專利名稱：孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光傳感技術領域，具體地說是涉及一種孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置。
背景技術：
我國地質(zhì)災害的發(fā)生較為頻繁，嚴重威脅著國家財產(chǎn)和人民生命安全，國內(nèi)一些地質(zhì)災害頻發(fā)區(qū)域所發(fā)生的滑坡、崩塌、泥石流等災害造成了巨大經(jīng)濟損失和人身傷亡。而這些地質(zhì)災害的發(fā)生大多數(shù)與災害體孔隙水滲透壓力的變化有關，因此對孔隙水滲透壓力的監(jiān)測是一種有效的地質(zhì)災害監(jiān)測手段，通過對災害體孔隙水滲透壓力的監(jiān)測，為地質(zhì)災 害的防治提供可靠的依據(jù)，實現(xiàn)災害預警預報的目的。目前可以測量孔隙水滲透壓力的儀器品種為電類傳感器，普遍存在線性度不高，對電磁的抗干擾能力不強，防水防潮性能差，不能進行長期、實時、在線監(jiān)測，難以滿足災害監(jiān)測的需要。由于光柵傳感技術具有靈敏度高、體積小、耐高溫、防水、防潮、防雷電、抗電磁干擾、傳輸距離遠以及量程大、測值穩(wěn)定、能進行長期實時在線監(jiān)測等優(yōu)點，因此采用光柵傳感器技術，研制具有高精度、實時采集和遠程傳輸?shù)目紫端疂B壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置就顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置，該裝置實現(xiàn)對鉆孔、堤壩、管道等孔隙水滲壓的自動監(jiān)測，省去人工操作的人力成本，提高了測量精度和準確度，有效實現(xiàn)惡劣環(huán)境下24小時全天候監(jiān)控孔隙水滲壓情況，為地質(zhì)災害監(jiān)測預警提供數(shù)據(jù)支持。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)一種孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置，其特征在于此裝置由光柵滲壓傳感器發(fā)明I發(fā)明連接監(jiān)測儀器組成，監(jiān)測儀器包括光柵波長解調(diào)部分發(fā)明2發(fā)明、微處理器控制部分發(fā)明3發(fā)明、無線發(fā)射部分發(fā)明4發(fā)明及電源部分發(fā)明5發(fā)明；光柵滲壓傳感器發(fā)明I發(fā)明為獨立部分，其光柵滲壓傳感器的光接頭和監(jiān)測儀器的光輸入接頭連接；光柵波長解調(diào)部分發(fā)明2發(fā)明為由寬帶光源發(fā)明21發(fā)明連接光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明，光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明連接光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明組成；微處理器控制部分發(fā)明3發(fā)明為STM32核心處理單元發(fā)明31發(fā)明分別連接有光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明、液晶顯示電路發(fā)明32發(fā)明、U盤存儲電路發(fā)明33發(fā)明、時鐘電路發(fā)明34發(fā)明和2402存儲電路發(fā)明35發(fā)明；無線發(fā)射部分發(fā)明4發(fā)明由GPRS無線傳輸模塊組成；電源部分發(fā)明5發(fā)明由鋰電池發(fā)明51發(fā)明連接穩(wěn)壓電路發(fā)明52發(fā)明穩(wěn)壓電路發(fā)明52發(fā)明連接繼電器發(fā)明53發(fā)明組成，上述各部分的連接關系如下監(jiān)測儀器內(nèi)的寬帶光源發(fā)明21發(fā)明輸出寬帶光，此寬帶光連接至光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的輸入口，經(jīng)光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的輸出口輸出，通過監(jiān)測儀器面板上的光接口連接至光柵滲壓傳感器發(fā)明I發(fā)明，寬帶光被光柵滲壓傳感器發(fā)明I發(fā)明中的光柵反射，此反射光通過監(jiān)測儀器面板上的光接口連接至光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的反射口，光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的反射口和光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明連接，光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號連接至STM32核心處理單元發(fā)明31發(fā)明、核心處理單元發(fā)明31發(fā)明和液晶顯示模塊發(fā)明32發(fā)明、U盤存儲電路發(fā)明33發(fā)明、時鐘電路發(fā)明34發(fā)明、2402存儲電路發(fā)明35發(fā)明、無線發(fā)射部分發(fā)明4發(fā)明連接，電源部分發(fā)明5發(fā)明通過鋰電池發(fā)明51發(fā)明、穩(wěn)壓電路發(fā)明52發(fā)明產(chǎn)生9V、5V、3. 3V電壓，由繼電器發(fā)明53發(fā)明控制向監(jiān)測儀器的各模塊電路提供所需電壓；光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明由相位光柵發(fā)明231發(fā)明、光電探測器發(fā)明232發(fā)明、前置放大電路發(fā)明233發(fā)明、噪聲信號濾波電路發(fā)明234發(fā)明、二級放大電路發(fā)明235發(fā)明、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)明236發(fā)明組成，上述各部分的連接關系如下光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明的輸入光信號入射相位光柵發(fā)明231發(fā)明,相位光柵發(fā) 探測器發(fā)明232發(fā)明將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號很微弱且含有共模噪聲信號，首先將該信號通過前置放大電路發(fā)明233發(fā)明進行放大，再通過噪聲信號濾波電路發(fā)明234發(fā)明，濾除電信號中的共模噪聲信號，經(jīng)二級放大電路發(fā)明235發(fā)明放大，二級放大電路發(fā)明235發(fā)明的輸出電壓范圍在(Γ3. 0V，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)明236發(fā)明需要的(Γ3. OV的電壓范圍，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化電路發(fā)明236發(fā)明，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本發(fā)明特點及優(yōu)點本發(fā)明所述的孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置是一種測量精度高、功耗低的地質(zhì)災害監(jiān)測儀器。其實現(xiàn)了對鉆孔、堤壩、管道等孔隙水滲壓的實時自動監(jiān)測，省去人工操作的人力成本，有效實現(xiàn)惡劣環(huán)境下24小時全天候監(jiān)控孔隙水滲壓情況；同時實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)墓δ?，為地質(zhì)災害監(jiān)測預警提供數(shù)據(jù)支持。


圖I是本發(fā)明所述的孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置的結(jié)構框圖；圖中1、光柵滲壓傳感器；2、光柵波長解調(diào)部分；3、微處理器控制部分；4、無線發(fā)射部分；5、電源部分；21、寬帶光源；22、光環(huán)行器；23、光電轉(zhuǎn)換模塊；31、STM32核心處理單元；32、液晶顯示模塊；33、U盤存儲電路；34、時鐘電路；35、2402存儲電路；51、鋰電池；52、穩(wěn)壓電路；53、繼電器。圖2是本發(fā)明所述的光電轉(zhuǎn)化模塊的結(jié)構框圖；圖中231、相位光柵；232、光電探測器；233、前置放大電路；234、噪聲信號濾波電路；235、二級放大電路；236、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明所述的孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置，由光柵滲壓傳感器I和監(jiān)測儀器組成，監(jiān)測儀器包括光柵波長解調(diào)部分2、微處理器控制部分3、無線發(fā)射部分4和電源部分5。所述光柵滲壓傳感器I埋設在監(jiān)測孔/井中，傳感器中含有測量壓力的光柵，同時還包含有一支用于測量溫度的溫補光柵，這支溫補光柵用于對光柵滲壓傳感器的溫度進行補償，剔除環(huán)境溫度對壓力光柵波長的影響，從而使壓力測量更精確。所述波長解調(diào)部分2由寬帶光源21、光環(huán)行器22、光電轉(zhuǎn)換模塊23組成。寬帶光源發(fā)明21發(fā)明輸出波長范圍為1525— 1565nm的寬帶光，經(jīng)光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的輸入口輸入，再經(jīng)光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的輸出口輸出，連接至光柵滲壓傳感器發(fā)明I發(fā)明，光光柵滲壓傳感器掃描，當寬帶光中的波長和光柵滲壓傳感器的中心波長一致時，此中心波長的光被反射，此反射光通過監(jiān)測儀器面板上的光接頭連接至光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的反射口，光環(huán)行器發(fā)明22發(fā)明的反射口和光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明連接，光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。所述的光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明由相位光柵發(fā)明231發(fā)明、光電探測器發(fā)明232發(fā)明、前置放大電路發(fā)明233發(fā)明、噪聲信號濾波電路發(fā)明234發(fā)明、二級放大電路發(fā)明235發(fā)明、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)明236發(fā)明組成,輸入光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明的輸入光信號入射相位光柵發(fā)明231發(fā)明,相位光柵發(fā)明231發(fā)明將輸入光信號按波長分離,分離后的光信號 入射光電探測器發(fā)明232發(fā)明，光電探測器發(fā)明232發(fā)明將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號很微弱且含有共模噪聲信號，首先將該信號通過前置放大電路發(fā)明233發(fā)明進行放大，再通過噪聲信號濾波電路發(fā)明234發(fā)明，濾除電信號中的共模噪聲信號，經(jīng)二級放大電路發(fā)明235發(fā)明放大，二級放大電路發(fā)明235發(fā)明的輸出電壓范圍在(Γ3. 0V，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路發(fā)明236發(fā)明需要的(Γ3. OV的電壓范圍，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化電路發(fā)明236發(fā)明，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。所述微處理器控制部分3由STM32核心處理單元31、液晶顯示模塊32、U盤存儲電路33、及按鍵輸入34組成。STM32核心處理單元31是監(jiān)測儀器的控制核心，其自帶串口I用于采集光電轉(zhuǎn)換模塊發(fā)明23發(fā)明的光柵波長電信號，將采集的光柵波長和存儲在存儲電路中的光柵波長對比，將采集的光柵波長和存儲在存儲電路中的光柵波長對比，分別計算出光柵滲壓傳感器壓力光柵和溫補光柵中心波長的偏移，從壓力光柵波長的偏移中減去溫補光柵波長的偏移，該波長通過溫度校正只反映了傳感器所處環(huán)境的壓力，根據(jù)該波長和壓強之間的對應關系，計算出光柵滲壓傳感器所處環(huán)境的壓強，在通過壓力和壓強的關系，計算出壓力；串口 2用于控制液晶顯示模塊發(fā)明32發(fā)明，顯示人機交互界面及采集的波長信號；串口 3用于控制無線發(fā)射部分發(fā)明4發(fā)明；串口 4用于驅(qū)動U盤存儲電路33，將采集數(shù)據(jù)存儲在U盤中；其自帶的時鐘用于采集時間的定時；其自帶的GPIO的C 口驅(qū)動2402存儲電路，用于存儲采集參數(shù)、傳感器參數(shù)及控制中心的IP地址；其GPIO的E 口用于控制繼電器53。所述無線發(fā)射部分4由GSM無線傳輸模塊組成，其負責將STM32微控制器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)射到控制中心，控制中心通過采集軟件接收STM32微控制器所發(fā)射的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測。所述電源部分5由鋰電池51、穩(wěn)壓電路52、繼電器53組成，鋰電池51輸出12V直流電壓，經(jīng)過穩(wěn)壓電路52產(chǎn)生9V、5V、3. 3V電壓，通過繼電器53的控制向監(jiān)測儀器的各模塊電路提供所需電壓，當定時時間到，STM32核心處理單元31輸出控制信號，控制繼電器關閉，各模塊電壓加載，進行數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)射，當采集完成，繼電器斷開，各模塊電壓關閉，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集、遠程傳輸。
所述的孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置的工作原理為光柵滲壓傳感器安裝在監(jiān)測孔/井中，當外界壓力發(fā)生變化時，光柵滲壓傳感器的中心波長將發(fā)生偏移。監(jiān)測儀器中的寬帶光源輸出波長范圍為1525— 1565nm的寬帶光，經(jīng)光環(huán)行器的輸出口輸出，對光柵滲壓傳感器進行掃描，當寬帶光中的波長和光柵滲壓傳感器的中心波長一致時，此中心波長的光被反射，此反射光被相位光柵按波長分離，分離后的光信號再由光電探測器轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號很微弱且含有共模噪聲信號，首先將該信號通過前置放大電路進行放大，再通過噪聲信號濾波電路濾除電信號中的共模噪聲信號，再經(jīng)二級放大電路放大，輸出電壓范圍在(Γ3. OV的信號，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路需要的(Γ3. OV的電壓范圍，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。STM32核心處理單元采集光柵波長電信號，將采集的光柵波長和存儲在存儲電路中的光柵波長對比，分別計算出光柵滲壓傳感器壓力光柵和溫補光柵中心 波長的偏移，從壓力光柵波長的偏移中減去溫補光柵波長的偏移，該波長通過溫度校正只反映了傳感器所處環(huán)境的壓力，根據(jù)該波長和壓強之間的對應關系，計算出光柵滲壓傳感器所處環(huán)境的壓強，在通過壓力和壓強的關系，從而計算出光柵滲壓傳感器的壓力。
權利要求
1.一種孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置，其特征在于此裝置由光柵滲壓傳感器(I)連接監(jiān)測儀器組成，監(jiān)測儀器包括光柵波長解調(diào)部分(2)、微處理器控制部分(3)、無線發(fā)射部分(4)及電源部分(5);光柵滲壓傳感器(I)為獨立部分，其光柵滲壓傳感器的光接頭和監(jiān)測儀器的光輸入接頭連接；光柵波長解調(diào)部分(2)為由寬帶光源(21)連接光環(huán)行器(22)，光環(huán)行器(22)連接光電轉(zhuǎn)換模塊(23)組成；微處理器控制部分(3)為STM32核心處理單元(31)分別連接有光電轉(zhuǎn)換模塊(23 )、液晶顯示電路(32 )、U盤存儲電路(33 )、時鐘電路(34)和2402存儲電路(35);無線發(fā)射部分(4)由GPRS無線傳輸模塊組成；電源部分(5)由鋰電池(51)連接穩(wěn)壓電路(52)穩(wěn)壓電路(52)連接繼電器(53)組成，上述各部分的連接關系如下 監(jiān)測儀器內(nèi)的寬帶光源(21)輸出寬帶光，此寬帶光連接至光環(huán)行器(22)的輸入口，經(jīng)光環(huán)行器(22)的輸出口輸出，通過監(jiān)測儀器面板上的光接口連接至光柵滲壓傳感器(1)，寬帶光被光柵滲壓傳感器(I)中的光柵反射，此反射光通過監(jiān)測儀器面板上的光接口連接至光環(huán)行器(22)的反射口，光環(huán)行器(22)的反射口和光電轉(zhuǎn)換模塊(23)連接,光電轉(zhuǎn)換模塊(23)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號連接至STM32核心處理單元(31)、核心處理單元(31)和液晶顯示模塊(32)、U盤存儲電路(33)、時鐘電路(34)、2402存儲電路(35)、無線發(fā)射部分(4)連接，電源部分(5)通過鋰電池(51)、穩(wěn)壓電路(52)產(chǎn)生9V、5V、3. 3V電壓，由繼電器(53)控制向監(jiān)測儀器的各模塊電路提供所需電壓； 光電轉(zhuǎn)換模塊(23)由相位光柵(231)、光電探測器(232)、前置放大電路(233)、噪聲信號濾波電路(234)、二級放大電路(235)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(236)組成，上述各部分的連接關系如下 光電轉(zhuǎn)換模塊(23)的輸入光信號入射相位光柵(231),相位光柵(231)將輸入光信號按波長分離，分離后的光信號入射光電探測器(232)，光電探測器(232)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，此電信號很微弱且含有共模噪聲信號，首先將該信號通過前置放大電路(233)進行放大，再通過噪聲信號濾波電路(234)，濾除電信號中的共模噪聲信號，經(jīng)二級放大電路(235)放大，二級放大電路(235)的輸出電壓范圍在(Γ3. 0V，滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(236)需要的(Γ3. OV的電壓范圍，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化電路(236)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
全文摘要
一種孔隙水滲壓動態(tài)實時監(jiān)測裝置，包括光柵滲壓傳感器和監(jiān)測儀器組成，監(jiān)測儀器包括光柵波長解調(diào)部分、微處理器控制部分、無線發(fā)射部分及電源部分。所述光柵解調(diào)部分連接有光柵滲壓傳感器，將光柵傳感器的光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；微處理器控制部分負責數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示等功能；電源控制部分控制各電路電源的通斷；無線發(fā)射部分監(jiān)測采集的數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡發(fā)射到控制中心。本發(fā)明實現(xiàn)了鉆孔、堤壩、管道等孔隙水滲壓的自動監(jiān)測，省去人工操作的人力成本，提高了測量精度和準確度，有效實現(xiàn)惡劣環(huán)境下24小時全天候監(jiān)控孔隙水滲壓情況，為地質(zhì)災害監(jiān)測預警提供數(shù)據(jù)支持。
文檔編號G01L11/02GK102937501SQ201210452180
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權日2012年11月13日
發(fā)明者張青, 孟憲瑋, 史彥新, 張曉飛, 呂中虎, 郝文杰, 韓永溫, 曾克 申請人:中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心