CN113587998A - 多功能一体化的智能传感器设备 - Google Patents

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CN113587998A CN202110917724.2A CN202110917724A CN113587998A CN 113587998 A CN113587998 A CN 113587998A CN 202110917724 A CN202110917724 A CN 202110917724A CN 113587998 A CN113587998 A CN 113587998A
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刘慧芬
李忠宝
邓泽森
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Abstract

本发明公开了多功能一体化的智能传感器设备，包括测斜管管体和地址编码器，所述测斜管管体的上方安装有连接挂钩，且连接挂钩的右侧安装有航插头，所述测斜管管体的内部安装有固定托架，且固定托架的上方安装有倾斜传感器，所述固定托架的下方安装有时域反射仪，且时域反射仪的下方安装有探针，所述探针的下方安装有应变传感器，且应变传感器的下方安装有水位计，所述水位计的下方安装有滤水板。本发明设置有连接挂钩，使用连接挂钩进行拼接，在保证硬度和韧性的情况下使得相邻两节测斜管管体在土层挤压下可随土层自由移动，避免因测斜管管体材质过硬而移动不明显，提升了测量的精度，还能满足防水防尘的要求。

Description

多功能一体化的智能传感器设备
技术领域
本发明涉及智能传感器设备技术领域，具体为多功能一体化的智能传感器设备。
背景技术
目前边坡工程、隧道工程和基坑工程等地质灾害的发生与强降雨和人类工程活动密切相关，地质灾害的发生往往是土体和水体综合作用的结果。对于非饱和土，在暴雨条件下，其土体的应力应变和含水率的变化是导致滑坡崩塌泥石流等地质灾害最为关键的因素，目前针对非饱和土在暴雨下沿着土体深度方向实时自动监测土体含水率的传感设备研究鲜见，为此，我们研究一套一体化多功能的地质灾害智能传感器设备，可以综合测定在复杂气象水文条件下，沿着土体深度方向，分段分层量测非饱和土体的应力应变和含水率，以及饱和土体的应力应变和地下水位物理力学指标参数。
现有的传感器只能测量土层表面的含水率，对于深层土层，还没有很好的测量方法，并且使用成本高，通过朗肯土压力计算土压力的结果与实际土体中的压力也会存在着一定的偏差，无法有效的判断土体所处的真实应力状态，很难预判土体是否会产生滑坡、泥石流等现象，另外，由于地下土层环境复杂，传感器埋设回填的过程中，有很大可能会受到永久性损伤，影响测量结果，不能很好的满足人们的使用需求，针对上述情况，在现有的传感器基础上进行技术创新。
发明内容
本发明的目的在于提供多功能一体化的智能传感器设备，以解决上述背景技术中提出现有的传感器只能测量土层表面的含水率，对于深层土层，还没有很好的测量方法，并且使用成本高，通过朗肯土压力计算土压力的结果与实际土体中的压力也会存在着一定的偏差，无法有效的判断土体所处的真实应力状态，很难预判土体是否会产生滑坡、泥石流等现象，另外，由于地下土层环境复杂，传感器埋设回填的过程中，有很大可能会受到永久性损伤，影响测量结果的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：多功能一体化的智能传感器设备，包括测斜管管体和地址编码器，所述测斜管管体的上方安装有连接挂钩，且连接挂钩的右侧安装有航插头，所述测斜管管体的内部安装有固定托架，且固定托架的上方安装有倾斜传感器，所述固定托架的下方安装有时域反射仪，且时域反射仪的下方安装有探针，所述探针的下方安装有应变传感器，且应变传感器的下方安装有水位计，所述水位计的下方安装有滤水板，所述应变传感器的输出端连接有数据采集终端模块，且数据采集终端模块的输出端连接有物联网云平台模块，所述物联网云平台模块的输出端连接有地质灾害预报预警模块。
优选的，所述测斜管管体与连接挂钩之间为焊接连接，且测斜管管体的长度为1m。
优选的，所述探针贯穿于测斜管管体的内部，且探针与测斜管管体外侧紧密贴合。
优选的，所述测斜管管体的内部为密封结构，且测斜管管体与航插头之间为焊接连接。
优选的，所述水位计与测斜管管体的底部之间为螺纹连接，且水位计通过信号线与数据采集终端模块之间为电性连接。
优选的，所述滤水板与测斜管管体的底部之间为螺纹连接，且滤水板设置有两个，并且应变传感器通过信号线与数据采集终端模块之间为电性连接，同时应变传感器设置有四个，所述应变传感器之间通过信号线电性连接，且应变传感器、数据采集终端模块、物联网云平台模块和地质灾害预报预警模块之间通过导线依次构成电性串联连接。
优选的，所述时域反射仪与测斜管管体的内壁之间为螺纹连接，且时域反射仪与探针之间为电性连接。
优选的，所述倾斜传感器与测斜管管体的内壁之间为螺纹连接，且倾斜传感器通过信号线串联与数据采集终端模块之间为电性连接。
优选的，所述数据采集终端模块包括中央控制模块、数据处理模块、Lora无线通讯模块、蓝牙通讯模块、供电模块，所述中央控制模块、数据处理模块、Lora无线通讯模块、蓝牙通讯模块和供电模块之间通过导线构成电性并联连接。
优选的，所述中央控制模块包括微处理器、定位电路、时钟电路和地址编码器，所述微处理器、定位电路、时钟电路和地址编码器之间通过导线构成电性并联连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明设置有连接挂钩，测斜管管体一米一节，使用连接挂钩进行拼接，在拼接处使用轮胎材质的橡胶进行包裹、覆盖，在保证硬度和韧性的情况下使得相邻两节测斜管管体在土层挤压下可随土层自由移动，避免因测斜管管体材质过硬而移动不明显，提升了测量的精度，还能满足防水防尘的要求；时域反射仪的探针做镀铬处理，能有效防止测斜管管体投放于孔洞时侧壁土壤摩擦对探针造成的损伤，同时，也能大大提高探针的耐氧化性；测斜管管体采取分段式设计，每根测斜管管体长度为一米，两端密封，测斜管管体之间的通讯连接使用航插头，以便于安装和拆卸，管内的传感器均使用防水凝剂进行防水处理，避免因测斜管破损进水而使得传感器损坏，另外，由于分段式的独立密封设计，即使某段测斜管管体损坏、进水，也不会干扰到其他测斜管管体，届时只需及时更换损坏的测斜管管体即可，特别的，分段式的独立设计，能根据场景需要拆卸或组装，大大提高测斜管的重复利用率，有效节约成本；
2、本发明设置有每段测斜管的内底部均装有水位计，当测斜管进水后，会自动将水压报警信息通过数据采集终端模块发送至物联网云平台模块，以便管理者能及时对设备进行维护；设备底部的地下水位计，在进水孔处设置了滤水板，可以将大粒径的沙石格挡在进水孔外，在内部空腔设置了另一个滤水板，将内部空间一分为二，滤水板的作用是隔绝小粒径的淤泥质土，防止淤泥等杂志附着在压敏元件上而使其损坏，应变传感器以便及时检测土体应力状态及其实际应力路径条件下应力应变性状数据，并及时传输到数据采集终端模块内，以便于对地质灾害的发生过程进行控制；时域反射仪对土层含水率进行测定，提高土壤介电常数的测定准确度，以助于建立土层含水率和介电常数之间的关系模型；
3、本发明设置有通过分段测量地质灾害一体化监测管的倾斜角，根据每段监测管的倾斜角计算出土体的水平位移，并以此类推，进而计算出下一段监测管所对应的土体位移；该底层传感器设备不具备通讯功能，通过数据采集终端模块实现与物联网云平台模块通讯；微处理器完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，控制整个电路，定位电路用于数据采集终端模块的GPS定位，以便获取设备的位置信息，时钟电路为数据采集终端模块提供可靠的时间，可以准确的设定终端的休眠时间、上传时间，在不需要工作时，让数据采集终端模块处于休眠状态，节省电量，以延长设备的使用时间，该数据采集终端模块可采集甚至个传感器信息，为了区分传感器，需要给每个传感器唯一的地址编码，以便处理器能对传感器及其数据进行可靠识别。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图；
图2为本发明连接挂钩结构示意图；
图3为本发明倾斜传感器结构示意图；
图4为本发明时域反射仪结构示意图；
图5为本发明水位计结构示意图；
图6为本发明工作流程结构示意图；
图7为本发明数据采集终端模块结构示意图；
图8为本发明中央控制模块结构示意图。
图中：1、测斜管管体；2、倾斜传感器；3、连接挂钩；4、航插头；5、固定托架；6、时域反射仪；7、探针；8、应变传感器；9、水位计；10、滤水板；11、数据采集终端模块；12、物联网云平台模块；13、地质灾害预报预警模块；14、中央控制模块；15、数据处理模块；16、Lora无线通讯模块；17、蓝牙通讯模块；18、供电模块；19、微处理器；20、定位电路；21、时钟电路；22、地址编码器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：多功能一体化的智能传感器设备，包括测斜管管体1和地址编码器22，测斜管管体1的上方安装有连接挂钩3，且连接挂钩3的右侧安装有航插头4，测斜管管体1的内部安装有固定托架5，且固定托架5的上方安装有倾斜传感器2，固定托架5的下方安装有时域反射仪6，且时域反射仪6的下方安装有探针7，探针7的下方安装有应变传感器8，且应变传感器8的下方安装有水位计9，水位计9的下方安装有滤水板10，应变传感器8的输出端连接有数据采集终端模块11，且数据采集终端模块11的输出端连接有物联网云平台模块12，物联网云平台模块12的输出端连接有地质灾害预报预警模块13。
本发明中：测斜管管体1与连接挂钩3之间为焊接连接，且测斜管管体1的长度为1m；设置有连接挂钩3，测斜管管体1一米一节，使用连接挂钩3进行拼接，在拼接处使用轮胎材质的橡胶进行包裹、覆盖，在保证硬度和韧性的情况下使得相邻两节测斜管管体1在土层挤压下可随土层自由移动，避免因测斜管管体1材质过硬而移动不明显，提升了测量的精度，还能满足防水防尘的要求。
本发明中：探针7贯穿于测斜管管体1的内部，且探针7与测斜管管体1外侧紧密贴合；时域反射仪6的探针7做镀铬处理，能有效防止测斜管管体1投放于孔洞时侧壁土壤摩擦对探针7造成的损伤，同时，也能大大提高探针7的耐氧化性。
本发明中：测斜管管体1的内部为密封结构，且测斜管管体1与航插头4之间为焊接连接；测斜管管体1采取分段式设计，每根测斜管管体1长度为一米，两端密封，测斜管管体1之间的通讯连接使用航插头4，以便于安装和拆卸，管内的传感器均使用防水凝剂进行防水处理，避免因测斜管破损进水而使得传感器损坏，另外，由于分段式的独立密封设计，即使某段测斜管管体1损坏、进水，也不会干扰到其他测斜管管体1，届时只需及时更换损坏的测斜管管体1即可，特别的，分段式的独立设计，能根据场景需要拆卸或组装，大大提高测斜管的重复利用率，有效节约成本。
本发明中：水位计9与测斜管管体1的底部之间为螺纹连接，且水位计9通过信号线与数据采集终端模块11之间为电性连接；设置有每段测斜管的内底部均装有水位计9，当测斜管进水后，会自动将水压报警信息通过数据采集终端模块11发送至物联网云平台模块12，以便管理者能及时对设备进行维护。
本发明中：滤水板10与测斜管管体1的底部之间为螺纹连接，且滤水板10设置有两个，并且应变传感器8通过信号线与数据采集终端模块11之间为电性连接，同时应变传感器8设置有四个，应变传感器8之间通过信号线电性连接，且应变传感器8、数据采集终端模块11、物联网云平台模块12和地质灾害预报预警模块13之间通过导线依次构成电性串联连接；设备底部的地下水位计9，在进水孔处设置了滤水板10，可以将大粒径的沙石格挡在进水孔外，在内部空腔设置了另一个滤水板10，将内部空间一分为二，滤水板10的作用是隔绝小粒径的淤泥质土，防止淤泥等杂志附着在压敏元件上而使其损坏，应变传感器8以便及时检测土体应力状态及其实际应力路径条件下应力应变性状数据，并及时传输到数据采集终端模块11内，以便于对地质灾害的发生过程进行控制。
本发明中：时域反射仪6与测斜管管体1的内壁之间为螺纹连接，且时域反射仪6与探针7之间为电性连接；时域反射仪6对土层含水率进行测定，提高土壤介电常数的测定准确度，以助于建立土层含水率和介电常数之间的关系模型。
本发明中：倾斜传感器2与测斜管管体1的内壁之间为螺纹连接，且倾斜传感器2通过485信号线串联与数据采集终端模块11之间为电性连接；通过分段测量地质灾害一体化监测管的倾斜角，根据每段监测管的倾斜角计算出土体的水平位移，并以此类推，进而计算出下一段监测管所对应的土体位移。
本发明中：数据采集终端模块11包括中央控制模块14、数据处理模块15、Lora无线通讯模块16、蓝牙通讯模块17、供电模块18，中央控制模块14、数据处理模块15、Lora无线通讯模块16、蓝牙通讯模块17和供电模块18之间通过导线构成电性并联连接；该底层传感器设备不具备通讯功能，通过数据采集终端模块11实现与物联网云平台模块12通讯。
本发明中：中央控制模块14包括微处理器19、定位电路20、时钟电路21和地址编码器22，微处理器19、定位电路20、时钟电路21和地址编码器22之间通过导线构成电性并联连接；微处理器19完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作，控制整个电路，定位电路20用于数据采集终端模块11的GPS定位，以便获取设备的位置信息，时钟电路21为数据采集终端模块11提供可靠的时间，可以准确的设定终端的休眠时间、上传时间，在不需要工作时，让数据采集终端模块11处于休眠状态，节省电量，以延长设备的使用时间，该数据采集终端模块11可采集32甚至64个传感器信息，为了区分传感器，需要给每个传感器唯一的地址编码，以便处理器能对传感器及其数据进行可靠识别。
该多功能一体化的智能传感器设备的工作原理：首先，通过连接挂钩3和航插头4将多个测斜管管体1之间进行连接，供电模块18为数据采集终端模块11供电，然后物联网云平台模块12向数据采集终端模块11发送目标设备采集命令，中央控制模块14内的微处理器19完成收取平台下达的采集命令后，Lora无线通讯模块16将采集命令下达至传感器，同时对传感器供电，然后在外部土体的挤压下，应变传感器8可随监测管的变形而产生相应的信号，每根测斜管首尾两端安装的一个温度补偿片为应变传感器8应变数据补充温度变化，修正温度带来的误差，然后应变传感器8通过信号线向地面上的数据采集终端模块11传输数据，其次，当深层土体发生位移时，测斜管也会同时产生位移，从而引起安装在固定托架5上的倾斜传感器2发生倾斜并传输信号，当倾斜传感器2随土体发生水平方向的相对位移时，倾斜传感器2内的加速度计敏感轴与水平面存在一个θ角，倾斜传感器2会感应倾斜变化并输出与测斜变化相对应的电压信号，然后由倾斜传感器2内的高精度模数转换芯片测量得到电压数值，并将数据传输至数据采集终端模块11，再其次，时域反射仪6发射高频信号通过信号分配器后被分成两路：一路经过延时电缆延迟一段时间后到达相位检测器作为参考信号，另一路通过环形器后沿同轴电缆传播到探头作为测试信号，由于探针7的末端开路，测试信号在此发生反射，反射回去的信号通过环形器，环形器将探针7末端反射回来的信号与人射信号分离，分离后的反射信号也到达相位检测器，相位检测器将反射信号与参考信号之间的相位差转换为与之成比例的直流电压信号，低频部分的模数转换电路将相位检测器和检波器的输出电压数字化并送入微处理器19，微处理器19根据相位差计算出电磁波在探针7上往返传播的时间，从而测定出土层的介电常数，并根据土层含水率标定曲线计算出土层含水率，再然后，地下水经过滤水板10的过滤后与水位计9接触，水位计9即可精确测量出水位计9末端到水面的高度，然后，各个传感器完成数据采集后以串口数据的形式，将数据传输到数据采集终端模块11，数据处理模块15根据地址编码器22给每一个传感器的地址编码将数据转换成适用于物联网通讯的485信号，加入时钟电路21获取的时间信息和定位电路20获取的地址信息，组成16位数据，由数据采集终端模块11将数据发送至物联网云平台模块12，物联网云平台模块12根据数据项地质灾害预报预警模块13传输预警信号，最后，通过蓝牙通讯模块17，实现手机APP连接数据采集终端模块11的蓝牙，在APP上可实时查看监测数据，以及采集终端的设备信息。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.多功能一体化的智能传感器设备，包括测斜管管体（1）和地址编码器（22），其特征在于：所述测斜管管体（1）的上方安装有连接挂钩（3），且连接挂钩（3）的右侧安装有航插头（4），所述测斜管管体（1）的内部安装有固定托架（5），且固定托架（5）的上方安装有倾斜传感器（2），所述固定托架（5）的下方安装有时域反射仪（6），且时域反射仪（6）的下方安装有探针（7），所述探针（7）的下方安装有应变传感器（8），且应变传感器（8）的下方安装有水位计（9），所述水位计（9）的下方安装有滤水板（10），所述应变传感器（8）的输出端连接有数据采集终端模块（11），且数据采集终端模块（11）的输出端连接有物联网云平台模块（12），所述物联网云平台模块（12）的输出端连接有地质灾害预报预警模块（13）。
2.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述测斜管管体（1）与连接挂钩（3）之间为焊接连接，且测斜管管体（1）的长度为1m。
3.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述探针（7）贯穿于测斜管管体（1）的内部，且探针（7）与测斜管管体（1）外侧紧密贴合。
4.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述测斜管管体（1）的内部为密封结构，且测斜管管体（1）与航插头（4）之间为焊接连接。
5.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述水位计（9）与测斜管管体（1）的底部之间为螺纹连接，且水位计（9）通过信号线与数据采集终端模块（11）之间为电性连接。
6.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述滤水板（10）与测斜管管体（1）的底部之间为螺纹连接，且滤水板（10）设置有两个，并且应变传感器（8）通过信号线与数据采集终端模块（11）之间为电性连接，同时应变传感器（8）设置有四个，所述应变传感器（8）之间通过信号线电性连接，且应变传感器（8）、数据采集终端模块（11）、物联网云平台模块（12）和地质灾害预报预警模块（13）之间通过导线依次构成电性串联连接。
7.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述时域反射仪（6）与测斜管管体（1）的内壁之间为螺纹连接，且时域反射仪（6）与探针（7）之间为电性连接。
8.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述倾斜传感器（2）与测斜管管体（1）的内壁之间为螺纹连接，且倾斜传感器（2）通过485信号线串联与数据采集终端模块（11）之间为电性连接。
9.根据权利要求1所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述数据采集终端模块（11）包括中央控制模块（14）、数据处理模块（15）、Lora无线通讯模块（16）、蓝牙通讯模块（17）、供电模块（18），所述中央控制模块（14）、数据处理模块（15）、Lora无线通讯模块（16）、蓝牙通讯模块（17）和供电模块（18）之间通过导线构成电性并联连接。
10.根据权利要求9所述的多功能一体化的智能传感器设备，其特征在于：所述中央控制模块（14）包括微处理器（19）、定位电路（20）、时钟电路（21）和地址编码器（22），所述微处理器（19）、定位电路（20）、时钟电路（21）和地址编码器（22）之间通过导线构成电性并联连接。
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