CN203688132U

CN203688132U - 基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器及预警系统

Info

Publication number: CN203688132U
Application number: CN201420044520.8U
Authority: CN
Inventors: 丁海涛; 杨成林; 王万林; 陈宁生
Original assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Current assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2024-01-24

Abstract

本实用新型公开了一种基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：包括土壤孔隙水压力传感器全桥电路以及放大电路。本实用新型是通过采用桥式电阻原理的传感器监测孔隙水压力方法，使得传感器体积小、抗干扰能力强，适合在监测泥石流的启动条件下埋设。当降雨时，能够通过监测浅层土壤内的含水量变化来实现预警泥石流灾害和通过分析含水量数据预测和预警泥石流灾害发生。

Description

基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器及预警系统

技术领域

本实用新型涉及一种桥式电阻原理的泥石流孔隙水压力传感器，特别是一种用于泥石流预警监测的桥式电阻原理的泥石流孔隙水压力传感器。

背景技术

2010年8月7日夜至8日凌晨，甘肃甘南藏族自治州舟曲县突发特大泥石流，造成重大人员伤亡和财产损失。从电视中看到的灾难画面让人触目惊心，给我造成了强烈的震撼！图1是2010年8月7日，甘肃舟曲县发生的泥石流灾害，造成死亡1434人，失踪331人。泥石流这个词对于四川人来说毫不陌生。在汶川特大地震极震区，由于受地震影响岩体震裂松动，岩石疏松破碎并诱发了大量的表层滑塌、崩塌、滑坡，致使大量的松散物质堆积在沟道内，为泥石流的形成提供了丰富的物源，使得最近四川频繁发生大型山洪泥石流。

2010年8月13日13时至14日7时，都江堰市龙池镇出现大暴雨，引发特大山洪泥石流灾害，造成16人死亡，66失踪；其后在汶川地震重灾区的映秀、绵竹、北川等都相继发生了严重的泥石流灾害，造成了重大人员伤亡和财产损失，使得地震灾害之后的重建不得不面临二次重建的局面。2010年9月24日，四川地震灾区北川县遭暴雨泥石流袭击，已造成14名群众失踪，唐家山堰塞湖也因泥石流堵塞泄洪槽，水位上升５米，严重危害下游的居民……图2是9月24日北川县遭暴雨泥石流冲毁的家园。2013年4.20四川芦山7.0级地震后，雅安全市共排查出地质灾害隐患点2724处（滑坡1268处，泥石流304处，崩塌653处，不稳定斜坡474处，其他25处），威胁人数18余万人、财产845680.2万元。其中，新增地质灾害隐患点997处，原有地质灾害隐患点1727处（险情加剧点187处）。实践也证明所以监测预警是目前泥石流防灾减灾最有效的手段。

泥石流启动是指在降雨、渗透的作用下，土体因含水量增加、体积收缩、粘土颗粒膨胀而造成孔压上升导致其摩擦力降低，同时土体潜蚀导致粘滞力降低，最终促使土体强度降低并失稳液化产生泥石流的过程。

泥石流要是能预警和进而预报就好了，这样至少能减少人员伤亡！这个想法一直在我脑子里，于是我找到了老师，告诉他我的这个想法。老师鼓励了我，但也告诉我：“泥石流是自然灾害，要预测和预警可不那么容易，首先要学习相关知识。”于是我下决心来收集相关的信息、学习相关的知识。

目前，国内外的泥石流监测预警，主要是采用人工观测、降雨监测、视频和含水量监测来预报、预警泥石流的方法。随着震后泥石流灾害的频发程度，研究人员开始关注地下微观的孔压变化，泥石流的启动和发生是土体内部孔压作用效应。根据研究表明，孔隙水压力变化特征,不同的起动模式下的土体内部孔隙水压力变化特征不同,孔隙水压力的变化可以解释不同泥石流起动模式的机理特征。根据研究结果,可以对不同起动下的泥石流模式进行不同的防治规划,同时结合泥石流起动过程中孔隙水压力的变化，以解释泥石流起动的模式，开展震后泥石流预报而不是预警提供了新型技术手段。

目前，通过监测泥石流沟的边坡土壤的水量和孔隙水压力的双重方法，判定泥石流的启动条件和实现预警和预测是科学界极度关注和处于方兴未艾之势。但是由于孔隙水监测传感器技术问题，制约了孔压监测在泥石流中的应用。据调查，在泥石流研究国内外享有盛名的中国科学院的泥石流专门的研究所，目前，在泥石流边坡孔压监测中，大多采用国内的孔压传感器和进口十分昂贵的美国的孔压传感器和采集设备（一套设备大约10多万美元）。

我们国内生产的孔压传感器，主要对象是应用于水库大坝的渗水监测、滑坡体的孔压监测。通过我们调查，在这些监测中的特点是由于滑坡体较具有深度大，一般在几米到几十米，便于现有的大尺寸孔压传感器埋设。在水库大坝监测中，传感器埋藏深度较深，大坝渗水含水量较大，对传感器灵敏度和尺寸要求不高，一般还是可以满足滑坡和大坝渗透监测的需求。

在泥石流沟的边坡监测中，孔压和泥石流发生的关系和一般边坡提供给泥石流的堆积物的厚度在五十厘米左右，加上，一般这个土壤中的含水量不是很高，至少比大坝渗透时候，大坝的含水量低。在这种较低含水量和浅土层的孔压监测中，对孔压传感器就提出了更高的要求。目前，国内的现有孔压传感器，尺寸大，一般长度在190mm，直径在25mm，量程大、灵敏度低，成本高，基本上不能满足泥石流沟的边坡浅土层监测。由于成本高，也不适合多数量、大量面积埋设。

实用新型内容

针对现有泥石流预警方法存在的问题，本实用新型提供一种用于泥石流监测的应变电阻桥式原理的水压力传感器；本传感器监测震裂坡地土壤中的孔隙水压力，来满足科学家对泥石流的预测和发生实现预警和一步实现预报。

本实用新型是这样实现的，构造一种基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：包括土壤孔隙水压力传感器全桥电路以及放大电路；所述全桥电路包括电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄；

其中电阻R₁和电阻R₃为应变主片；

其中电阻R₂和电阻R₄为匹配电阻；应变电阻构成一个电桥，全桥电路具有电源端U为2、4；输出端U0为1、6和3；所述全桥电路的输出端与放大电路输入端连接。

根据本实用新型所述基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：所述全桥电路为Metrodyne Microsystem Corp电桥芯片。

根据本实用新型所述基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：所述放大电路为Burr-Brown的CMOS仪表差分输入放大器INA55。

一种基于上述泥石流孔隙水压力传感器的震裂坡地泥石流孔隙水压力传感器预警装置系统；其特征在于：包括泥石流孔隙水压力传感器、A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板以及指挥中心监测站；

泥石流孔隙水压力传感器通过导线与A/D数据采集处理板连接；A/D数据采集处理板与Zigbee传输电路板连接；Zigbee传输电路板与指挥中心监测站通过无线通信；

所述指挥中心监测站具有报警系统、232无线收发模块；

其中A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板构成泥石流孔隙水压力传感器的读取电路。

根据权本实用新型所述的预警装置系统；其特征在于：通过太阳能蓄电池分别与A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板以及泥石流孔隙水压力传感器连接。

根据本实用新型所述的预警装置系统；其特征在于：指挥中心监测站设置在泥石流沟的沟口公路旁。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型是通过采用桥式电阻原理的传感器监测孔隙水压力方法，使得传感器体积小、抗干扰能力强，适合在监测泥石流的启动条件下埋设。当降雨时，能够通过监测浅层土壤内的含水量变化来实现预警泥石流灾害和通过分析含水量数据预测和预警泥石流灾害发生。

附图说明

图1土壤孔隙水压力传感器全桥电路示意图

图2土壤孔隙水压力传感器原理图

图3放大器芯片的内部电路原理图

图4放大器芯片的实用电路原理图

图5传感器封装结构图

图6 传感器和读取数据电路及传输系统框图

图7指挥中心监测站实现原理框图

图8现场传感器读取电路及传输实现原理框图

图中：1、传感器透水孔，2、封装冒，3、透水片，4、传感器芯片孔，5、传感器PCB板，6、引出信号线，7、填充硅橡胶。

具体实施方式

下面将结合附图1-9对本实用新型进行详细说明，对本实用新型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。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型在此提供一种基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，包括土壤孔隙水压力传感器全桥电路以及放大电路；所述全桥电路包括电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄；

其中电阻R₁和电阻R₃为应变主片；

所述全桥电路为Metrodyne Microsystem Corp电桥芯片。

所述放大电路为Burr-Brown的CMOS仪表差分输入放大器INA55。

一种上述泥石流孔隙水压力传感器的震裂坡地泥石流孔隙水压力传感器预警装置系统；包括泥石流孔隙水压力传感器、A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板以及指挥中心监测站；

所述指挥中心监测站具有报警系统、232无线收发模块；

所述的预警装置系统；通过太阳能蓄电池分别与A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板以及泥石流孔隙水压力传感器连接。指挥中心监测站设置在泥石流沟的沟口公路旁。

土壤中由于水分的增大，土壤中无水流条件下的高渗透性土，在有自由水情况下，土壤微粒或空隙之间压力就增大。从欧姆定律知道：对于长度L，截面积A，电阻率ρ的导体，其电阻值

Figure DEST_PATH_226376DEST_PATH_IMAGE001

如L、A和ρ则电阻值变化，对上式的全微分

Figure DEST_PATH_324607DEST_PATH_IMAGE002

设半径R为圆柱体，

Figure DEST_PATH_228978DEST_PATH_IMAGE003

带入上式，电阻值的相对变化为

因为

Figure DEST_PATH_748821DEST_PATH_IMAGE004

则有

式中，ε是导体纵向应变，数值一般很小，通常以微应变μС度量。

Figure DEST_PATH_759558DEST_PATH_IMAGE006

E:材料的弹性模量。ν材料泊桑比，一般金属在0.3-0.5。λ是压阻系数，与材料有关。

在上式中，

（1+2ν）ε表示几何尺寸的变化，引起的电阻相对变化量。λEε材料由于电阻率的变化引起电阻值的相对变化；

若定义导体单位纵向应变时，电阻值相对变化量为导体灵敏度系数，则

Figure DEST_PATH_151225DEST_PATH_IMAGE007

显然，愈大，单位纵向应变引起的电阻值相对愈大，说明应变片愈灵敏。目前应变片主要电阻应变片和半导体应变片两类。

选择合适的应变电阻构成一个电桥方式，则可以测得孔隙水压力。

对泥石流边坡土壤监测的需要出发，只要选用合适的桥式电阻应变芯片就可以。通常是在传感器上，安装一个通气管到空气中，增加一个空气比较压力。传感器埋设在土壤中，将埋设点的压力减去空气压力，就是埋设点的孔隙水压力。针对泥石流的边坡土壤孔压监测，由于埋设条件土壤厚度浅、传感器埋设较多等因素，传感器不能做到太大，且灵敏度高等特点，这里采用绝压力测试方法。在实际的监测中，我们将传感器埋入到地下，初始值视为零，我们只关心由于降水渗透到土壤中，非饱和土壤中孔压力△F就可以了。选用了台湾Metrodyne Microsystem Corp公司生产的普通压力芯片用于泥石流边坡土壤的孔压测试。

当选定应变电阻电桥式普通压力芯片后，要应用到实际监测中，还存在以下几个问题：

输出信号小，不适合数据的读取；当该芯片置于空气中测试，输出信号0.86V。要直接读取信号，分辨率和灵敏度低，同时，传感器要长线传输，信号收到衰减。为了提高读取灵敏度，要将信号放大。

下面进行传感器在土壤中防水分析：

由于在传感器中，增加了信号放大电路和具有电桥芯片，同时，芯片的孔压测试孔又不能密封，这时，需要做防水设计封装。

尺寸的限制：在泥石流边坡土壤监测中，至关重要的一个因素就是尺寸不能太大。在设计中，封装要求紧凑。

在考虑上述的因素情况下，开始制作传感器。首先，在一个电路的PCB板上，安装上压力芯片，然后，由于压力芯片是电桥输出的电压信号，选用仪表放大器将信号放大，再经过调试、封装。检测土壤孔隙水压力的过程如图所示。

下面对土壤孔隙水压力传感器的计算分析和参数进行说明：

（1）传感器电桥的电学物理特性分析：为了选择合适的电桥的测试芯片，保证线性、灵敏度和温度指标，在此对电桥的原理计算进行分析。

图中：R₁和R₃为应变主片；R₂和R₄为匹配电阻；ε为轴向应变。见图中，电源端U为2、4；输出端U₀为1、6和3；K为灵敏度。ε*未修正的应变。

桥路输出参数计算如下：

输出灵敏度：U₀/U=（Kε*10³ ）/（2+ Kε*10^-6）mV/V。

非线性： ε/ε*=2ε/ε₁

=1+（Kε^**10^-6 ）/（2- Kε**10^-6）

传感器内部应变片真实发生的应变：ε=（2ε₁*10-₆）/（4-Kε1*10_-6）*10₆。

（2）电桥的标准参数

在此选用了台湾Metrodyne Microsystem Corp电桥芯片。

1）供电直流电压：+5V

2）测量范围：绝压型，0～5.8 psi pressure range

3）测量范围：温度范围 -40℃-85℃

4）驱动电流： 1mA。

5）电阻值： 5k

6）线性度： 0.05 %℃Span

7）温度系数： 0.2%/ ℃

（3）电桥放大器的选择：传感器的电桥电路输出信号小，电桥电路是双端输出，为了和数据采集板接口和提高灵敏度。以前，仪表放大器，一般都是试用分离元件的运算放大器来搭建，这样，调试难度大，同时，精度低。在此选用了美国Burr-Brown（伯尔布朗）的CMOS仪表差分输入放大器INA55，功耗低、漂移小、线性度好等优点。

当电桥芯片的双端输出信号连接到V⁺IN和V^-IN的时候，图中的Ref 和4连接到系统电源地，V⁺连接到系统的电源负。仪表放大器的信号放大倍数由下式决定：

Vout=（V⁺IN-V^-IN）*G+V_ref

上式中G是放大倍数，V_ref参考电压，在本传感器中，V_ref为0。由图3-7可知，本传感器的放大倍数G=10倍。

（4）孔隙水传感器的制作：孔隙水传感器要将电桥芯片和放大器芯片安装在制作在铜箔基板上，按照标准的PCB制作工艺完成，下面将详细介绍每一步的制作过程。

确定传感器PCB板尺寸：首先，要测试好电桥芯片和放大电路的尺寸，以确定PCB板的大小。通过测量放大器芯片及外围电路，放大器PCB1板的尺寸是：24mm*18mm。测量电桥芯片的尺寸后，芯片必须安装在半径为12mm的圆形PCB2板的上。

传感器的防水封装制作：

（1）传感器内部结构安装考虑：为了考虑防水，而且又要能使其压力感应孔能测试到土壤空压力，传感器PCB板应该安装在一个不锈钢的圆筒中。为了测试方便，压力测量芯片的PCB2板和放大器芯片PCB1板相互900夹角。这样，就可以实现防水封装，但又可以满足测试的要求。

（2）传感器封装：不锈钢外套和防水密封帽。

采用316不锈钢，其特点是：

（1）、概要：添加Mo(2~3%) ，优秀的耐点蚀性，高温、蠕变、强度优秀。

（2）、特点：

A、冷轧产品外观光泽度好，漂亮。

B、添加Mo，耐腐蚀性能，特别是耐点蚀性能优。

C 、高温强度优秀。

D、优秀的加工硬化性（加工后弱磁性）。

E、固溶状态无磁性。

F、适用范围：管道用，热交换器，食品工业，化工工业等。

土壤杂质过滤片：采用的一种多孔陶瓷过滤片，其特点：多孔陶瓷过滤材料孔隙率高, 最高可达60% 以上。过滤精度高, 可达011Lm, 适用于各种介质精密过滤。耐酸碱性好。可适用强酸(硫酸, 硝酸,盐酸) , 强碱(氢氯化钠等) 和各种有机溶剂的过滤。机械强度高, 工作压力可达6M Pa , 压差可达1M Pa。过滤元件使用寿命长, 长期使用, 微孔形貌不发生变化。

传感器封装胶：传感器封装胶要求具有良好电绝缘和防水性能。电器封装胶以沥青、天然树脂或合成树脂为主体材料，常温下具有很高粘度，使用时加热以提高流动性，使之便于灌注、浸渍、涂覆。冷却后可以固化，也可以不固化。其特点是不含挥发性溶剂，可用作电器表面保护。这里我主要选用了硅橡胶。硅橡胶具有无味无毒，不怕高温和抵御严寒的特点，在三百摄氏度和零下九十摄氏度时“泰然自若”、“面不改色”，仍不失原有的强度和弹性。硅橡胶还有良好的电绝缘性、耐氧抗老化性、耐光抗老化性以及防霉性、化学稳定性等。由于具有这些优异的性能，硅橡胶在很多领域发挥了广泛的作用。硅橡胶主要分为室温硫化硅橡胶,高温硫化硅橡胶。因此，室温硫化硅橡胶按成分、硫化机理和使用工艺不同可分为三大类型，即单组分室温硫化硅橡胶、双组分缩合型室温硫化硅橡胶和双组分加成型室温硫化硅橡胶。这三种系列的室温硫化硅橡胶各有其特点：单组分室温硫化硅橡胶的优点是使用方便，但深部固化速度较困难；双组分室温硫化硅橡胶的优点是固化时不放热,收缩率很小，不膨胀，无内应力，固化可在内部和表面同时进行，可以深部硫化；加成型室温硫化硅橡胶的硫化时间主要决定于温度。

通过比较，最后选用了日本的KE-1300T硅橡胶，KE-1300T是透明的双组份硅胶，具有高强度、高透明、高撕裂性、手感柔软、粘接力强、收缩率小、可操作时间达5小时等特点，而且固化时不会产生反应副产物，以及固化时的线形收缩率小(仅为0.1%以下)的特性使得KE-1300T很适合用来制作自谐振电感的渗透膜。KE-1300T通过添加10 %的CAT-1600固化剂就可以实现固化，使用很方便。

完成硅橡胶制备之后，接着是将硅橡胶关注到传感器的不锈钢筒内，密封传感器的电路板，这样，就完成了防水处理。

传感器数据读取及数据传输电路：传感器的研究，是本项目最关键的部分，它直接影响到系统的灵敏度和可靠性。有了传感器，但是，传感器的数据要通过读取电路才能显示出来，所以需要设计传感器读取电路和传输电路。

传感器数据读取电路及传输系统：震裂坡地泥石流孔隙水压力传感器研究及预警装置系统主要由三个部分组成，分别是：现场孔隙水压力传感器，A/D数据采集板和Zigbee信息传输和指挥中心监测站（或预警基站）。系统构架如图所示。

下面将分别简要给出每个子模块实现方案。每个子模块的分析将首先给出其实现原理框图，接着会介绍每一部分的实现功能。

指挥中心监测站（预警基站）：采用预警基站，该基站建立在泥石流沟的沟口公路旁。原理框图如图所示。

预警基站（指挥中心监测站）主要完成的功能是监测现场A/D数据采集和处理板发过来的孔隙水压力信号，实时监测所有数据采集点的状况。232无线收发模块和功率放大器根据现场监测与指挥中心监测站的距离来选定制作。一般传输距离可以达到10公里以上甚至是上百公里。在本项目中，监测预警基站与现场数据采集站传输距离选定在100米以内。

传感器读取电路及传输设计：现场传感器读取电路包括高精度A/D转换、Zigbee节点传输电路。

现场传感器读取电路：现场传感器读取电路及传输是本系统的重要模块之一。它肩负起最前端的孔隙水压力信息检测与数据的采集，直接影响到系统的准确性和可靠性。主要完成的功能是实时采集监测点的所需的数据，读入内存，数据处理后，通过短距离的ZigBee无线传输模块传送给预警基站。

数据传输方式的选择：本项目选用了现在工业最常用的无线232数据传送模块。数据采集节点模块是基于低功耗的设计，系统使用一个2000mAH的电池就足够供电3年以上。通过在网上比较，最后选择了XL02-232AP1无线232模块，XL02-232AP1是UART接口半双工无线传输模块，可以工作在433MHz公用频段。符合欧洲ETSI（EN300-220-1和EN301-439-3），满足无线管制要求，无需申请频率使用许可证。

本模块专为用于各种串口之间的无线通讯，如电脑、单片机和各种机器设备串口等，可以直接在原来的有线连接上升级为无线链接，无需额外编程，完全兼容有线通讯串口协议，使用简单方便灵活。其主要性能与特点如下：

1. 1000米传输距离；

2. 工作频率在433－435MHz，（默认433.92MHZ）；

3. 可设置ID：范围0－65535，（默认ID:12345）；

4. 串口速率1.2K---38.4KBPS。(默认9.6KBPS)。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：包括土壤孔隙水压力传感器全桥电路以及放大电路；所述全桥电路包括电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄；

其中电阻R₁和电阻R₃为应变主片；

其中电阻R₂和电阻R₄为匹配电阻；应变电阻构成一个电桥，全桥电路具有电源端及输出端；所述全桥电路的输出端与放大电路输入端连接。

2.根据权利要求1所述基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：所述全桥电路为Metrodyne Microsystem Corp电桥芯片。

3.根据权利要求1所述基于应变电阻的桥式泥石流孔隙水压力传感器，其特征在于：所述放大电路为Burr-Brown的CMOS仪表差分输入放大器INA55。

4.一种基于权利要求1所述泥石流孔隙水压力传感器的震裂坡地泥石流孔隙水压力传感器预警系统；其特征在于：包括泥石流孔隙水压力传感器、A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板以及指挥中心监测站；

所述指挥中心监测站具有报警系统、232无线收发模块；

5.根据权利要求4所述的预警装置系统；其特征在于：通过太阳能蓄电池分别与A/D数据采集处理板、Zigbee传输电路板以及泥石流孔隙水压力传感器连接。