CN202928737U - 孔隙水渗压动态实时监测装置 - Google Patents

Abstract

一种孔隙水渗压动态实时监测装置，包括光栅渗压传感器和监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分、微处理器控制部分、无线发射部分及电源部分。所述光栅解调部分连接有光栅渗压传感器，将光栅传感器的光信号转换为数字信号；微处理器控制部分负责数据采集、存储、显示等功能；电源控制部分控制各电路电源的通断；无线发射部分监测采集的数据通过GSM网络发射到控制中心。本实用新型实现了钻孔、堤坝、管道等孔隙水渗压的自动监测，省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控孔隙水渗压情况，为地质灾害监测预警提供数据支持。

Description

孔隙水渗压动态实时监测装置

技术领域

本实用新型属于光传感技术领域，具体地说是涉及一种孔隙水渗压动态实时监测装置。 

背景技术

我国地质灾害的发生较为频繁，严重威胁着国家财产和人民生命安全，国内一些地质灾害频发区域所发生的滑坡、崩塌、泥石流等灾害造成了巨大经济损失和人身伤亡。而这些地质灾害的发生大多数与灾害体孔隙水渗透压力的变化有关，因此对孔隙水渗透压力的监测是一种有效的地质灾害监测手段，通过对灾害体孔隙水渗透压力的监测，为地质灾害的防治提供可靠的依据，实现灾害预警预报的目的。 

目前可以测量孔隙水渗透压力的仪器品种为电类传感器，普遍存在线性度不高，对电磁的抗干扰能力不强，防水防潮性能差，不能进行长期、实时、在线监测，难以满足灾害监测的需要。由于光栅传感技术具有灵敏度高、体积小、耐高温、防水、防潮、防雷电、抗电磁干扰、传输距离远以及量程大、测值稳定、能进行长期实时在线监测等优点，因此采用光栅传感器技术，研制具有高精度、实时采集和远程传输的孔隙水渗压动态实时监测装置就显得尤为重要。 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种孔隙水渗压动态实时监测装置，该装置实现对钻孔、堤坝、管道等孔隙水渗压的自动监测，省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控孔隙水渗压情况，为地质灾害监测预警提供数据支持。 

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现： 

一种孔隙水渗压动态实时监测装置，其特征在于：此装置由光栅渗压传感 器实用新型1实用新型连接监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分实用新型2实用新型、微处理器控制部分实用新型3实用新型、无线发射部分实用新型4实用新型及电源部分实用新型5实用新型；光栅渗压传感器实用新型1实用新型为独立部分，其光栅渗压传感器的光接头和监测仪器的光输入接头连接；光栅波长解调部分实用新型2实用新型为：由宽带光源实用新型21实用新型连接光环行器实用新型22实用新型，光环行器实用新型22实用新型连接光电转换模块实用新型23实用新型组成；微处理器控制部分实用新型3实用新型为：STM32核心处理单元实用新型31实用新型分别连接有光电转换模块实用新型23实用新型、液晶显示电路实用新型32实用新型、U盘存储电路实用新型33实用新型、时钟电路实用新型34实用新型和2402存储电路实用新型35实用新型；无线发射部分实用新型4实用新型由GPRS无线传输模块组成；电源部分实用新型5实用新型由锂电池实用新型51实用新型连接稳压电路实用新型52实用新型稳压电路实用新型52实用新型连接继电器实用新型53实用新型组成，上述各部分的连接关系如下： 

监测仪器内的宽带光源实用新型21实用新型输出宽带光，此宽带光连接至光环行器实用新型22实用新型的输入口，经光环行器实用新型22实用新型的输出口输出，通过监测仪器面板上的光接口连接至光栅渗压传感器实用新型1实用新型，宽带光被光栅渗压传感器实用新型1实用新型中的光栅反射，此反射光通过监测仪器面板上的光接口连接至光环行器实用新型22实用新型的反射口，光环行器实用新型22实用新型的反射口和光电转换模块实用新型23实用新型连接，光电转换模块实用新型23实用新型将光信号转化为电信号，此电信号连接至STM32核心处理单元实用新型31实用新型、核心处理单元实用新型31实用新型和液晶显示模块实用新型32实用新型、U盘存储电路实用新型33实用新型、时钟电路实用新型34实用新型、2402存储电路实用新型35实用新型、无线发射部分实用新型4实用新型连接，电源部分实用新型5实用新型通过锂电池实用新型51实用新型、稳压电路实用新型52实用新型产生9V、5V、3.3V电压，由继电器实用新型53实用新型控制向监测仪器的各模块电路提供所需电压； 

光电转换模块实用新型23实用新型由相位光栅实用新型231实用新型、光 电探测器实用新型232实用新型、前置放大电路实用新型233实用新型、噪声信号滤波电路实用新型234实用新型、二级放大电路实用新型235实用新型、模数转换电路实用新型236实用新型组成，上述各部分的连接关系如下： 

光电转换模块实用新型23实用新型的输入光信号入射相位光栅实用新型231实用新型，相位光栅实用新型231实用新型将输入光信号按波长分离，分离后的光信号入射光电探测器实用新型232实用新型，光电探测器实用新型232实用新型将光信号转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路实用新型233实用新型进行放大，再通过噪声信号滤波电路实用新型234实用新型，滤除电信号中的共模噪声信号，经二级放大电路实用新型235实用新型放大，二级放大电路实用新型235实用新型的输出电压范围在0~3.0V，满足模数转换电路实用新型236实用新型需要的0~3.0V的电压范围，通过模数转化电路实用新型236实用新型，转换为数字信号。 

本实用新型特点及优点: 

本实用新型所述的孔隙水渗压动态实时监测装置是一种测量精度高、功耗低的地质灾害监测仪器。其实现了对钻孔、堤坝、管道等孔隙水渗压的实时自动监测，省去人工操作的人力成本，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控孔隙水渗压情况；同时实现了监测数据远程传输的功能，为地质灾害监测预警提供数据支持。 

附图说明

图1是本实用新型所述的孔隙水渗压动态实时监测装置的结构框图； 

图中：1、光栅渗压传感器；2、光栅波长解调部分；3、微处理器控制部分；4、无线发射部分；5、电源部分；21、宽带光源；22、光环行器；23、光电转换模块；31、STM32核心处理单元；32、液晶显示模块；33、U盘存储电路；34、时钟电路；35、2402存储电路；51、锂电池；52、稳压电路；53、继电器。 

图2是本实用新型所述的光电转化模块的结构框图； 

图中：231、相位光栅；232、光电探测器；233、前置放大电路；234、噪声信号滤波电路；235、二级放大电路；236、模数转换电路。 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型所述的孔隙水渗压动态实时监测装置，由光栅渗压传感器1和监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分2、微处理器控制部分3、无线发射部分4和电源部分5。 

所述光栅渗压传感器1埋设在监测孔/井中，传感器中含有测量压力的光栅，同时还包含有一支用于测量温度的温补光栅，这支温补光栅用于对光栅渗压传感器的温度进行补偿，剔除环境温度对压力光栅波长的影响，从而使压力测量更精确。 

所述波长解调部分2由宽带光源21、光环行器22、光电转换模块23组成。宽带光源实用新型21实用新型输出波长范围为1525—1565nm的宽带光，经光环行器实用新型22实用新型的输入口输入，再经光环行器实用新型22实用新型的输出口输出，连接至光栅渗压传感器实用新型1实用新型，光光栅渗压传感器扫描，当宽带光中的波长和光栅渗压传感器的中心波长一致时，此中心波长的光被反射，此反射光通过监测仪器面板上的光接头连接至光环行器实用新型22实用新型的反射口，光环行器实用新型22实用新型的反射口和光电转换模块实用新型23实用新型连接，光电转换模块实用新型23实用新型将光信号转化为电信号。 

所述的光电转换模块实用新型23实用新型由相位光栅实用新型231实用新型、光电探测器实用新型232实用新型、前置放大电路实用新型233实用新型、噪声信号滤波电路实用新型234实用新型、二级放大电路实用新型235实用新型、模数转换电路实用新型236实用新型组成，输入光电转换模块实用新型23实用新型的输入光信号入射相位光栅实用新型231实用新型，相位光栅实用新型231实用新型将输入光信号按波长分离，分离后的光信号入射光电探测器实用新型232实用新型，光电探测器实用新型232实用新型将光信号转化为电信 号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路实用新型233实用新型进行放大，再通过噪声信号滤波电路实用新型234实用新型，滤除电信号中的共模噪声信号，经二级放大电路实用新型235实用新型放大，二级放大电路实用新型235实用新型的输出电压范围在0~3.0V，满足模数转换电路实用新型236实用新型需要的0~3.0V的电压范围，通过模数转化电路实用新型236实用新型，转换为数字信号。 

所述微处理器控制部分3由STM32核心处理单元31、液晶显示模块32、U盘存储电路33、及按键输入34组成。STM32核心处理单元31是监测仪器的控制核心，其自带串口1用于采集光电转换模块实用新型23实用新型的光栅波长电信号，将采集的光栅波长和存储在存储电路中的光栅波长对比，将采集的光栅波长和存储在存储电路中的光栅波长对比，分别计算出光栅渗压传感器压力光栅和温补光栅中心波长的偏移，从压力光栅波长的偏移中减去温补光栅波长的偏移，该波长通过温度校正只反映了传感器所处环境的压力，根据该波长和压强之间的对应关系，计算出光栅渗压传感器所处环境的压强，在通过压力和压强的关系，计算出压力；串口2用于控制液晶显示模块实用新型32实用新型，显示人机交互界面及采集的波长信号；串口3用于控制无线发射部分实用新型4实用新型；串口4用于驱动U盘存储电路33，将采集数据存储在U盘中；其自带的时钟用于采集时间的定时；其自带的GPIO的C口驱动2402存储电路，用于存储采集参数、传感器参数及控制中心的IP地址；其GPIO的E口用于控制继电器53。 

所述无线发射部分4由GSM无线传输模块组成，其负责将STM32微控制器采集到的数据通过GPRS网络发射到控制中心，控制中心通过采集软件接收STM32微控制器所发射的数据，从而实现对孔隙水渗压动态实时监测。 

所述电源部分5由锂电池51、稳压电路52、继电器53组成，锂电池51输出12V直流电压，经过稳压电路52产生9V、5V、3.3V电压，通过继电器53的控制向监测仪器的各模块电路提供所需电压，当定时时间到，STM32核心处理单元31输出控制信号，控制继电器关闭，各模块电压加载，进行数据采集、 存储、发射，当采集完成，继电器断开，各模块电压关闭，从而实现数据的自动采集、远程传输。 

所述的孔隙水渗压动态实时监测装置的工作原理为：光栅渗压传感器安装在监测孔/井中，当外界压力发生变化时，光栅渗压传感器的中心波长将发生偏移。监测仪器中的宽带光源输出波长范围为1525—1565nm的宽带光，经光环行器的输出口输出，对光栅渗压传感器进行扫描，当宽带光中的波长和光栅渗压传感器的中心波长一致时，此中心波长的光被反射，此反射光被相位光栅按波长分离，分离后的光信号再由光电探测器转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路进行放大，再通过噪声信号滤波电路滤除电信号中的共模噪声信号，再经二级放大电路放大，输出电压范围在0~3.0V的信号，满足模数转换电路需要的0~3.0V的电压范围，通过模数转化电路转换为数字信号。STM32核心处理单元采集光栅波长电信号，将采集的光栅波长和存储在存储电路中的光栅波长对比，分别计算出光栅渗压传感器压力光栅和温补光栅中心波长的偏移，从压力光栅波长的偏移中减去温补光栅波长的偏移，该波长通过温度校正只反映了传感器所处环境的压力，根据该波长和压强之间的对应关系，计算出光栅渗压传感器所处环境的压强，在通过压力和压强的关系，从而计算出光栅渗压传感器的压力。 

Claims (1)

1.一种孔隙水渗压动态实时监测装置，其特征在于：此装置由光栅渗压传感器（1）连接监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分（2）、微处理器控制部分（3）、无线发射部分（4）及电源部分（5）；光栅渗压传感器（1）为独立部分，其光栅渗压传感器的光接头和监测仪器的光输入接头连接；光栅波长解调部分（2）为：由宽带光源（21）连接光环行器（22），光环行器（22）连接光电转换模块（23）组成；微处理器控制部分（3）为：STM32核心处理单元（31）分别连接有光电转换模块（23）、液晶显示电路（32）、U盘存储电路（33）、时钟电路（34）和2402存储电路（35）；无线发射部分（4）由GPRS无线传输模块组成；电源部分（5）由锂电池（51）连接稳压电路（52），稳压电路（52）连接继电器（53）组成，上述各部分的连接关系如下：

监测仪器内的宽带光源（21）输出宽带光，此宽带光连接至光环行器（22）的输入口，经光环行器（22）的输出口输出，通过监测仪器面板上的光接口连接至光栅渗压传感器（1），宽带光被光栅渗压传感器（1）中的光栅反射，此反射光通过监测仪器面板上的光接口连接至光环行器（22）的反射口，光环行器（22）的反射口和光电转换模块（23）连接，光电转换模块（23）将光信号转化为电信号，此电信号连接至STM32核心处理单元（31）、核心处理单元（31）和液晶显示模块（32）、U盘存储电路（33）、时钟电路（34）、2402存储电路（35）、无线发射部分（4）连接，电源部分（5）通过锂电池（51）、稳压电路（52）产生9V、5V、3.3V电压，由继电器（53）控制向监测仪器的各模块电路提供所需电压；

光电转换模块（23）由相位光栅（231）、光电探测器（232）、前置放大电路（233）、噪声信号滤波电路（234）、二级放大电路（235）、模数转换电路（236）组成，上述各部分的连接关系如下：

光电转换模块（23）的输入光信号入射相位光栅（231），相位光栅（231）将输入光信号按波长分离，分离后的光信号入射光电探测器（232），光电探测器（232）将光信号转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路（233）进行放大，再通过噪声信号滤波电路（234），滤除电信号中的共模噪声信号，经二级放大电路（235）放大，二级放大电路（235） 的输出电压范围在0~3.0V，满足模数转换电路（236）需要的0~3.0V的电压范围，通过模数转化电路（236），转换为数字信号。 

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