CN110346415A - 基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，包括监测模块、数据处理传送模块、云数据库以及监控中心，其中监测模块设置在水下，且同时兼具原位电学传感单元以及光学传感单元；其中，前述原位电学传感单元获取水土不同介质之间的电阻率差异引起的传导电场变化，前述的光学传感单元获取水土不同介质之间的透射率、反射率差异引起的光强度变化；监测模块实时测量并分析桩柱水土界面位置信息，将分析得到的信息通过数据线传输至数据处理传送模块，数据处理传送模块将收集到的数据基于GPRS技术传输至云数据库，云数据库与监控中心连通，在对数据进行储存和中转后由监控中心实现评估并对使用端发送预警信息；本发明同时具备电学传感单元以及光学传感单元，可以实现多种监测降低误差的产生，保证监测的准确性。

Description

基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，属于水力冲刷的监测设备领域。

背景技术

水工建筑物基础的存在会改变附近原先的水流结构，导致基础周围泥沙运动，从而产生生局部冲刷。局部冲刷会减弱结构物的稳定性，缩短结构物的使用年限，并产生巨大的安全风险。因此，对局部冲刷的监测具有必要性。

预测桥局部冲刷深度是水上建筑物设计的重要依据之一，传统的实时监测方法主要有三种：光电方法、声学方法、电阻率方法。

光学方法，一般采用红外及带红外滤波的三极管组成光电监测装置。仪器由传感器和数据采集记录仪组成，当探杆外有沉积物，仪器反射的红外线就能被光电三极管接受。该方法利用光电监测原理，对沉积物和界面侵蚀监测。但是在侵蚀发生时，水流的污浊度较高，当水中透光率很低时，会影响测试数据的准确性；

声学方法，一般采用声呐高度计测量河床平面高度的变换，数据自动记录和保存，在测量过程中声学测量仪固定在一个支架上，该方法易于实施测量，但是只能在区域中实施监测，当仪器露出水面，则无法实施监测，而测试的垂直范围很小，测量的准确性不高；

电阻率方法，通过探测介质的电阻率探测水土界面，测量准确，但是传统的都要固定在探测杆上，由于安装不稳定，导致探测杆倾斜使测量结果误差大，有时也会被水中异物包裹电极环。

发明内容

本发明提供一种基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，同时具备电学传感单元以及光学传感单元，可以实现多种监测降低误差的产生，保证监测的准确性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，包括监测模块、数据处理传送模块、云数据库以及监控中心，其中监测模块设置在水下，且同时兼具原位电学传感单元以及光学传感单元；

其中，前述原位电学传感单元获取水土不同介质之间的电阻率差异引起的传导电场变化，前述的光学传感单元获取水土不同介质之间的透射率、反射率差异引起的光强度变化；

监测模块实时测量并分析桩柱水土界面位置信息，将分析得到的信息通过数据线传输至数据处理传送模块，数据处理传送模块将收集到的数据基于GPRS技术传输至云数据库，云数据库与监控中心连通，在对数据进行储存和中转后由监控中心实现评估并对使用端发送预警信息；

作为本发明的进一步优选，前述的原位电学传感单元、光学传感单元均安装在同一条防水非导体带内，以一个原位电学传感单元、一个光学传感单元为一组，包括至少一组，且相邻的原位电学传感单元、光学传感单元之间留有距离，防水非导体带贴附于桩柱的侧面，其部分或者全部埋设在泥面以下；

数据处理传送模块包括采集电路、中央控制电路、远程传输电路以及供电电路，采集电路、中央控制电路均封装在同一个箱体内，箱体与桩柱局部冲刷监测点之间有距离；供电电路与建筑物之间有距离；

作为本发明的进一步优选，前述的原位电学传感单元包括电极转换电路、电极环，在防水非导体带外壁沿着轴向均匀开设至少一个环形槽，电极环套设在防水非导体带上且同时卡进环形槽内，电极环通过传输导线同时与电极转换电路、采集电路连通；

光学传感单元包括光线发射器和图像传感器，前述的光线发射器、图像传感器均通过传输导线与供电电路相连通，图像传感器同时通过传输导线与采集电路相连通，前述的图像传感器选用接触式图像传感器；

作为本发明的进一步优选，

电极转换电路包括相连通的开关系统和电压电流转换，电极转换电路的一端与中央控制电路连通，其另一端与电极环连通，为电极环提供不同的电极性；

采集电路包括开关译码器和模拟数字转换器，其包括电极传输接口和光学传输接口，分别用于将电极环和光学模拟量转化为数字量，并通过传输导线与中央控制电路连通；

前述的电极转换电路、光线发射器和图像传感器均密封在防水非导体带内部；电极环位于防水非导体带外侧的部分进行防水密封；

作为本发明的进一步优选，前述的数据处理传送模块基于通用分组无线服务技术与云数据库通信，通过远程传输电路传输监测模块收集的信息；

中央控制电路包括中央处理器，其通过控制电极转换进而控制原位电学传感单元中电极环的带电性，收集原位电学传感单元、光学传感单元得到的数据，并进行预处理，筛选掉异常数据；还包括与中央处理器相连通的存储器件，用于储存由CPU处得到的信息；

供电电路包括相连通的太阳能电池和稳压装置，用于为整个监测模块供电，太阳能电池用于收集、储存电能，稳压装置用于提供具有稳定电压的供电，并通过连接线路连接光学传感单元、电极转换电路及中央控制电路；

数据处理传送模块与采集电路、中央控制电路一同封装在同一箱体中，与桩柱局部冲刷监测点之间有距离；

作为本发明的进一步优选，云数据库具有储存并中转所有由数据处理传送模块传输的信息，使其通过无线网络能被监控中心访问；

作为本发明的进一步优选，监控中心将由云数据库得到的信息通过预设的算法进行识别并发出冲刷预警，同时将预警警报传送至使用端，即PC端、移动端，同时监控中心将由云数据库得到的信息进行转换与保存。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的局部冲刷监测设备具有光学和原位电学双系统，可以实现多种监测进行对比互补，更好的防止监测带来误差，且两个系统独立工作，互不干扰；

2、本发明的局部冲刷监测设备为带状，相对现有的其他设备，其更为廉价，且性能更加稳定，便于安装；

3、本发明的局部冲刷监测设备设置有自动报警系统，防止桩基冲刷太深而带来安全隐患；

4、本发明的局部冲刷监测设备克服实地安装带来的问题，设计为带状，厚度比较薄，几乎可以相对比较粗的桩柱忽略不计，便于实地安装或者实验使用；

5、本发明的局部冲刷监测设备的光学测量方法采用图像传感器，且图像传感器采用接触式图像传感器，测量相对传统的红外光等效果更好，测量误差明显减小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统工作结构图；

图2是本发明的各模块工作系统图；

图3是本发明的防水非导体带结构示意图；

图4是本发明的优选实施例的电阻率和光强度测量及变化示意图，其中，4a为水土界面光强度变化示意图，4b为水土界面电阻率示意图 ；

图5是本发明的优选实施例的桥墩冲刷监测模型图。

图中：1为图像传感器，2为电极环，3为数据接口，4为太阳能电池，5为数据处理传送基站，6为防水非导体带。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图5所示，本发明包括以下特征部件：1为图像传感器，2为电极环，3为数据接口，4为太阳能电池，5为数据处理传送基站，6为防水非导体带。

本发明的一种基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，包括监测模块、数据处理传送模块、云数据库以及监控中心，其中监测模块设置在水下，且同时兼具原位电学传感单元以及光学传感单元；

其中，前述原位电学传感单元获取水土不同介质之间的电阻率差异引起的传导电场变化，前述的光学传感单元获取水土不同介质之间的透射率、反射率差异引起的光强度变化；

图2所示，监测模块实时测量并分析桩柱水土界面位置信息，将分析得到的信息通过数据线传输至数据处理传送模块，数据处理传送模块将收集到的数据基于GPRS技术传输至云数据库，云数据库与监控中心连通，在对数据进行储存和中转后由监控中心实现评估并对使用端发送预警信息；

实施例1：

以室内实验室对局部桩柱冲刷深度建模分析为例，监测模块兼具原位电学传感单元以及光学传感单元，前述的原位电学传感单元、光学传感单元均安装在同一条防水非导体带内，防水非导体带的一端设有数据接口，防水非导体带作为外壳，是一种利用水土不同介质之间的电阻率差异引起的传导电场变化和水土介质的透射率、反射率的差异引起的光强度不同而设计的监测方法；

图3所示，以一个原位电学传感单元、一个光学传感单元为一组，包括至少一组，且相邻的原位电学传感单元、光学传感单元之间留有相同的距离，防水非导体带贴附于桩柱的侧面，其部分或者全部埋设在泥面以下；

前述的原位电学传感单元包括电极环，电极环为铜导线制作，每两个电极环之间的距离为20cm-30cm，在防水非导体带外壁沿着轴向均匀开设至少一个环形槽，电极环套设在防水非导体带上且同时卡进环形槽内，在防水非导体带外壳壁上开设用于穿设传输导线的小孔，传输导线在管腔内将各电极环连通，同时将电极环与电极转换电路相连，用于切换不同电极环的带电性，小孔及防水非导体带通过环氧树脂密封，基于四相电极法，可选择任意的四个连续的电极环构成四相电极用于计算该待测点附近水土介质的电阻率，形成如图4中4b所示的水土界面电阻率示意图；

前述的光学传感单元包括光线发射器和图像传感器，在每两个电极环之间的防水非导体带的内壁上安装图像传感器，同样的，每两个图像安装传感器之间的距离为20cm-30cm；光学传感单元获取水土不同介质之间的透射率、反射率差异引起的光强度变化，形成如图4中4a所示的水土界面光强度变化示意图；

电极转换电路包括相连通的开关系统和电压电流转换，电极转换电路的一端与中央控制电路连通，其另一端与电极环连通，为电极环提供不同的电极性；

采集电路包括开关译码器和模拟数字转换器，其包括电极传输接口和光学传输接口，分别用于将电极环和光学模拟量转化为数字量，并通过传输导线与中央控制电路连通；

中央控制电路包括中央处理器，其用以转换原位电学传感单元中电极环的带电性，收集原位电学传感单元、光学传感单元得到的数据，并进行预处理，筛选掉异常数据；还包括与中央处理器相连通的存储器件，用于储存由CPU处得到的信息；

在防水非导体带的一端设有数据接口，其与中央控制电路连通；供电电路包括相连通的太阳能电池和稳压装置，用于为整个监测模块供电，太阳能电池用于收集、储存电能，稳压装置用于提供具有稳定电压的供电，并通过连接线路连接光学传感单元、电极转换电路及中央控制电路；

前述的电极转换电路、光线发射器和图像传感器均密封在防水非导体带内部；电极环位于防水非导体带外侧的部分进行防水密封，这个防水密封同样采用环氧树脂进行密封；

本优选实施例1中，电极环与图像传感器交叉安装，且两两之间的距离为15cm。

将防水非导体带的贴附在桩柱壁面，也可以预先在桩柱表面开设凹槽，但是需要注意的是，防水非导体带贴设在凹槽内时，需凸出桩柱表面0.5cm且不能密封，这样子的操作使得电导率的测量更为准确；

数据处理传送模块包括采集电路、中央控制电路、远程传输电路以及供电电路，采集电路、中央控制电路均封装在同一个箱体内，箱体与桩柱局部冲刷监测点之间有距离；前述的中央处理器选用STC系列、MSP430系列单片机，前述的远程传输电路选用数据传输单元DTU；电极环通过传输导线同时与电极转换电路、采集电路连通；电极转换电路密封在防水非导体带内部；光线发射器、图像传感器均通过传输导线与供电电路相连通，图像传感器同时通过传输导线与采集电路相连通，前述的图像传感器选用接触式图像传感器；

数据处理传送模块基于通用分组无线服务技术（GPRS，General Packet RadioService ）与云数据库通信，上传监测模块收集的信息；通过硬件电路和软件控制进行数据处理和传送，并且具有保存数据的功能，相当监控软件数据库（由于在实验室使用可以省去云数据库和GPRS，可根据实际需要添加），并且集成电源模块，可以给监测模块提供稳定的工作电压。

云数据库具有储存并中转所有由数据处理传送模块传输的信息，使其通过无线网络能被监控中心访问；并且提供用于进行配置的互联网界面、操作数据库实例，还提供数据备份、恢复、安全管理和其他扩展功能；

监控中心可访问前述云数据库数据，其监控软件采用编程开发；可下载并比对光学和原位电学两种方法得到的数据，对数据进行可靠性评估；可整合并分析不同监测点的数据构建冲刷实时监测模型；可通过预先设计的检错算法识别并发出冲刷预警；可将得到的信息和预警警报发送至PC端和移动端；具备数据转换与保存，历史记录查询与导出等功能；用户可以直接通过电脑用数据线和数据处理传送基站相连，实现实时监测。

通过实施例1，和现有技术比，具有以下优势：

从监测设备本身的体积对局部桩柱冲刷的影响来看，现有设备体积较大，一般安装要外凸桩柱表面较多；对局部冲刷的形成有一定的影响；本申请采用带状设计，贴合桩柱表面，几乎不影响局部冲刷的形成；

从监测设备在恶劣的水环境下时监测结果来看，现有设备受水浑浊度影响比较大，不能及时监测冲刷状况；该设备的原位电学传感器和图像传感器具有互补优势，能及时分辨水土界面，具有实时性；

从监测设备的数据传输基站和终端来看，现有设备一般采用有线传输，易受监测点与终端之间的距离影响，且终端不具有灵活性，该设备可以采用无线传输，终端设备移动具有灵活性；

从监控软件来看，现有设备一般没有专用监控软件或者监控软件没有检错能力等，该监控软件具有专用性，专门为该系统的监测数据设计了检错算法，在一定程度监测结果更加可靠，并且可以查询历史记录。

需要注意的是，防水非导体带采用ABS树脂（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）制作。

实施例2：

图5所示，与在实验室中对局部桩柱冲刷深度建模分析稍微有所不同的地方是，桥墩的直径一般比较大，那么可以在桥墩的圆周壁上安装至少一个监测模块，每个监测模块均与数据处理传送模块连通，监测的数据汇总到一个数据处理传送模块处（即数据处理传送基站），数据处理传送模块采用循环扫描接收的方法同时控制多个监测模块，最后通过GPRS将数据传送到云数据库，用户通过登陆监控软件实时察看数据，并且可以设定报警功能。

在实施例2中，除了具有实例一中的优点之外，还具有：

从监测设备安装来看，现有的声学设备和原位电学设备一般外凸桥墩表面，易受过往船只碰撞的影响，且后期难以维护，该设备采用带状设计，非常薄，外凸桥墩表面较少，几乎可以忽略，不易受过往船只碰撞；

从监测范围来看，现有设备因为造价高昂一般在每个桥墩只安装一个，不能全面的监测桥墩周围的冲刷情况，该设备在不添加数据处理传送基站的条件下，可以根据实际情况多安装几条监测带，可以全方位监测桥梁周围冲刷情况。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：包括监测模块、数据处理传送模块、云数据库以及监控中心，其中监测模块设置在水下，且同时兼具原位电学传感单元以及光学传感单元；

其中，前述原位电学传感单元获取水土不同介质之间的电阻率差异引起的传导电场变化，前述的光学传感单元获取水土不同介质之间的透射率、反射率差异引起的光强度变化；

监测模块实时测量并分析桩柱水土界面位置信息，将分析得到的信息通过数据线传输至数据处理传送模块，数据处理传送模块将收集到的数据基于GPRS技术传输至云数据库，云数据库与监控中心连通，在对数据进行储存和中转后由监控中心实现评估并对使用端发送预警信息。

2.根据权利要求1所述的基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：前述的原位电学传感单元、光学传感单元均安装在同一条防水非导体带内，以一个原位电学传感单元、一个光学传感单元为一组，包括至少一组，且相邻的原位电学传感单元、光学传感单元之间留有距离，防水非导体带贴附于桩柱的侧面，其部分或者全部埋设在泥面以下；

数据处理传送模块包括采集电路、中央控制电路、远程传输电路以及供电电路，采集电路、中央控制电路均封装在同一个箱体内，箱体与桩柱局部冲刷监测点之间有距离；供电电路与建筑物之间有距离。

3.根据权利要求2所述的基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：前述的原位电学传感单元包括电极转换电路、电极环，在防水非导体带外壁沿着轴向均匀开设至少一个环形槽，电极环套设在防水非导体带上且同时卡进环形槽内，电极环通过传输导线同时与电极转换电路、采集电路连通；

光学传感单元包括光线发射器和图像传感器，前述的光线发射器、图像传感器均通过传输导线与供电电路相连通，图像传感器同时通过传输导线与采集电路相连通，前述的图像传感器选用接触式图像传感器。

4.根据权利要求3所述的基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：

电极转换电路包括相连通的开关系统和电压电流转换，电极转换电路的一端与中央控制电路连通，其另一端与电极环连通，为电极环提供不同的电极性；

采集电路包括开关译码器和模拟数字转换器，其包括电极传输接口和光学传输接口，分别用于将电极环和光学模拟量转化为数字量，并通过传输导线与中央控制电路连通；

前述的电极转换电路、光线发射器和图像传感器均密封在防水非导体带内部；电极环位于防水非导体带外侧的部分进行防水密封。

5.根据权利要求2所述的基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：

前述的数据处理传送模块基于通用分组无线服务技术与云数据库通信，通过远程传输电路传输监测模块收集的信息；

中央控制电路包括中央处理器，其通过控制电极转换进而控制原位电学传感单元中电极环的带电性，收集原位电学传感单元、光学传感单元得到的数据，并进行预处理，筛选掉异常数据；还包括与中央处理器相连通的存储器件，用于储存由CPU处得到的信息；

供电电路包括相连通的太阳能电池和稳压装置，用于为整个监测模块供电，太阳能电池用于收集、储存电能，稳压装置用于提供具有稳定电压的供电，并通过连接线路连接光学传感单元、电极转换电路及中央控制电路；

数据处理传送模块与采集电路、中央控制电路一同封装在同一箱体中，与桩柱局部冲刷监测点之间有距离。

6.根据权利要求1所述的基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：云数据库具有储存并中转所有由数据处理传送模块传输的信息，使其通过无线网络能被监控中心访问。

7.根据权利要求2所述的基于光学和原位电学的桩柱局部冲刷监测系统，其特征在于：监控中心将由云数据库得到的信息通过预设的算法进行识别并发出冲刷预警，同时将预警警报传送至使用端，即PC端、移动端，同时监控中心将由云数据库得到的信息进行转换与保存。