CN107246951A - 海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，涉及海洋现场观测技术。本系统是：加速度传感器和波浪压力传感器阵列分别设置于海洋结构物上，测试海洋结构物的加速度和波浪压力；孔隙压力传感器设置于孔隙水压力采集单元内，孔隙水压力采集单元设置于海床地基内，测试海床地基的压力；波浪观测单元、沉降与位移观测单元和传感器单元分别与数据采集及存储单元连接，获取观测数据。本系统能够长期在野外自动高效稳定地采集数据，得到由波浪引起的海床和海洋结构物的动态响应；可为后期海洋结构物的建造和维护提供数据理论支持；且系统内设备简单易得，可统一标准，工业化组装或生产。

Description

海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统

技术领域

本发明涉及海洋现场观测技术，尤其涉及一种海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统。

背景技术

在海洋工程中，海洋结构物一般坐落在海床上，由于海水以及波浪的不断侵蚀和冲击，容易导致海床地基的失稳而使结构物坍塌，或由于巨大的冲击力使海洋结构物被推到，给海上工程和沿海居民带来灾难，所以建立一种海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统意义重大。

申请号为200810229172.0的中国专利申请《海浪雷达观测系统》公开了一种雷达观测系统，应用船载雷达对海面进行扫描，获取海浪的相关参数。

申请号为201010106794.1的中国专利申请《基于InSAR与GPS数据融合的地表三维形变监测方法》公开了一种基于InSAR与GPS数据融合的地表三维形变监测方法，突破了单一监测技术的应用局限，改善了三维形变监测结果的时空分辨率。

但是以上两者都有其监测范围的局限性，都只能针对海洋结构物或者波浪进行单一的监测，不能形成一个系统的监测。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，该系统能够在野外长期高效稳定地采集海洋结构物及海床地基动力响应的数据。

本发明的目的是这样实现的：

本发明设置了传感器单元和孔隙水压力采集单元，对海洋结构物加速度、波浪对结构物的冲击压力以及海床中孔隙水压力进行监测，采集数据全面、精度高，采集时间长，给研究海洋结构物及海床地基波浪动力响应问题提供全面的数据支持。

本发明可在现场长期高效稳定地采集海洋结构物及海床地基动力响应的数据，避免了大量的人力，且采集数据系统化，可为后期的研究工作，以及海洋结构物的设计和维护提供可靠的数据基础。

具体地说：

一、海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统（简称系统）

本系统包括海床地基、海水、海洋结构物和土地基；

设置有电能产生单元、电力存储及管理单元、数据采集及存储单元、波浪观测单元、沉降及位移观测单元、传感器单元和孔隙水压力采集单元；

电能产生单元、电力存储及管理单元、数据采集及存储单元、波浪观测单元和沉降与位移观测单元设置于土地基和/或海洋结构物上；

前后连接的电能产生单元和电力存储及管理单元给系统供电；

传感器单元包括加速度传感器、波浪压力传感器阵列和孔隙压力传感器，加速度传感器和波浪压力传感器阵列分别设置于海洋结构物上，测试海洋结构物的加速度和波浪压力；孔隙压力传感器设置于孔隙水压力采集单元内，孔隙水压力采集单元设置于海床地基内，测试海床地基的压力；

波浪观测单元、沉降与位移观测单元和传感器单元分别与数据采集及存储单元连接，获取观测数据。

二、海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测方法（简称方法）：

本方法包括下列步骤：

①安装

按照系统结构，在海岸的土地基上设置电能产生单元、电力存储及管理单元、数据采集及存储单元、波浪观测单元和沉降与位移观测单元，将孔隙水压力采集单元和孔隙压力传感器组装后压入或者打入海床地基，随后将加速度传感器和波浪压力传感器阵列安装在海洋结构物靠海一侧；

②数据采集

将波浪观测单元和沉降与位移观测单元、传感器单元连线至数据采集及存储单元，电能产生单元和电力存储及管理单元开始工作为数据采集及存储单元、波浪观测单元、沉降与位移观测单元和传感器单元供电，开始进行长期数据采集；

③后期数据收集及处理

后期定期通过外接设备连接至数据采集及存储单元进行数据的收集，再进行

后期处理。

本发明具有下列优点和积极效果：

①依靠太阳能和风能发电及蓄电池储电，绿色环保，不需外部电源；

②避免了工作人员长期在野外作业，能够长期高效稳定地采集数据，后期维护成本低，有较高的经济价值；

③数字信号采集仪可以根据所用传感器的类型采集微电流或微电压信号，也可以针对光纤传感器加装光纤解调器，数据采集单元可以根据用户自己设定的条件，在低频采集和高频采集之间进行采集模式换档；

④孔隙水压力采集单元长度可调节，耐腐蚀。

总之，本系统能够长期在野外自动高效稳定地采集数据，得到由波浪引起的海床和海洋结构物的动态响应；可为后期海洋结构物的建造和维护提供数据理论支持；且系统内设备简单易得，可统一标准，工业化组装或生产。

附图说明

图1是本系统的结构示意图；

图2是孔隙压力采集单元的结构示意图。

图中：

10—电能产生单元，

11—S型垂直轴风力发电机，12—太阳能发电板；

20—电力存储及管理单元，

21—蓄电池，22—电源管理器；

30—数据采集及存储单元，

31—数据采集器，32—存储器；

40—波浪观测单元

50—沉降及位移观测单元

60—传感器单元，

61—加速度传感器，62—波浪压力传感器阵列，

63—孔隙压力传感器；

70—孔隙水压力采集单元，

71—顶盖，

72—空心管，721—顶端小孔，722—小孔，

73—钻头；

A—海床地基；

B—海水；

C—海洋结构物；

D—土地基。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括海床地基A、海水B、海洋结构物C和土地基D；

设置有电能产生单元10、电力存储及管理单元20、数据采集及存储单元30、波浪观测单元40、沉降及位移观测单元50传感器单元60和孔隙水压力采集单元70；

电能产生单元10、电力存储及管理单元20、数据采集及存储单元30、波浪观测单元40和沉降与位移观测单元50设置于土地基D和/或海洋结构物C上；

前后连接的电能产生单元10和电力存储及管理单元20给系统供电；

传感器单元60包括加速度传感器61、波浪压力传感器阵列62和孔隙压力传感器6.3，加速度传感器61和波浪压力传感器阵列62分别设置于海洋结构物C上，测试海洋结构物C的加速度和波浪压力；孔隙压力传感器6.3置于孔隙水压力采集单元70内，孔隙水压力采集单元70设置于海床地基A内，测试海床地基A的压力；

波浪观测单元40、沉降与位移观测单元50和传感器单元60分别与数据采集及存储单元30连接，获取观测数据。

2、功能单元

1）电能产生单元10

电能产生单元10包括S型垂直轴风力发电机11和太阳能发电板12；

其功能是分别通过风力或太阳能发电，给本系统供电。

2）电力存储及管理单元20

电力存储及管理单元20包括相互连接的蓄电池21和电源管理器22；

（1）蓄电池21选用锂电池模块的组数进行串联，标准配置为1kWh，输出电压包括5V、12V和24V；其功能是储存电能；

（2）电源管理器22包括控制器和逆变器；其功能是对蓄电池21进行管理，防止电流过冲过放，避免击穿蓄电池21，对电路有控制保护作用。

3）数据采集及存储单元30

数据采集及存储单元30包括相互连接的数据采集器31和存储器32；

（1）数据采集器31是一种通用件；其功能是采集波浪观测单元40、沉降及位移观测单元50和传感器单元60收集的数据。

（2）存储器32

存储器32是一种通用件；其功能是储存波浪观测单元40、沉降及位移观测单元50和传感器单元60收集的数据。

4）波浪观测单元40

此单元主体引用申请号为200810229172.0的中国专利申请《海浪雷达观测系统》，公开了一种雷达观测系统，应用船载雷达对海面进行扫描，获取海浪的相关参数，但是所获参数由数据采集及存储单元30采集与存储，无原专利中的雷达海浪图像测量记录仪与主控单元。

5）沉降及位移观测单元50

此单元引用申请号为201010106794.1的中国专利申请《基于InSAR与GPS数据融合的地表三维形变监测方法》，公开了一种基于InSAR与GPS数据融合的地表三维形变监测方法，突破了单一监测技术的应用局限，改善了三维形变监测结果的时空分辨率，满足精度的最终输出结果由采集及存储单元30采集与存储。

6）传感器单元60

传感器单元60包括加速度传感器61、波浪压力传感器阵列62和孔隙压力传感器6.3；

（1）加速度传感器61使用量程为2g，精度<2%，长宽都小于50mm；其功能是测量结构物加速度。

（2）波浪压力传感器阵列62使用压力传感器，量程为200-500kPa，精度<1%，直径为50mm或100mm；其功能是将波浪压力信号转化成电信号，继而被数据采集及存储单元30采集。

（3）孔隙压力传感器6.3量程为200-500kPa，精度<1%，直径d<20mm；其功能是将海床中的孔隙水压力信号变成电信号，继而被数据采集及存储单元30采集。

7）孔隙水压力采集单元70

如图2，孔隙水压力采集单元70包括顶盖71、空心管72和钻头73；

从上到下，顶盖71、空心管72和钻头73通过内外螺纹依次连接；

在空心管72上设置有若干小孔722，在空心管72的顶端设置有顶端小孔721，孔隙压力传感器6.3安装在小孔722中，连接线穿过空心管72从顶端小孔721导出，并连接至数据采集及存储单元30。

3、本发明的工作机理

电能产生单元10给整个系统提供电能，波浪观测单元40测量海浪的波高、周期和波速等参数；沉降及位移观测单元50用于监测海洋结构物的沉降和位移；传感器单元60包括加速度传感器61、波浪压力传感器阵列62和孔隙压力传感器6.3，分别监测海洋结构物的加速度、波浪对于海洋结构物的冲击压力和海床中的孔隙水压力；所有数据由数据采集及存储单元30采集并且存储。

Claims (6)

1.一种海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，包括海床地基（A）、海水（B）、海洋结构物（C）和土地基（D）；

其特征在于：

设置有电能产生单元（10）、电力存储及管理单元（20）、数据采集及存储单元（30）、波浪观测单元（40）、沉降及位移观测单元（50）、传感器单元（60）和孔隙水压力采集单元（70）；

电能产生单元（10）、电力存储及管理单元（20）、数据采集及存储单元（30）、波浪观测单元（40）、沉降及位移观测单元（50）设置于土地基（D）和/或海洋结构物（C）上；

前后连接的电能产生单元（10）和电力存储及管理单元（20）给系统供电；

传感器单元（60）包括加速度传感器（61）、波浪压力传感器阵列（62）和孔隙压力传感器（6.3），加速度传感器（61）和波浪压力传感器阵列（62）分别设置于海洋结构物（C）上，测试海洋结构物（C）的加速度和波浪压力；孔隙压力传感器（6.3）设置于孔隙水压力采集单元（70）内，孔隙水压力采集单元（70）设置于海床地基（A）内，测试海床地基（A）的压力；

波浪观测单元（40）、沉降与位移观测单元（50）和传感器单元（60）分别与数据采集及存储单元（30）连接，获取观测数据。

2.按权利要求1所述的海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，其特征在于：

所述的电能产生单元（10）包括S型垂直轴风力发电机（11）和太阳能发电板（12）。

3.按权利要求1所述的海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，其特征在于：

所述的电力存储及管理单元（20）包括相互连接的蓄电池（21）和电源管理器（22）。

4.按权利要求1所述的海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，其特征在于：

所述的数据采集及存储单元（30）包括相互连接的数据采集器（31）和存储器（32）。

5.按权利要求1所述的海洋结构物及海床地基波浪动力响应现场长期观测系统，其特征在于：

所述的孔隙水压力采集单元（70）包括顶盖（71）、空心管（72）和钻头（73）；

从上到下，顶盖（71）、空心管（72）和钻头（73）通过内外螺纹依次连接；

在空心管（72）上设置有若干小孔（722），在空心管（72）的顶端设置有顶端小孔（721），孔隙压力传感器（6.3）安装在小孔（722中），连接线穿过空心管（72）从顶端小孔（721）导出，并连接至数据采集及存储单元（30）。

6.基于权利要求1-5所述系统的观测方法，其特征在于：

①安装

按照系统结构，在海岸的土地基上设置电能产生单元、电力存储及管理单元、数据采集及存储单元、波浪观测单元和沉降与位移观测单元，将孔隙水压力采集单元和孔隙压力传感器组装后压入或者打入海床地基，随后将加速度传感器和波浪压力传感器阵列安装在海洋结构物靠海一侧；

②数据采集

将波浪观测单元和沉降与位移观测单元、传感器单元连线至数据采集及存储单元，电能产生单元和电力存储及管理单元开始工作为数据采集及存储单元、波浪观测单元、沉降与位移观测单元和传感器单元供电，开始进行长期数据采集；

③后期数据收集及处理

后期定期通过外接设备连接至数据采集及存储单元进行数据的收集，再进行

后期处理。