CN106338256A - 一种水库坝体监测系统的基准点检测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水库坝体监测系统的基准点检测器，它包括检测器壳体、图像检测装置、通孔开关机构和检测控制器，检测器壳体对应的两侧面分别设置有通孔，图像检测装置设置在检测器壳体内两个通孔之间，图像检测装置的箱体上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔；在设有圆孔的图像检测装置两侧与检测器壳体之间分别设置有通孔开关机构，检测控制器设置在检测器壳体内且分别与图像检测装置和通孔开关机构相连。本发明通过设置通孔开关机构实现了检测器壳体的通孔自动开启和关闭，通孔开关机中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变型，检测控制器采用超低功耗的STM8L单片机构成，功耗较低，整个系统满足实际现场要求。

Description

一种水库坝体监测系统的基准点检测器

技术领域

本发明涉及一种水库坝体监测装置，具体地说是一种水库坝体监测系统的基准点检测器。

背景技术

混凝土坝和砌石坝建成蓄水运用后，在水、泥沙、浪、扬压力、温度以及地震等作用下，必然发生变形，严重导致塌陷，案例不胜枚举。大坝安全监测技术是国际关注问题。

大坝结构安全监测系统涉及光学、传感器、电子等多个学科领域，发展经历两个阶段：

1、观测阶段(1891～1964年)，也称原型观测。因为该阶段的监测水平较低，只是对放置在大坝结构上的监测仪器进行人工观察和检测，记录大坝实时状态。

2、安全观测向安全监测转变和发展的阶段(1965年至今)。国内外监测领域逐渐意识到仪器检测的局限性，便对大坝采用人工巡查与仪器观测相结合。其中日本、美国是最早进行巡视检查的国家，随后法国、意大利加拿大以及挪威等国家也都规定必须对大坝进行人工巡检，从而有效的避免了只用观测仪器对大坝进行安全监测的缺陷。但由于人工巡查只能观察大坝表面的变化，而对其内部的复杂结构变化以及安全隐患难以辨别，因此必须发明一种能够随时、随地、及时、高效的反映和检测大坝安全问题的监测技术。60年代后期，国外许多国家对自动监测大坝安全的仪器设备进行研究和制造：日本首先实现了在拱坝上对监测数据进行自动采集；之后，意大利先后实现了垂线仪变形自动监测和集中式采集数据系统；1989年，加拿大将能够进行数据采集、存储、处理、远程以及分析等功能的自动化检测系统安装在大坝上。我国从80年代开始对坝体变形实行监测，也研制了分布式智能检测数据采集系统、无线通信模块以及维护大坝网络安全信息的软件系统。

目前国际上对坝体变形监测采用两种方式：

1、根据基点高程和位置，使用经纬仪、水准仪、电子测距仪或激光准直仪、GPS、智能全站仪等来测量坝体表面标点、觇标处高程和位置变化。可实现测点的三维位移数据测量；

2、在坝体表面安装或埋设一些监测位移的仪器，通常只能测量测点的单项位移数据(水平位移或垂直位移)。常用的位移监测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线仪、多点位移计和应变计等。

就变形监测设备而言，从精度、稳定性、安装工程量、维护、价格等几方面说,能满足各项要求的设备几乎没有。坝体内部位移监测还只能使用传统的单项位移监测设备，需要预先埋设或钻孔安装，施工不便，目前还没有好的替代方法；坝体表面位移使用的三维数据监测设备安装方便、性能稳定、精度高，但受地理环境影响大，安装条件受到限制，且成本高。

由此，研发一种不受地理环境影响，响应时间快，测量精度高，可实现自校准，便于实现智能数字化管理的坝体变形自动监测系统意义重大。

发明专利《水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法》[专利号ZL201410450657.8]和《水库坝体沉陷与水平位移监测系统》[专利号ZL201410450695.3]详细阐述了基于激光原理监测坝体变形的原理和方法。关键技术是利用激光光束通过观测点的“十字架”折射产生清晰图形获取纵轴的特征值—弦长及截距来推算坝体变形程度。系统包括监测控制器和集中管理器，集中管理器设置在坝体外坚固端，激光经发射和直射到若干个等间距的监测点，并在每个监测点处分别设置一个基准点监测器，如图1所示。工作时上位机给基准点监测器发生一系列控制命令，在得到各监测器总允许情况下开启激光发生器，同时给监测器发射拍摄图像指令。经图像处理完毕将特征值存入EEPROM，等待上位机有关命令。集中管理器与上位机可实现GPRS或RS485数据通讯，将坝体变形数据进行统计分析即可实现数字化智能安全管理，防患于未然，避免坝体塌陷等事故发生。

但是，在上述两发明专利中，基准点监测器挡板通过挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构来进行移动和固定，当挡板受到外界冲击时(物体撞击或者大风)，挡板很容易损坏，导致箱体内进水或者灰尘，影响拍照效果无法准确监测水库坝体。

发明内容

针对上述不足，本发明提供了一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其不仅能够有效监测水库坝体情况，而且测量精度高。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，包括检测器壳体、图像检测装置、通孔开关机构和检测控制器，所述检测器壳体对应的两侧面分别设置有通孔，所述图像检测装置设置在检测器壳体内两个通孔之间，所述图像检测装置的箱体上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔，所述的圆孔和通孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；在设有圆孔的图像检测装置两侧与检测器壳体之间分别设置有通孔开关机构，所述检测控制器设置在检测器壳体内，所述检测控制器分别与图像检测装置和通孔开关机构相连；

所述通孔开关机构包括两个遮挡板、挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构，所述两个遮挡板通过挡板伸缩驱动机构相连，且两个遮挡板与图像检测装置设有圆孔的侧面和检测器壳体设有通孔的侧面平行设置，所述遮挡板伸缩驱动机构设置在挡板移动驱动机构上，挡板移动驱动机构固定在检测器壳体的底部，所述的挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构分别与检测控制器相连。

优选地，所述挡板伸缩驱动机构包括滑动底座、第一电机、过渡板和短齿条，所述挡板移动驱动机构包括支架总成、导杆、第二电机、连接板和长齿条，所述滑动底座下端设置有两个平行的滑行通孔，每个平行滑行通孔内设置一根导杆，所述导杆的两端通过固定螺栓固定设置在支架总成的顶部，所述滑动底座的上端设置有第一电机，所述第一电机的输出轴竖直设置，在滑动底座的上端设置有与第一电机的输出轴配合的两个短齿条，每个短齿条的一端分别与位于滑动底座两侧的过渡板固定连接，每个过渡板上固定有一个遮挡板；所述支架总成的底部设置在固定孔，所述第二电机通过连接板固定在支架总成上，第二电机的输出轴水平设置，所述长齿条设置在支架总成的固定架上且与第二电机输出轴上的齿轮相配合，长齿条在第二电机的驱动下进行移动，所述滑动底座的底部固定在长齿条上；所述的第一电机和第二电机的控制端分别与检测控制器连接。

优选地，所述第二电机的输出轴的末端设置有端盖，在端盖内存的第二电机输出轴上设置有垫圈。

优选地，基准点检测器还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关设置在遮挡板的圆周边上且位于遮挡板水平中心线上，所述第二限位开关设置在过渡板面向滑动底座的一侧，所述第一限位开关和第二限位开关的输出端分别与检测控制器连接。

优选地，所述检测器壳体为防水壳体，所述遮挡板采用聚乙烯板。

优选地，所述图像检测装置内设置有反光钢条和摄像装置，所述反光钢条竖直设置在摄像箱体内且与圆孔的中心线垂直；所述摄像装置设置在述摄像箱体内且与检测控制器连接。

优选地，所述摄像装置采用OV2640摄像头。

优选地，所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接。

优选地，基准点检测器还包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板设置在检测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在检测器壳体内，所述充电装置分别与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池与电源模块连接。

优选地，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

本发明的有益效果是：

本发明通过设置通孔开关机构实现了检测器壳体的通孔自动开启和关闭，通孔开关机中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变型，检测控制器采用超低功耗的STM8L单片机构成，功耗较低，整个系统满足实际现场要求。

当进行水库坝体检测时，本发明控制通孔开关机构自动将检测器壳体的通孔打开，使激光穿过通光孔和通孔；当检测完成时，控制通孔开关机构自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

附图说明

图1为现有技术水库坝体监测系统的结构示意图；

图2为本发明所述检测器壳体的结构示意图；

图3为本发明所述检测器壳体的内部结构示意图；

图4为本发明所述图像检测装置的结构示意图；

图5为本发明所述通孔开关机构的立体结构示意图；

图6为本发明所述通孔开关机构的左视图结构示意图；

图7为本发明所述通孔开关机构的前视结构示意图；

图8为本发明所述通孔开关机构的遮挡板与滑动底座的连接示意图；

图9为本发明所述检测控制器的结构示意图；

图10为本发明所述GPRS模块的电路原理图；

图中，1为检测器壳体，2为通孔，3为图像检测装置，31摄像箱体，32为圆孔，33为反光钢条，34为摄像装置，4为检测控制器，5为通孔开关机构；501为滑动底座，502为导杆，503为固定螺栓，504为支架总成，505为固定孔，506为螺钉，507为连接板，508为第二电机，509为齿轮，510为垫圈，511为长齿条，512为端盖，513为第一限位开关，514为遮挡板，515为短齿条，516为轴承端盖，517为第一电机，518为第二限位开关，519为过渡板。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图2至图8所示，本发明的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，它包括检测器壳体1、图像检测装置3、通孔开关机构5和检测控制器4，所述检测器壳体1对应的两侧面分别设置有通孔2，所述图像检测装置3设置在检测器壳体内两个通孔2之间，所述图像检测装置的箱体31上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔32，所述的圆孔32和通孔2的大小相同且它们的中心线在一条直线上；在设有圆孔的图像检测装置两侧与检测器壳体之间分别设置有通孔开关机构5，所述检测控制器4设置在检测器壳体1内，所述检测控制器4分别与图像检测装置3和通孔开关机构5相连。

如图5至图8所示，所述通孔开关机构5包括两个遮挡板14、挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构，所述两个遮挡板14通过挡板伸缩驱动机构相连，且两个遮挡板14与图像检测装置设有圆孔的侧面和检测器壳体设有通孔的侧面平行设置，所述遮挡板伸缩驱动机构设置在挡板移动驱动机构上，挡板移动驱动机构固定在检测器壳体的底部，所述的挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构分别与检测控制器相连。

优选地，所述挡板伸缩驱动机构包括滑动底座501、第一电机517、过渡板519和短齿条515，所述挡板移动驱动机构包括支架总成504、导杆502、第二电机508、连接板507和长齿条511，所述滑动底座501下端设置有两个平行的滑行通孔，每个平行滑行通孔内设置一根导杆502，所述导杆502的两端通过固定螺栓503固定设置在支架总成504的顶部，所述滑动底座501的上端设置有第一电机517，所述第一电机517的输出轴竖直设置，第一电机517与滑动底座之间设置有轴承端盖516，在滑动底座501的上端设置有与第一电机的输出轴配合的两个短齿条515，每个短齿条515的一端分别与位于滑动底座两侧的过渡板519固定连接，每个过渡板519上固定有一个遮挡板514；所述支架总成504的底部设置在固定孔505，所述第二电机508通过连接板507固定在支架总成504上，第二电机508的输出轴水平设置，所述长齿条511设置在支架总成的固定架上且与第二电机输出轴上的齿轮509相配合，长齿条511在第二电机的驱动下进行移动，所述滑动底座的底部通过螺钉506固定在长齿条上；所述的第一电机517和第二电机508的控制端分别与检测控制器4连接。

优选地，所述第二电机的输出轴的末端设置有端盖512，在端盖内存的第二电机输出轴上设置有垫圈510。

优选地，基准点检测器还包括第一限位开关513和第二限位开关518，所述第一限位开关513设置在遮挡板的圆周边上且位于遮挡板水平中心线上，所述第二限位开关518设置在过渡板面向滑动底座的一侧，所述第一限位开关和第二限位开关的输出端分别与检测控制器连接。

本发明的通孔开关机构的工作原理如下：遮挡板514与过渡板519固定在一起，过渡板跟短齿条515相连，短齿条与第一电机517的齿轮咬合在一起。当第一电机工作时，第一电机的齿轮带动短齿条运动，短齿条跟遮挡板通过过渡板连接在一起，从而遮挡板514完成收缩或伸展动作。

在遮挡板514上固定行程开关513和518，当遮挡板移动到指定位置时会触碰行程开关，行程开关会给检测控制器一个信号，检测控制器停止驱动第一电机工作。

遮挡板514、过渡板519、短齿条515以及第一电机17都设置在滑动底座501上，滑动底座通过两根导杆502与支架总成504固定在一起，滑动底座501下方通过螺钉506与长齿条511相连。长齿条跟齿轮509咬合，齿轮跟第二电机8固定在一起。当第二电机转动时，齿轮转动带动长齿条运动，因长齿条与滑动底座相连，从而滑动底座运动，完成滑动底座的收缩与前进。

本发明通孔开关机构的打开阶段：当顶部第一电机反向转动时，第一电机带动短齿条相向运动，使得遮挡板收缩。当收缩到行程开关触碰滑动底座产生动作时，第一电机停止转动，遮挡板停止收缩。同时下部的第二电机正向转动，当第二电机正向转动时，移动滑座按照导杆方向向里运动，这样遮挡板移开，通孔打开。

本发明通孔开关机构的关闭阶段：上电使得下部第二电机反向转动，第二电机转动带动长齿条运动，进而使得滑动底座按照两条导杆的方向向外运动直到遮挡板与通孔处在同一水平方向时停止。此时上部第一电机正向转动，带动短齿条反向运动，遮挡板也反向运动直到遮挡板上的行程开关触碰到箱体内壁产生动作停止，完成关闭通孔动作。

优选地，所述检测器壳体2为防水壳体，所述遮挡板514采用聚乙烯板。增加了检测器壳体的密封性和防水性。

如图4所示，所述图像检测装置内设置有反光钢条33和摄像装置34，所述反光钢条33竖直设置在摄像箱体31内且与圆孔的中心线垂直；所述摄像装置34设置在述摄像箱体内且与检测控制器连接。所述摄像装置优选采用OV2640摄像头。

如图9所示，所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接。

基准点检测器还包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板设置在检测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在检测器壳体内，所述充电装置分别与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池与电源模块连接。

如图10所示，所述无线模块包括GPRS模块，所述所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

在本发明检测系统中，控制器使用STM8L151低功耗单片机，降低系统功耗。同时使用太阳能板和充电锂电池的供电方案，减少能源损耗。单片机可以控制无线模块的电源，周期性的开启关闭无线模块，有利于降低功耗。振动传感器固定在箱体上，与单片机通过导线相连，当箱体因外力发生振动时，振动传感器给单片机一个低电平信号，单片机中断接收后，通过无线模块，将震动报警信号发送到计算机。单片机驱动两个步进电机正转、反转，从而打开或关闭通孔开关机构中遮挡板，在检测时打开激光通路，检测结束后关闭激光通路。两个限位开关与单片机相连，当机构打开或关闭到预定位置时，碰触限位开关，限位开关给单片机一个低电平信号，单片机停止控制步进电机。单片机控制图像检测装置的电源，当需要拍照时，控制其电源打开，使图像检测装置工作，它们通过UART通信，将检测到的坝体变形信息传到STM8L151单片机，单片机再通过无线模块传输到上位机上。整个过程能够自动开启、关闭机构，自动完成检测，自动数据传输，不需要人工参与，极大的方便了工作，节省了成本。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，包括检测器壳体、图像检测装置、通孔开关机构和检测控制器，所述检测器壳体对应的两侧面分别设置有通孔，所述图像检测装置设置在检测器壳体内两个通孔之间，所述图像检测装置的箱体上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔，所述的圆孔和通孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；在设有圆孔的图像检测装置两侧与检测器壳体之间分别设置有通孔开关机构，所述检测控制器设置在检测器壳体内，所述检测控制器分别与图像检测装置和通孔开关机构相连；

所述通孔开关机构包括两个遮挡板、挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构，所述两个遮挡板通过挡板伸缩驱动机构相连，且两个遮挡板与图像检测装置设有圆孔的侧面和检测器壳体设有通孔的侧面平行设置，所述遮挡板伸缩驱动机构设置在挡板移动驱动机构上，挡板移动驱动机构固定在检测器壳体的底部，所述的挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构分别与检测控制器相连。

2.根据权利要求1所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述挡板伸缩驱动机构包括滑动底座、第一电机、过渡板和短齿条，所述挡板移动驱动机构包括支架总成、导杆、第二电机、连接板和长齿条，所述滑动底座下端设置有两个平行的滑行通孔，每个平行滑行通孔内设置一根导杆，所述导杆的两端通过固定螺栓固定设置在支架总成的顶部，所述滑动底座的上端设置有第一电机，所述第一电机的输出轴竖直设置，在滑动底座的上端设置有与第一电机的输出轴配合的两个短齿条，每个短齿条的一端分别与位于滑动底座两侧的过渡板固定连接，每个过渡板上固定有一个遮挡板；所述支架总成的底部设置在固定孔，所述第二电机通过连接板固定在支架总成上，第二电机的输出轴水平设置，所述长齿条设置在支架总成的固定架上且与第二电机输出轴上的齿轮相配合，长齿条在第二电机的驱动下进行移动，所述滑动底座的底部固定在长齿条上；所述的第一电机和第二电机的控制端分别与检测控制器连接。

3.根据权利要求2所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述第二电机的输出轴的末端设置有端盖，在端盖内存的第二电机输出轴上设置有垫圈。

4.根据权利要求3所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，还包括第一限位开关和第二限位开关，所述第一限位开关设置在遮挡板的圆周边上且位于遮挡板水平中心线上，所述第二限位开关设置在过渡板面向滑动底座的一侧，所述第一限位开关和第二限位开关的输出端分别与检测控制器连接。

5.根据权利要求1所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述检测器壳体为防水壳体，所述遮挡板采用聚乙烯板。

6.根据权利要求1所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述图像检测装置内设置有反光钢条和摄像装置，所述反光钢条竖直设置在摄像箱体内且与圆孔的中心线垂直；所述摄像装置设置在述摄像箱体内且与检测控制器连接。

7.根据权利要求6所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述摄像装置采用OV2640摄像头。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述检测控制器包括STM8L 151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L 151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L 151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L 151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L 151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L 151单片机连接，所述电源模块与STM8L 151单片机连接。

9.根据权利要求8所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，还包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板设置在检测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在检测器壳体内，所述充电装置分别与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池与电源模块连接。

10.根据权利要求8所述的一种水库坝体监测系统的基准点检测器，其特征是，所述无线模块包括GPRS模块，所述GPRS模块包括S IM800C模块、S IM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L 151单片机和电源模块连接，所述S IM卡设置在S IM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L 151单片机连接。