CN108824444B - 一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，包括现场监测端（1）、控制终端（2）和第一无线通讯模块（3）；现场监测端包括电源模块、超声波传感器阵列（12）和核心电控模块；设计以无线方式接收指令和传输数据并以太阳能驱动；克服了传统监测装置体型较大，有线系统数据传输易受深基坑施工干扰、线缆铺设与维护成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便和现场取电困难等问题；基于合成孔径聚焦技术原理设计与之相适应的监测方法，使用超声波阵列对深基坑混凝土材料进行有效无损监测并对数据进行实时无线传输，为工程智能监测分析提供支持。

Description

一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器及监测方法

技术领域

本发明涉及一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器及监测方法，属于深基坑混凝土支撑结构健康监测技术领域。

背景技术

近年来，伴随着我国国民经济快速发展、城市化进程加快和城市扩张，土木工程结构向高空与地下发展。超高层建筑的建造与地下空间的开发，使基坑工程向更深、更大发展成为一种趋势。混凝土材料具有造价低廉、施工方便、变形小等特点，在深基坑支撑中使用广泛。然而受基坑周围工程地质、水文地质条件复杂等不利因素作用，支撑结构失效事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成极大的损失，带来恶劣的社会影响。因此对深基坑混凝土支撑开展实时监测，可以及时发现和定位混凝土损伤，智能评估损伤程度，预警深基坑支撑失效的潜在风险，进而指导深基坑施工进度管理，对保护人民生命财产安全有着积极而重要的意义。

深基坑混凝土支撑监测是基坑施工不可或缺的重要组成部分，然而深基坑工程施工中混凝土支撑垮塌事故的发生率仍相对较高。导致监控措施不能有效预警，主要有以下两方面的原因：首先，现阶段根据现行国家、行业和地方各个层面的基坑监测技术规范(GB50497-2009、JGJ 120-2012和DG/TJ08-61-2010)进行的监测大多采用有线的数据传输方式，存在线缆铺设成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便、维护消耗较多的人力物力、数据传输易受施工影响等问题；其次，基于位移和轴力等宏观特征的深基坑混凝土支撑监测方法存在一定的局限性，目前工程中监测的数据客观存在较大幅度的波动，导致难以选择合理的监测数据阈值作为可靠的预警指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有低成本、小体积、支持工程现场长期部署和数据实时传输特性的深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，包括现场监测端（1）、控制终端（2）和第一无线通讯模块（3）；现场监测端包括电源模块、超声波传感器阵列（12）和核心电控模块，核心电控模块包括第二无线通信天线模块（13），以及依次串联的总控模块（111）、超声波激励信号波形生成模块（112）、超声波激励信号幅值放大模块（113）、多路通断控制模块（114）、超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）、超声波采集信号增益可调节放大模块（116）、超声波采集信号ADC模块（117），且超声波采集信号ADC模块（117）的输出端对接总控模块（111）的控制输入端；

其中，现场监测端中，电源模块为核心电控模块中的各模块进行供电，超声波传感器阵列（12）与多路通断控制模块（114）相连接；超声波传感器阵列（12）设置于深基坑混凝土节点上表面；控制终端（2）与第一无线通讯模块（3）相连接；总控模块（111）与第二无线通信天线模块（13）相连接；控制终端（2）与总控模块（111）之间，通过第一无线通讯模块（3）、第二无线通信天线模块（13）基于无线方式相互通信。

作为本发明的一种优选技术方案：所述超声波激励信号幅值放大模块（113）包括金氧半场效晶体管U5、第十一电阻器R11、第十二电阻器R12、第一二极管D1、第二二极管D2、第六电容C6、第七电容C7和一个六角倒相器U4；其中，超声波激励信号幅值放大模块（113）的输入端对接六角倒相器U4的输入端，六角倒相器U4的输出端分别对接第六电容C6的其中一端、第七电容C7的其中一端，第六电容C6另一端、第十一电阻器R11其中一端、第一二极管D1的正极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的G端四者相连接，第十一电阻器R11另一端、第一二极管D1的负极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的正向供电电压；第七电容C7另一端、第十二电阻器R12其中一端、第二二极管D2的负极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的G端四者相连接，第十二电阻器R12另一端、第二二极管D2的正极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的负向供电电压；金氧半场效晶体管U5的P通道D端与金氧半场效晶体管U5的N通道D端相对接，构成超声波激励信号幅值放大模块（113）的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）包括依次串联的一级滤波模块、二级滤波模块，一级滤波模块的结构与二级滤波模块的结构彼此相同，一级滤波模块的输入端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）的输入端，一级滤波模块的输出端对接二级滤波模块的输入端，二级滤波模块的输出端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）的输出端；一级滤波模块包括第一运放器U1、第一可变数字电阻器R1、第二可变数字电阻器R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电阻器R3、第四电阻器R4；其中，一级滤波模块的输入端对接第一可变数字电阻器R1的其中一端，第一可变数字电阻器R1的另一端、第二可变数字电阻器R2的其中一端、第一电容C1的其中一端三者相对接，第二可变数字电阻器R2的另一端、第一运放器U1的正极输入端、第二电容C2的其中一端三者对接，第二电容C2的另一端接地；第一运放器U1的负极输入端分别对接第三电阻器R3的其中一端、第四电阻器R4的其中一端，第三电阻器R3的另一端连接现场监测端中电源模块的供电电压，第四电阻器R4的另一端、第一运放器U1的输出端、第一电容C1的另一端三者对接，构成一级滤波模块的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述超声波采集信号增益可调节放大模块（116）包括第三运放器U3、第九电阻器R9、第十电阻器R10、第十一可变数字电阻器R11、第五电容C5；其中，超声波采集信号增益可调节放大模块（116）的输入端对接第五电容C5的其中一端，第五电容C5的另一端、第九电阻器R9的其中一端、第三运放器U3的正极输入端三者相对接；第三运放器U3的负极输入端分别对接第十电阻器R10的其中一端、第十一可变数字电阻器R11的其中一端，第九电阻器R9的另一端、第十电阻器R10的另一端分别连接现场监测端中电源模块的供电电压；第三运放器U3的输出端与第十一可变数字电阻器R11的另一端相对接，构成超声波采集信号增益可调节放大模块（116）的输出端。

作为本发明的一种优选技术方案：所述电源模块包括太阳能光伏发电板（14）和充电电池及其保护电路（15）；太阳能光伏发电板（14）的输出端与充电电池及其保护电路（15）的输入端相对接，充电电池及其保护电路（15）的输出端分别对接核心电控模块中的各模块并进行供电。

作为本发明的一种优选技术方案：还包括防水盒（16）、核心电路板（11）和滑轨支架；核心电路板（11）置于防水盒（16）内；所述核心电控模块中的各个模块设置于核心电路板（11）上，且第二无线通信天线模块（13）中的天线置于防水盒（16）的外部；所述充电电池及其保护电路（15）置于防水盒（16）内；所述太阳能光伏发电板（14）通过滑轨支架固定于防水盒（16）的上表面，通过滑轨支架针对太阳能光伏发电板（14）的角度进行调节。

作为本发明的一种优选技术方案：所述防水盒（16）为PC+玻璃纤维阻燃材质制成。

作为本发明的一种优选技术方案：所述超声波传感器阵列（12）包括至少两个超声波传感器，各个超声波传感器均为压电传感器，各个压电传感器分别与所述多路通断控制模块（114）相连接。

作为本发明的一种优选技术方案：所述超声波传感器阵列（12）中各个压电传感器，分别与所设深基坑混凝土节点上表面之间间隙采用凡士林作为耦合剂填充。

与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种基于深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，以深基坑混凝土材料损伤特性实时、有效监测为目的，结合合成孔径聚焦技术原理，有针对性地实现配套监测，能够有效提高监测的稳定性与准确性。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，包括如下步骤：

步骤A，在深基坑混凝土支撑测试断面上表面采用线阵列间距布置各个超声波传感器，形成超声波传感器阵列(12)，且深基坑混凝土支撑测试断面上表面与超声波传感器间隙使用凡士林作为耦合剂填充；

步骤B，终端（2）基于无线通讯模块（3），采用指令将所设计无线超声波阵列传感器从睡眠模式激活，并从长时间和指定时长两种工作模式中选择，设置成功后，无线超声波阵列传感器返回状态确认信息至终端（2）；

步骤C，预实验：总控模块（111）控制超声波传感器阵列(12)在深基坑混凝土支撑表面激励生成超声波，并通过I²C设置超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）中可变数字电阻器R1、R2、R5、R6阻值，使得其低通滤波器的截止频率为超声波中心频率的两倍，并控制各超声波传感器初步采集超声波阵列信号，当超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）中可变数字电阻器阻值设置成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至终端（2）；

步骤D，超声波阵列信号采集参数优化：总控模块（111）通过分析来自超声波采集信号ADC模块（117）的信号幅值与频率特征，以无线指令通过I²C设置超声波采集信号增益可调节放大模块（116）中可变数字电阻器R11的阻值，使得超声波采集信号幅值贴近ADC的60%上限，当超声波采集信号增益可调节放大模块（116）中可变数字电阻器阻值修改成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至终端（2）；

步骤E，超声波阵列信号数据自动实时采集与无线传输：终端（2）通过无线通讯模块（3），采用指令设置无线超声波阵列传感器信号自动采集的时间间隔，无线超声波阵列传感器按合成孔径聚焦技术原理激励与采集超声波阵列信号，即每组次超声波信号采集时，多路通断控制模块(114)控制超声波传感器阵列(12)中任一超声波传感器激励在深基坑混凝土支撑表面产生超声波，并由阵列中其它超声波传感器接收超声波回波信号；随后控制超声波传感器阵列(12)中其余各超声波传感器依次激励产生超声波信号，并由其它超声波传感器接收超声波回波信号；

当超声波传感器阵列(12)中所有超声波传感器均完成一次激励，且实现n-1次采集后，无线超声波阵列探测到的回波信号分别通过ADC模块进行采样，按采集顺序以无线通信方式传输回终端（2），并在无线超声波阵列传感器本地进行数据备份；其中，n为超声波传感器阵列(12)中超声波传感器个数；

步骤F，装置休眠：当无线超声波阵列传感器处于定时长工作模式时，无线超声波阵列传感器完成步骤B中设置的工作时长后自动休眠，并发送状态信息至终端（2），等待下一次激活。

本发明所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器及监测方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，克服了传统监测装置体型较大、检测结果单一、有线系统数据传输易受深基坑施工干扰、线缆铺设与维护成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便和现场取电困难等问题；相应所设计监测方法，无需手动检测，支持在深基坑施工现场长期部署，设备的激活/眠状态可通过终端以指令无线远程控制，数据可自动采集并远程传输，实时反馈回终端；并且信号采集模块的截止频率和增益放大倍数可根据超声波采集信号特征，通过终端以指令无线远程控制，可有效提升采集信号的信噪比，最终提高对深基坑混凝土支撑结构中损伤的敏感度和分辨能力；不仅如此，使用PZT超声波传感器组成线性阵列，进行基于合成孔径聚焦技术原理的超声波信号采集，可以在最大限度不影响深基坑混凝土支撑结构整体性的前提下，探测结构内孔洞与损伤，检测混凝土材料的材质、硬度、钢筋位置等特性；整体装置结构体积小、成本低、结构简单、操作简易，测量方法易于实施。

附图说明

图1为本发明深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器进行深基坑混凝土支撑无损检测示意图；

图2为本发明深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的结构示意图；

图3为本发明深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的模块示意图；

图4为本发明中超声波激励信号幅值放大模块的电路原理图；（113）

图5为本发明中超声波采集信号带通可调节滤波模块的电路原理图；（115）

图6为本发明中超声波采集信号增益可调节放大模块的电路原理图。（116）

其中，1. 现场监测端，2. 控制终端，3. 第一无线通讯模块，4. 深基坑混凝土节点，11. 核心电路板，12. 超声波传感器阵列，13. 第二无线通信天线模块，14. 太阳能光伏发电板，15. 充电电池及其保护电路，16. 防水盒，111. 总控模块，112. 超声波激励信号波形生成模块，113. 超声波激励信号幅值放大模块，114. 多路通断控制模块，115. 超声波采集信号带通可调节滤波模块，116. 超声波采集信号增益可调节放大模块，117. 超声波采集信号ADC模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明所设计一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，实际应用中，如图3所示，具体包括现场监测端（1）、控制终端（2）和第一无线通讯模块（3）；现场监测端包括电源模块、核心电路板（11）、超声波传感器阵列（12）、滑轨支架、防水盒（16）和核心电控模块，核心电控模块包括第二无线通信天线模块（13），以及依次串联的总控模块（111）、超声波激励信号波形生成模块（112）、超声波激励信号幅值放大模块（113）、多路通断控制模块（114）、超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）、超声波采集信号增益可调节放大模块（116）、超声波采集信号ADC模块（117），且超声波采集信号ADC模块（117）的输出端对接总控模块（111）的控制输入端。

针对电源模块，实际应用中，具体设计包括太阳能光伏发电板（14）和充电电池及其保护电路（15）；太阳能光伏发电板（14）的输出端与充电电池及其保护电路（15）的输入端相对接，充电电池及其保护电路（15）的输出端分别对接核心电控模块中的各模块，进行供电；实际应用当中，太阳能光伏发电板（14）输出电压为5V，标准环境下功率不小于5W，并且针对太阳能光伏发电板（14），进一步设计其上表面覆钢化玻璃，背面覆EVA高温压膜，铝合金框架边角接缝灌注高分子密封胶进行防腐、防水处理。对于充电电池及其保护电路（15），设计其容量不小于5000 mAh，输出电压为5V；太阳能光伏发电板（14）与充电电池及其保护电路（15）通过DC 5.5×2.1接口相连。

实际应用中，防水盒（16）采用PC+玻璃纤维阻燃材质制成，防护等级不低于IP65，侧面设置M25防水接头一个，供第二无线通信天线模块（13）伸出，上表面开直径5 mm小孔一个，方便太阳能光伏发电板（14）连接充电电池及其保护电路（15），孔与线缆之间作防水封闭处理；如图2所示，核心电路板（11）置于防水盒（16）内；所述核心电控模块中的各个模块设置于核心电路板（11）上，且第二无线通信天线模块（13）中的天线置于防水盒（16）的外部，实际应用当中，针对第二无线通信天线模块（13），采用SMA接口、频率2.4 GHz、3 dBi增益的弯头天线；所述充电电池及其保护电路（15）置于防水盒（16）内；所述太阳能光伏发电板（14）通过滑轨支架固定于防水盒（16）的上表面，通过滑轨支架针对太阳能光伏发电板（14）的角度进行调节。

核心电路板（11）表面经过洗板水清洁后喷涂PCB板绝缘三防漆一至两遍，一次喷涂干燥后膜的厚度控制在0.1~0.3 mm之间。

其中，现场监测端中，电源模块为核心电控模块中的各模块进行供电，超声波传感器阵列（12）包括至少两个超声波传感器，各个超声波传感器均为压电传感器，各个压电传感器分别与多路通断控制模块（114）相连接；实际应用当中，针对压电传感器的选择，其固有频率控制在20~100 kHz之间，压电传感器个数控制在2~6个之间，采用等间距线列阵排布形式固定于深基坑混凝土节点（4）支撑结构表面；超声波传感器阵列（12）中各个压电传感器设置于深基坑混凝土节点（4）上表面；且超声波传感器阵列（12）中各个压电传感器，分别与所设深基坑混凝土节点（4）上表面之间间隙采用凡士林作为耦合剂填充；控制终端（2）与第一无线通讯模块（3）相连接；总控模块（111）与第二无线通信天线模块（13）相连接；控制终端（2）与总控模块（111）之间，通过第一无线通讯模块（3）、第二无线通信天线模块（13）基于无线方式相互通信。

其中，超声波激励信号波形生成模块（112）通过控制MCU芯片的GPIO管脚高/低电平状态的转换，用以生成电压在0和3.3 V间切换、占空比为50%、频率符合压电式传感器(12)固有频率的PWM信号。优选地，每组PWM信号生成的时间间隔为260 μs，每组PWM信号中波形个数为5-10个(默认5个)。

实际应用中，超声波激励信号幅值放大模块（113）考虑到PWM信号特点，为保证激励信号波形光滑、准确，优选地，设计以MOSFET(型号：AO4612)为核心元器件的激励信号放大电路，由于AO4612模块激活沟道需要的电位差为4.5 V，而输入端只能提供3.3 V的电位差，不满足触发沟道条件，因此在MOSFET放大电路前置一枚六角倒相器U4，将信号预放大，提高电压差到5 V；放大后的信号幅值受外置电池电压控制，可在5-18 V间任意选择。

基于上述，如图4所示，所述超声波激励信号幅值放大模块（113）具体设计包括金氧半场效晶体管U5、第十一电阻器R11、第十二电阻器R12、第一二极管D1、第二二极管D2、第六电容C6、第七电容C7和一个六角倒相器U4，具体采用74LS04型号；其中，超声波激励信号幅值放大模块（113）的输入端对接六角倒相器U4的输入端，六角倒相器U4的输出端分别对接第六电容C6的其中一端、第七电容C7的其中一端，第六电容C6另一端、第十一电阻器R11其中一端、第一二极管D1的正极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的G端四者相连接，第十一电阻器R11另一端、第一二极管D1的负极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的正向供电电压；第七电容C7另一端、第十二电阻器R12其中一端、第二二极管D2的负极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的G端四者相连接，第十二电阻器R12另一端、第二二极管D2的正极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的负向供电电压；金氧半场效晶体管U5的P通道D端与金氧半场效晶体管U5的N通道D端相对接，构成超声波激励信号幅值放大模块（113）的输出端。

超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）实际应用中，选用op-amp(型号：OPA2354)，由一个一阶高通滤波器和一个VCVS四阶单位增益Butterworth低通滤波器串联组成。一阶高通滤波器的目的是消除超声波采集信号中由直流偏移现象造成的波形畸变，优选地，高通滤波器截止频率为159 Hz。四阶低通滤波器的目的是抑制超声波采集信号的旁瓣效应，其通过两个Sallen-Key拓扑的二阶低通滤波器串联实现，优选地，低通滤波器的截止频率为超声波采集信号中心频率的2倍，通过总控模块(111)与可变数字电阻器R1、R2、R5、R6以I2C协议通信，按Butterworth低通滤波器的传递函数改变上述四枚电阻阻值实现。

如图5所示，所述超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）具体设计包括依次串联的一级滤波模块、二级滤波模块，一级滤波模块的结构与二级滤波模块的结构彼此相同，一级滤波模块的输入端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）的输入端，一级滤波模块的输出端对接二级滤波模块的输入端，二级滤波模块的输出端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）的输出端；一级滤波模块包括第一运放器U1、第一可变数字电阻器R1、第二可变数字电阻器R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电阻器R3、第四电阻器R4；其中，一级滤波模块的输入端对接第一可变数字电阻器R1的其中一端，第一可变数字电阻器R1的另一端、第二可变数字电阻器R2的其中一端、第一电容C1的其中一端三者相对接，第二可变数字电阻器R2的另一端、第一运放器U1的正极输入端、第二电容C2的其中一端三者对接，第二电容C2的另一端接地；第一运放器U1的负极输入端分别对接第三电阻器R3的其中一端、第四电阻器R4的其中一端，第三电阻器R3的另一端连接现场监测端中电源模块的供电电压，第四电阻器R4的另一端、第一运放器U1的输出端、第一电容C1的另一端三者对接，构成一级滤波模块的输出端。

实际应用中，超声波采集信号增益可调节放大模块（116）核心op-amp型号为OPA2354，其放大倍数通过总控模块(111)与第十一可变数字电阻器R11以I²C协议通信，改变上述电阻阻值实现。

如图6所示，所述超声波采集信号增益可调节放大模块（116）具体包括第三运放器U3、第九电阻器R9、第十电阻器R10、第十一可变数字电阻器R11、第五电容C5；其中，超声波采集信号增益可调节放大模块（116）的输入端对接第五电容C5的其中一端，第五电容C5的另一端、第九电阻器R9的其中一端、第三运放器U3的正极输入端三者相对接；第三运放器U3的负极输入端分别对接第十电阻器R10的其中一端、第十一可变数字电阻器R11的其中一端，第九电阻器R9的另一端、第十电阻器R10的另一端分别连接现场监测端中电源模块的供电电压；第三运放器U3的输出端与第十一可变数字电阻器R11的另一端相对接，构成超声波采集信号增益可调节放大模块（116）的输出端。

实际应用中，针对总控模块(111)，具体设计应用中，采用MCU微处理器。

将本发明所设计基于深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，应用于实际监测工作当中，具体设计了包括如下步骤的监测方法。

步骤A，如图1所示，将基于深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的现场监测端（1）设置于深基坑混凝土支撑测试断面，在深基坑混凝土支撑测试断面上表面采用线阵列间距布置各个超声波传感器，形成超声波传感器阵列(12)，且深基坑混凝土支撑测试断面上表面与超声波传感器间隙使用凡士林作为耦合剂填充。

步骤B，终端（2）基于无线通讯模块（3），采用指令将所设计无线超声波阵列传感器从睡眠模式激活，并从长时间和指定时长两种工作模式中选择，设置成功后，无线超声波阵列传感器返回状态确认信息至终端（2）。

步骤C，预实验：总控模块（111）控制超声波传感器阵列(12)在深基坑混凝土支撑表面激励生成超声波，并通过I²C设置超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）中可变数字电阻器R1、R2、R5、R6阻值，使得其低通滤波器的截止频率为超声波中心频率的两倍，并控制各超声波传感器初步采集超声波阵列信号，当超声波采集信号带通可调节滤波模块（115）中可变数字电阻器阻值设置成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至终端（2）。

步骤D，超声波阵列信号采集参数优化：总控模块（111）通过分析来自超声波采集信号ADC模块（117）的信号幅值与频率特征，以无线指令通过I²C设置超声波采集信号增益可调节放大模块（116）中可变数字电阻器R11的阻值，使得超声波采集信号幅值贴近ADC的60%上限，当超声波采集信号增益可调节放大模块（116）中可变数字电阻器阻值修改成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至终端（2）。

步骤E，超声波阵列信号数据自动实时采集与无线传输：终端（2）通过无线通讯模块（3），采用指令设置无线超声波阵列传感器信号自动采集的时间间隔，无线超声波阵列传感器按合成孔径聚焦技术原理激励与采集超声波阵列信号，即每组次超声波信号采集时，多路通断控制模块(114)控制超声波传感器阵列(12)中任一超声波传感器激励在深基坑混凝土支撑表面产生超声波，并由阵列中其它超声波传感器接收超声波回波信号；随后控制超声波传感器阵列(12)中其余各超声波传感器依次激励产生超声波信号，并由其它超声波传感器接收超声波回波信号。

当超声波传感器阵列(12)中所有超声波传感器均完成一次激励，且实现n-1次采集后，无线超声波阵列探测到的回波信号分别通过ADC模块进行采样，按采集顺序以无线通信方式传输回终端（2），并在无线超声波阵列传感器本地进行数据备份；其中，n为超声波传感器阵列(12)中超声波传感器个数。

步骤F，装置休眠：当无线超声波阵列传感器处于定时长工作模式时，无线超声波阵列传感器完成步骤B中设置的工作时长后自动休眠，并发送状态信息至终端（2），等待下一次激活。

上述技术方案所设计深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，克服了传统监测装置体型较大、检测结果单一、有线系统数据传输易受深基坑施工干扰、线缆铺设与维护成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便和现场取电困难等问题；相应所设计监测方法，无需手动检测，支持在深基坑施工现场长期部署，设备的激活/眠状态可通过终端以指令无线远程控制，数据可自动采集并远程传输，实时反馈回终端；并且信号采集模块的截止频率和增益放大倍数可根据超声波采集信号特征，通过终端以指令无线远程控制，可有效提升采集信号的信噪比，最终提高对深基坑混凝土支撑结构中损伤的敏感度和分辨能力；不仅如此，使用PZT超声波传感器组成线性阵列，进行基于合成孔径聚焦技术原理的超声波信号采集，可以在最大限度不影响深基坑混凝土支撑结构整体性的前提下，探测结构内孔洞与损伤，检测混凝土材料的材质、硬度、钢筋位置等特性；整体装置结构体积小、成本低、结构简单、操作简易，测量方法易于实施。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (6)

1.一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器包括现场监测端(1)、控制终端(2)和第一无线通讯模块(3)；现场监测端包括电源模块、超声波传感器阵列(12)和核心电控模块，核心电控模块包括第二无线通信天线模块(13)，以及依次串联的总控模块(111)、超声波激励信号波形生成模块(112)、超声波激励信号幅值放大模块(113)、多路通断控制模块(114)、超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)、超声波采集信号增益可调节放大模块(116)、超声波采集信号ADC模块(117)，且超声波采集信号ADC模块(117)的输出端对接总控模块(111)的控制输入端；

其中，现场监测端中，电源模块为核心电控模块中的各模块进行供电，超声波传感器阵列(12)与多路通断控制模块(114)相连接；超声波传感器阵列(12)设置于深基坑混凝土节点上表面；控制终端(2)与第一无线通讯模块(3)相连接；总控模块(111)与第二无线通信天线模块(13)相连接；控制终端(2)与总控模块(111)之间，通过第一无线通讯模块(3)、第二无线通信天线模块(13)基于无线方式相互通信；

所述超声波激励信号幅值放大模块(113)包括金氧半场效晶体管U5、第十一电阻器R11、第十二电阻器R12、第一二极管D1、第二二极管D2、第六电容C6、第七电容C7和一个六角倒相器U4；其中，超声波激励信号幅值放大模块(113)的输入端对接六角倒相器U4的输入端，六角倒相器U4的输出端分别对接第六电容C6的其中一端、第七电容C7的其中一端，第六电容C6另一端、第十一电阻器R11其中一端、第一二极管D1的正极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的G端四者相连接，第十一电阻器R11另一端、第一二极管D1的负极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的正向供电电压；第七电容C7另一端、第十二电阻器R12其中一端、第二二极管D2的负极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的G端四者相连接，第十二电阻器R12另一端、第二二极管D2的正极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的负向供电电压；金氧半场效晶体管U5的P通道D端与金氧半场效晶体管U5的N通道D端相对接，构成超声波激励信号幅值放大模块(113)的输出端；

所述超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)包括依次串联的一级滤波模块、二级滤波模块，一级滤波模块的结构与二级滤波模块的结构彼此相同，一级滤波模块的输入端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)的输入端，一级滤波模块的输出端对接二级滤波模块的输入端，二级滤波模块的输出端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)的输出端；一级滤波模块包括第一运放器U1、第一可变数字电阻器R1、第二可变数字电阻器R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电阻器R3、第四电阻器R4；其中，一级滤波模块的输入端对接第一可变数字电阻器R1的其中一端，第一可变数字电阻器R1的另一端、第二可变数字电阻器R2的其中一端、第一电容C1的其中一端三者相对接，第二可变数字电阻器R2的另一端、第一运放器U1的正极输入端、第二电容C2的其中一端三者对接，第二电容C2的另一端接地；第一运放器U1的负极输入端分别对接第三电阻器R3的其中一端、第四电阻器R4的其中一端，第三电阻器R3的另一端连接现场监测端中电源模块的供电电压，第四电阻器R4的另一端、第一运放器U1的输出端、第一电容C1的另一端三者对接，构成一级滤波模块的输出端；

二级滤波模块包括第二运放器U2、第五可变数字电阻器R5、第六可变数字电阻器R6、第三电容C3、第四电容C4、第七电阻器R7、第八电阻器R8；其中，二级滤波模块的输入端对接第五可变数字电阻器R5的其中一端，第五可变数字电阻器R5的另一端、第六可变数字电阻器R6的其中一端、第三电容C3的其中一端三者相对接，第六可变数字电阻器R6的另一端、第二运放器U2的正极输入端、第四电容C4的其中一端三者对接，第四电容C4的另一端接地；第二运放器U2的负极输入端分别对接第七电阻器R7的其中一端、第八电阻器R8的其中一端，第七电阻器R7的另一端连接现场监测端中电源模块的供电电压，第八电阻器R8的另一端、第二运放器U2的输出端、第三电容C3的另一端三者对接，构成二级滤波模块的输出端；

超声波采集信号增益可调节放大模块(116)包括第三运放器U3、第九电阻器R9、第十电阻器R10、第十一可变数字电阻器R11、第五电容C5；其中，超声波采集信号增益可调节放大模块(116)的输入端对接第五电容C5的其中一端，第五电容C5的另一端、第九电阻器R9的其中一端、第三运放器U3的正极输入端三者相对接；第三运放器U3的负极输入端分别对接第十电阻器R10的其中一端、第十一可变数字电阻器R11的其中一端，第九电阻器R9的另一端、第十电阻器R10的另一端分别连接现场监测端中电源模块的供电电压；第三运放器U3的输出端与第十一可变数字电阻器R11的另一端相对接，构成超声波采集信号增益可调节放大模块(116)的输出端；

所述监测方法包括如下步骤：

步骤A，在深基坑混凝土支撑测试断面上表面采用线阵列间距布置各个超声波传感器，形成超声波传感器阵列(12)，且深基坑混凝土支撑测试断面上表面与超声波传感器间隙使用凡士林作为耦合剂填充；

步骤B，控制终端(2)基于第一无线通讯模块(3)，采用指令将所设计无线超声波阵列传感器从睡眠模式激活，并从长时间和指定时长两种工作模式中选择，设置成功后，无线超声波阵列传感器返回状态确认信息至控制终端(2)；

步骤C，预实验：总控模块(111)控制超声波传感器阵列(12)在深基坑混凝土支撑表面激励生成超声波，并通过I²C设置超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)中可变数字电阻器R1、R2、R5、R6阻值，使得其低通滤波器的截止频率为超声波中心频率的两倍，并控制各超声波传感器初步采集超声波阵列信号，当超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)中可变数字电阻器阻值设置成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至控制终端(2)；

步骤D，超声波阵列信号采集参数优化：总控模块(111)通过分析来自超声波采集信号ADC模块(117)的信号幅值与频率特征，以无线指令通过I²C设置超声波采集信号增益可调节放大模块(116)中可变数字电阻器R11的阻值，使得超声波采集信号幅值贴近超声波采集信号ADC模块(117)所能采集信号幅值上限的60％，当超声波采集信号增益可调节放大模块(116)中可变数字电阻器阻值修改成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至控制终端(2)；

步骤E，超声波阵列信号数据自动实时采集与无线传输：控制终端(2)通过第一无线通讯模块(3)，采用指令设置无线超声波阵列传感器信号自动采集的时间间隔，无线超声波阵列传感器按合成孔径聚焦技术原理激励与采集超声波阵列信号，即每组次超声波信号采集时，多路通断控制模块(114)控制超声波传感器阵列(12)中任一超声波传感器激励在深基坑混凝土支撑表面产生超声波，并由阵列中其它超声波传感器接收超声波回波信号；随后控制超声波传感器阵列(12)中其余各超声波传感器依次激励产生超声波信号，并由其它超声波传感器接收超声波回波信号；

当超声波传感器阵列(12)中所有超声波传感器均完成一次激励，且实现n-1次采集后，超声波传感器阵列(12)探测到的回波信号分别通过超声波采集信号ADC模块(117)进行采样，按采集顺序以无线通信方式传输回控制终端(2)，并在无线超声波阵列传感器本地进行数据备份；其中，n为超声波传感器阵列(12)中超声波传感器个数；

步骤F，装置休眠：当无线超声波阵列传感器处于定时长工作模式时，无线超声波阵列传感器完成步骤B中设置的工作时长后自动休眠，并发送状态信息至控制终端(2)，等待下一次激活。

2.根据权利要求1所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：所述电源模块包括太阳能光伏发电板(14)和充电电池及其保护电路(15)；太阳能光伏发电板(14)的输出端与充电电池及其保护电路(15)的输入端相对接，充电电池及其保护电路(15)的输出端分别对接核心电控模块中的各模块，进行供电。

3.根据权利要求2所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：还包括防水盒(16)、核心电路板(11)和滑轨支架；核心电路板(11)置于防水盒(16)内；所述核心电控模块中的各个模块设置于核心电路板(11)上，且第二无线通信天线模块(13)中的天线置于防水盒(16)的外部；所述充电电池及其保护电路(15)置于防水盒(16)内；所述太阳能光伏发电板(14)通过滑轨支架固定于防水盒(16)的上表面，通过滑轨支架针对太阳能光伏发电板(14)的角度进行调节。

4.根据权利要求3所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：所述防水盒(16)为PC+玻璃纤维阻燃材质制成。

5.根据权利要求1所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：所述超声波传感器阵列(12)包括至少两个超声波传感器，各个超声波传感器均为压电传感器，各个压电传感器分别与所述多路通断控制模块(114)相连接。

6.根据权利要求5所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：所述超声波传感器阵列(12)中各个压电传感器，分别与所设深基坑混凝土节点上表面之间间隙采用凡士林作为耦合剂填充。