振動式衝刷傳感器的製作方法

2023-06-11 21:16:01 1

專利名稱：振動式衝刷傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水利工程監測裝置，具體涉及一種振動式衝刷傳感器。
背景技術：
近年來，伴隨著我國對海洋資源的不斷開發與利用，在我國的沿海地區出現大量的海洋工程結構物，如海岸防護工程、跨海大橋和大型港口等。這些大型結構物會改變周圍的波浪和水流條件，由此帶來的衝蝕作用會逐漸降低結構物地基的強度，造成結構物安全隱患，危及廣大人民群眾的財產和生命安全。目前的衝刷監測方法主要有人工深度尺、聲納、雷達和時域反射計(TDR)等，但是這些方法在實際工程應用中具有很大局限性，比如有離線、精度低、穩定性差、成本高和傳感元件耐久性差等缺點，難於實時、準確監測樁基和堤岸的衝刷狀態。

現有一些新型的衝刷傳感器，如專利號為200710144304.5的《光纖光柵衝刷監測傳感器及其製作方法》、專利號為200710144305.X的《一種高耐久性光纖光柵衝刷傳感器》、專利號為201110352894.7的《長標距光纖光柵衝刷傳感器及其製作、安裝布設方法和由其構成的衝刷監測系統》，它們利用光纖光柵等傳感元件，能實現動態的實時衝刷監測，相較於傳統的監測方法更加精確；但這些傳感器製作工藝複雜，測量變量是根據傳感元件信號強度值確定，受到的幹擾因素較多，成本較高，不能適應我國衝刷監測環境的現實需要。而在衝刷狀態下，水流自身帶有脈動和紊流變化，這與土體相對穩定的狀態不同。基於此特性，本發明提供一種新型的衝刷傳感器。

發明內容
本發明的目的在於提供一種振動式衝刷傳感器，精確度高、耐久性高、不受溫度幹擾、製作簡單、成本較低，用以監測水下衝刷。實現本發明目的的技術解決方案為:振動式衝刷傳感器包括固定架和振動傳感探頭，在固定架的每一層頂部內側均設置一個振動傳感探頭。上述振動傳感探頭包括信號線、應變傳感元件、保護殼、傳導杆、波形盤。傳導杆一端與波形盤邊沿連接，另一端貼有應變傳感元件並引出信號線。保護殼為半個金屬圓柱，底面圓心開有卡口，兩個相同的保護殼在傳導杆的頂端壓合罩住應變傳感元件，留有的卡口卡住傳導杆，確保卡口與傳導杆緊密貼合，起到密封作用。保護殼頂面固定在固定架上。上述固定架為格構式管架，外圈鋪有鋼絲網，防止大顆粒的雜物進入。上述傳導杆為豎直細扁杆件，應變傳感兀件貼在傳導杆的寬表面上。上述波形盤是剖面為波浪形的圓盤。上述振動傳感探頭製作方法，包括以下幾個步驟:
(al)將波形盤與傳導杆一端連接成一體；
(a2)在傳導杆另一端寬表面粘貼應變傳感元件，信號線一端與應變傳感元件連接，另一端沿傳導杆引出；(a3)將兩個相同的保護殼壓合罩住應變傳感元件，留有的卡口卡住傳導杆固定密封。振動式衝刷傳感器工作原理和方法如下:
當振動傳感探頭在水體中，垂直于波形盤的水流會由於水流自身的脈動而帶動波形盤振動；平行于波形盤的水流會由于波形盤自身形狀產生紊流，帶動波形盤振動。由于波形盤的振動，導致連接波形盤的傳導杆端部往復受力，傳遞彎矩到貼附應變傳感元件位置的傳導杆上並產生彎曲變形，通過應變傳感元件感應獲得變化的應變數據，根據數據振動幅度和頻率可以得知振動傳感探頭在水體中。若振動傳感探頭在土體中，土體本身相對穩定,通過應變傳感元件感應獲得的應變數據幾乎沒有變化。將若干只相同的振動傳感探頭按一定深度間隔放置在水下(部分埋入土中)，通過振動傳感探頭應變數據的振動幅度和頻率區分水體和土體，即確定了泥面深度。本發明與現有技術相比，其顯著優點:(I)本發明的測量原理簡單可靠:在水中的振動傳感探頭會感應到水流的變化，通過振動傳感探頭內應變傳感元件所得的應變數據的振動幅度和頻率，可知該傳感探頭在水體中。而土體中沒有這種振動特性，振動傳感探頭內應變傳感元件所得的數據幾乎沒有變化，最終確定泥面位置。這種監測方法，避免了傳統方法根據傳感元件信號強度值確定泥面深度，因而不受溫度變化等因素幹擾，具有無溫漂和無零漂的優點，數據精確穩定；
(2)本發明的傳感裝置製作工藝簡單。本發明主要有固定架和多個相同的振動傳感探頭，製作簡單，安裝方便，有廣闊的應用前景和良好的經濟效益；
(3)本發明的測試精度高,其測試精度可達0.2m，並且可以根據具體要求改變精度，其精度主要可以通過改變振動傳感探頭數量以及探頭間距大小實現；
(4)本發明無需對安裝位置進行限制，只要確保監測時至少有兩個不同深度的振動傳感探頭分別在水體和土體中即可確定泥面位置； (5)本發明可對多個監測點同時進行衝刷監測，可按照監測需求，在多個監測點安裝振動式衝刷傳感器,實現區域性整體衝刷監測。


圖1為振動式衝刷傳感器結構示意圖。圖2為振動傳感探頭結構示意圖。圖3為波形盤示意圖，其中圖3 (a)為波形盤正視圖，圖3 (b)為波形盤側視圖。圖4為振動式衝刷傳感器靠岸式安裝示意圖。圖5為振動式衝刷傳感器離岸式安裝示意圖。圖6為振動傳感探頭工作原理示意簡圖。圖中各標號:振動式衝刷傳感器I,固定架11，振動傳感探頭12，信號線121，應變傳感元件122，保護殼123，傳導杆124，波形盤125，連接件2，錨碇3，卡槽31。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。結合圖1，振動式衝刷傳感，I包括固定架11和振動傳感探頭12，在固定架11的每一層頂部內側均設置一個振動傳感探頭12。
結合圖2和圖3，上述振動傳感探頭12包括信號線121、應變傳感元件122、保護殼123、傳導杆124、波形盤125。傳導杆124 —端與波形盤125邊沿連接，另一端貼有應變傳感元件122並引出信號線。保護殼123為半個金屬圓柱，底面圓心開有卡口，兩個相同的保護殼123在傳導杆的頂端壓合罩住應變傳感元件122，留有的卡口卡住傳導杆124，確保卡口與傳導杆124緊密貼合，起到密封作用。保護殼123頂面焊接在固定架11上。上述固定架11為L形型鋼焊接而成的格構式管架，外圈鋪有鋼絲網，防止大顆粒的雜物進入。上述傳導杆124為豎直細扁杆件,應變傳感兀件122貼在傳導杆的寬表面上。上述波形盤125是剖面為波浪形的圓盤。上述振動傳感探頭12製作方法，包括以下幾個步驟:
(al)將波形盤125與傳導杆124 —端連接成一體；
(a2)在傳導杆124另一端寬表面粘貼應變傳感元件122，信號線121 —端與應變傳感元件122連接，另一端沿傳導杆124引出；
(a3)將兩個相同的保護殼123壓合罩住應變傳感元件122，留有的卡口卡住傳導杆124固定密封。結合圖4和圖5，根據監測需要，本發明的振動式衝刷傳感器I有靠岸式安裝方式和尚岸式安裝方式。上述靠岸式安裝方式是將振動式衝刷傳感器I通過連接件2與水下結構固定連
接。 上述離岸式安裝方式是將振動式衝刷傳感器I安裝在錨碇3頂面，套入鋼護筒後置於監測點，錘擊鋼護筒到指定深度後拔起，完成振動式衝刷傳感器I的安裝。其中錨碇3為鋼製圓錐筒，內部焊有鋼筋、灌滿混凝土，頂面設有圓形卡槽31，振動式衝刷傳感器I在卡槽31範圍之內。上述靠岸式安裝方式，包括以下幾個步驟:
(bl-Ι)將振動式衝刷傳感器I立置於監測點；
(bl-2)將振動式衝刷傳感器I順著水下結構表面沉入,直至振動式衝刷傳感器I的大部分在泥面以下、小部分在泥面以上的位置；
(bl-3)將振動式衝刷傳感器I的固定架11通過連接件2與水下結構螺栓連接固定，完成振動式衝刷傳感器I最終的安裝。上述離岸式安裝方式，包括以下幾個步驟:
(b2-l)將振動式衝刷傳感器I的固定架11根部與錨碇3內的鋼筋焊接，並澆築混凝
土 ;
(b2-2)將鋼護筒套在振動式衝刷傳感器I外，底端插入錨碇3頂面的卡槽31內； (b2-3)將鋼護筒連同安裝好錨碇3的振動式衝刷傳感器I 一同立置於監測點；
(b2-4)錘擊鋼護筒，使鋼護筒帶動安裝好錨碇3的振動式衝刷傳感器I插入土中，直至振動式衝刷傳感器I的大部分在泥面以下、小部分在泥面以上的位置，然後緩緩提起鋼護筒，使水下泥沙逐漸充填空隙，完成振動式衝刷傳感器I最終的安裝。振動式衝刷傳感器I工作原理和方法如下:
結合圖6，當振動傳感探頭12在水體時，垂直于波形盤125的水流會由於水流自身的脈動而帶動波形盤125振動；平行于波形盤125的水流會由于波形盤125自身形狀產生紊流，帶動波形盤125振動。由于波形盤125的振動，導致連接波形盤125的傳導杆端部往復
受力。根據公式
權利要求
1.一種振動式衝刷傳感器，其特徵在於:振動式衝刷傳感器(I)包括固定架(11)和振動傳感探頭(12)，在固定架(11)的每一層頂部內側均設置一個振動傳感探頭(12);所述振動傳感探頭(12)包括信號線(121 )、應變傳感元件(122)、保護殼(123)、傳導杆(124)、波形盤(125);傳導杆(124) —端與波形盤(125)邊沿連接，另一端貼有應變傳感元件(122)並引出信號線(121);保護殼(123)為半個金屬圓柱，底面圓心開有卡口，兩個相同的保護殼(123)在傳導杆(124)的頂端壓合罩住應變傳感元件(122)，留有的卡口卡住傳導杆(124)，確保卡口與傳導杆(124)緊密貼合，起到密封作用；保護殼(123)頂面固定在固定架(11)上。
2.根據權利要求1所述的振動式衝刷傳感器，其特徵在於:所述固定架(11)為格構式管架，外圈鋪有鋼絲網。
3.根據權利要求1所述的振動式衝刷傳感器，其特徵在於:所述傳導杆(124)為豎直細扁杆件，應變傳感兀件(122)貼在傳導杆(124)的寬表面上。
4.根據權利要求1所述的振動式衝刷傳感器，其特徵在於:所述波形盤(125)是剖面為波浪形的圓盤。
5.根據權利要求1所述的振動式衝刷傳感器，其特徵在於:所述振動傳感探頭(12)的製作方法如下: al、將波形盤(125)與傳導杆(124) —端連接成一體； a2、在傳導杆(124)另一端寬表面粘貼應變傳感元件(122)，信號線(121) —端與應變傳感元件(122)連接，另一端沿傳導杆(124)引出； a3、將兩個相同的保護殼(123)在傳導杆(124)的頂端壓合罩住應變傳感元件(122)，留有的卡口卡住傳導杆(124)固定密封。
全文摘要
本發明公開了一種振動式衝刷傳感器，包括固定架和振動傳感探頭，在固定架的每一層頂部內側均設置一個振動傳感探頭。當振動傳感探頭在水體中，水流變化會帶動振動傳感探頭中的應變傳感元件發生振動變形，根據測量得到的應變數據的振動幅度和頻率就可判斷該探頭處於水體中；若振動傳感探頭在土體中，土體本身相對穩定，傳感探頭獲得的應變數據幾乎沒有變化；由此根據應變數據的振動幅度和頻率區分水體和土體，即確定了泥面深度。本發明不受溫度變化等因素幹擾，具有無溫漂和無零漂的優點，製作簡單、成本較低，可根據使用條件和要求改變測量精度和測量深度範圍，在多個監測地點安裝本發明的監測裝置，實現區域性衝刷監測。
文檔編號G01M7/02GK103234723SQ20131015157
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月24日 優先權日2013年4月24日
發明者丁勇, 方海東, 何寧, 崔何亮, 姚慶雄, 左曉寶 申請人:南京理工大學