一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法

技术领域

本发明涉及涉水工程局部冲刷监测系统及方法技术领域，尤其涉及一种 基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法。

背景技术

针对重大结构工程的健康监测与安全评价在监测领域受到人们越来越多 的重视，涉水工程的防灾减灾成为一个应运而生的研究领域。涉水工程由于 特殊的服役环境极易受到局部冲刷，局部冲刷引起的涉水工程的水毁具有突 发性，往往会给人民生命财产造成重大损失。我国很多涉水工程修建后缺乏 有效的管理和维护，经过长期的局部冲刷作用，涉水工程的健康状况已不容 乐观，一旦洪水来袭，这些涉水工程发生水毁的概率大大提高，而水毁后的涉 水工程的修复和重建从技术方面考虑是不易操作的，从经济方面考虑更是不 可行的。因此，发展涉水工程局部冲刷监测方法，及早发现冲刷问题以便及 时采取措施是非常必要的。为此，科技工作者开展了各种探索工作，研发了 不少监测方法。相比其它监测技术而言，超声监测方法由于具有成本低、指 向性强、精度高、工作稳定、可操作性强、能量消耗缓慢且在介质中传播距 离较远等优点而经常用于距离测量。超声监测方法可分为移动式超声监测法 和固定式超声监测法。目前，移动式超声监测法普遍应于河道、海洋测深。 但该方法测深的精度除受潮位和声速剖面测量误差的影响外，还受到底部检 测方法、仪器安装误差、船姿态测量误差、时延误差等多种因素的影响。而 且，在洪水期间桥墩附近水流湍急，移动超声监测法常有翻船的危险，故不 能对涉水工程附近局部冲刷进行有效监测。对于固定式超声监测法，由于要 求能够在洪水期间工作，而洪水中夹杂的随着水流高速运动的石块、漂浮物 等杂物具有相当大的冲击力和破坏力，经常会对核心部分为脆弱的压电晶体 的超声探头带来损坏，因此很难有效面对极端恶劣的洪水环境。

因此，需要提供一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法 来解决上述问题。

发明内容

为了解决该问题，本发明公开了一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷 监测系统及方法，该方法是将多个超声探头被固定于内置圆筒侧壁沿轴线方 向按一定间距排成一列的圆孔中，步进电机通过联轴器与内置圆筒连接，内 置圆筒通过同心轴承与保护套筒连接，步进电机固定在保护套筒内壁上，保 护套筒两端封闭并通过刚性支撑架固定在涉水建筑物的侧壁上，基于上述连 接，计算机通过无线控制器远程传输指令给步进电机，步进电机精确转动带 动内置圆筒按设定步进角在一定角度范围内转动，内置圆筒侧壁圆孔中的超 声探头对内置圆筒旋转各个步进角后所对应位置处的涉水工程附近三维地形 进行扫描，所采集的实时监测数据通过无线传输主控器远程传输至软件平台， 最终通过内置圆筒的转动实现对布设局部冲刷检测系统的涉水建筑物立面外 侧三维地形数据的完整采集。本方法不仅避免了移动式超声监测过程中产生 的各种误差，也有效避免了固定式超声监测过程中大洪水期间的高速水流所 夹带的石块等杂物对固定超声监测探头的损伤，实现了涉水工程周围局部冲 刷监测的远程控制，不再需要施测现场的人为操作，大幅减小了冲刷监测的 中间环节，削减了测量成本，缩短了监测的时间，提高了监测的精度。

较佳地，本方法是通过计算机远程操控步进电机转动带动被固定于内置 圆筒侧壁沿轴线方向按一定间距排成一列的圆孔中多个超声探头移动，自动 实时采集涉水工程附近不同位置处的局部冲刷三维地形数据，并运用无线传 输主控器将数据远程传输给计算机，不再需要施测现场的人为操作，只需远 程计算机发出运行指令并接收无线传输主控器远程传输回来的超声探头采集 的三维地形数据就能完成整个涉水工程局部冲刷监测过程，大幅减小了冲刷 监测的中间环节，削减了测量成本，缩短了冲刷监测的时间，提高了冲刷监 测的精度。

较佳地，一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法，固定 于保护套筒内壁上的步进电机转动带动通过同心轴承与保护套筒连接的内置 圆筒转动，多个超声探头固定于内置圆筒侧壁的圆孔中，基于上述连接，计 算机远程控制步进电机转动实现超声探头对三维地形的扫描，通过建立三维 坐标系将步进电机转动角度与超声探头表面到沙床面之间的距离转化为局部 冲刷地形三维位置坐标点数据并远程传输给计算机，从而实现对涉水工程局 部冲刷的自动实时监测。本方法可避免移动式超声监测的各种误差和固定式 超声监测时高速水流所夹杂物对超声探头的损伤，实现了远程自动实时监测， 缩短了监测时间，提高了监测精度。

为了实现上述目的，本发明将采取以下技术方案：

一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统，它包括计算机、步进 电机无线控制器、步进电机、内置圆筒、同心轴承，保护套筒，超声探头、 数据远程传输主控器，刚性支撑架，步进电机通过联轴器与内置圆筒连接， 内置圆筒通过同心轴承与保护套筒连接，步进电机固定在保护套筒内壁上， 保护套筒两端封闭并通过刚性支撑架固定在涉水工程侧壁上，基于上述连接， 远程计算机控制步进电机转动带动内置圆筒转动，从而实现被固定于内置圆 筒侧壁圆孔中的超声探头对涉水工程附近三维地形数据的自动采集。

一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测方法，该方法包括以下步骤：

1、计算机通过远程无线控制器控制步进电机转动，步进电机通过联轴器 带动内置护筒转动，从而被固定于内置圆筒侧壁沿轴线方向按一定间距排成 一列的圆孔中的超声探头实现对涉水工程附近不同位置处的局部冲刷三维地 形的扫描；

2、通过建立三维直角坐标系将步进电机转动的若干个步进角度与超声探 头获取的探头表面与沙床表面之间的距离转化为局部冲刷地形三维位置坐标 点数据，并将所采集的三维数据通过无线传输主控器传输给计算机，从而实 现对涉水工程周围局部冲刷地形的自动实时监测。

其中，三维直角坐标系坐标原点在内置圆筒一端，x轴沿护筒轴线方向， y轴为与内置圆筒轴线垂直的水平方向，z轴为铅直方向，测量点x轴方向坐 标可以根据被固定于内置圆筒侧壁沿轴线方向按一定间距排成一列的圆孔中 的超声探头的布设间距Δl确定为(m-1)·Δl(图1)，测量点y轴和z轴方向坐标 可以通过步进电机转动角度与超声探头获取的探头表面与沙床表面之间的距 离按照下式转换成局部冲刷地形三维位置坐标点数据：

x＝m·Δl(m＝1，2，…，M)

y＝Lsin nΔθ(n＝1，2，…，N)

z＝LcosnΔθ(n＝1，2，…，N)

式中L为超声探头测得数据，m为被固定于内置圆筒侧壁沿轴线方向按 一定间距排成一列的圆孔中的超声探头的个数，n为步进电机转动步进角个 数，Δθ为步进电机转动步进角度。

故步进电机每转动一个步进角角度，被固定于内置圆筒侧壁沿轴线方向 按一定间距排成一列的圆孔中的超声探头获取的三维地形坐标数据点(x，y， z)为((m-1)·Δl，LsinnΔθ，LcosnΔθ)。

本发明的有益效果为：

本发明可以可以避免移动式超声监测过程中产生的各种误差和固定式超 声监测过程中大洪水期间的高速水流所夹带的石块等杂物对固定超声监测探 头的损伤，削减了测量成本，提高了测量精度；根据采用远程控制的步进电 机的转动角度和超声探头获取的探头表面与沙床表面之间的距离直接获得涉 水工程周围局部冲刷地形的三维位置坐标数据点，并将局部冲刷地形的三维 位置坐标数据远程传输至计算机，不再需要施测现场的人为操作，实现了地 形数据获取的自动控制，大幅减小了冲刷监测的中间环节，缩短了监测的时 间。

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式 部分中进一步详细说明。本发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保 护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护 的技术方案的保护范围。

结合以下详细说明本发明的优点和特征。

附图说明

图1是本发明基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统示意图及三维 地形坐标数据点与探头布置、步进电机转动角度、超声探头采集的数据关系 计算原理图；

图2是本发明超声探头测距原理示意图；

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的 理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个 或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆， 对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发 明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实 施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施 方式。

以下对本发明的实施例做出详细描述。

如图1所示，本发明一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统， 它包括计算机(1)、步进电机无线控制器(2)、步进电机(3)、内置圆筒(4)、 同心轴承(5)，保护套筒(6)，超声探头(7)、数据远程传输主控器(8)， 刚性支撑架(9)，其特征在于，所述的步进电机(3)通过联轴器与内置圆筒 (4)连接，且步进电机(3)上面设有步进电机无线控制器(2)，内置圆筒 (4)上面设有数据远程传输主控器(8)，内置圆筒(4)通过同心轴承(5) 与保护套筒(6)连接，步进电机(3)固定在保护套筒(6)内壁上，保护套 筒(6)两端封闭并通过刚性支撑架(9)固定在涉水工程侧壁上，基于上述 连接，计算机(1)远程控制步进电机(3)转动带动内置圆筒(4)转动，从 而实现被固定于内置圆筒(4)侧壁圆孔中的超声探头(7)对涉水工程附近 三维地形的自动实时采集。

利用基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统对涉水工程附近某一位 置处局部冲刷三维地形数据获取时，如图1和图2所示，根据涉水工程局部 冲刷地形测量精度的具体要求，沿轴线方向以Δl孔间距在内置圆筒(4)侧壁 上钻取若干个排成一排的圆孔，将兼具发射和接收超声波超功能的超声探头 (7)以探头表面无限贴近保护套筒(6)内壁的方式固定于圆孔中，局部冲 刷地形监测时超声探头(7)以一定的频率向外发射超声波，超声波在保护套 筒(6)外壁和沙床面上会发生反射，反射信号会被探头接收，两个反射信号 之间的时差与超声波水中速度的乘积既是超声探头表面与沙床表面之间的距 离。

一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测方法，该方法包括以下步骤：

1、利用基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统对涉水工程附近不同 位置处的局部冲刷三维地形开展实时监测时，如图1所示，计算机(1)通过 步进电机无线控制器(2)远程操控步进电机(3)转动，步进电机(3)通过 与内置圆筒(4)的刚性连接带动内置圆筒(4)转动，步进电机(3)转动一 个步进角后内置圆筒(4)也转过一个步进角并暂停，以Δl的间距沿轴线方向 固定于内置圆筒(4)侧壁的圆孔中的若干个超声探头(7)探测探头表面与 沙床表面之间的距离，当步进电机(3)转动过若干个步进角并由超声探头(7) 获取到各个不同转动步进角所对应位置处探头表面与沙床表面之间的距离 后，再次转动一个步进角却只能接收到保护套筒(6)外壁反射信号而接收不 到沙床表面超声反射信号时，计算机(1)判定完成全部局部冲刷监测工作并 操控内置圆筒(4)复位，进而实现对局部冲刷地形数据的完整采集。

2、利用基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统对涉水工程附近不同 位置处的局部冲刷三维地形开展实时监测时，如图1所示，通过建立三维直 角坐标系，利用下式将步进电机(3)转动步进角度与超声探头(7)获取的 探头表面与沙床表面之间的距离转换成局部冲刷地形三维位置坐标点数据( x，y，z)，并将所采集的转换成局部冲刷地形三维位置坐标点数据通过数 据远程传输主控器(8)传输给计算机，从而实现对涉水工程周围局部冲刷地 形的自动实时监测。

x＝m·Δl(m＝1，2，…，M)

y＝LsinnΔθ(n＝1，2，…，N)

z＝Lcos nΔθ(n＝1，2，…，N)

其中，三维直角坐标系坐标原点在内置圆筒(4)一端，x轴沿护筒轴线 方向，y轴为与内置圆筒(4)轴线垂直的水平方向，z轴为铅直方向，L为 超声探头(7)获取的超声探头表面与沙床表面之间的距离，m为沿轴线方向 布置于内置圆筒(4)侧壁上的超声探头的个数，n为步进电机(3)转动步 进角个数，Δθ为步进电机(3)转动步进角度。

本方法不仅避免了移动式超声监测过程中产生的各种误差，也有效避免 了固定式超声监测过程中大洪水期间的高速水流所夹带的石块等杂物对固定 超声监测探头的损伤，实现了涉水工程周围局部冲刷监测的远程控制，不再 需要施测现场的人为操作，大幅减小了冲刷监测的中间环节，削减了测量成 本，缩短了监测的时间，提高了监测的精度。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例 只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围 内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根 据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本 发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等 效范围所界定。