘的水流会由于波形盘自身形状产生紊流，带动波形盘振动。由于波形盘的振动，导致连接波形盘的传导杆端部往复受力，传递弯矩到贴附应变传感元件位置的传导杆上并产生弯曲变形，通过应变传感元件感应获得变化的应变数据，根据数据振动幅度和频率可以得知振动传感探头在水体中。若振动传感探头在土体中，土体本身相对稳定，通过应变传感元件感应获得的应变数据几乎没有变化。将若干只相同的振动传感探头按一定深度间隔放置在水下（部分埋入土中），通过振动传感探头应变数据的振动幅度和频率区分水体和土体，即确定了泥面深度。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)本发明的测量原理简单可靠：在水中的振动传感探头会感应到水流的变化，通过振动传感探头内应变传感元件所得的应变数据的振动幅度和频率，可知该传感探头在水体中。而土体中没有这种振动特性，振动传感探头内应变传感元件所得的数据几乎没有变化，最终确定泥面位置。这种监测方法，避免了传统方法根据传感元件信号强度值确定泥面深度，因而不受温度变化等因素干扰，具有无温漂和无零漂的优点，数据精确稳定；

(2)本发明的传感装置制作工艺简单。本发明主要有固定架和多个相同的振动传感探头，制作简单，安装方便，有广阔的应用前景和良好的经济效益；

(3)本发明的测试精度高，其测试精度可达0.2m，并且可以根据具体要求改变精度，其精度主要可以通过改变振动传感探头数量以及探头间距大小实现；

(4)本发明无需对安装位置进行限制，只要确保监测时至少有两个不同深度的振动传感探头分别在水体和土体中即可确定泥面位置；

(5)本发明可对多个监测点同时进行冲刷监测，可按照监测需求，在多个监测点安装振动式冲刷传感器，实现区域性整体冲刷监测。

附图说明

图1为振动式冲刷传感器结构示意图。

图2为振动传感探头结构示意图。

图3为波形盘示意图，其中图3（a）为波形盘正视图，图3（b）为波形盘侧视图。

图4为振动式冲刷传感器靠岸式安装示意图。

图5为振动式冲刷传感器离岸式安装示意图。

图6为振动传感探头工作原理示意简图。

图中各标号：振动式冲刷传感器1，固定架11，振动传感探头12，信号线121，应变传感元件122，保护壳123，传导杆124，波形盘125，连接件2，锚碇3，卡槽31。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，振动式冲刷传感,1包括固定架11和振动传感探头12，在固定架11的每一层顶部内侧均设置一个振动传感探头12。

结合图2和图3，上述振动传感探头12包括信号线121、应变传感元件122、保护壳123、传导杆124、波形盘125。传导杆124一端与波形盘125边沿连接，另一端贴有应变传感元件122并引出信号线。保护壳123为半个金属圆柱，底面圆心开有卡口，两个相同的保护壳123在传导杆的顶端压合罩住应变传感元件122，留有的卡口卡住传导杆124，确保卡口与传导杆124紧密贴合，起到密封作用。保护壳123顶面焊接在固定架11上。

上述固定架11为L形型钢焊接而成的格构式管架，外圈铺有钢丝网，防止大颗粒的杂物进入。

上述传导杆124为竖直细扁杆件，应变传感元件122贴在传导杆的宽表面上。

上述波形盘125是剖面为波浪形的圆盘。

上述振动传感探头12制作方法，包括以下几个步骤：

（a1）将波形盘125与传导杆124一端连接成一体；

（a2）在传导杆124另一端宽表面粘贴应变传感元件122，信号线121一端与应变传感元件122连接，另一端沿传导杆124引出；

（a3）将两个相同的保护壳123压合罩住应变传感元件122，留有的卡口卡住传导杆124固定密封。

结合图4和图5，根据监测需要，本发明的振动式冲刷传感器1有靠岸式安装方式和离岸式安装方式。

上述靠岸式安装方式是将振动式冲刷传感器1通过连接件2与水下结构固定连接。

上述离岸式安装方式是将振动式冲刷传感器1安装在锚碇3顶面，套入钢护筒后置于监测点，锤击钢护筒到指定深度后拔起，完成振动式冲刷传感器1的安装。其中锚碇3为钢制圆锥筒，内部焊有钢筋、灌满混凝土，顶面设有圆形卡槽31，振动式冲刷传感器1在卡槽31范围之内。

上述靠岸式安装方式，包括以下几个步骤：

（b1-1）将振动式冲刷传感器1立置于监测点；

（b1-2）将振动式冲刷传感器1顺着水下结构表面沉入，直至振动式冲刷传感器1的大部分在泥面以下、小部分在泥面以上的位置；

（b1-3）将振动式冲刷传感器1的固定架11通过连接件2与水下结构螺栓连接固定，完成振动式冲刷传感器1最终的安装。

上述离岸式安装方式，包括以下几个步骤：

（b2-1）将振动式冲刷传感器1的固定架11根部与锚碇3内的钢筋焊接，并浇筑混凝土；

（b2-2）将钢护筒套在振动式冲刷传感器1外，底端插入锚碇3顶面的卡槽31内；

（b2-3）将钢护筒连同安装好锚碇3的振动式冲刷传感器1一同立置于监测点；

（b2-4）锤击钢护筒，使钢护筒带动安装好锚碇3的振动式冲刷传感器1插入土中，直至振动式冲刷传感器1的大部分在泥面以下、小部分在泥面以上的位置，然后缓缓提起钢护筒，使水下泥沙逐渐充填空隙，完成振动式冲刷传感器1最终的安装。

振动式冲刷传感器1工作原理和方法如下：

结合图6，当振动传感探头12在水体时，垂直于波形盘125的水流会由于水流自身的脉动而带动波形盘125振动；平行于波形盘125的水流会由于波形盘125自身形状产生紊流，带动波形盘125振动。由于波形盘125的振动，导致连接波形盘125的传导杆端部往复受力。根据公式，可知传递到贴附应变传感元件122位置的传导杆124上的弯矩，由此导致该位置产生往复的弯曲变形。已知传导杆124的弹性模量、厚度、惯性矩，由此可得到该位置的应变。该位置的应变通过应变传感元件122感应获得变化的应变数据，根据数据变化频率可以得知振动传感探头12在水体中。若振动传感探头12在土体中，土体本身相对稳定，通过应变传感元件122感应获得的应变数据几乎没有变化。将若干只相同的振动传感探头12按一定深度间隔放置在水下（部分埋入土中），通过振动传感探头12应变数据的振动幅度和频率区分水体和土体，即确定了泥面深度。

本发明可以根据冲刷区域的监测要求，布设由多个振动式冲刷传感器1组成的冲刷监测系统。根据应变传感元件122的不同，系统布设有光纤光栅监测布设方法和电阻式应变片监测布设方法。

当应变传感元件122为光纤光栅时，采用通信光缆将振动传感探头12与监控室中的解调仪相连接，实现远程监控。

当应变传感元件122为电阻式应变片时，在振动式冲刷传感器1所在的水域上方加装支架，支架上有小型太阳能电池板、蓄电池、电阻式应变解调仪、GPRS发射器。电阻式应变片传感得到传导杆124的应变信号通过电缆接入的电阻式应变解调仪分析、得到数据，通过GPRS发射器将数据无线发送给监控室。电阻式应变解调仪、GPRS发射器通过小型太阳能电池板、蓄电池提供电源。

通过以上的布设方式，可以实现该区域冲刷状态的远程实时自动监测。

Claims (5)

1.一种振动式冲刷传感器，振动式冲刷传感器（1）包括固定架（11）和振动传感探头（12），在固定架（11）的每一层顶部内侧均设置一个振动传感探头（12）；所述振动传感探头（12）包括信号线（121）、应变传感元件（122）、保护壳（123）、传导杆（124）、波形盘（125）；传导杆（124）一端与波形盘（125）边沿连接，另一端贴有应变传感元件（122）并引出信号线（121）；其特征在于：保护壳（123）为半个金属圆柱，底面圆心开有卡口，两个相同的保护壳（123）在传导杆（124）的顶端压合罩住应变传感元件（122），留有的卡口卡住传导杆（124），确保卡口与传导杆（124）紧密贴合，起到密封作用；保护壳（123）顶面固定在固定架（11）上。

2.根据权利要求1所述的振动式冲刷传感器，其特征在于：所述固定架（11）为格构式管架，外圈铺有钢丝网。

3.根据权利要求1所述的振动式冲刷传感器，其特征在于：所述传导杆（124）为竖直细扁杆件，应变传感元件（122）贴在传导杆（124）的宽表面上。

4.根据权利要求1所述的振动式冲刷传感器，其特征在于：所述波形盘（125）是剖面为波浪形的圆盘。

5.根据权利要求1所述的振动式冲刷传感器，其特征在于：所述振动传感探头（12）的制作方法如下：

a1、将波形盘（125）与传导杆（124）一端连接成一体；

a2、在传导杆（124）另一端宽表面粘贴应变传感元件（122），信号线（121）一端与应变传感元件（122）连接，另一端沿传导杆（124）引出；

a3、将两个相同的保护壳（123）在传导杆（124）的顶端压合罩住应变传感元件（122），留有的卡口卡住传导杆（124）固定密封。