CN203084221U - 一种光纤光栅降雨量监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种基于光纤光栅技术的降雨量监测装置。它包括光纤光栅雨量筒及设置在监测站里的控制单元模块（11）、光纤光栅解调仪（12）、下位机（13）、无线通信模块Ⅰ（14）、无线通讯模块Ⅱ（15）和上位机（16）；从光纤光栅雨量筒里的电动溢水阀（5）引出电缆（9）以及光纤光栅应变传感器（8）引出光缆（10），电缆（9）与控制单元模块（11）连接，光缆（10）与光纤光栅解调仪（12）连接；控制单元模块（11）和解调仪（12）的输出接下位机（13）的输入，下位机（13）输出接无线通信模块Ⅰ（14），无线通讯模块Ⅱ（15）输出接上位机（16）的输入。本实用新型对大气降水能高传感精度、高测量精度、低成本及自动实时监测。
Description
技术领域
本实用新型是一种基于光纤光栅技术的降雨量监测装置，涉及液位的测量和气象学技术领域。
背景技术
大气降水测量是气候变化、地质灾害、洪水灾害预警和环境评估等多方面的重要环节。目前较为常用的降雨量监测技术主要有翻斗式雨量计和虹吸式雨量计。其中翻斗式雨量计原理简单、性能稳定，但翻斗的动态计量误差随雨强变化剧烈变化，这种缺陷是翻斗式雨量计固有的原理和结构上的缺陷，在使用中易受随机因素的影响（如：翻斗室水体残留、翻斗室残留泥沙、风沙影响、翻斗轴承游隙变化及灰尘阻滞使摩擦力变化的影响等），使得翻斗式雨量计测量误差可能超过±10％。虹吸雨量计可以连续记录降水量和降水时间，测量精度高，受雨强变化影响的误差小，但当前普遍使用的虹吸式雨量计为日记型，每天必须更换记录纸，人工测量储水瓶中的虹吸水量进行虹吸订正、人工摘录时段雨量和人工录入计算机，因此，劳动强度很大，这与当前电子信息时代及不相称。
光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性：易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating）是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。
光纤光栅可制成各种传感器件，在传感领域得到广泛应用。与传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有自己独特的优点：（1）传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，适合埋入各种大型结构中，可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等，稳定性、重复性好；（2）与光纤之间存在天然的兼容性，易与光纤连接、光损耗低、光谱特性好、可靠性高；（3）具有非传导性，对被测介质影响小，又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点，适合在恶劣环境中工作；（4）轻巧柔软，可以在一根光纤中写入多个光栅，构成传感阵列，与波分复用和时分复用系统相结合，实现分布式传感；（5）测量信息以波长编码，因而光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接与耦合损耗、光波偏振态变化等因素的影响，具较强的抗干扰能力；（6）高灵敏度、高分辩力。
与广泛使用的布里渊光时域反射计BOTDR相比，光纤光栅传感器的优点有：（1）对测量点能精确定位，分辨率高；（2）成本低；（3）能对传感部分进行加工、封装，使其更适合现场的恶劣环境。
由于这些优点，基于光纤光栅传感技术，开发一套集自动化、测量精度和稳定可靠性等多方面要求的降雨量监测装置，进行高分辨率和实时在线测量，技术优势非常明显。文献调研和专利查新显示，目前还未有用基于光纤光栅传感技术进行大气降水监测的系统。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计一种对大气降水能高传感精度、高测量精度、低成本及自动实时监测的基于光纤光栅传感技术的光纤光栅降雨量监测装置。
基于光纤光栅传感技术的大气降雨自动监测装置如图2所示，该装置主要包括光纤光栅雨量筒及设置在监测站里的控制单元模块11、解调仪12、下位机13、无线通信模块Ⅰ14、无线通讯模块Ⅱ15和上位机16。从光纤光栅雨量筒里的电动溢水阀5引出电缆9以及温度补偿型光纤光栅应变传感器8引出光缆10，电缆9与控制单元模块11连接，光缆10与光纤光栅解调仪12连接；控制单元模块11和解调仪12的输出接下位机13的输入，下位机13输出接无线通信模块Ⅰ14，无线通讯模块Ⅱ15输出接上位机16的输入。
当所监测的区域发生大气降雨时，雨水透过金属网格遮盖1落入不锈钢圆筒2内，并在圆台形承雨器4内汇集，随着雨水的逐渐增加，承雨器4在雨水重力的作用下沿筒壁向下滑动，通过刚性承接杆6将雨水的重力传递到等强度悬臂梁7上，使得悬臂梁7发生垂直方向的纯弯曲，进而引起粘贴其上的光纤光栅应变传感器8发生变形，通过将悬臂梁作为光纤光栅传感器载体，根据材料力学理论，将大气降水的重量转变为施加在悬臂梁自由端的力学荷载，进而转化为光纤光栅传感器的应变。
光纤光栅降雨量监测装置就是间接测量大气降雨量的，利用等强度悬臂梁的受力把雨水的重力转化为梁的应变，进而转化为光纤光栅的布拉格波长变化，利用解调仪检测光纤光栅波长的改变量就可以实现对大气降雨的测量。
所述光纤光栅雨量筒的立体外观图和内部构造图分别如图1、图2所示，其主体为一不锈钢圆筒2，上覆金属网格遮盖1，避免杂物落入雨量筒内，圆筒2的底端外壁安装有排水口3，当大气降水达到雨量筒的最大量程或降雨停止时，排水口会自动打开，将筒内的雨水排除；在雨量筒的内部，能沿筒壁上下自由滑动的圆台形承雨器4通过刚性承接杆6与固定在圆筒内壁上的等强度悬臂梁7自由接触，将一支光纤光栅应变传感器8粘贴在悬臂梁7上，与引至监测站的光缆10连接；在圆台形承雨器4一端侧面上安装电动溢水阀5，与引至监测站的电缆9连接；
所述光纤光栅应变传感器8为温度补偿型光纤光栅应变传感器。
为了实现对大气降水长时间、不间断测量，本监测装置还设置了自动排水的控制单元模块11，可实现对两种情况的自动排水：（1）降雨终止；（2）雨量筒内承纳的雨水体积达到单次测量的最大量程。对于情况（1），当降雨终止后，悬臂梁7的弯曲位移会停止，从而粘贴在壁上的光纤光栅应变传感器8的变形也将趋于稳定，当监测到的应变值的恒定时间超过预设时间后，控制单元模块11会发送一个脉冲信号至承雨器上的电动溢水阀5，控制阀门自动打开，将筒内的雨水排尽后再自动关闭。对于情况（2），当所监测区域发生长时间持续强降雨时，随着雨量筒内雨水的逐渐累积，悬臂梁7的弯曲变形也会逐渐增大，为避免悬臂梁的弯曲变形超过其自身极限值而发生塑性破坏，取悬臂梁变形极限值的85作为该监测装置单次测量的最大量程阈值，一旦监测到的应变值达到该阈值，控制单元模块11也会发送一个脉冲信号至承雨器上的电动溢水阀5，控制阀门自动打开，将筒内的雨水排尽后再自动关闭，继续进行降雨量监测，与此同时，下位机13所采集的应变值中会自动累加一倍阈值。这样，通过对预设时间和应变阈值的判定，就可以实现对降雨终止和雨量筒内承纳的雨水体积达到最大量程两种情况下的自动排水。
大气降雨自动监测装置的原理如图3所示，光纤光栅应变传感器的输出接光纤光栅解调仪的输入，光纤光栅解调仪的输出接下位机的输入；电动溢水阀的输出接控制单元模块的输入，控制单元模块的输出接下位机的输入；下位机的输出接无线通讯模块Ⅰ；无线通讯模块Ⅱ的输出接上位机的输入，上位机的输出接数据信号远程实时接收、数据信号分析与处理和变化曲线动态显示。
大气降雨自动监测装置的电原理如图4所示，光纤光栅应变传感器的PC接头接光纤光栅解调仪的PC端口，光纤光栅解调仪的LAN端口接下位机的LAN端口；电动溢水阀的R232口接控制单元模块的R232，控制单元模块的R232接下位机的R232口；下位机的R232口接GPRS模块的R232口；GPRS模块有GSM天线通过GPRS网络与另一GPRS模块的GSM天线连接，该GPRS模块的R232口接上位机的R232口，上位机的VGA口接显示器的VGA口。
实用新型的效果
本实用新型提出的基于光纤光栅传感技术的降雨量自动监测装置，具有精度高、抗干扰、耐腐蚀、安装简易等特点，易于实现对降雨量的实时在线监测及对监测数据的自动采集和远程传输，相对于翻斗式、虹吸式等传统的大气降水监测技术，提高了监测效率和精度、降低了监测成本。
本实用新型可广泛用于公路、铁路、长输油气管线、水利、电力、地矿等行业部门的地质灾害监测预警，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为雨量筒立体外观图
图2为光纤光栅雨量自动监测装置构成图
图3为光纤光栅雨量自动监测装置原理图
图4为光纤光栅雨量自动监测装置电原理图
其中
1—金属网格遮盖 2—不锈钢圆筒
3—排水口 4—圆台形承雨器
5—电动溢水阀 6—承接杆
7—等强度悬臂梁 8—光纤光栅应变传感器
9—电缆 10—光缆
11—控制单元模块 12—光纤光栅解调仪
13下位机 14-无线通讯模块Ⅰ
15—无线通讯模块Ⅱ 16—上位机
具体实施方式
实施例.本例是一种监测装置，其构成如图1-图4所示。并在甘肃省陇南市成县镡河乡蒲坝河流域、湖北省长阳土家族自治县榔坪镇榔坪河流域分别进行了现场试验，其中蒲坝河流域属于典型的山地暖温带湿润季风气候类型，多年降水量可达800～1000mm，受季风影响，具冬寒、夏热、春秋多绵雨、湿度大、雨量充沛等特点，降水多集中在7～9月，占全年降水量的50～70％。榔坪河流域属于典型的亚热带湿润季风性气候区，多年降水量可在1100～1600mm，日降雨量在100～188mm，最大暴雨量超过200mm/天，降雨主要集中在5～9月，尤以7、8两月最多，降水量约占全年降雨量的70％左右，暴雨的年际变化不大。流域内暴雨较集中，持续时间一般为1～3天。据资料，榔坪河一带设计百年一遇三日暴雨量425.3mm，一日暴雨量318.8mm。降雨量在该地区的分布与高程有关，地势越高，雨量越大。榔坪河中、上游，特别是与流域相邻的堡镇一带为著名的鄂西暴雨中心。
该监测装置分为现场数据采集及传输和远程接收及数据分析系统（如图3所示），具体包括光纤光栅雨量筒、现场监测站、办公室的接收终端(上位机)。雨量筒的立体外观图和内部构造图分别如图1、图2所示，其主体为一不锈钢圆筒2，上覆金属网格遮盖1，避免杂物落入雨量筒内，圆筒2的底端外壁安装有排水口3，当大气降水达到雨量筒的最大量程或降雨停止时，排水口会自动打开，将筒内的雨水排除。在雨量筒的内部，可沿筒壁上下自由滑动的圆台形承雨器4通过刚性承接杆6与固定在圆筒内壁上的等强度悬臂梁7自由接触，将一支温度补偿型光纤光栅应变传感器8粘贴在悬臂梁7上，与引至监测站的光缆10连接；在圆台形承雨器4一端侧面上安装电动溢水阀5，与引至监测站的电缆9连接；在监测站里，电缆9与控制单元模块11连接，光缆10与光纤光栅解调仪12连接，控制单元模块11和解调仪12分别与下位机13连接，下位机13预处理后的数据通过无线通讯模块Ⅰ14传输，无线通讯模块Ⅱ15接收到上位机16，上位机16对预处理后的数据进行处理分析，用上述装置对大气降水进行实时在线的自动监测。
该系统的电原理如图4所示，电动溢水阀5的R232端口用电缆9与控制单元模块11的R232端口连接，控制单元模块11的R232端口连接下位机13的R232端口，同时温度补偿型光纤光栅应变传感器8的PC接头用光缆10与光纤光栅解调仪12SM125的CH1端连接，光纤光栅解调仪12SM125的LAN端口连接下位机13的LAN端口，下位机13的R232端口接GPRS传输模块Ⅰ14西门子MC35i的R232端口，GPRS传输模块Ⅰ14经天线GSM、GPRS网络，被GPRS无线通讯模块Ⅰ15天线GSM接收后由R232接到上位机16的R232，上位机16的输出由VGA端接显示器的VGA端。
温度补偿型光纤光栅应变传感器8的输出信号经光缆10传输至光纤光栅解调仪12，解调仪12解调出光纤光栅传感器的中心波长位移量传输至下位机13，下位机13对数据进行预处理，并将处理后的数据输给GPRS无线通讯模块Ⅰ14，GPRS无线通讯模块Ⅰ14将下位机13计算的各监测量通过公众无线通信网络传输到位于办公室的接收终端，接收终端包括如下2个部分：
（1）GPRS接收模块Ⅱ15，用于接收现场监测站GPRS无线通讯模块Ⅰ14发送的监测数据，并传输给上位机16，也可给现场GPRS无线通讯模块Ⅰ14发送反馈指令；
（2）上位机16及程序，用于下载终端GPRS无线通讯模块Ⅱ15的信号，并调用自编程序对监测数据进行分析处理，并通过显示器将降雨量用图表形式实时显示。
上述监测装置中：
温度补偿型光纤光栅应变传感器：BGK-FBG-4150；
控制单元模块：自主研制；
光纤光栅解调仪：SM125；
GPRS无线通讯模块：西门子MC35i；
上位机和下位机：研华IPC-610；
软件程序：自主开发。
通过甘肃省陇南市成县镡河乡蒲坝河流域、湖北省长阳土家族自治县榔坪镇榔坪河流域两个试验点进行了长时间的监测，本发明所建立的降雨量监测系统，易于对偏远山区的大气降水进行长时间、不间断的实时在线监测，以及对监测数据的自动采集和远程传输、发布，避免了繁琐的人工采集数据，提高了降雨量的监测精度和效率，降低了监测成本，使滑坡、崩塌、泥石流及山洪等地质灾害防护工作的针对性、有效性增高。
Claims (5)
1.一种光纤光栅降雨量监测装置，其特征在于它主要包括光纤光栅雨量筒及设置在监测站里的控制单元模块（11）、光纤光栅解调仪（12）、下位机（13）、无线通信模块Ⅰ（14）、无线通讯模块Ⅱ（15）和上位机（16）；从光纤光栅雨量筒里的电动溢水阀（5）引出电缆（9）以及光纤光栅应变传感器(8)引出光缆(10)，电缆(9)与控制单元模块(11)连接，光缆（10）与光纤光栅解调仪(12)连接；控制单元模块（11）和光纤光栅解调仪（12）的输出接下位机（13）的输入，下位机(13)输出接无线通信模块Ⅰ(14)，无线通讯模块Ⅱ(15)输出接上位机(16)的输入。
2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅降雨量监测装置，其特征在于所述光纤光栅雨量筒的主体为一不锈钢圆筒(2)，上覆金属网格遮盖(1)，圆筒(2)的底端外壁安装有排水口(3)；在雨量筒的内部，能沿筒壁上下自由滑动的圆台形承雨器（4）通过刚性承接杆(6)与固定在圆筒内壁上的等强度悬臂梁(7)自由接触，将一支光纤光栅应变传感器(8)粘贴在悬臂梁(7)上，与引至监测站的光缆(10)连接；在圆台形承雨器(4)一端侧面上安装电动溢水阀(5)，与引至监测站的电缆(9)连接。
3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅降雨量监测装置，其特征在于所述光纤光栅应变传感器(8)为温度补偿型光纤光栅应变传感器。
4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅降雨量监测装置，其特征在于本监测装置还设置有自动排水的控制单元模块(11)，控制单元模块(11)的输出接电动溢水阀（5）。
5.根据权利要求1所述的一种光纤光栅降雨量监测装置，其特征在于光纤光栅降雨监测装置的电原理为：光纤光栅应变传感器的PC接头接光纤光栅解调仪的PC端口，光纤光栅解调仪的LAN端口接下位机的LAN端口；电动溢水阀的R232口接控制单元模块的R232口，控制单元模块的R232口接下位机的R232口；下位机的R232口接第一GPRS模块的R232口；第一GPRS模块有GSM天线通过GPRS网络与第二GPRS模块的GSM天线连接，第二GPRS模块的R232口接上位机的R232口，上位机的VGA口接显示器的VGA口。
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|---|---|---|---|---|
| CN103809223A (zh) * | 2012-11-14 | 2014-05-21 | 中国石油天然气股份有限公司 | 一种光纤光栅降雨量监测方法和装置 |
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