一種基於水庫壩體監測的雷射基準點檢測裝置的製作方法
2023-04-27 05:12:26
本實用新型涉及一種水庫壩體監測裝置，具體地說是一種基於水庫壩體監測的雷射基準點檢測裝置。
背景技術：
混凝土壩和砌石壩建成蓄水運用後，在水、泥沙、浪、揚壓力、溫度以及地震等作用下，必然發生變形，嚴重導致塌陷，案例不勝枚舉。大壩安全監測技術是國際關注問題。
大壩結構安全監測系統涉及光學、傳感器、電子等多個學科領域，發展經歷兩個階段：
1、觀測階段(1891～1964年)，也稱原型觀測。因為該階段的監測水平較低，只是對放置在大壩結構上的監測儀器進行人工觀察和檢測，記錄大壩實時狀態。
2、安全觀測向安全監測轉變和發展的階段(1965年至今)。國內外監測領域逐漸意識到儀器檢測的局限性，便對大壩採用人工巡查與儀器觀測相結合。其中日本、美國是最早進行巡視檢查的國家，隨後法國、義大利加拿大以及挪威等國家也都規定必須對大壩進行人工巡檢，從而有效的避免了只用觀測儀器對大壩進行安全監測的缺陷。但由於人工巡查只能觀察大壩表面的變化，而對其內部的複雜結構變化以及安全隱患難以辨別，因此必須實用新型一種能夠隨時、隨地、及時、高效的反映和檢測大壩安全問題的監測技術。60年代後期，國外許多國家對自動監測大壩安全的儀器設備進行研究和製造：日本首先實現了在拱壩上對監測數據進行自動採集；之後，義大利先後實現了垂線儀變形自動監測和集中式採集數據系統；1989年，加拿大將能夠進行數據採集、存儲、處理、遠程以及分析等功能的自動化檢測系統安裝在大壩上。我國從80年代開始對壩體變形實行監測，也研製了分布式智能檢測數據採集系統、無線通信模塊以及維護大壩網絡安全信息的軟體系統。
目前國際上對壩體變形監測採用兩種方式：
1、根據基點高程和位置，使用經緯儀、水準儀、電子測距儀或雷射準直儀、GPS、智能全站儀等來測量壩體表面標點、覘標處高程和位置變化。可實現測點的三維位移數據測量；
2、在壩體表面安裝或埋設一些監測位移的儀器，通常只能測量測點的單項位移數據(水平位移或垂直位移)。常用的位移監測儀器有位移計、測縫計、傾斜儀、沉降儀、垂線坐標儀、引張線儀、多點位移計和應變計等。
就變形監測設備而言，從精度、穩定性、安裝工程量、維護、價格等幾方面說,能滿足各項要求的設備幾乎沒有。壩體內部位移監測還只能使用傳統的單項位移監測設備，需要預先埋設或鑽孔安裝，施工不便，目前還沒有好的替代方法；壩體表面位移使用的三維數據監測設備安裝方便、性能穩定、精度高，但受地理環境影響大，安裝條件受到限制，且成本高。
由此，研發一種不受地理環境影響，響應時間快，測量精度高，可實現自校準，便於實現智能數位化管理的壩體變形自動監測系統意義重大。
實用新型專利《水庫壩體沉陷與水平位移基準點檢測裝置及檢測方法》[專利號ZL201410450657.8]和《水庫壩體沉陷與水平位移監測系統》[專利號ZL201410450695.3]詳細闡述了基於雷射原理監測壩體變形的原理和方法。關鍵技術是利用雷射光束通過觀測點的「十字架」折射產生清晰圖形獲取縱軸的特徵值—弦長及截距來推算壩體變形程度。系統包括監測控制器和集中管理器，集中管理器設置在壩體外堅固端，雷射經發射和直射到若干個等間距的監測點，並在每個監測點處分別設置一個基準點監測器，如圖1所示。工作時上位機給基準點監測器發生一系列控制命令，在得到各監測器總允許情況下開啟雷射發生器，同時給監測器發射拍攝圖像指令。經圖像處理完畢將特徵值存入EEPROM，等待上位機有關命令。集中管理器與上位機可實現GPRS或RS485數據通訊，將壩體變形數據進行統計分析即可實現數位化智能安全管理，防患於未然，避免壩體塌陷等事故發生。
但是，在上述兩實用新型專利中，基準點監測器擋板通過擋板伸縮驅動機構和擋板移動驅動機構來進行移動和固定，當擋板受到外界衝擊時(物體撞擊或者大風)，擋板很容易損壞，導致箱體內進水或者灰塵，影響拍照效果無法準確監測水庫壩體。
技術實現要素：
針對上述不足，本實用新型提供了一種基於水庫壩體監測的雷射基準點檢測裝置，其不僅能夠有效監測水庫壩體情況，而且測量精度高。
本實用新型解決其技術問題採取的技術方案是：一種基於水庫壩體監測的雷射基準點檢測裝置，其特徵是，包括檢測器殼體、圖像檢測裝置、通孔開關機構和檢測控制器，所述檢測器殼體為一體成型殼體，在檢測器殼體對應的兩側面分別設置有通孔，所述圖像檢測裝置設置在檢測器殼體內兩個通孔之間，在檢測器殼體通孔處的內側壁上設置有通孔開關機構，所述檢測控制器設置在檢測器殼體內，所述檢測控制器分別與圖像檢測裝置和通孔開關機構相連；所述通孔開關機構包括固定在檢測器殼體內側壁上的支架板，在支架板一端設置有與通孔相應大小的通光孔，支架板另一端設置有水平的軌道孔，軌道孔與通光孔聯通，在支架板靠近檢測器殼體側壁一側設置有滑槽，在滑槽內設置有左右移動的遮擋板，所述遮擋板背面設置有在軌道孔左右移動的齒條，所述齒條與設置在旋轉軸上的齒輪嚙合，所述旋轉軸的上端與固定在支架板上的步進電機的輸出軸連接，旋轉軸的下端設置在固定在支架板上的軸承座內，在支架板左右兩端對應齒條移動行程的位置分別設置有一個限位開關；所述支架板上還設置有拉式電磁鐵，當遮擋板遮擋通光孔和通孔時拉式電磁鐵的擋頭下落在齒條遠離通光孔的一端；所述限位開關的輸出端與檢測控制器連接，所述步進電機的控制端與檢測控制器連接，所述拉式電磁鐵的控制端與檢測控制器連接；在步進電機的帶動下所述遮擋板緊靠在檢測器殼體內側壁上移動。
優選地，所述遮擋板採用聚乙烯板。
優選地，所述圖像檢測裝置包括攝像箱體、反光鋼條和攝像裝置，所述攝像箱體上設置有對應檢測器殼體上通孔的圓孔，所述的圓孔、通孔和透光孔的大小相同且它們的中心線在一條直線上；所述反光鋼條豎直設置在攝像箱體內且與圓孔的中心線垂直；所述攝像裝置設置在述攝像箱體內且與檢測控制器連接。
優選地，所述攝像裝置採用OV2640攝像頭。
優選地，所述檢測控制器包括STM8L151單片機、圖像檢測電源控制電路、無線模塊、無線模塊電源控制電路、振動傳感器、驅動電路和電源模塊，所述STM8L151單片機通過UART通訊電路電路與圖像檢測裝置連接，所述圖像檢測電源控制電路分別與STM8L151單片機和圖像檢測裝置連接，所述無線模塊與STM8L151單片機連接，所述無線模塊電源控制電路分別與STM8L151單片機、無線模塊和電源模塊連接，所述振動傳感器設置在檢測器殼體且與STM8L151單片機連接，所述電源模塊與STM8L151單片機連接。
優選地，基準點檢測裝置還包括太陽能電池板、充電裝置和鋰電池，所述太陽能電池板設置在檢測器殼體頂部，所述充電裝置和鋰電池設置在檢測器殼體內，所述充電裝置分別與太陽能電池板和鋰電池連接，所述鋰電池與電源模塊連接。
優選地，所述無線模塊包括GPRS模塊，所述GPRS模塊包括SIM800C模塊、SIM卡和MIC29302晶片，所述SIM800C模塊分別與STM8L151單片機和電源模塊連接，所述SIM卡設置在SIM800C模塊的卡槽內，所述MIC29302晶片的控制端與STM8L151單片機連接。
本實用新型的有益效果是：
本實用新型通過設置通孔開關機構實現了檢測器殼體的通孔自動開啟和關閉，通孔開關機中遮擋板採用聚乙烯板加工製成，成本較低，耐用抗腐蝕，且不變型，檢測控制器採用超低功耗的STM8L單片機構成，功耗較低，整個系統滿足實際現場要求。
當進行水庫壩體檢測時，本實用新型控制通孔開關機構自動將檢測器殼體的通孔打開，使雷射穿過通光孔和通孔；當檢測完成時，控制通孔開關機構自動關閉通光孔和通孔，防止灰塵、雨水等進入殼體內，不僅減少了人工參與，節約了成本，而且做到了隨時檢測的目的。
附圖說明
圖1為現有技術水庫壩體監測系統的結構示意圖；
圖2為本實用新型所述檢測器殼體的結構示意圖；
圖3為本實用新型所述檢測器殼體的內部結構示意圖；
圖4為本實用新型所述圖像檢測裝置的結構示意圖；
圖5為本實用新型所述通孔開關機構(支架板背離殼體側壁一側)的結構示意圖；
圖6為本實用新型所述通孔開關機構(支架板靠近殼體側壁一側)的結構示意圖；
圖7為本實用新型所述檢測控制器的結構示意圖；
圖8為本實用新型所述GPRS模塊的電路原理圖；
圖中，1為檢測器殼體，2為通孔，3為圖像檢測裝置，31攝像箱體，32為圓孔，33為反光鋼條，34為攝像裝置，4為檢測控制器，5為通孔開關機構；501為支架板、502為通光孔、503為軌道孔、504為滑槽、505為遮擋板、506為齒條、507為旋轉軸、508為齒輪、509為步進電機、510為軸承座、511和512為限位開關、513為拉式電磁鐵。
具體實施方式
為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式並結合其附圖對本實用新型進行詳細闡述。下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本實用新型的不同結構。為了簡化本實用新型的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。此外，本實用新型可以在不同例子中重複參考數字和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。應當注意，在附圖中所圖示的部件不一定按比例繪製。本實用新型省略了對公知組件和處理技術及工藝的描述以避免不必要地限制本實用新型。
如圖2至圖6所示，本實用新型的一種基於水庫壩體監測的雷射基準點檢測裝置，它包括檢測器殼體1、圖像檢測裝置3、通孔開關機構5和檢測控制器4，所述檢測器殼體1為一體成型殼體，在檢測器殼體1對應的兩側面分別設置有通孔2，所述圖像檢測裝置3設置在檢測器殼體內兩個通孔2之間，在檢測器殼體1通孔處的內側壁上設置有通孔開關機構5，所述檢測控制器4設置在檢測器殼體1內，所述檢測控制器4分別與圖像檢測裝置3和通孔開關機構5相連；所述通孔開關機構5包括固定在檢測器殼體內側壁上的支架板501，在支架板501一端設置有與通孔相應大小的通光孔502，支架板另一端設置有水平的軌道孔503，軌道孔503與通光孔502聯通，在支架板501靠近檢測器殼體側壁一側設置有滑槽504，在滑槽504內設置有左右移動的遮擋板505，所述遮擋板505背面設置有在軌道孔左右移動的齒條506，所述齒條506與設置在旋轉軸507上的齒輪508嚙合，所述旋轉軸507的上端與固定在支架板上的步進電機509的輸出軸連接，旋轉軸507的下端設置在固定在支架板上的軸承座510內，在支架板左右兩端對應齒條移動行程的位置分別設置有一個限位開關511和512；所述支架板501上還設置有拉式電磁鐵513，當遮擋板遮擋通光孔和通孔時拉式電磁鐵513的擋頭下落在齒條506遠離通光孔的一端；所述限位開關511和512的輸出端與檢測控制器4連接，所述步進電機509的控制端與檢測控制器4連接，所述拉式電磁鐵513的控制端與檢測控制器4連接；在步進電機509的帶動下所述遮擋板505緊靠在檢測器殼體1內側壁進行移動，增加了檢測器殼體的密封性和防水性。
所述遮擋板505採用聚乙烯板。
如圖4所示，所述圖像檢測裝置3包括攝像箱體31、反光鋼條33和攝像裝置34，所述攝像箱體31上設置有對應檢測器殼體上通孔的圓孔32，所述的圓孔32、通孔和透光孔的大小相同且它們的中心線在一條直線上；所述反光鋼條33豎直設置在攝像箱體31內且與圓孔32的中心線垂直；所述攝像裝置34設置在述攝像箱體31內且與檢測控制器連接。所述攝像裝置優選採用OV2640攝像頭。
如圖7所示，所述檢測控制器包括STM8L151單片機、圖像檢測電源控制電路、無線模塊、無線模塊電源控制電路、振動傳感器、驅動電路和電源模塊，所述STM8L151單片機通過UART通訊電路電路與圖像檢測裝置連接，所述圖像檢測電源控制電路分別與STM8L151單片機和圖像檢測裝置連接，所述無線模塊與STM8L151單片機連接，所述無線模塊電源控制電路分別與STM8L151單片機、無線模塊和電源模塊連接，所述振動傳感器設置在檢測器殼體且與STM8L151單片機連接，所述電源模塊與STM8L151單片機連接。
基準點檢測裝置還包括太陽能電池板、充電裝置和鋰電池，所述太陽能電池板設置在檢測器殼體頂部，所述充電裝置和鋰電池設置在檢測器殼體內，所述充電裝置分別與太陽能電池板和鋰電池連接，所述鋰電池與電源模塊連接。
如圖8所示，所述無線模塊包括GPRS模塊，所述GPRS模塊包括SIM800C模塊、SIM卡和MIC29302晶片，所述SIM800C模塊分別與STM8L151單片機和電源模塊連接，所述SIM卡設置在SIM800C模塊的卡槽內，所述MIC29302晶片的控制端與STM8L151單片機連接。
通孔開關機構的工作原理如下：步進電機的輸出軸與旋轉軸固定在一起，旋轉軸跟齒輪固定一起，齒輪與齒條咬合一起，當電機工作時，旋轉軸和齒輪旋轉，帶動齒條移動，齒條和遮擋板固定在一起上，從而帶動遮擋板移動打開或關閉通光孔和通孔。當齒條移動到指定位置時會碰觸限位開關，限位開關會給STM8L151單片機一個信號，STM8L151單片機停止驅動步進電機工作。當齒條移動碰觸到開進通光孔處的限位開關7時，遮擋板將通光孔關閉，此時給拉式電磁鐵斷電，拉式電磁鐵的擋頭會落下，擋住齒條，使齒條不能向遠通光孔方向移動，防止外力將遮擋板打開，增強安全性。下次開啟時，首先給拉式電磁鐵上電，使擋頭抬起。通孔開關機構通過STM32F407單片機的控制，驅動步進電機自動打開和關閉通光孔和通孔。當檢測水庫水位時，其自動將通光孔打開，使攝像頭穿過通光孔和通孔拍攝水位尺；當檢測完成時，自動關閉通光孔和通孔，防止灰塵、雨水等進入殼體內，不僅減少了人工參與，節約了成本，而且做到了隨時檢測的目的。
在本實用新型檢測系統中，控制器使用STM8L151低功耗單片機，降低系統功耗。同時使用太陽能板和充電鋰電池的供電方案，減少能源損耗。單片機可以控制無線模塊的電源，周期性的開啟關閉無線模塊，有利於降低功耗。振動傳感器固定在箱體上，與單片機通過導線相連，當箱體因外力發生振動時，振動傳感器給單片機一個低電平信號，單片機中斷接收後，通過無線模塊，將震動報警信號發送到計算機。單片機驅動步進電機正轉、反轉，從而打開或關閉通孔開關機構中遮擋板，在檢測時打開雷射通路，檢測結束後關閉雷射通路。限位開關與單片機相連，當機構打開或關閉到預定位置時，碰觸限位開關，限位開關給單片機一個低電平信號，單片機停止控制步進電機。單片機控制圖像檢測裝置的電源，當需要拍照時，控制其電源打開，使圖像檢測裝置工作，它們通過UART通信，將檢測到的壩體變形信息傳到STM8L151單片機，單片機再通過無線模塊傳輸到上位機上。整個過程能夠自動開啟、關閉機構，自動完成檢測，自動數據傳輸，不需要人工參與，極大的方便了工作，節省了成本。
本實用新型的工作過程為：控制器的無線模塊接收到上位機的指令後給單片機，單片機接收到開啟檢測命令後，開始執行開啟動作，首先控制電磁鐵上電，使擋頭抬起，然後控制步進電機轉動，帶動遮擋板移動。在這個過程中，檢查限位開關是否有信號輸入，如果有信號輸入，說明已經開啟到指定位置，則停止步進電機工作，此時雷射通光孔打開。控制圖像檢測裝置的電源，使圖像檢測裝置通電並開始工作，攝像頭拍攝圖像並進行分析計算出水平垂直位移，並通過UART將測得的數據傳輸到單片機。單片機通過無線模塊將數據傳輸到上位機上。
此外，本實用新型的應用範圍不局限於說明書中描述的特定實施例的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法及步驟。從本實用新型的公開內容，作為本領域的普通技術人員將容易地理解，對於目前已存在或者以後即將開發出的工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟，其中它們執行與本實用新型描述的對應實施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結果，依照本實用新型可以對它們進行應用。因此，本實用新型所附權利要求旨在將這些工藝、機構、製造、物質組成、手段、方法或步驟包含在其保護範圍內。