CN106248029A - 一种模块化的热桥式冲淤深度传感器 - Google Patents

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丁勇
周凯笛
张昊
刘康康
蔡武达
杨叶
张涵宇
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Abstract

本发明公开了一种模块化的热桥式冲淤深度传感器，包括航空插头母头、导线槽、温度采集芯片、加热模块、传感器外壳、前端横隔板、后端横隔板、航空插头公头和密封橡胶法兰；传感器外壳为截面形状为圆弧形的长条铝型材，两个端头设置插接用的防水航空插头，安装时可以将多个相同的传感器连接起来，共同完成测量。本发明在传感器外壳内部安装多个传感单元，每个传感单元包括一个加热模块和两个温度采集芯片，由于两个温度采集芯片和加热模块之间的距离不同，其探测到的温度差异会随加热时间、传感器所处水土环境的不同而发生改变，通过解读出传感器安装位置的水土环境，从而测出水工结构在冲淤环境下水土分界面的高度。

Description

一种模块化的热桥式冲淤深度传感器
技术领域
本发明涉及水工结构中淤泥冲刷和淤积深度的测量装置，特别是一种模块化的热桥式冲淤深度传感器。
背景技术
在水利、取排水、海河岸堤坝防护、桥梁、海洋平台等工程中，水流的冲刷对结构造成破坏的现象相当普遍。结构物地基往往由于水流的冲蚀而使得其强度降低，给结构物的安全带来隐患。因为水流的冲刷都在水下，一般很难及时发现，而结构物一旦由于冲刷产生破坏时，往往导致都是诸如垮塌等恶性事故，危及广大人民群众的财产和生命安全。
然而，冲刷现象容易发生的实际现场环境往往十分恶劣，不易安装传统意义上的传感器。林咏彬等人开发一种基于光纤光栅的冲刷传感器，其利用光纤光栅监测动水压对悬臂圆盘的作用，当传感器被土掩埋时，信号基本为一常值；当土层被冲刷，传感器进入水层时，由于动水压力会使传感器感知其应变上下波动，从而得知土层厚度变化。但是该传感器基于对动水压力的监测，仅适用于水流速率较大时；同时这种传感器受探头数量限制，容易受到水下紊流和水下土体输移的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化的热桥式冲淤深度传感器，解决现有冲淤深度传感器存在的耐久性差，安装工艺复杂，不同类型的水工结构需要定制传感器等问题。
实现本发明目的的技术方案为：一种模块化的热桥式冲淤深度传感器，该传感器包括航空插头母头、导线槽、温度采集芯片、加热模块、传感器外壳、前端横隔板、后端横隔板、航空插头公头和密封橡胶法兰；
传感器外壳分别与前端横隔板和后端横隔板密闭连接，形成腔体；前端横隔板上安装三个航空插头母头，后端横隔板上安装三个航空插头公头；传感器外壳内侧安装三个导线槽；所述导线槽用于安装导线，所述导线用于连接航空插头母头与对应的航空插头公头，其中两根导线上均并联有并联温度采集芯片，另一根导线上并联加热模块，每两个温度采集芯片和一个加热模块构成一个传感单元，并排设置在与导线槽方向垂直的直线上；所述加热模块用于向外界环境产生热量，两个温度传感器用于采集经外界环境散失后剩余热量，根据外界环境散热能力的不同确定外界环境；
所述传感器外壳前端部分的内尺寸与后端部分的外尺寸相同，所述密封橡胶法兰设置在前端横隔板上，用于与相邻传感器的传感器外壳后端部分密闭对接；所述传感器外壳前端部分和后端部分分别设置有注胶孔和螺纹注胶孔，用于两个传感器前后端部分的注胶和对接固定。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明的测量原理简单可靠：本发明的传感器会感应到环境温度的变化，通过传感器内的温度采集芯片所得的温度数据变化参数，可以确定传感器在水体中、土体还是在空气中，最终确定泥面位置和水面位置；这种监测方法，不受水流变化等因素干扰，数据精确稳定；
(2)本发明的传感装置制作工艺简单，安装方便，特别适合在钢管桩上使用，避免传统传感器需要另外打桩的麻烦，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传感器单元的数量以及间距大小实现；
(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传感器分别在水体和土体中即可确定泥面位置；
(5)本发明的传感器单元具有独立性，单个传感器单元的损坏不会影响到其他单元的正常工作，降低故障发生的概率；
(6)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，在多个监测点安装本发明的传感器，实现区域性整体冲刷监测；
(7)本发明模块化设计，安装工艺简单，现场操作灵活度高，可以单元长度的形式任意增加或减少传感器单元数量，不受现场冲淤深度的范围所限制量程，无需单独定制，易实现工业化生产。
(8)本发明拼接后整体表面光滑，没有突出部分，易于随桩下沉入土。防水性能好，适合在水下长期工作。
附图说明
图1(a)是本发明传感器前端结构俯视图，图1(b)是传感器后端结构俯视图；图1(c)是传感器截面剖视图，图1(d)是传感器前端左视图，图1(e)是传感器后端右视图。
图2是本发明相邻两个传感器安装拼接示意图。
图3是本发明传感器安装在钢管桩上的示意图。
具体实施方式
针对现有传感器本身及其安装工艺上的不足和难点，本发明提出一种可模块化安装的热桥式冲淤深度传感器，解决现有冲淤深度传感器存在的耐久性差，安装工艺复杂，不同类型的水工结构需要定制传感器等问题。在保证结构稳定性的前提下，使用可插接式的设计，可以针对不同的水工结构，随意调整拼接长度，简化安装工艺，提高传感器的使用可靠性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1(a)～图1(e)，一种模块化的热桥式冲淤深度传感器，该传感器202包括航空插头母头101、导线槽103、温度采集芯片104、加热模块105、传感器外壳106、前端横隔板107、后端横隔板113、航空插头公头108和密封橡胶法兰109；
传感器外壳106分别与前端横隔板107和后端横隔板113密闭连接，形成腔体；前端横隔板107上安装三个航空插头母头101，后端横隔板113上安装三个航空插头公头108；传感器外壳106内侧安装三个导线槽103；所述导线槽用于安装导线，所述导线用于连接航空插头母头101与对应的航空插头公头108，其中两根导线上均并联有并联温度采集芯片104，另一根导线上并联加热模块105，每两个温度采集芯片104和一个加热模块105构成一个传感单元，并排设置在与导线槽方向垂直的直线上；所述加热模块用于向外界环境产生热量，两个温度传感器用于采集经外界环境散失后剩余热量，根据外界环境散热能力的不同确定外界环境；
如图2所示，所述传感器外壳106前端部分的内尺寸与后端部分的外尺寸相同，所述密封橡胶法兰109设置在前端横隔板107上，用于与相邻传感器的传感器外壳后端部分密闭对接；所述传感器外壳106前端部分和后端部分分别设置有注胶孔110和螺纹注胶孔111，两者在安装对接时互相重合，用于两个传感器前后端部分的注胶和对接固定。
进一步的，传感器内部腔体通过三个纵隔板102隔离，构成五个独立子腔体，每个传感单元的两个温度采集芯片104和一个加热模块105分别设置在中间三个子腔体内，加热模块105放置在中间三个子腔体中靠边的一个子腔体内，保持每行的一个发热块和两个温度采集芯片在同一平行位置。
进一步的，传感器外壳106的顶部为圆弧形结构。
进一步的，传感器外壳106为铝合金型材。
进一步的，传感器外壳106两侧分别安装有安装耳112，用于将传感器固定在外部结构上。
本发明模块化的热桥式冲淤深度传感器的制作方法包括以下几个步骤：
步骤1，在传感器外壳106内安装纵隔板102和导线槽103；
步骤2，在传感器外壳106端部安装前端横隔板107和后端横隔板113，前端横隔板107和后端横隔板113上安装航空插头母头101和航空插头公头108；
步骤3，安装温度采集芯片108和加热模块105；
步骤4，将导线从每个温度采集芯片108和加热模块105上引出，并联焊接至航空插头母头101和航空插头公头108；
步骤5，在传感器外壳106内空余位置填充隔热材料；
步骤6，将传感器外壳106端部密封，并安装密封橡胶法兰109；
步骤7，在传感器外壳106的前后端部分别开注胶孔110和螺纹注胶孔111；
步骤8，在传感器外壳106上隔一定距离加工安装耳112。
本发明的工作原理和使用方法如下：
加热模块105与两个温度采集芯片108位于传感器传感器的一个传感单元内，加热模块105散发出的热量经过传热桥传至温度采集芯片108，传热桥在传热过程中会有热量向周围环境散失，根据所处环境不同，热量散失的速度也有所不同——当传热桥所处的环境为水体时，热量散失速度与水流速度呈正相关性，且明显大于土体环境。本发明中，加热模块105作为热源使用，传感器外壳106作为传热桥，将热量传递给温度采集芯片108。输入额定电流使加热模块105持续发热，加热模块105的热量通过传感器外壳106传递给温度采集芯片108。加热过程中，热量散失速度越大，温度采集芯片108处的温度变化就越慢，温度变化幅度也越小；
一个监测周期开始时，记录两个温度采集芯片108的初始温度值T10和T20，持续给加热模块105供电，环境温度升高，供电一段时间后再次采集两个温度采集芯片的温度值T1和T2，通过环境系数计算公式K＝(T1-T10)2-(T2-T20)2计算环境特征值，当该值位于0-50之间，该组传感单元可判断为位于水环境中，当该值位于50-100之间，该组传感单元可判断为位于泥沙环境中，当该值大于200时，则该组传感单元可判断为位于空气环境中。通过测量和计算两个温度采集芯片108在加热过程中的温度变化所得到的环境特征值，就可以区分传感器202所处环境是水体、泥沙或者空气。一个传感器202上分布有多个传感单元，多个传感单元能够同时区分出传感单元所处环境，通过每个温度采集芯片108的唯一地址码得到温度采集芯片108所处的深度位置，从而得到水体与土体的分界面深度信息，最终确定桥梁钢管桩201周边的冲淤深度。
本发明给出一种适用于水下结构为钢管桩201的安装方法。传感器202的传感器外壳106通过铆钉锚固传感器外壳上的安装耳，锚固到钢管桩201上或其上的附着物上。
结合图3，安装方法包括以下几个步骤：
第一步，在钢管桩201需要固定传感器202的位置纵向焊接若干个角钢并在角钢上开孔；
第二步，将若干个传感器202前后对接，将对接后的传感器202通过安装耳112锚固到钢管桩201上；
第三步，向传感器的对接处的注胶孔110内灌注防水密封胶；
第四步，使用平头螺栓从外部旋入螺栓注胶孔111；
第五步，将引线密封引出至水面以上位置；
第六步，锤击钢管桩201，使装有传感器202的钢管桩201插入土中，直至钢管桩201打到指定的标高，完成传感器202的最终的安装。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。。

Claims (5)

1.一种模块化的热桥式冲淤深度传感器，其特征在于，该传感器(202)包括航空插头母头(101)、导线槽(103)、温度采集芯片(104)、加热模块(105)、传感器外壳(106)、前端横隔板(107)、后端横隔板(113)、航空插头公头(108)和密封橡胶法兰(109)；
传感器外壳(106)分别与前端横隔板(107)和后端横隔板(113)密闭连接，形成腔体；前端横隔板(107)上安装三个航空插头母头(101)，后端横隔板(113)上安装三个航空插头公头(108)；传感器外壳(106)内侧安装三个导线槽(103)；所述导线槽用于安装导线，所述导线用于连接航空插头母头(101)与对应的航空插头公头(108)，其中两根导线上均并联有并联温度采集芯片(104)，另一根导线上并联加热模块(105)，每两个温度采集芯片(104)和一个加热模块(105)构成一个传感单元，并排设置在与导线槽方向垂直的直线上；所述加热模块用于向外界环境产生热量，两个温度传感器用于采集经外界环境散失后剩余热量，根据外界环境散热能力的不同确定外界环境；
所述传感器外壳(106)前端部分的内尺寸与后端部分的外尺寸相同，所述密封橡胶法兰(109)设置在前端横隔板(107)上，用于与相邻传感器的传感器外壳后端部分密闭对接；所述传感器外壳(106)前端部分和后端部分分别设置有注胶孔(110)和螺纹注胶孔(111)，用于两个传感器前后端部分的注胶和对接固定。
2.根据权利要求1所述的模块化的热桥式冲淤深度传感器，其特征在于，传感器内部腔体通过三个纵隔板(102)隔离，构成五个独立子腔体，每个传感单元的两个温度采集芯片(104)和一个加热模块(105)分别设置在中间三个子腔体内。
3.根据权利要求1所述的模块化的热桥式冲淤深度传感器，其特征在于，传感器外壳(106)的顶部为圆弧形结构。
4.根据权利要求1或3所述的模块化的热桥式冲淤深度传感器，其特征在于，传感器外壳(106)为铝合金型材。
5.根据权利要求1或3所述的模块化的热桥式冲淤深度传感器，其特征在于，传感器外壳(106)两侧分别安装有安装耳(112)，用于将传感器固定在外部结构上。
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