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方案

本发明专利技术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，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法
本专利技术涉及涉水工程局部冲刷监测系统及方法
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了解决该问题，本专利技术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，本专利技术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＝LsinnΔθ(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)。本专利技术的有益效果为：本专利技术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
技术实现思路
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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扫描。

【技术特征摘要】
1.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：房世龙，吴丽华，倪飞，徐阳，施小飞，朱亮，于佳，
申请(专利权)人：南通航运职业技术学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32