CN104132757A - 准分布式滑坡土压力实时监测装置 - Google Patents

准分布式滑坡土压力实时监测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种准分布式滑坡土压力实时监测装置，包括：土压力传感器阵列和检测仪器，其中土压力传感器阵列布设在滑坡中，用于接收滑坡压力信号并输出给监测仪器；监测仪器，用于采集滑坡压力信号并转化为光栅波长电信号，并根据所述光栅波长电信号以及之前预存的光栅波长相关数据进行计算，得到滑坡当前的压力信号并发送出去；本发明适用于滑坡土体或固体压力的自动监测，省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控滑坡体土压力情况，为地质灾害监测滑坡预警提供了一种新的途径。

Description

准分布式滑坡土压力实时监测装置
技术领域
本发明涉及光电子地质灾害监测技术领域，尤其涉及一种准分布式滑坡土压力实时监测装置。
背景技术
我国滑坡的发生较为频繁，严重威胁着国家财产和人民生命安全。而滑坡土压力监测是滑坡稳定性研究的重要手段，通过对滑坡土压力的监测，为地质灾害的防治提供可靠的依据，实现滑坡灾害预警预报的目的。
目前，土压力的监测技术相对比较薄弱,很多监测站需要人工现场采集信息,成本高,工作效率低,无法获得土压力变化的连续观测数据。同时，可以测量土压力的传感器为电类传感器，普遍存在线性度不高，对电磁的抗干扰能力不强，防水防潮性能差，不能进行长期、实时、在线监测，难以满足灾害监测的需要。由于光栅传感技术具有灵敏度高、体积小、耐高温、防水、防潮、防雷电、抗电磁干扰、传输距离远以及量程大、测值稳定、能进行长期实时在线监测等优点，因此采用光栅传感器技术，研制具有高精度、实时采集和远程传输的准分布式滑坡土压力实时监测装置就显得尤为重要。
目前，许多大专院校和公司都相继开发出光栅监测仪器，但大多只解调出光纤光栅的中心波长，并未直接给出对应的被测物理量的信息，需要利用相关软件或人为计算被测物理量，使光栅监测仪器在工程的应用存在局限性。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种准分布式滑坡土压力实时监测装置，用以解决现有技术中人工测量带来的成本高以及准确性低的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种准分布式滑坡土压力实时监测装置，包括：
土压力传感器阵列，布设在滑坡中，用于接收滑坡压力信号并输出给监测仪器；
监测仪器，用于采集滑坡压力信号并转化为光栅波长电信号，并根据所述光栅波长电信号以及之前预存的光栅波长相关数据进行计算，得到滑坡当前的压力信号并发送出去。
进一步地，所述土压力传感器阵列为四通道传感器阵列，即包含四个子阵列，每个子阵列为一个通道，每个子阵列由多个土压力传感器9组成，压力传感器9之间通过传输光纤6采用熔接方式连接起来。
进一步地，所述监测仪器具体包括：光源1、光环形器2、光开关3、光栅解调模块4、微处理器5、发送模块7、电源模块8、液晶显示器10、存储器11以及继电器12，其中，
所述光源1产生的宽带光入射所述光环行器2的输入口，经其输出口接所述光开关3的输入口，所述光开关3的输出接入所述土压力传感器阵列，宽带光中和所述土压力传感器阵列的中心波长一致的光发生反射，反射光信号通过所述光环行器2反射口送入所述光栅解调模块4，所述光栅解调模块4将接收的光信号解调为光栅波长电信号后输出给所述微处理器5，所述微处理器5根据所述光栅波长电信号以及所述存储器11预存的光栅波长相关数据进行计算，得到滑坡当前的压力信号并通过所述发送模块7发送出去；
所述电源模块8与所述监测仪需要供电的各个部分相连，用于产生其需要的电压值；
所述继电器12，用于控制所述光开关3、电源模块8、光栅解调模块4、发送模块7以及存储器11的电源通断；
所述液晶显示器10，用于显示所述微处理器5接收到的数据以及计算得到的结果。
进一步地，所述微处理器5具体包括：C口52、E口53、第一串口51、第二串口54、第三串口56和第四串口55，所述微处理器5通过C口52与继电器12连接，通过E口53与电源模块8连接，通过第一串口51与光栅解调模块4连接，通过第二串口54与发送模块7连接，通过第三串口56与存储器11连接；所述微处理器5通过所述第一串口51接收光栅波长电信号，并将接收到的光栅波长电信号与之前预存的光栅波长数据进行计算，得到滑坡当前的压力并通过第二串口54发给所述发送模块7；所述液晶显示器10通过第四串口55与所述微处理器5连接。
进一步地，所述发送模块7采用无线发送方式。
进一步地，通过如下计算得到滑坡当前的压力：
用采集的当前压力光栅波长减去预先存储的传感器参数文件中的压力光栅初始波长，计算出压力光栅中心波长的偏移；
用采集的当前温补光栅波长减去预先存储的温补光栅初始波长，计算出温补光栅中心波长的偏移；
从压力光栅中心波长的偏移中减去温补光栅中心波长的偏移，得到压力传感器中心波长的总偏移量；
压力传感器中心波长的总偏移量乘以传感器的压力系数，即可得到传感器的压强值，进而计算出传感器在监测点所受的压力值，即滑坡当前的压力。
进一步地，根据如下公式计算得到压强值P：
P＝K[(λ1－λ0)-(λt1-λt0)]
其中，P为压强(kPa)，K为土体压力传感器的系数(kPa/nm)，λ1为当前压力光栅波长值(nm)，λ0为压力光栅初始波长值(nm)，λt1为当前温补光栅波长值(nm)，λt0为温补光栅初始波长值(nm)。
进一步地，根据如下公式计算得到滑坡当前的压力：
F＝PS
其中，F为压力(kN/m2)，P为压强(kPa)，S土压力传感器的受力面积(m2)。
本发明有益效果如下：
本发明适用于滑坡土体或固体压力的自动监测，省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明实施例所述装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
如图1所示，图1为本发明实施例所述装置的结构示意图，本发明所述装置重要包括两部分：土压力传感器阵列以及监测仪器，以下对于这两部分分别予以详细说明。
(一)土压力传感器阵列，布设在滑坡中，主要负责接收滑坡压力信号并输出给监测仪器。
上述土压力传感器阵列为四通道传感器阵列，即包含四个子阵列，每个子阵列为一个通道，每个子阵列由多个土压力传感器9组成，压力传感器9之间通过传输光纤6采用熔接方式连接起来。
(二)监测仪器，主要负责采集滑坡压力信号并转化为光栅波长电信号，并根据所述光栅波长电信号以及之前预存的光栅波长相关数据进行相关计算，得到滑坡当前的压力并发送出去。
上述监测仪器主要包括：光源1、光环形器2、光开关3、光栅解调模块4、微处理器5、发送模块7、电源模块8、液晶显示器10、存储器11以及继电器12。该监测仪器采用模块化结构设计，将上述各个部分集中在一个系统机箱内。
光源1产生的宽带光入射光环行器2的输入口，经其输出口接光开关3的输入口，光开关3的输出接入土压力传感器阵列，宽带光中和土压力传感器阵列的中心波长一致的光发生反射，反射光信号通过光环行器2反射口送入光栅解调模块4，光栅解调模块4将接收的光信号解调为光栅波长电信号后输出给微处理器5，微处理器5根据光栅波长电信号以及存储器11中预存的光栅波长数据进行计算，得到滑坡当前的压力并通过发送模块7发送出去；电源模块8与监测仪各个部分相连，用于产生监测仪器需要的12V、9V、5V、3.3V电压。继电器12控制所述光开关3、电源模块8、光栅解调模块4、发送模块7以及存储器11的电源通断。
微处理器5包括：C口52、E口53、第一串口51、第二串口54、第三串口56、第四串口55，微处理器5通过C口52与继电器12连接，通过E口53与电源模块8连接，通过第一串口51与光栅解调模块4连接，通过第二串口54与发送模块7连接，通过第三串口5)与存储器11连接，通过第四串口55与液晶显示器10连接；微处理器5通过第一串口51接收光栅波长电信号，并将接收到的光栅波长电信号与存储器11中预存的光栅波长相关数据进行计算，得到滑坡当前的压力并通过第二串口5发给发送模块7，通过发送模块7将微处理器5计算得到的结果通过GPRS信号发送到数据控制中心。
本发明实施中，微处理器5采用STM32微控制器，是监测仪器的控制核心，其通过第一串口51采集光栅解调模块4输出的光栅波长电信号，该光栅波长信号包括：压力光栅波长和温补光栅波长，微处理器5通过如下计算得到滑坡当前的压力：
(1)用采集的当前压力光栅波长减去预先存储的传感器参数文件中的压力光栅初始波长，计算出压力光栅中心波长的偏移；
(2)用采集的当前温补光栅波长减去预先存储的温补光栅初始波长，计算出温补光栅中心波长的偏移；
(3)从压力光栅中心波长的偏移中减去温补光栅中心波长的偏移，得到压力传感器中心波长的总偏移量；
(4)压力传感器中心波长的总偏移量乘以传感器的压力系数(此压力系数是在传感器室内压力试验，根据测量的波长和施加在传感器上的压力，多次测量计算得出的)，即可得到传感器的压强值，进而用计算出的压强值乘以压力传感器的受力面积，计算出传感器在监测点所受的压力，即滑坡当前的压力。
其中，压强计算公式如式(1)，压力计算公式如式(2)：
P＝K[(λ1－λ0)-(λt1-λt0)]   (1)
式(1)中：P为压强(kPa)，K为土体压力传感器的系数(kPa/nm)，λ1为压力光栅当前的波长值(nm)，λ0为压力光栅初始的波长值(nm)，λt1为温补光栅当前波长值(nm)，λt0为温补光栅初始波长值(nm)。
F＝PS   (2)
式(2)中：F为压力(kN/m2)，P为压强(kPa)，S土压力传感器受力面积(m2)。
经实验表明，本发明最终实现的准分布式滑坡土压力实时监测装置性能为：
解调速度：200Hz；
解调精度：±5pm；
通道数：4；
每通道接传感器数目：20只；
实现无人值守情况下可自动采集、远程传输的功能。
综上所述，本发明实施提供了一种准分布式滑坡土压力实时监测装置，克服了现有压力监测仪器不易做到的防水、防潮、防雷电、抗电磁干扰等问题，并通过波长和压力的计算关系，直接计算出各个监测点的压力，准确获取滑坡土压力的数据，为地球动力学、地质灾害、地震预报、地壳稳定性评价、工程地质勘察等提供一种便捷、自动采集、传输的一种地质灾害监测仪器。省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控滑坡体土压力情况
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种准分布式滑坡土压力实时监测装置，其特征在于，包括：
土压力传感器阵列，布设在滑坡中，用于接收滑坡压力信号并输出给监测仪器；
监测仪器，用于采集滑坡压力信号并转化为光栅波长电信号，并根据所述光栅波长电信号以及之前预存的光栅波长相关数据进行计算，得到滑坡当前的压力信号并发送出去。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述土压力传感器阵列为四通道传感器阵列，即包含四个子阵列，每个子阵列为一个通道，每个子阵列由多个土压力传感器(9)组成，压力传感器(9)之间通过传输光纤(6)采用熔接方式连接起来。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述监测仪器具体包括：光源(1)、光环形器(2)、光开关(3)、光栅解调模块(4)、微处理器(5)、发送模块(7)、电源模块(8)、液晶显示器(10)、存储器(11)以及继电器(12)，其中，
所述光源(1)产生的宽带光入射所述光环行器(2)的输入口，经其输出口接所述光开关(3)的输入口，所述光开关(3)的输出接入所述土压力传感器阵列，宽带光中和所述土压力传感器阵列的中心波长一致的光发生反射，反射光信号通过所述光环行器(2)反射口送入所述光栅解调模块(4)，所述光栅解调模块(4)将接收的光信号解调为光栅波长电信号后输出给所述微处理器(5)，所述微处理器(5)根据所述光栅波长电信号以及所述存储器(11)预存的光栅波长相关数据进行计算，得到滑坡当前的压力信号并通过所述发送模块(7)发送出去；
所述电源模块(8)与所述监测仪需要供电的各个部分相连，用于产生其需要的电压值；
所述继电器(12)，用于控制所述光开关(3)、电源模块(8)、光栅解调模块(4)、发送模块(7)以及存储器(11)的电源通断；
所述液晶显示器(10)，用于显示所述微处理器(5)接收到的数据以及计算得到的结果。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述微处理器(5)具体包括：C口(52)、E口(53)、第一串口(51)、第二串口(54)、第三串口(56)和第四串口(55)，所述微处理器(5)通过C口(52)与继电器(12)连接，通过E口(53)与电源模块(8)连接，通过第一串口(51)与光栅解调模块(4)连接，通过第二串口(54)与发送模块(7)连接，通过第三串口(56)与存储器(11)连接；所述微处理器(5)通过所述第一串口(51)接收光栅波长电信号，并将接收到的光栅波长电信号与之前预存的光栅波长数据进行计算，得到滑坡当前的压力并通过第二串口(54)发给所述发送模块(7)；所述液晶显示器(10)通过第四串口(55)与所述微处理器(5)连接。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述发送模块(7)采用无线发送方式。
6.根据权利要求1到5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述通过如下计算得到滑坡当前的压力：
用采集的当前压力光栅波长减去预先存储的传感器参数文件中的压力光栅初始波长，计算出压力光栅中心波长的偏移；
用采集的当前温补光栅波长减去预先存储的温补光栅初始波长，计算出温补光栅中心波长的偏移；
从压力光栅中心波长的偏移中减去温补光栅中心波长的偏移，得到压力传感器中心波长的总偏移量；
压力传感器中心波长的总偏移量乘以传感器的压力系数，即可得到传感器的压强值，进而计算出传感器在监测点所受的压力值，即滑坡当前的压力。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，根据如下公式计算得到压强值P：
P＝K[(λ1－λ0)-(λt1-λt0)]
其中，P为压强，K为土体压力传感器的系数，λ1为当前压力光栅波长值，λ0为压力光栅初始波长值，λt1为当前温补光栅波长值，λt0为温补光栅初始波长值。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，根据如下公式计算得到滑坡当前的压力：
F＝PS
其中，F为压力，P为压强，S为土压力传感器受力面积。
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