CN207586702U - 强震动监测系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种强震动监测系统，包括带有密封装置的加速度计和强震动记录仪。其中，强震动记录仪包括供电模块、信号调理模块、信号转换模块、数据存储模块、数据通讯模块和控制与数据处理模块。具体地供电模块包括供电电源和具有两个降压单元和两个逻辑电路的电源供电电路。一方面使得加速度计具有了水下使用的性能，另一方面提高了强震动记录仪的稳定性和使用寿命，降低了强震动监测系统的投入成本。

Description

强震动监测系统

技术领域

本申请涉及地质灾害监测设备技术领域，具体涉及一种强震动监测系统。

背景技术

我国的许多水电站建设在云南、四川等地震频发地区。虽然这些水电站在设计时都按照8度和9度抗震性能而设计，但是其实际抗震性能是否能真正达到抗震设计要求是一个未知数。如果这些水电站的大坝一旦因强震而遭受严重破坏，且未能快速掌握震害情况和采集紧急处置措施，则会出现非常严重的强震次生灾害。此外，大型水坝也常常因为各种原因发生剧烈振动，比如，在水位突破新高时就出现过振动加剧的现象；同时在水坝泄洪过程中常常也会伴随着闸门的自激振动；当振动过大时，不进行及时处理也有可能导致严重后果。因此，实现高度自动化的大坝强震动监测是很有必要的，有利于实时掌握大坝及周围重要建筑物的地震动响应加速度等动力响应特性，可为快速评估大坝震害及时提供各监测点的地震动最大加速度值、反应谱、地震烈度等必要参数，同时也可及时做出大坝的地震安全报警为震后救援和次生灾害防御争取到宝贵的时间，减轻和防止水工震害的进一步扩展和次生灾害的发生，保证人员和设备的安全。

现有的大坝强震动监测系统主要是分布式强震动监测系统。此类强震动监测系统的基本结构是每个监测点由1台三向力平衡加速度计和1台3通道强震动记录仪构成，然后通过光纤实时传输数据到大坝监控室。其缺点是由于每个监测点都要配置一台强震动记录仪，而每台强震动记录仪市场价格在4-10万左右，导致系统设备购置成本过高；另外强震动记录仪需要定期维护，维护成本较高。强震动记录仪是一种特殊数据采集仪，要求长期不间断运行，相比通用数据采集仪，在稳定性和使用寿命方面要求更高。此外，大坝强震动监测环境比较恶劣，特别是坝底部位由于坝体泄漏而经常被水淹没，因此用于大坝强震动监测的传感器必须具备很强的防水性能。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供一种强震动监测系统，具有水下监测使用的性能并且提高了强震动记录仪的稳定性和使用寿命。

本申请提供一种强震动监测系统，包括：

带有密封装置的加速度计；

强震动记录仪，包括供电模块、信号调理模块、信号转换模块、数据存储模块、数据通讯模块和控制与数据处理模块；

其中，所述加速度计通过电缆与所述强震动记录仪连接。

优选地，所述密封装置包括：

封装盒，用于容纳加速度计，所述封装盒的底部设置有用于固定所述密封装置的突出部；

防水纤维管，用于容纳电缆，所述防水纤维管的一端设置于所述封装盒内；

防水接头，设置于所述封装盒的顶部，用于固定所述防水纤维管。

优选地，所述加速度计通过防水胶固定于所述封装盒中。

优选地，所述供电模块包括：

供电电源，所述供电电源为12V直流电源；

电源管理电路，与所述供电电源连接，适于工作于双路并联供电模式，将所述供电电源的输出电压通过双路降压后进行输出供电。

优选地，所述电源管理电路包括：

第一逻辑电路，与供电电源输入端口连接；

第一降压单元和第二降压单元，并联连接在所述第一逻辑电路和第二逻辑电路之间，所述第一降压单元和所述第二降压单元均包括第一稳压模块、第二稳压模块、第三稳压模块和温度传感器；

第二逻辑电路，分别与所述第一降压单元和第二降压单元的第二稳压模块、第三稳压模块连接，用于输出电压；

控制单元，分别与所述第一降压单元和第二降压单元的温度传感器、第一逻辑电路和第二逻辑电路连接，根据处于工作状态的降压单元的温度控制第一逻辑电路和第二逻辑电路。

优选地，所述第一降压单元和第二降压单元还包括：

散热片，用于覆盖所述第一稳压模块、第二稳压模块、第三稳压模块和温度传感器；

其中，所述温度传感器固定于所述散热片上。

优选地，所述第一稳压模块为LM1085IT线性稳压器，用于将12V电压转换为5.7V电压；

所述第二稳压模块为LP3873ES-5.0线性稳压器，用于将5.7V电压转换为5V电压进行供电；

所述第三稳压模块为LP3873ES-3.0线性稳压器，用于将5.7V电压转换为3V电压进行供电。

优选地，所述控制单元为LPC2378ARM芯片。

本申请公开了一种强震动监测系统，包括带有密封装置的加速度计和强震动记录仪。其中，强震动记录仪包括供电模块、信号调理模块、信号转换模块、数据存储模块、数据通讯模块和控制与数据处理模块。具体地供电模块包括供电电源和具有两个降压单元和两个逻辑电路的电源供电电路。一方面使得加速度计具有了水下使用的性能，另一方面提高了强震动记录仪的稳定性和使用寿命，降低了强震动监测系统的投入成本。

附图说明

通过以下参照附图对本申请实施例的描述，本申请的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本申请实施例的加速度计的示意图；

图2是本申请实施例的强震动记录仪的结构框图；

图3是本申请实施例的加速度计在坝底水下监测点监测到的东西向强震动时程波形图；

图4是本申请实施例的加速度计在坝底水下监测点监测到的南北向强震动时程波形图；

图5是本申请实施例的加速度计在坝底水下监测点监测到的纵向强震动时程波形图；

图6是本申请实施例的电源管理电路的结构框图。

具体实施方式

以下基于实施例对本申请进行描述，但是本申请并不仅仅限于这些实施例。在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。为了避免混淆本申请的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

本实施例提供了一种强震动监测系统，包括加速度计100和强震动记录仪200。如图1-2所示，图1为本实施例的加速度计100的结构示意图，图2为本实施例的强震动记录仪200的结构框图。加速度计100固定于监测点，用于监测监测点附近由于地震或者振动产生的加速度值。加速度计100通过电缆线与强震动记录仪200连接进行通信，加速度计100将监测得到的加速度值通过电缆300发送到强震动记录仪200进行记录分析，强震动记录仪200将分析后的结果通过光纤发送给监控室，以便及时做出相应的措施，减少人员和物质损失。

加速度计100主要适用于桥梁、机械、水坝、楼房、山地斜坡等地震和工程振动监测或测试。在本实施例中，加速度计100用于监测水坝附近的地震或振动情况。大坝强震动监测环境比较恶劣，特别是坝底部位由于坝体泄露而经常被水淹没，因此用于监测水坝强震动的加速度计必须具备良好的防水性能。在本实施例中，所述加速度计100带有密封装置110。密封装置110包括封装盒111、防水纤维管112和防水接头113，如图1所示。加速度计100设置于所述封装盒111内，通过防水胶114固定于所述封装盒111中。所述封装盒111为带安装底座的圆柱形腔体，所述安装底座即封装盒111的底部设置的突出部，用于固定所述密封装置110。带有密封装置110的加速度计100可以通过突出部固定于监测点，进而监测监测点附近可能由地震或工程振动产生的加速度。

加速度计100与强震动记录仪200之间通过电缆300进行连接以实现相互之间的通信。因此当加速度计100需要在水下使用时，还需要对电缆300进行保护。电缆300设置于水下专用的防水纤维管112内，然后将与加速度计100连接的电缆300的一端和防水纤维管通过封装盒111的顶部的开口设置于封装盒111内，最后通过防水接头113固定所述防水纤维管112并密封所述开口。电缆防水接头是在电力系统中经常用到的一种连接器件。主要是应用在户外产品、中大型的远程控制设备，本体在户外，控制系统不在本体上的设备。

优选地，加速度计100为力平衡加速度计，具有灵敏度高、低频特性好等优点。在本实施例中，带有密封装置的加速度计100是基于现有的QZ2013型力平衡加速度计进行的防水封装设计。QZ2013型力平衡加速度计是基于力平衡伺服加速度计概念设计的加速度计，包含一个坚固的悬挂式动圈系统，提高了信噪比，其安装时不需要进行偏移调节，使其安装十分方便。具体地安装方法如下：首先，将QZ2013型力平衡加速度计固定在封装盒111里，然后对其信号传输电缆采用水下专用的柔性防水纤维管112进行保护，最后在封装盒111里灌满防水胶114，在封装盒的顶部开口处固定防水接头113，防水接头113采用耐压型防水接头，其整体结构如图1所示。防水灌封胶用于电子元器件的粘接、密封、灌封和涂覆保护。灌封胶在未固化前属于液体状，具有流动性，胶液黏度根据产品的材质、性能、生产工艺的不同而有所区别。灌封胶完全固化后才能实现它的使用价值，固化后可以强化电子器件的整体性，提高对外来冲击、震动的抵抗力；提高内部元件、线路间绝缘，有利于器件小型化、轻量化；避免元件、线路直接暴露，改善器件的防水、防潮性能。QZ2013型力平衡加速度计经过此防水封装后，可以用于海洋以及大坝底部水下的强震动监测。图3-图5为坝底水下某一强震动监测点在加速度计100使用1年多后感应到的强震动完整时程波形图，横向表示震动的时间，纵向表示加速度。图3-图5表明了QZ2013型力平衡加速度计经过此防水封装设计后，具有了水下长期使用的性能。

如图2所示，强震动记录仪200，包括供电模块210、信号调理模块220、信号转换模块230、数据存储模块240、数据通讯模块250和控制与数据处理模块260。供电模块210是强震动记录仪的“生命源”，用于为信号调理模块220、信号转换模块230、数据存储模块240、数据通讯模块250和控制与数据处理模块260提供稳定电压。信号调理模块220也称隔离变送器模块，可将接收加速度计100监测得到的加速度信号经过模块变换成强震动记录仪200所需要的信号，可实现信号的隔离传输、切断地回路干扰，信号的远距离传输，有效解决现场干扰及仪表端口保护。信号转换模块230用于将接收的模拟信号转成数字信号发送给控制与数据处理模块260以便于进行后期的数据处理。控制与数据处理模块是一个多功能嵌入式通信控制器，其性能高、功耗低、可编程，适合不同行业的应用。控制与数据处理模块可以将不同的设备连接在一起。控制与数据处理模块260用于与信号转换模块230、数据存储模块240和数据通讯模块250之间进行通信获取传输信号以及数据，并对接收的信号或数据进行处理发送给显示设备。

强震动记录仪200是一种特殊数据采集仪，要求长期不间断运行，相比通用数据采集仪，在长期运行的稳定性和使用寿命方面要求更高。其中，供电模块210自身功耗比较大而使其自身温度过高是影响强震动记录仪200稳定性和使用寿命的主要原因。因此，为了避免供电模块210工作温度过高，本实施例对供电模块210进行了优化。具体地，供电模块210包括供电电源211和电源管理电路。其中，供电电源211为12V直流电源，通过电源管理电路为其它模块提供稳定电压。

电源管理电路与所述供电电源211连接，适于工作于双路并联供电模式，将所述供电电源211的输出电压通过双路降压后进行输出供电。具体地，如图6所示，电源管理电路包括第一逻辑电路212、第二逻辑电路213、第一降压单元214、第二降压单元215和控制单元216。其中，第一逻辑电路212与供电电源211的输入端口连接；第一降压单元214和第二降压单元215并联连接在所述第一逻辑电路212和第二逻辑电路213之间；第二逻辑电路213分别与所述第一降压单元214和第二降压单元215的第二稳压模块B1、B2，第三稳压模块C1、C2连接，用于输出电压；控制单元216分别与所述第一降压单元214和第二降压单元215的温度传感器D1、D2，第一逻辑电路212和第二逻辑电路213连接，用于根据温度传感器D1、D2测得的工作温度控制相应的逻辑电路进行供电。

具体地，所述第一降压单元214和所述第二降压单元215均包括第一稳压模块A1、A2，第二稳压模块B1、B2，第三稳压模块C1、C2，温度传感器D1、D2和散热片H1、H2。每个降压单元均构成一个两级降压电路，使降压功耗分担到多个稳压模块上，达到降低单个稳压模块的工作温度。散热片H1覆盖于第一稳压模块A1、第二稳压模块B1、第三稳压模块C1和温度传感器D1上，温度传感器D1固定安装于散热片H1上。在第一降压单元214工作时，第一稳压模块A1、第二稳压模块B1、第三稳压模块C1产生的温度可以同时通过散热片H1向外散热，温度传感器D1可以通过测量散热片H1的温度准确获取到第一降压单元214的工作温度。散热片H2覆盖于第一稳压模块A2、第二稳压模块B2、第三稳压模块C2和温度传感器D2上，温度传感器D2固定安装于散热片H2上。在第二降压单元215工作时，第一稳压模块A2、第二稳压模块B2、第三稳压模块C2产生的温度可以同时通过散热片H2向外散热，温度传感器D2可以通过测量散热片H2的温度准确获取到第二降压单元215的工作温度。温度传感器D1或温度传感器D2将测得的工作温度发送给控制单元216，以使得控制单元216可以根据处于工作状态的降压单元的温度控制第一逻辑电路212和第二逻辑电路213。

在本实施例中，所述第一稳压模块A1、A2可以选用成熟的线性稳压器LM1085IT，可以将12V电压转换为5.7V电压；所述第二稳压模块B1、B2可以选用成熟的线性稳压器LP3873ES-5.0，将5.7V电压转换为5V电压；所述第三稳压模块C1、C2可以选用成熟的线性稳压器LP3873ES-3.0，将5.7V电压转换为3V电压。可以将转换为5V和3V的电压为AD芯片、存储芯片、ARM9等芯片的进行供电。所述控制单元216可以选用LPC2378ARM芯片，可以定时读取两个温度传感器的温度值。

强震动记录仪200在工作时，其电源管理电路可以根据预先选定的降压单元进行降压供电，控制单元216可以定时读取工作状态的降压单元的温度，并根据读取的温度与预先设定的温度阈值进行比较，通过控制两个逻辑电路，进而控制两个降压单元是否进入双路并联供电模式。例如，第一降压单元214处于工作状态，LPC2378ARM芯片可以定时读取温度传感器D1的温度值并与预先设定的温度阈值(默认设置为60度)进行比较；当温度传感器D1的温度值超过60度时，LPC2378ARM芯片控制两个逻辑电路启动第二降压单元215，进入双路并联供电模式，等待30秒后切断第一降压单元214重新进入单路供电模式。

水电站大坝里埋设了许多高压电缆线，其经过地方会存在强电场，导致强震动监测设备等动态监测设备的输出的信号里常存在明显的干扰信号。针对此问题，本实施例对存在强烈干扰的#1号强震动监测系统开展实验，此监测点加速度计100到强震动记录仪200的电缆线为5芯屏蔽电缆线，长360米，屏蔽线接电源地线，将加速度计100和强震动记录仪200均设置为12V直流供电，实验结果如表1所示。

表1实验概况和结构

由实验结果可见，整个系统采用电池供电时，干扰基本消除了。这表明干扰确实来自交流电供电系统；拉220V交流电到加速度计100附近后再转换为12V给加速度计100供电后，#1号加速度计100输出信号的干扰信号基本消除了，如表1所示。而其它供电方式并不能消除。以上实验表明干扰信号是由于交流电转换为12V的直流电源信号之前的传输过程中受到强电场干扰而进入加速度计100的，并不是加速度计100输出的弱信号在传输过程中被干扰的。为了进一步验证此方法的可靠性，我们分别对存在明显干扰的#2、#3号监测点的加速度计100采取了供电方式4后，#2、#3号监测点的干扰信号也消除了。表2为监测点的环境振动最大值统计情况。

表2各监测点的环境振动最大值统计表

由表2可见：在加速度计100附近再通过电源适配器把220V交流电转换为12V直流电源的供电方式后，原来存在明显干扰的各监测点的环境振动都减小到正常值，因此，此供电方式可很好地消除大坝强震动监测的环境强电磁干扰。

本申请公开了一种强震动监测系统，包括带有密封装置的加速度计和强震动记录仪。其中，强震动记录仪包括供电模块、信号调理模块、信号转换模块、数据存储模块、数据通讯模块和控制与数据处理模块。具体地供电模块包括供电电源和具有两个降压单元和两个逻辑电路的电源供电电路。一方面使得加速度计具有了水下使用的性能，另一方面提高了强震动记录仪的稳定性和使用寿命，降低了强震动监测系统的投入成本。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域技术人员而言，本申请可以有各种改动和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种强震动监测系统，包括：

带有密封装置的加速度计；

强震动记录仪，包括供电模块、信号调理模块、信号转换模块、数据存储模块、数据通讯模块和控制与数据处理模块；

其中，所述加速度计通过电缆与所述强震动记录仪连接。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述密封装置包括：

封装盒，用于容纳加速度计，所述封装盒的底部设置有用于固定所述密封装置的突出部；

防水纤维管，用于容纳电缆，所述防水纤维管的一端设置于所述封装盒内；

防水接头，设置于所述封装盒的顶部，用于固定所述防水纤维管。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述加速度计通过防水胶固定于所述封装盒中。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述供电模块包括：

供电电源，所述供电电源为12V直流电源；

电源管理电路，与所述供电电源连接，适于工作于双路并联供电模式，将所述供电电源的输出电压通过双路降压后进行输出供电。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述电源管理电路包括：

第一逻辑电路，与供电电源输入端口连接；

第一降压单元和第二降压单元，并联连接在所述第一逻辑电路和第二逻辑电路之间，所述第一降压单元和所述第二降压单元均包括第一稳压模块、第二稳压模块、第三稳压模块和温度传感器；

第二逻辑电路，分别与所述第一降压单元和第二降压单元的第二稳压模块、第三稳压模块连接，用于输出电压；

控制单元，分别与所述第一降压单元和第二降压单元的温度传感器、第一逻辑电路和第二逻辑电路连接，根据处于工作状态的降压单元的温度控制第一逻辑电路和第二逻辑电路。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一降压单元和第二降压单元还包括：

散热片，用于覆盖所述第一稳压模块、第二稳压模块、第三稳压模块和温度传感器；

其中，所述温度传感器固定于所述散热片上。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一稳压模块为LM1085IT线性稳压器，用于将12V电压转换为5.7V电压；

所述第二稳压模块为LP3873ES-5.0线性稳压器，用于将5.7V电压转换为5V电压进行供电；

所述第三稳压模块为LP3873ES-3.0线性稳压器，用于将5.7V电压转换为3V电压进行供电。

8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述控制单元为LPC2378ARM芯片。