專利名稱：振動式?jīng)_刷傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水利工程監(jiān)測裝置，具體涉及一種振動式?jīng)_刷傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，伴隨著我國對海洋資源的不斷開發(fā)與利用，在我國的沿海地區(qū)出現(xiàn)大量的海洋工程結(jié)構(gòu)物，如海岸防護(hù)工程、跨海大橋和大型港口等。這些大型結(jié)構(gòu)物會改變周圍的波浪和水流條件，由此帶來的沖蝕作用會逐漸降低結(jié)構(gòu)物地基的強(qiáng)度，造成結(jié)構(gòu)物安全隱患，危及廣大人民群眾的財產(chǎn)和生命安全。目前的沖刷監(jiān)測方法主要有人工深度尺、聲納、雷達(dá)和時域反射計(TDR)等，但是這些方法在實(shí)際工程應(yīng)用中具有很大局限性，比如有離線、精度低、穩(wěn)定性差、成本高和傳感元件耐久性差等缺點(diǎn)，難于實(shí)時、準(zhǔn)確監(jiān)測樁基和堤岸的沖刷狀態(tài)。

現(xiàn)有一些新型的沖刷傳感器，如專利號為200710144304.5的《光纖光柵沖刷監(jiān)測傳感器及其制作方法》、專利號為200710144305.X的《一種高耐久性光纖光柵沖刷傳感器》、專利號為201110352894.7的《長標(biāo)距光纖光柵沖刷傳感器及其制作、安裝布設(shè)方法和由其構(gòu)成的沖刷監(jiān)測系統(tǒng)》，它們利用光纖光柵等傳感元件，能實(shí)現(xiàn)動態(tài)的實(shí)時沖刷監(jiān)測，相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測方法更加精確；但這些傳感器制作工藝復(fù)雜，測量變量是根據(jù)傳感元件信號強(qiáng)度值確定，受到的干擾因素較多，成本較高，不能適應(yīng)我國沖刷監(jiān)測環(huán)境的現(xiàn)實(shí)需要。而在沖刷狀態(tài)下，水流自身帶有脈動和紊流變化，這與土體相對穩(wěn)定的狀態(tài)不同。基于此特性，本發(fā)明提供一種新型的沖刷傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種振動式?jīng)_刷傳感器，精確度高、耐久性高、不受溫度干擾、制作簡單、成本較低，用以監(jiān)測水下沖刷。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:振動式?jīng)_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(nèi)側(cè)均設(shè)置一個振動傳感探頭。上述振動傳感探頭包括信號線、應(yīng)變傳感元件、保護(hù)殼、傳導(dǎo)桿、波形盤。傳導(dǎo)桿一端與波形盤邊沿連接，另一端貼有應(yīng)變傳感元件并引出信號線。保護(hù)殼為半個金屬圓柱，底面圓心開有卡口，兩個相同的保護(hù)殼在傳導(dǎo)桿的頂端壓合罩住應(yīng)變傳感元件，留有的卡口卡住傳導(dǎo)桿，確?？谂c傳導(dǎo)桿緊密貼合，起到密封作用。保護(hù)殼頂面固定在固定架上。上述固定架為格構(gòu)式管架，外圈鋪有鋼絲網(wǎng)，防止大顆粒的雜物進(jìn)入。上述傳導(dǎo)桿為豎直細(xì)扁桿件，應(yīng)變傳感兀件貼在傳導(dǎo)桿的寬表面上。上述波形盤是剖面為波浪形的圓盤。上述振動傳感探頭制作方法，包括以下幾個步驟:
(al)將波形盤與傳導(dǎo)桿一端連接成一體；
(a2)在傳導(dǎo)桿另一端寬表面粘貼應(yīng)變傳感元件，信號線一端與應(yīng)變傳感元件連接，另一端沿傳導(dǎo)桿引出；(a3)將兩個相同的保護(hù)殼壓合罩住應(yīng)變傳感元件，留有的卡口卡住傳導(dǎo)桿固定密封。振動式?jīng)_刷傳感器工作原理和方法如下:
當(dāng)振動傳感探頭在水體中，垂直于波形盤的水流會由于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(chǎn)生紊流，帶動波形盤振動。由于波形盤的振動，導(dǎo)致連接波形盤的傳導(dǎo)桿端部往復(fù)受力，傳遞彎矩到貼附應(yīng)變傳感元件位置的傳導(dǎo)桿上并產(chǎn)生彎曲變形，通過應(yīng)變傳感元件感應(yīng)獲得變化的應(yīng)變數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)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(wěn)定,通過應(yīng)變傳感元件感應(yīng)獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)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(yīng)變數(shù)據(jù)的振動幅度和頻率區(qū)分水體和土體，即確定了泥面深度。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(I)本發(fā)明的測量原理簡單可靠:在水中的振動傳感探頭會感應(yīng)到水流的變化，通過振動傳感探頭內(nèi)應(yīng)變傳感元件所得的應(yīng)變數(shù)據(jù)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(nèi)應(yīng)變傳感元件所得的數(shù)據(jù)幾乎沒有變化，最終確定泥面位置。這種監(jiān)測方法，避免了傳統(tǒng)方法根據(jù)傳感元件信號強(qiáng)度值確定泥面深度，因而不受溫度變化等因素干擾，具有無溫漂和無零漂的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)精確穩(wěn)定；
(2)本發(fā)明的傳感裝置制作工藝簡單。本發(fā)明主要有固定架和多個相同的振動傳感探頭，制作簡單，安裝方便，有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)效益；
(3)本發(fā)明的測試精度高,其測試精度可達(dá)0.2m，并且可以根據(jù)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(shù)量以及探頭間距大小實(shí)現(xiàn)；
(4)本發(fā)明無需對安裝位置進(jìn)行限制，只要確保監(jiān)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(fā)明可對多個監(jiān)測點(diǎn)同時進(jìn)行沖刷監(jiān)測，可按照監(jiān)測需求，在多個監(jiān)測點(diǎn)安裝振動式?jīng)_刷傳感器,實(shí)現(xiàn)區(qū)域性整體沖刷監(jiān)測。


圖1為振動式?jīng)_刷傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為振動傳感探頭結(jié)構(gòu)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(cè)視圖。圖4為振動式?jīng)_刷傳感器靠岸式安裝示意圖。圖5為振動式?jīng)_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(biāo)號:振動式?jīng)_刷傳感器I,固定架11，振動傳感探頭12，信號線121，應(yīng)變傳感元件122，保護(hù)殼123，傳導(dǎo)桿124，波形盤125，連接件2，錨碇3，卡槽31。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。結(jié)合圖1，振動式?jīng)_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(nèi)側(cè)均設(shè)置一個振動傳感探頭12。
結(jié)合圖2和圖3，上述振動傳感探頭12包括信號線121、應(yīng)變傳感元件122、保護(hù)殼123、傳導(dǎo)桿124、波形盤125。傳導(dǎo)桿124 —端與波形盤125邊沿連接，另一端貼有應(yīng)變傳感元件122并引出信號線。保護(hù)殼123為半個金屬圓柱，底面圓心開有卡口，兩個相同的保護(hù)殼123在傳導(dǎo)桿的頂端壓合罩住應(yīng)變傳感元件122，留有的卡口卡住傳導(dǎo)桿124，確保卡口與傳導(dǎo)桿124緊密貼合，起到密封作用。保護(hù)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(gòu)式管架，外圈鋪有鋼絲網(wǎng)，防止大顆粒的雜物進(jìn)入。上述傳導(dǎo)桿124為豎直細(xì)扁桿件,應(yīng)變傳感兀件122貼在傳導(dǎo)桿的寬表面上。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制作方法，包括以下幾個步驟:
(al)將波形盤125與傳導(dǎo)桿124 —端連接成一體；
(a2)在傳導(dǎo)桿124另一端寬表面粘貼應(yīng)變傳感元件122，信號線121 —端與應(yīng)變傳感元件122連接，另一端沿傳導(dǎo)桿124引出；
(a3)將兩個相同的保護(hù)殼123壓合罩住應(yīng)變傳感元件122，留有的卡口卡住傳導(dǎo)桿124固定密封。結(jié)合圖4和圖5，根據(jù)監(jiān)測需要，本發(fā)明的振動式?jīng)_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?jīng)_刷傳感器I通過連接件2與水下結(jié)構(gòu)固定連
接。 上述離岸式安裝方式是將振動式?jīng)_刷傳感器I安裝在錨碇3頂面，套入鋼護(hù)筒后置于監(jiān)測點(diǎn)，錘擊鋼護(hù)筒到指定深度后拔起，完成振動式?jīng)_刷傳感器I的安裝。其中錨碇3為鋼制圓錐筒，內(nèi)部焊有鋼筋、灌滿混凝土，頂面設(shè)有圓形卡槽31，振動式?jīng)_刷傳感器I在卡槽31范圍之內(nèi)。上述靠岸式安裝方式，包括以下幾個步驟:
(bl-Ι)將振動式?jīng)_刷傳感器I立置于監(jiān)測點(diǎn)；
(bl-2)將振動式?jīng)_刷傳感器I順著水下結(jié)構(gòu)表面沉入,直至振動式?jīng)_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?jīng)_刷傳感器I的固定架11通過連接件2與水下結(jié)構(gòu)螺栓連接固定，完成振動式?jīng)_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?jīng)_刷傳感器I的固定架11根部與錨碇3內(nèi)的鋼筋焊接，并澆筑混凝
土 ;
(b2-2)將鋼護(hù)筒套在振動式?jīng)_刷傳感器I外，底端插入錨碇3頂面的卡槽31內(nèi)； (b2-3)將鋼護(hù)筒連同安裝好錨碇3的振動式?jīng)_刷傳感器I 一同立置于監(jiān)測點(diǎn)；
(b2-4)錘擊鋼護(hù)筒，使鋼護(hù)筒帶動安裝好錨碇3的振動式?jīng)_刷傳感器I插入土中，直至振動式?jīng)_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，然后緩緩提起鋼護(hù)筒，使水下泥沙逐漸充填空隙，完成振動式?jīng)_刷傳感器I最終的安裝。振動式?jīng)_刷傳感器I工作原理和方法如下:
結(jié)合圖6，當(dāng)振動傳感探頭12在水體時，垂直于波形盤125的水流會由于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(chǎn)生紊流，帶動波形盤125振動。由于波形盤125的振動，導(dǎo)致連接波形盤125的傳導(dǎo)桿端部往復(fù)
受力。根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種振動式?jīng)_刷傳感器，其特征在于:振動式?jīng)_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(nèi)側(cè)均設(shè)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(yīng)變傳感元件(122)、保護(hù)殼(123)、傳導(dǎo)桿(124)、波形盤(125);傳導(dǎo)桿(124) —端與波形盤(125)邊沿連接，另一端貼有應(yīng)變傳感元件(122)并引出信號線(121);保護(hù)殼(123)為半個金屬圓柱，底面圓心開有卡口，兩個相同的保護(hù)殼(123)在傳導(dǎo)桿(124)的頂端壓合罩住應(yīng)變傳感元件(122)，留有的卡口卡住傳導(dǎo)桿(124)，確?？谂c傳導(dǎo)桿(124)緊密貼合，起到密封作用；保護(hù)殼(123)頂面固定在固定架(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動式?jīng)_刷傳感器，其特征在于:所述固定架(11)為格構(gòu)式管架，外圈鋪有鋼絲網(wǎng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動式?jīng)_刷傳感器，其特征在于:所述傳導(dǎo)桿(124)為豎直細(xì)扁桿件，應(yīng)變傳感兀件(122)貼在傳導(dǎo)桿(124)的寬表面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動式?jīng)_刷傳感器，其特征在于:所述波形盤(125)是剖面為波浪形的圓盤。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的振動式?jīng)_刷傳感器，其特征在于:所述振動傳感探頭(12)的制作方法如下: al、將波形盤(125)與傳導(dǎo)桿(124) —端連接成一體； a2、在傳導(dǎo)桿(124)另一端寬表面粘貼應(yīng)變傳感元件(122)，信號線(121) —端與應(yīng)變傳感元件(122)連接，另一端沿傳導(dǎo)桿(124)引出； a3、將兩個相同的保護(hù)殼(123)在傳導(dǎo)桿(124)的頂端壓合罩住應(yīng)變傳感元件(122)，留有的卡口卡住傳導(dǎo)桿(124)固定密封。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振動式?jīng)_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(nèi)側(cè)均設(shè)置一個振動傳感探頭。當(dāng)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(yīng)變傳感元件發(fā)生振動變形，根據(jù)測量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)的振動幅度和頻率就可判斷該探頭處于水體中；若振動傳感探頭在土體中，土體本身相對穩(wěn)定，傳感探頭獲得的應(yīng)變數(shù)據(jù)幾乎沒有變化；由此根據(jù)應(yīng)變數(shù)據(jù)的振動幅度和頻率區(qū)分水體和土體，即確定了泥面深度。本發(fā)明不受溫度變化等因素干擾，具有無溫漂和無零漂的優(yōu)點(diǎn)，制作簡單、成本較低，可根據(jù)使用條件和要求改變測量精度和測量深度范圍，在多個監(jiān)測地點(diǎn)安裝本發(fā)明的監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性沖刷監(jiān)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(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)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(xué)