专利名称：孔隙水渗压动态实时监测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光传感技术领域，具体地说是涉及一种孔隙水渗压动态实时监测装置。
背景技术：
我国地质灾害的发生较为频繁，严重威胁着国家财产和人民生命安全，国内一些地质灾害频发区域所发生的滑坡、崩塌、泥石流等灾害造成了巨大经济损失和人身伤亡。而这些地质灾害的发生大多数与灾害体孔隙水渗透压力的变化有关，因此对孔隙水渗透压力的监测是一种有效的地质灾害监测手段，通过对灾害体孔隙水渗透压力的监测，为地质灾 害的防治提供可靠的依据，实现灾害预警预报的目的。目前可以测量孔隙水渗透压力的仪器品种为电类传感器，普遍存在线性度不高，对电磁的抗干扰能力不强，防水防潮性能差，不能进行长期、实时、在线监测，难以满足灾害监测的需要。由于光栅传感技术具有灵敏度高、体积小、耐高温、防水、防潮、防雷电、抗电磁干扰、传输距离远以及量程大、测值稳定、能进行长期实时在线监测等优点，因此采用光栅传感器技术，研制具有高精度、实时采集和远程传输的孔隙水渗压动态实时监测装置就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种孔隙水渗压动态实时监测装置，该装置实现对钻孔、堤坝、管道等孔隙水渗压的自动监测，省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控孔隙水渗压情况，为地质灾害监测预警提供数据支持。本发明的目的是通过以下技术方案来实现一种孔隙水渗压动态实时监测装置，其特征在于此装置由光栅渗压传感器发明I发明连接监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分发明2发明、微处理器控制部分发明3发明、无线发射部分发明4发明及电源部分发明5发明；光栅渗压传感器发明I发明为独立部分，其光栅渗压传感器的光接头和监测仪器的光输入接头连接；光栅波长解调部分发明2发明为由宽带光源发明21发明连接光环行器发明22发明，光环行器发明22发明连接光电转换�？榉⒚�23发明组成；微处理器控制部分发明3发明为STM32核心处理单元发明31发明分别连接有光电转换�？榉⒚�23发明、液晶显示电路发明32发明、U盘存储电路发明33发明、时钟电路发明34发明和2402存储电路发明35发明；无线发射部分发明4发明由GPRS无线传输�？樽槌桑坏缭床糠址⒚�5发明由锂电池发明51发明连接稳压电路发明52发明稳压电路发明52发明连接继电器发明53发明组成，上述各部分的连接关系如下监测仪器内的宽带光源发明21发明输出宽带光，此宽带光连接至光环行器发明22发明的输入口，经光环行器发明22发明的输出口输出，通过监测仪器面板上的光接口连接至光栅渗压传感器发明I发明，宽带光被光栅渗压传感器发明I发明中的光栅反射，此反射光通过监测仪器面板上的光接口连接至光环行器发明22发明的反射口，光环行器发明22发明的反射口和光电转换�？榉⒚�23发明连接，光电转换�？榉⒚�23发明将光信号转化为电信号，此电信号连接至STM32核心处理单元发明31发明、核心处理单元发明31发明和液晶显示模块发明32发明、U盘存储电路发明33发明、时钟电路发明34发明、2402存储电路发明35发明、无线发射部分发明4发明连接，电源部分发明5发明通过锂电池发明51发明、稳压电路发明52发明产生9V、5V、3. 3V电压，由继电器发明53发明控制向监测仪器的各�？榈缏诽峁┧璧缪梗还獾缱荒？榉⒚�23发明由相位光栅发明231发明、光电探测器发明232发明、前置放大电路发明233发明、噪声信号滤波电路发明234发明、二级放大电路发明235发明、模数转换电路发明236发明组成，上述各部分的连接关系如下光电转换模块发明23发明的输入光信号入射相位光栅发明231发明,相位光栅发 探测器发明232发明将光信号转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路发明233发明进行放大，再通过噪声信号滤波电路发明234发明，滤除电信号中的共模噪声信号，经二级放大电路发明235发明放大，二级放大电路发明235发明的输出电压范围在(Γ3. 0V，满足模数转换电路发明236发明需要的(Γ3. OV的电压范围，通过模数转化电路发明236发明，转换为数字信号。本发明特点及优点本发明所述的孔隙水渗压动态实时监测装置是一种测量精度高、功耗低的地质灾害监测仪器。其实现了对钻孔、堤坝、管道等孔隙水渗压的实时自动监测，省去人工操作的人力成本，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控孔隙水渗压情况；同时实现了监测数据远程传输的功能，为地质灾害监测预警提供数据支持。
图I是本发明所述的孔隙水渗压动态实时监测装置的结构框图；图中1、光栅渗压传感器；2、光栅波长解调部分；3、微处理器控制部分；4、无线发射部分；5、电源部分；21、宽带光源；22、光环行器；23、光电转换�？椋�31、STM32核心处理单元；32、液晶显示�？椋�33、U盘存储电路；34、时钟电路；35、2402存储电路；51、锂电池；52、稳压电路；53、继电器。图2是本发明所述的光电转化�？榈慕峁箍蛲迹煌贾�231、相位光栅；232、光电探测器；233、前置放大电路；234、噪声信号滤波电路；235、二级放大电路；236、模数转换电路。
具体实施例方式如图I所示，本发明所述的孔隙水渗压动态实时监测装置，由光栅渗压传感器I和监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分2、微处理器控制部分3、无线发射部分4和电源部分5。所述光栅渗压传感器I埋设在监测孔/井中，传感器中含有测量压力的光栅，同时还包含有一支用于测量温度的温补光栅，这支温补光栅用于对光栅渗压传感器的温度进行补偿，剔除环境温度对压力光栅波长的影响，从而使压力测量更精确。所述波长解调部分2由宽带光源21、光环行器22、光电转换�？�23组成。宽带光源发明21发明输出波长范围为1525— 1565nm的宽带光，经光环行器发明22发明的输入口输入，再经光环行器发明22发明的输出口输出，连接至光栅渗压传感器发明I发明，光光栅渗压传感器扫描，当宽带光中的波长和光栅渗压传感器的中心波长一致时，此中心波长的光被反射，此反射光通过监测仪器面板上的光接头连接至光环行器发明22发明的反射口，光环行器发明22发明的反射口和光电转换�？榉⒚�23发明连接，光电转换�？榉⒚�23发明将光信号转化为电信号。所述的光电转换�？榉⒚�23发明由相位光栅发明231发明、光电探测器发明232发明、前置放大电路发明233发明、噪声信号滤波电路发明234发明、二级放大电路发明235发明、模数转换电路发明236发明组成,输入光电转换�？榉⒚�23发明的输入光信号入射相位光栅发明231发明,相位光栅发明231发明将输入光信号按波长分离,分离后的光信号 入射光电探测器发明232发明，光电探测器发明232发明将光信号转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路发明233发明进行放大，再通过噪声信号滤波电路发明234发明，滤除电信号中的共模噪声信号，经二级放大电路发明235发明放大，二级放大电路发明235发明的输出电压范围在(Γ3. 0V，满足模数转换电路发明236发明需要的(Γ3. OV的电压范围，通过模数转化电路发明236发明，转换为数字信号。所述微处理器控制部分3由STM32核心处理单元31、液晶显示�？�32、U盘存储电路33、及按键输入34组成。STM32核心处理单元31是监测仪器的控制核心，其自带串口I用于采集光电转换�？榉⒚�23发明的光栅波长电信号，将采集的光栅波长和存储在存储电路中的光栅波长对比，将采集的光栅波长和存储在存储电路中的光栅波长对比，分别计算出光栅渗压传感器压力光栅和温补光栅中心波长的偏移，从压力光栅波长的偏移中减去温补光栅波长的偏移，该波长通过温度校正只反映了传感器所处环境的压力，根据该波长和压强之间的对应关系，计算出光栅渗压传感器所处环境的压强，在通过压力和压强的关系，计算出压力；串口 2用于控制液晶显示�？榉⒚�32发明，显示人机交互界面及采集的波长信号；串口 3用于控制无线发射部分发明4发明；串口 4用于驱动U盘存储电路33，将采集数据存储在U盘中；其自带的时钟用于采集时间的定时；其自带的GPIO的C 口驱动2402存储电路，用于存储采集参数、传感器参数及控制中心的IP地址；其GPIO的E 口用于控制继电器53。所述无线发射部分4由GSM无线传输�？樽槌桑涓涸鸾玈TM32微控制器采集到的数据通过GPRS网络发射到控制中心，控制中心通过采集软件接收STM32微控制器所发射的数据，从而实现对孔隙水渗压动态实时监测。所述电源部分5由锂电池51、稳压电路52、继电器53组成，锂电池51输出12V直流电压，经过稳压电路52产生9V、5V、3. 3V电压，通过继电器53的控制向监测仪器的各模块电路提供所需电压，当定时时间到，STM32核心处理单元31输出控制信号，控制继电器关闭，各�？榈缪辜釉兀惺莶杉�、存储、发射，当采集完成，继电器断开，各�？榈缪构乇眨佣迪质莸淖远杉�、远程传输。
所述的孔隙水渗压动态实时监测装置的工作原理为光栅渗压传感器安装在监测孔/井中，当外界压力发生变化时，光栅渗压传感器的中心波长将发生偏移。监测仪器中的宽带光源输出波长范围为1525— 1565nm的宽带光，经光环行器的输出口输出，对光栅渗压传感器进行扫描，当宽带光中的波长和光栅渗压传感器的中心波长一致时，此中心波长的光被反射，此反射光被相位光栅按波长分离，分离后的光信号再由光电探测器转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路进行放大，再通过噪声信号滤波电路滤除电信号中的共模噪声信号，再经二级放大电路放大，输出电压范围在(Γ3. OV的信号，满足模数转换电路需要的(Γ3. OV的电压范围，通过模数转化电路转换为数字信号。STM32核心处理单元采集光栅波长电信号，将采集的光栅波长和存储在存储电路中的光栅波长对比，分别计算出光栅渗压传感器压力光栅和温补光栅中心 波长的偏移，从压力光栅波长的偏移中减去温补光栅波长的偏移，该波长通过温度校正只反映了传感器所处环境的压力，根据该波长和压强之间的对应关系，计算出光栅渗压传感器所处环境的压强，在通过压力和压强的关系，从而计算出光栅渗压传感器的压力。
权利要求
1.一种孔隙水渗压动态实时监测装置，其特征在于此装置由光栅渗压传感器(I)连接监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分(2)、微处理器控制部分(3)、无线发射部分(4)及电源部分(5);光栅渗压传感器(I)为独立部分，其光栅渗压传感器的光接头和监测仪器的光输入接头连接；光栅波长解调部分(2)为由宽带光源(21)连接光环行器(22)，光环行器(22)连接光电转换�？�(23)组成；微处理器控制部分(3)为STM32核心处理单元(31)分别连接有光电转换�？�(23 )、液晶显示电路(32 )、U盘存储电路(33 )、时钟电路(34)和2402存储电路(35);无线发射部分(4)由GPRS无线传输�？樽槌桑坏缭床糠�(5)由锂电池(51)连接稳压电路(52)稳压电路(52)连接继电器(53)组成，上述各部分的连接关系如下 监测仪器内的宽带光源(21)输出宽带光，此宽带光连接至光环行器(22)的输入口，经光环行器(22)的输出口输出，通过监测仪器面板上的光接口连接至光栅渗压传感器(1)，宽带光被光栅渗压传感器(I)中的光栅反射，此反射光通过监测仪器面板上的光接口连接至光环行器(22)的反射口，光环行器(22)的反射口和光电转换�？�(23)连接,光电转换�？�(23)将光信号转化为电信号，此电信号连接至STM32核心处理单元(31)、核心处理单元(31)和液晶显示�？�(32)、U盘存储电路(33)、时钟电路(34)、2402存储电路(35)、无线发射部分(4)连接，电源部分(5)通过锂电池(51)、稳压电路(52)产生9V、5V、3. 3V电压，由继电器(53)控制向监测仪器的各�？榈缏诽峁┧璧缪梗� 光电转换�？�(23)由相位光栅(231)、光电探测器(232)、前置放大电路(233)、噪声信号滤波电路(234)、二级放大电路(235)、模数转换电路(236)组成，上述各部分的连接关系如下 光电转换�？�(23)的输入光信号入射相位光栅(231),相位光栅(231)将输入光信号按波长分离，分离后的光信号入射光电探测器(232)，光电探测器(232)将光信号转化为电信号，此电信号很微弱且含有共模噪声信号，首先将该信号通过前置放大电路(233)进行放大，再通过噪声信号滤波电路(234)，滤除电信号中的共模噪声信号，经二级放大电路(235)放大，二级放大电路(235)的输出电压范围在(Γ3. 0V，满足模数转换电路(236)需要的(Γ3. OV的电压范围，通过模数转化电路(236)，转换为数字信号。
全文摘要
一种孔隙水渗压动态实时监测装置，包括光栅渗压传感器和监测仪器组成，监测仪器包括光栅波长解调部分、微处理器控制部分、无线发射部分及电源部分。所述光栅解调部分连接有光栅渗压传感器，将光栅传感器的光信号转换为数字信号；微处理器控制部分负责数据采集、存储、显示等功能；电源控制部分控制各电路电源的通断；无线发射部分监测采集的数据通过GSM网络发射到控制中心。本发明实现了钻孔、堤坝、管道等孔隙水渗压的自动监测，省去人工操作的人力成本，提高了测量精度和准确度，有效实现恶劣环境下24小时全天候监控孔隙水渗压情况，为地质灾害监测预警提供数据支持。
文档编号G01L11/02GK102937501SQ201210452180
公开日2013年2月20日 申请日期2012年11月13日 优先权日2012年11月13日
发明者张青, 孟宪玮, 史彦新, 张晓飞, 吕中虎, 郝文杰, 韩永温, 曾克 申请人:中国地质调查局水文地质环境地质调查中心
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