一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法，固定于保護套筒內壁上的步進電機轉動帶動通過同心軸承與保護套筒連接的內置圓筒轉動，多個超聲探頭固定于內置圓筒側壁的圓孔中，基于上述連接，計算機遠程控制步進電機轉動實現(xiàn)超聲探頭對三維地形的掃描，通過建立三維坐標系將步進電機轉動角度與超聲探頭表面到沙床面之間的距離轉化為局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)并遠程傳輸給計算機，從而實現(xiàn)對涉水工程局部沖刷的自動實時監(jiān)測。本方法可避免移動式超聲監(jiān)測的各種誤差和固定式超聲監(jiān)測時高速水流所夾雜物對超聲探頭的損傷，實現(xiàn)了遠程自動實時監(jiān)測，縮短了監(jiān)測時間，提高了監(jiān)測精度。
【專利說明】一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法【技術領域】，尤其涉及一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]針對重大結構工程的健康監(jiān)測與安全評價在監(jiān)測領域受到人們越來越多的重視，涉水工程的防災減災成為一個應運而生的研究領域。涉水工程由于特殊的服役環(huán)境極易受到局部沖刷，局部沖刷引起的涉水工程的水毀具有突發(fā)性，往往會給人民生命財產(chǎn)造成重大損失。我國很多涉水工程修建后缺乏有效的管理和維護，經(jīng)過長期的局部沖刷作用，涉水工程的健康狀況已不容樂觀，一旦洪水來襲，這些涉水工程發(fā)生水毀的概率大大提高，而水毀后的涉水工程的修復和重建從技術方面考慮是不易操作的，從經(jīng)濟方面考慮更是不可行的。因此，發(fā)展涉水工程局部沖刷監(jiān)測方法，及早發(fā)現(xiàn)沖刷問題以便及時采取措施是非常必要的。為此，科技工作者開展了各種探索工作，研發(fā)了不少監(jiān)測方法。相比其它監(jiān)測技術而言，超聲監(jiān)測方法由于具有成本低、指向性強、精度高、工作穩(wěn)定、可操作性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播距離較遠等優(yōu)點而經(jīng)常用于距離測量。超聲監(jiān)測方法可分為移動式超聲監(jiān)測法和固定式超聲監(jiān)測法。目前，移動式超聲監(jiān)測法普遍應于河道、海洋測深。但該方法測深的精度除受潮位和聲速剖面測量誤差的影響外，還受到底部檢測方法、儀器安裝誤差、船姿態(tài)測量誤差、時延誤差等多種因素的影響。而且，在洪水期間橋墩附近水流湍急，移動超聲監(jiān)測法常有翻船的危險，故不能對涉水工程附近局部沖刷進行有效監(jiān)測。對于固定式超聲監(jiān)測法，由于要求能夠在洪水期間工作，而洪水中夾雜的隨著水流高速運動的石塊、漂浮物等雜物具有相當大的沖擊力和破壞力，經(jīng)常會對核心部分為脆弱的壓電晶體的超聲探頭帶來損壞，因此很難有效面對極端惡劣的洪水環(huán)境。
[0003]因此，需要提供一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法來解決上述問題。

【發(fā)明內容】

[0004]為了解決該問題，本發(fā)明公開了一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法，該方法是將多個超聲探頭被固定于內置圓筒側壁沿軸線方向按一定間距排成一列的圓孔中，步進電機通過聯(lián)軸器與內置圓筒連接，內置圓筒通過同心軸承與保護套筒連接，步進電機固定在保護套筒內壁上，保護套筒兩端封閉并通過剛性支撐架固定在涉水建筑物的側壁上，基于上述連接，計算機通過無線控制器遠程傳輸指令給步進電機，步進電機精確轉動帶動內置圓筒按設定步進角在一定角度范圍內轉動，內置圓筒側壁圓孔中的超聲探頭對內置圓筒旋轉各個步進角后所對應位置處的涉水工程附近三維地形進行掃描，所采集的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳輸主控器遠程傳輸至軟件平臺，最終通過內置圓筒的轉動實現(xiàn)對布設局部沖刷檢測系統(tǒng)的涉水建筑物立面外側三維地形數(shù)據(jù)的完整采集。本方法不僅避免了移動式超聲監(jiān)測過程中產(chǎn)生的各種誤差，也有效避免了固定式超聲監(jiān)測過程中大洪水期間的高速水流所夾帶的石塊等雜物對固定超聲監(jiān)測探頭的損傷，實現(xiàn)了涉水工程周圍局部沖刷監(jiān)測的遠程控制，不再需要施測現(xiàn)場的人為操作，大幅減小了沖刷監(jiān)測的中間環(huán)節(jié)，削減了測量成本，縮短了監(jiān)測的時間，提高了監(jiān)測的精度。
[0005]較佳地，本方法是通過計算機遠程操控步進電機轉動帶動被固定于內置圓筒側壁沿軸線方向按一定間距排成一列的圓孔中多個超聲探頭移動，自動實時采集涉水工程附近不同位置處的局部沖刷三維地形數(shù)據(jù)，并運用無線傳輸主控器將數(shù)據(jù)遠程傳輸給計算機，不再需要施測現(xiàn)場的人為操作，只需遠程計算機發(fā)出運行指令并接收無線傳輸主控器遠程傳輸回來的超聲探頭采集的三維地形數(shù)據(jù)就能完成整個涉水工程局部沖刷監(jiān)測過程，大幅減小了沖刷監(jiān)測的中間環(huán)節(jié)，削減了測量成本，縮短了沖刷監(jiān)測的時間，提高了沖刷監(jiān)測的精度。[0006]較佳地，一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)及方法，固定于保護套筒內壁上的步進電機轉動帶動通過同心軸承與保護套筒連接的內置圓筒轉動，多個超聲探頭固定于內置圓筒側壁的圓孔中，基于上述連接，計算機遠程控制步進電機轉動實現(xiàn)超聲探頭對三維地形的掃描，通過建立三維坐標系將步進電機轉動角度與超聲探頭表面到沙床面之間的距離轉化為局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)并遠程傳輸給計算機，從而實現(xiàn)對涉水工程局部沖刷的自動實時監(jiān)測。本方法可避免移動式超聲監(jiān)測的各種誤差和固定式超聲監(jiān)測時高速水流所夾雜物對超聲探頭的損傷，實現(xiàn)了遠程自動實時監(jiān)測，縮短了監(jiān)測時間，提高了監(jiān)測精度。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明將采取以下技術方案:
[0008]一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，它包括計算機、步進電機無線控制器、步進電機、內置圓筒、同心軸承，保護套筒，超聲探頭、數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器，剛性支撐架，步進電機通過聯(lián)軸器與內置圓筒連接，內置圓筒通過同心軸承與保護套筒連接，步進電機固定在保護套筒內壁上，保護套筒兩端封閉并通過剛性支撐架固定在涉水工程側壁上，基于上述連接，遠程計算機控制步進電機轉動帶動內置圓筒轉動，從而實現(xiàn)被固定于內置圓筒側壁圓孔中的超聲探頭對涉水工程附近三維地形數(shù)據(jù)的自動采集。
[0009]一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測方法，該方法包括以下步驟:
[0010]1、計算機通過遠程無線控制器控制步進電機轉動，步進電機通過聯(lián)軸器帶動內置護筒轉動，從而被固定于內置圓筒側壁沿軸線方向按一定間距排成一列的圓孔中的超聲探頭實現(xiàn)對涉水工程附近不同位置處的局部沖刷三維地形的掃描；
[0011]2、通過建立三維直角坐標系將步進電機轉動的若干個步進角度與超聲探頭獲取的探頭表面與沙床表面之間的距離轉化為局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)，并將所采集的三維數(shù)據(jù)通過無線傳輸主控器傳輸給計算機，從而實現(xiàn)對涉水工程周圍局部沖刷地形的自動實時監(jiān)測。
[0012]其中，三維直角坐標系坐標原點在內置圓筒一端，χ軸沿護筒軸線方向，y軸為與內置圓筒軸線垂直的水平方向，z軸為鉛直方向，測量點X軸方向坐標可以根據(jù)被固定于內置圓筒側壁沿軸線方向按一定間距排成一列的圓孔中的超聲探頭的布設間距Δ1確定為(m-Ι).Δ I (圖1),測量點y軸和z軸方向坐標可以通過步進電機轉動角度與超聲探頭獲取的探頭表面與沙床表面之間的距離按照下式轉換成局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù):
[0013]χ = m.Δ 1 (m = 1, 2,…，M)[0014]y = Lsin η Δ θ (η = 1,2,...,N)
[0015]ζ = Lcosn Δ θ (η = 1,2,...,N)
[0016]式中L為超聲探頭測得數(shù)據(jù)，m為被固定于內置圓筒側壁沿軸線方向按一定間距排成一列的圓孔中的超聲探頭的個數(shù)，η為步進電機轉動步進角個數(shù)，△ Θ為步進電機轉動步進角度。
[0017]故步進電機每轉動一個步進角角度，被固定于內置圓筒側壁沿軸線方向按一定間距排成一列的圓孔中的超聲探頭獲取的三維地形坐標數(shù)據(jù)點(X，1，Ζ)為(On-1).Al，Lsinn Δ Θ , Lcosn Δ Θ )。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019]本發(fā)明可以可以避免移動式超聲監(jiān)測過程中產(chǎn)生的各種誤差和固定式超聲監(jiān)測過程中大洪水期間的高速水流所夾帶的石塊等雜物對固定超聲監(jiān)測探頭的損傷，削減了測量成本，提高了測量精度；根據(jù)采用遠程控制的步進電機的轉動角度和超聲探頭獲取的探頭表面與沙床表面之間的距離直接獲得涉水工程周圍局部沖刷地形的三維位置坐標數(shù)據(jù)點，并將局部沖刷地形的三維位置坐標數(shù)據(jù)遠程傳輸至計算機，不再需要施測現(xiàn)場的人為操作，實現(xiàn)了地形數(shù)據(jù)獲取的自動控制，大幅減小了沖刷監(jiān)測的中間環(huán)節(jié)，縮短了監(jiān)測的時間。
[0020]在
【發(fā)明內容】
部分中引入了一系列簡化形式的概念，這將在【具體實施方式】部分中進一步詳細說明。本
【發(fā)明內容】
部分并不意味著要試圖限定出所要求保護的技術方案的關鍵特征和必要技術特征，更不意味著試圖確定所要求保護的技術方案的保護范圍。 [0021]結合以下詳細說明本發(fā)明的優(yōu)點和特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本發(fā)明基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)示意圖及三維地形坐標數(shù)據(jù)點與探頭布置、步進電機轉動角度、超聲探頭采集的數(shù)據(jù)關系計算原理圖；
[0023]圖2是本發(fā)明超聲探頭測距原理示意圖；
【具體實施方式】
[0024]在下文的描述中，給出了大量具體的細節(jié)以便提供對本發(fā)明更為徹底的理解。然而，對于本領域技術人員來說顯而易見的是，本發(fā)明可以無需一個或多個這些細節(jié)而得以實施。在其他的例子中，為了避免與本發(fā)明發(fā)生混淆，對于本領域公知的一些技術特征未進行描述。
[0025]為了徹底了解本發(fā)明，將在下列的描述中提出詳細的結構。顯然，本發(fā)明的施行并不限定于本領域的技術人員所熟習的特殊細節(jié)。本發(fā)明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發(fā)明還可以具有其他實施方式。
[0026]以下對本發(fā)明的實施例做出詳細描述。
[0027]如圖1所示，本發(fā)明一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，它包括計算機(I)、步進電機無線控制器(2)、步進電機(3)、內置圓筒(4)、同心軸承(5)，保護套筒
(6)，超聲探頭(7)、數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器(8)，剛性支撐架(9)，其特征在于，所述的步進電機(3)通過聯(lián)軸器與內置圓筒(4)連接，且步進電機(3)上面設有步進電機無線控制器(2)，內置圓筒(4)上面設有數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器(8)，內置圓筒(4)通過同心軸承(5)與保護套筒(6)連接，步進電機(3)固定在保護套筒(6)內壁上，保護套筒(6)兩端封閉并通過剛性支撐架(9)固定在涉水工程側壁上，基于上述連接，計算機(1)遠程控制步進電機(3)轉動帶動內置圓筒(4)轉動，從而實現(xiàn)被固定于內置圓筒(4)側壁圓孔中的超聲探頭(7)對涉水工程附近三維地形的自動實時采集。
[0028]利用基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)對涉水工程附近某一位置處局部沖刷三維地形數(shù)據(jù)獲取時，如圖1和圖2所示，根據(jù)涉水工程局部沖刷地形測量精度的具體要求，沿軸線方向以Λ I孔間距在內置圓筒(4)側壁上鉆取若干個排成一排的圓孔，將兼具發(fā)射和接收超聲波超功能的超聲探頭(7)以探頭表面無限貼近保護套筒(6)內壁的方式固定于圓孔中，局部沖刷地形監(jiān)測時超聲探頭(7)以一定的頻率向外發(fā)射超聲波，超聲波在保護套筒(6)外壁和沙床面上會發(fā)生反射，反射信號會被探頭接收，兩個反射信號之間的時差與超聲波水中速度的乘積既是超聲探頭表面與沙床表面之間的距離。
[0029]一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測方法，該方法包括以下步驟:
[0030]1、利用基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)對涉水工程附近不同位置處的局部沖刷三維地形開展實時監(jiān)測時，如圖1所示，計算機(I)通過步進電機無線控制器
(2)遠程操控步進電機(3)轉動，步進電機(3)通過與內置圓筒(4)的剛性連接帶動內置圓筒(4)轉動，步進電機(3)轉動一個步進角后內置圓筒(4)也轉過一個步進角并暫停，以Al的間距沿軸線方向固定于內置圓筒(4)側壁的圓孔中的若干個超聲探頭(7)探測探頭表面與沙床表面之間的距離，當步進電機(3)轉動過若干個步進角并由超聲探頭(7)獲取到各個不同轉動步進角所對應位置處探頭表面與沙床表面之間的距離后，再次轉動一個步進角卻只能接收到保護套筒(6)外壁反射信號而接收不到沙床表面超聲反射信號時，計算機(I)判定完成全部局部沖刷監(jiān)測工作并操控內置圓筒(4)復位，進而實現(xiàn)對局部沖刷地形數(shù)據(jù)的完整采集。
[0031]2、利用基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)對涉水工程附近不同位置處的局部沖刷三維地形開展實時監(jiān)測時，如圖1所示，通過建立三維直角坐標系，利用下式將步進電機(3)轉動步進角度與超聲探頭(7)獲取的探頭表面與沙床表面之間的距離轉換成局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)U，y, z)，并將所采集的轉換成局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器(8)傳輸給計算機，從而實現(xiàn)對涉水工程周圍局部沖刷地形的自動實時監(jiān)測。
[0032]χ = m.Δ I (m = I, 2,…，M)
[0033]y = Lsinn Δ θ (η = 1,2,...,N)
[0034]ζ = Lcos η Δ θ (η = 1,2,...,N)
[0035]其中，三維直角坐標系坐標原點在內置圓筒(4) 一端，χ軸沿護筒軸線方向，y軸為與內置圓筒(4)軸線垂直的水平方向，ζ軸為鉛直方向，L為超聲探頭(7)獲取的超聲探頭表面與沙床表面之間的距離，m為沿軸線方向布置于內置圓筒(4)側壁上的超聲探頭的個數(shù)，η為步進電機(3)轉動步進角個數(shù)，△ Θ為步進電機(3)轉動步進角度。
[0036]本方法不僅避免了移動式超聲監(jiān)測過程中產(chǎn)生的各種誤差，也有效避免了固定式超聲監(jiān)測過程中大洪水期間的高速水流所夾帶的石塊等雜物對固定超聲監(jiān)測探頭的損傷，實現(xiàn)了涉水工程周圍局部沖刷監(jiān)測的遠程控制，不再需要施測現(xiàn)場的人為操作，大幅減小了沖刷監(jiān)測的中間環(huán)節(jié)，削減了測量成本，縮短了監(jiān)測的時間，提高了監(jiān)測的精度。
[0037] 本發(fā)明已經(jīng)通過上述實施例進行了說明，但應當理解的是，上述實施例只是用于舉例和說明的目的，而非意在將本發(fā)明限制于所描述的實施例范圍內。此外本領域技術人員可以理解的是，本發(fā)明并不局限于上述實施例，根據(jù)本發(fā)明的教導還可以做出更多種的變型和修改，這些變型和修改均落在本發(fā)明所要求保護的范圍以內。本發(fā)明的保護范圍由附屬的權利要求書及其等效范圍所界定。
【權利要求】
1.一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，它包括計算機(1)、步進電機無線控制器(2)、步進電機(3)、內置圓筒(4)、同心軸承(5)，保護套筒(6)，超聲探頭(7)、數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器(8)，剛性支撐架(9)，其特征在于，所述的步進電機(3)通過聯(lián)軸器與內置圓筒(4)連接，且步進電機(3)上面設有步進電機無線控制器(2)，內置圓筒(4)上面設有數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器(8)，內置圓筒(4)通過同心軸承(5)與保護套筒(6)連接，步進電機(3)固定在保護套筒(6)內壁上，保護套筒(6)兩端封閉并通過剛性支撐架(9)固定在涉水工程側壁上，基于上述連接，計算機(1)遠程控制步進電機(3)轉動帶動內置圓筒(4)轉動，從而實現(xiàn)被固定于內置圓筒(4)側壁圓孔中的超聲探頭(7)對涉水工程附近三維地形的自動實時掃描。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述方法包括以下步驟: (1)、利用基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)對涉水工程附近某一位置處局部沖刷三維地形數(shù)據(jù)獲取時，如圖1和圖2所示，根據(jù)涉水工程局部沖刷地形測量精度的具體要求，沿軸線方向以Λ I孔間距在內置圓筒(4)側壁上鉆取若干個排成一排的圓孔，將兼具發(fā)射和接收超聲波超功能的超聲探頭(7)以探頭表面無限貼近保護套筒(6)內壁的方式固定于圓孔中，局部沖刷地形監(jiān)測時超聲探頭(7)以一定的頻率向外發(fā)射超聲波，超聲波在保護套筒(6)外壁和沙床面上會發(fā)生反射，反射信號會被探頭接收，兩個反射信號之間的時差與超聲波水中速度的乘積既是超聲探頭表面與沙床表面之間的距離； (2)、利用基于超聲感應的涉水工程局部沖刷監(jiān)測系統(tǒng)對涉水工程附近不同位置處的局部沖刷三維地形開展實時監(jiān)測時，如圖1所示，計算機(1)通過步進電機無線控制器(2)遠程操控步進電機(3)轉動，步進電機(3)通過與內置圓筒(4)的剛性連接帶動內置圓筒(4)轉動，步進電機(3)轉動一個步進角后內置圓筒(4)也轉過一個步進角并暫停，以Al的間距沿軸線方向固定于內置圓筒(4)側壁的圓孔中的若干個超聲探頭(7)探測探頭表面與沙床表面之間的距離，當步進電機(3)轉動過若干個步進角并由超聲探頭(7)獲取到各個不同轉動步進角所對應位置處探頭表面與沙床表面之間的距離后，再次轉動一個步進角卻只能接收到保護套筒(6)外壁反射信號而接收不到沙床表面超聲反射信號時，計算機(1)判定完成全部局部沖刷監(jiān)測工作并操控內置圓筒(4)復位，進而實現(xiàn)對局部沖刷地形數(shù)據(jù)的完整采集；
3.建立三維直角坐標系，三維直角坐標系坐標原點在內置圓筒(4)一端，χ軸沿護筒軸線方向，y軸為與內置圓筒(4)軸線垂直的水平方向，z軸為鉛直方向，然后利用下式將步進電機(3)轉動步進角度與超聲探頭(7)獲取的探頭表面與沙床表面之間的距離轉換成局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)U，y, z)，并將所采集的轉換成局部沖刷地形三維位置坐標點數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)遠程傳輸主控器(8)傳輸給計算機，從而實現(xiàn)對涉水工程周圍局部沖刷地形的自動實時監(jiān)測， x = m.Δl(m=l,2,…，Μ)
y = L sin n Δ θ (n = 1,2,..., N)
z = L cos n Δ θ (n = 1,2,..., N) 其中，L為超聲探頭(J)獲取的超聲探頭表面與沙床表面之間的距離，m為沿軸線方向布置于內置圓筒(4)側壁上的超聲探頭的個數(shù)，n為步進電機(3)轉動步進角個數(shù)，Δ θ為步進電 機(3)轉動步進角度。
【文檔編號】G01S15/89GK103901433SQ201410100152
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權日:2014年3月12日
【發(fā)明者】房世龍, 吳麗華, 倪飛, 徐陽, 施小飛, 朱亮, 于佳 申請人:南通航運職業(yè)技術學院