CN205563947U - 一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，包括振动监测单元、数据采集单元和控制中心单元，所述振动监测单元包括若干个监测机构，所述监测机构包括若干个通过光纤依次连接的光纤光栅传感器，山体的底部边缘均布设置若干个宽带光源，所述山体的顶端设置所述数据采集单元，所述山体表面铺设所述监测机构，所述监测机构的一端连接所述宽带光源，所述监测机构的另一端连接所述数据采集单元，所述控制中心单元包括工业控制计算机和GPRS模块，所述数据采集单元包括光纤光栅网络分析仪。可以对山体落石等灾害进行全方位监测，并能对灾害发生地区工作人员进行提醒，应对落石等灾害可以提前反应，并且能够减少山体灾害对设备的损坏。

Description

一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置

技术领域

本实用新型涉及山地灾害监测技术领域，具体涉及一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置。

背景技术

山体灾害包括很多种类，如洪水、滑坡、落石、山林火灾等，对于人类的生产生活造成巨大的损失，但是人类与山体的联系非常密切，对于山体灾害并不能远离，因此需要对山体的灾害进行监测报警，来降低财产损失和人员伤亡。特别是针对旅游景点的山体来说，大多面对的山体灾害是泥石流、滑坡和落石，而对于山洪和山林火灾并不常见，因此对于泥石流、滑坡和落石的监测是旅游区山体灾害监测的重点。

光纤传感技术始于1977年，伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光纤传感技术是衡量一个国家信息化程度的重要标志。从杭州物联网暨传感技术应用论坛了解到，光纤传感技术已广泛用于军事、国防、航天航空、工矿企业、能源 环保、工业控制、医药卫生、计量测试、建筑、家用电器等领域有着广阔的市场。世界上已有光纤传感技术上百种，诸如温度、压力、流量、 位移、振动、转动、弯曲、液位、速度、加速度、声场、电流、电压、磁 场及辐射等物理量都实现了不同性能的传感。目前少有光纤传感技术应用在山体监测上。

申请号为201410036419.2的实用新型公开了一种山洪泥石流地质灾害监控预警装置及方法。监控预警装置由1 ～ n 个编号的野外传感装置和一个终端报警装置组成，野外传感装置按离终端报警装置的距离由远到近依次顺序编列，终端报警装置对野外传感装置进行传输控制和信号采集。野外传感装置的传感器为多传感器组合，终端报警装置以无线通信接力传输方式采集野外传感装置的信号并进行控制，根据需要对野外传感装置的传感控制器中的通电控制模块进行间断供电控制，按照接力传输无线通信方式与野外传感装置进行传输控制。该装置能够对山洪泥石流进行监测，但是野外传感装置包括功能较多，结构复杂造价昂贵，而且主要是针对山洪泥石流监测，无法满足景区山体灾害监测的要求。

申请号为201510042319.5的实用新型公开了一种山地灾害监测预测及预警系统，其特征在于：该系统包括数据采集系统、数据传输系统、数据处理中心、预警系统；数据采集系统用于采集相关数据信息并通过数据传输系统传输至数据处理中心，数据处理中心将传来的数据进行分析处理及入库，预警系统根据数据处理中心的处理结果判断是否进行预警操作。该实用新型可以做到对景区山体灾害的监测，但是结构复杂，布线困难且监测精度较低。且该系统装置在遭遇山体灾害时容易受损，不能对后续造成监测，也使得每次受灾之后的重建投入较大，不宜推广使用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的问题是提供一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，结构简单，可以对山体滑坡、落石等灾害进行全方位监测，并能对灾害发生地区工作人员进行提醒，应对落石等灾害可以提前反应，减少人员伤亡，并且能够减少山体灾害对设备的损坏，保证受灾时仍能继续监测，为山体的变化情况持续提供数据。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，包括振动监测单元、数据采集单元和控制中心单元，所述振动监测单元包括若干个监测机构，所述监测机构包括若干个通过光纤依次连接的光纤光栅传感器，山体的底部边缘均布设置若干个宽带光源，所述山体的顶端设置所述数据采集单元，所述山体表面铺设所述监测机构，所述监测机构的一端连接所述宽带光源，所述监测机构的另一端连接所述数据采集单元，所述数据采集单元与控制中心单元连接，所述控制中心单元包括工业控制计算机和GPRS模块，所述数据采集单元包括光纤光栅网络分析仪。

进一步的，所述振动监测单元设置在所述山体的地面下方30cm。

进一步的，所述光纤光栅传感器采用光纤光栅加速度传感器，所述光纤光栅传感器设置在传振硬板下方，所述传振硬板顶部设置刺突。

进一步的，所述传振硬板的一侧设置导能机构，所述导能机构水平设置在所述山体上。

进一步的，所述导能机构包括导能铝线，所述导能铝线表面设置防腐保护层。

进一步的，所述光纤上设置线路伸缩器，所述线路伸缩器包括盒体，所述盒体两端设置进口和出口，所述盒体内设置圆柱形的气囊，所述光纤缠绕在所述气囊上，所述气囊表面设置石墨粉。

本实用新型提供了一种旅游区山体灾害远程监测系统，特别针对的是土石混合材质的景区山体，该类山体容易发生落石、滑坡现象，对游人造成伤害。振动监测单元通过宽带光源发出光信号在光纤内传播，当光在传递至光纤光栅传感器受到震动时，波长会发生变化，实现对振动信息的监测，数据采集单元可将光信号转换为电信号，并将数据发送至控制中心单元，对监测数据进行处理计算出是否监测到振动和具体位置。监测机构采用若干个，由山顶铺设至山下，多个监测机构足以将监测网络覆盖整个山体，且该种结构在发生泥石流、滑坡等事故时，泥土冲击力度的方向与监测机构的铺设方向一致，可以最大程度的减少泥土对监测机构的冲击，这样在发生灾害时，最大程度的保证了监测机构的完好性，可以对灾后的山体继续进行监测，利于救援的展开，也使得灾害对监测设备损坏降至最小，利于灾后重建监测系统。每个宽带光源的距离可以为50至500米，距离越大施工成本越低，但是监测的精度会下降。光纤光栅网络分析仪检测到波长的变化并将波长信号转换为相应的电信号，同时传送给控制中心单元。工业控制计算机对监测数据进行处理计算出是否监测到振动和具体位置，并在监测到灾害时通过GPRS模块将报警信息发送至现场工作人员，对游客进行提醒或疏散。

为了对振动监测单元进行保护，将其掩埋在地面以下30厘米深度，还能减少空气内传播的振动对其造成的影响。光纤光栅传感器采用光纤光栅加速度传感器，光纤光栅加速度传感器大多是通过质量块来对微小振动进行采集，并将振动传递至光纤光栅，引起波长变换，对振动采集更加精准。传振硬板可以提高振动能量的收集，能够采集到微小振动，导能机构对每两个相邻监测机构之间的地带进行振动能量传递，能够延伸光纤光栅传感器的监测范围，利于控制成本。线路伸缩器对振动监测单元进行保护，当遇到滑坡时可以对光纤起到缓冲作用，避免本大量泥土冲击导致光纤或光纤光栅传感器断裂，也可以在四季温度变化时进行热胀冷缩补偿。

该装置的使用方法包括如下步骤：

1）将若干个光纤光栅传感器通过光纤依次连接制得监测机构，将监测机构铺设在山体上，并使其输入端连接宽带光源，输出端连接光纤光栅网络分析仪；2）将光纤光栅网络分析仪与控制中心单元的工业控制计算机信号连接；3）宽带光源发出信号，光纤光栅网络分析仪检测到信号波长的变化并将波长信号转换为相应的电信号，工业控制计算机对接收到的电信号进行处理，计算出相应的波长值，从而计算出对应的光纤光栅传感器监测到的振动信息；4）对振动信息进行分析，当出现某个光纤光栅传感器监测到振动，并之后的半分钟内在山体该位置的下方的光纤光栅传感器监测到振动，则判断出现落石、泥石流、或洪水灾害；5）控制中心单元发送报警信息至对应的现场工作人员，提示发生灾害地带或灾害地带下方的游人进行躲避。

光纤光栅传感器监测到振动信息，当某个传感器监测到振动后，若30秒内该位置下方的传感器也监测到振动信息，说明有物体在山体的该位置滚落，意味着出现落石、滑坡等灾害，此时控制中心单元将报警信息发送至对应地点的工作人员手机当中，提醒发生灾害地点及下方的游人进行躲避。

本实用新型的有益效果是：

1、采用通讯光纤为测点元件和传输介质，结构简单，具有抗腐蚀，耐潮湿的优点，测量精确，长期工作稳定可靠，并且不需要提供电能便可实现对山体的全方位高精度监测，实用性很高；

2、通过导能机构可以将距离光纤光栅传感器较远的振动传递至传振硬板，能够减少光纤和传感器的使用数量，利于降低成本，加快施工进程；

3、线路伸缩器对振动监测单元进行保护，当遇到滑坡时可以对光纤起到缓冲作用，避免本大量泥土冲击导致光纤或光纤光栅传感器断裂，也可以在四季温度变化时进行热胀冷缩补偿；

4、可以对山体滑坡、落石等灾害进行全方位监测，并能对灾害发生地区及下方的工作人员进行提醒，应对落石等灾害可以提前反应，减少人员伤亡，并且能够减少山体灾害对设备的损坏，保证受灾时仍能继续监测，为山体的变化情况持续提供数据。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

图1是本实用新型基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置的系统结构图；

图2是本实用新型振动监测单元的结构示意图；

图3是本实用新型监测机构的结构示意图；

图4是本实用新型导能机构的结构示意图；

图5是本实用新型线路伸缩器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图5对本实用新型技术方案进一步展示，具体实施方式如下：

实施例一

如图1至图4所示：本实施例提供了一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，包括振动监测单元1、数据采集单元2和控制中心单元4，所述振动监测单元1包括若干个监测机构5，所述监测机构5包括若干个通过光纤6依次连接的光纤光栅传感器7，山体8的底部边缘均布设置若干个宽带光源9，所述山体8的顶端设置所述数据采集单元2，所述山体8表面铺设所述监测机构5，所述监测机构5的一端连接所述宽带光源9，所述监测机构5的另一端连接所述数据采集单元2，所述数据采集单元2与控制中心单元4连接，所述控制中心单元4包括工业控制计算机3和GPRS模块18，所述数据采集单元2包括光纤光栅网络分析仪。

本实用新型特别针对的是土石混合材质的景区山体，该类山体容易发生落石、滑坡现象，对游人造成伤害。振动监测单元通过宽带光源发出光信号在光纤内传播，当光在传递至光纤光栅传感器受到震动时，波长会发生变化，实现对振动信息的监测，数据采集单元可将光信号转换为电信号，并将数据发送至控制中心单元，对监测数据进行处理计算出是否监测到振动和具体位置。监测机构采用若干个，由山顶铺设至山下，多个监测机构足以将监测网络覆盖整个山体，且该种结构在发生泥石流、滑坡等事故时，泥土冲击力度的方向与监测机构的铺设方向一致，可以最大程度的减少泥土对监测机构的冲击，这样在发生灾害时，最大程度的保证了监测机构的完好性，可以对灾后的山体继续进行监测，利于救援的展开，也使得灾害对监测设备损坏降至最小，利于灾后重建监测系统。每个宽带光源的距离可以为50至500米，距离越大施工成本越低，但是监测的精度会下降。光纤光栅网络分析仪检测到波长的变化并将波长信号转换为相应的电信号，同时传送给控制中心单元。工业控制计算机对监测数据进行处理计算出是否监测到振动和具体位置，并在监测到灾害时通过GPRS模块将报警信息发送至现场工作人员，对游客进行提醒或疏散。

所述振动监测单元1设置在所述山体8的地面下方30cm，振动监测单元主要对滑坡、落石等重型物体冲击或滑过地面的振动进行监测，对小型振动直接过滤，因此设置在地面之下便可，还可以防止游客或落石对其造成破坏，保护设备安全，但是也不能埋入地面过深，对地面的振动监测效果会变弱，因此30cm的深度便可。

所述光纤光栅传感器7采用光纤光栅加速度传感器，所述光纤光栅传感器7设置在传振硬板10下方，所述传振硬板10顶部设置刺突11。光纤光栅加速度传感器通过质量块来对微小振动进行采集，并将振动传递至光纤光栅，引起波长变换，对振动采集更加精准。传振硬板可采用不锈钢板其它材质的硬板材，对光纤光栅传感器起到基础的作用，提高振动的传递效率，刺突增大与山体的接触面积，能够接收更多的振动能量，对振动的监测更加精准，刺突向上设置更容易接收来自地面的振动。

所述传振硬板10的一侧设置导能机构12，所述导能机构12水平设置在所述山体8上，两个相邻监测机构在山体上部间距较小，监测精度较高，但是山体下部逐渐变宽，监测机构之间的间距逐渐变大，监测效果会变弱，通过导能机构可以将中间部位的振动能量收集并传递到传振硬板，可以在减少投资的基础上保证山体振动监测的全面覆盖性。该情况下每个光纤光栅传感器监测到的振动信息包括其埋入的地点以及导能机构覆盖的区域，监测的范围很大，可以节省大量成本。

所述导能机构12包括导能铝线，所述导能铝线表面设置防腐保护层。导能机构需要具有可塑性，但是也需要具备对振动能量良好的传递性，因此软橡胶等不易使用，可以考虑铜、铝等金属，考虑到价格推荐使用铝线，铝线可以传递振动，将远离光纤光栅传感器区域的振动传递至传振硬板上，经济型和实用性都很好。可以在铝线表面包裹结缘材料层或者通过镀锌、喷涂保护漆方式对铝线进行防腐处理。

实施例二

如图1、图2和图5所示：本实施例还提供了一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，包括振动监测单元1、数据采集单元2和控制中心单元4，所述振动监测单元1包括若干个监测机构5，所述监测机构5包括若干个通过光纤6依次连接的光纤光栅传感器7，山体8的底部边缘均布设置若干个宽带光源9，所述山体8的顶端设置所述数据采集单元2，所述山体8表面铺设所述监测机构5，所述监测机构5的一端连接所述宽带光源9，所述监测机构5的另一端连接所述数据采集单元2，所述数据采集单元2与控制中心单元4连接，所述控制中心单元4包括工业控制计算机3和GPRS模块18，所述数据采集单元2包括光纤光栅网络分析仪。

所述光纤6上设置线路伸缩器13，所述线路伸缩器13包括盒体14，所述盒体14两端设置进口15和出口16，所述盒体14内设置圆柱形的气囊17，所述光纤6缠绕在所述气囊17上。虽然本实用新型监测机构沿山顶至山脚的方向铺设，降低了滑坡等灾害时泥土对监测机构的冲击力度，但是考虑山体走势等因素，监测机构仍会承受部分的冲击力度，线路伸缩器可以在受到冲击时释放存储的光纤来对整个监测机构起到缓冲作用。伸缩器的原理通过光纤缠绕在圆柱状气囊上，气囊具有一定的弹性，当光纤受到拉力之后气囊会被收缩，缠绕的光纤会被释放出一部分来抵消冲击力，当光纤不受拉力或者夏季光纤受热伸长时弹簧会对光纤起到收缩的作用，圆柱状气囊能够自动对光纤进行伸缩调整，保证设备运行的稳定性。

所述气囊17表面设置石墨粉，为了保证气囊的顺利收缩同时光纤被顺利释放多余的长度，在气囊表面涂抹石墨粉减小气囊与光纤间的摩擦力，效果更好。箱体内可以设置压力传感器，该压力传感器受力面被气囊挤压，可以对气囊内的气压继续监测，当气囊漏气时压力传感器监测不到受到的压力，可以对控制中心单元发送信息，提醒工作人员进行检修。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，其特征在于：包括振动监测单元、数据采集单元和控制中心单元，所述振动监测单元包括若干个监测机构，所述监测机构包括若干个通过光纤依次连接的光纤光栅传感器，山体的底部边缘均布设置若干个宽带光源，所述山体的顶端设置所述数据采集单元，所述山体表面铺设所述监测机构，所述监测机构的一端连接所述宽带光源，所述监测机构的另一端连接所述数据采集单元，所述数据采集单元与控制中心单元连接，所述控制中心单元包括工业控制计算机和GPRS模块，所述数据采集单元包括光纤光栅网络分析仪。

2.如权利要求1所述的基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，其特征在于：所述振动监测单元设置在所述山体的地面下方30cm。

3.如权利要求1所述的基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，其特征在于：所述光纤光栅传感器采用光纤光栅加速度传感器，所述光纤光栅传感器设置在传振硬板下方，所述传振硬板顶部设置刺突。

4.如权利要求3所述的基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，其特征在于：所述传振硬板的一侧设置导能机构，所述导能机构水平设置在所述山体上。

5.如权利要求4所述的基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，其特征在于：所述导能机构包括导能铝线，所述导能铝线表面设置防腐保护层。

6.如权利要求1所述的基于光纤传感的山体灾害监测及报警装置，其特征在于：所述光纤上设置线路伸缩器，所述线路伸缩器包括盒体，所述盒体两端设置进口和出口，所述盒体内设置圆柱形的气囊，所述光纤缠绕在所述气囊上，所述气囊表面设置石墨粉。