[发明专利]一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器及监测方法

摘要

本发明涉及一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，包括现场监测端（1）、控制终端（2）和第一无线通讯模块（3）；现场监测端包括电源模块、超声波传感器阵列（12）和核心电控模块；设计以无线方式接收指令和传输数据并以太阳能驱动；克服了传统监测装置体型较大，有线系统数据传输易受深基坑施工干扰、线缆铺设与维护成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便和现场取电困难等问题；基于合成孔径聚焦技术原理设计与之相适应的监测方法，使用超声波阵列对深基坑混凝土材料进行有效无损监测并对数据进行实时无线传输，为工程智能监测分析提供支持。

主权项

1.一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器的监测方法，其特征在于：深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器包括现场监测端(1)、控制终端(2)和第一无线通讯模块(3)；现场监测端包括电源模块、超声波传感器阵列(12)和核心电控模块，核心电控模块包括第二无线通信天线模块(13)，以及依次串联的总控模块(111)、超声波激励信号波形生成模块(112)、超声波激励信号幅值放大模块(113)、多路通断控制模块(114)、超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)、超声波采集信号增益可调节放大模块(116)、超声波采集信号ADC模块(117)，且超声波采集信号ADC模块(117)的输出端对接总控模块(111)的控制输入端；其中，现场监测端中，电源模块为核心电控模块中的各模块进行供电，超声波传感器阵列(12)与多路通断控制模块(114)相连接；超声波传感器阵列(12)设置于深基坑混凝土节点上表面；控制终端(2)与第一无线通讯模块(3)相连接；总控模块(111)与第二无线通信天线模块(13)相连接；控制终端(2)与总控模块(111)之间，通过第一无线通讯模块(3)、第二无线通信天线模块(13)基于无线方式相互通信；所述超声波激励信号幅值放大模块(113)包括金氧半场效晶体管U5、第十一电阻器R11、第十二电阻器R12、第一二极管D1、第二二极管D2、第六电容C6、第七电容C7和一个六角倒相器U4；其中，超声波激励信号幅值放大模块(113)的输入端对接六角倒相器U4的输入端，六角倒相器U4的输出端分别对接第六电容C6的其中一端、第七电容C7的其中一端，第六电容C6另一端、第十一电阻器R11其中一端、第一二极管D1的正极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的G端四者相连接，第十一电阻器R11另一端、第一二极管D1的负极端、金氧半场效晶体管U5的P通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的正向供电电压；第七电容C7另一端、第十二电阻器R12其中一端、第二二极管D2的负极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的G端四者相连接，第十二电阻器R12另一端、第二二极管D2的正极端、金氧半场效晶体管U5的N通道的S端三者相连，并对接现场监测端中电源模块的负向供电电压；金氧半场效晶体管U5的P通道D端与金氧半场效晶体管U5的N通道D端相对接，构成超声波激励信号幅值放大模块(113)的输出端；所述超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)包括依次串联的一级滤波模块、二级滤波模块，一级滤波模块的结构与二级滤波模块的结构彼此相同，一级滤波模块的输入端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)的输入端，一级滤波模块的输出端对接二级滤波模块的输入端，二级滤波模块的输出端即为超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)的输出端；一级滤波模块包括第一运放器U1、第一可变数字电阻器R1、第二可变数字电阻器R2、第一电容C1、第二电容C2、第三电阻器R3、第四电阻器R4；其中，一级滤波模块的输入端对接第一可变数字电阻器R1的其中一端，第一可变数字电阻器R1的另一端、第二可变数字电阻器R2的其中一端、第一电容C1的其中一端三者相对接，第二可变数字电阻器R2的另一端、第一运放器U1的正极输入端、第二电容C2的其中一端三者对接，第二电容C2的另一端接地；第一运放器U1的负极输入端分别对接第三电阻器R3的其中一端、第四电阻器R4的其中一端，第三电阻器R3的另一端连接现场监测端中电源模块的供电电压，第四电阻器R4的另一端、第一运放器U1的输出端、第一电容C1的另一端三者对接，构成一级滤波模块的输出端；二级滤波模块包括第二运放器U2、第五可变数字电阻器R5、第六可变数字电阻器R6、第三电容C3、第四电容C4、第七电阻器R7、第八电阻器R8；其中，二级滤波模块的输入端对接第五可变数字电阻器R5的其中一端，第五可变数字电阻器R5的另一端、第六可变数字电阻器R6的其中一端、第三电容C3的其中一端三者相对接，第六可变数字电阻器R6的另一端、第二运放器U2的正极输入端、第四电容C4的其中一端三者对接，第四电容C4的另一端接地；第二运放器U2的负极输入端分别对接第七电阻器R7的其中一端、第八电阻器R8的其中一端，第七电阻器R7的另一端连接现场监测端中电源模块的供电电压，第八电阻器R8的另一端、第二运放器U2的输出端、第三电容C3的另一端三者对接，构成二级滤波模块的输出端；超声波采集信号增益可调节放大模块(116)包括第三运放器U3、第九电阻器R9、第十电阻器R10、第十一可变数字电阻器R11、第五电容C5；其中，超声波采集信号增益可调节放大模块(116)的输入端对接第五电容C5的其中一端，第五电容C5的另一端、第九电阻器R9的其中一端、第三运放器U3的正极输入端三者相对接；第三运放器U3的负极输入端分别对接第十电阻器R10的其中一端、第十一可变数字电阻器R11的其中一端，第九电阻器R9的另一端、第十电阻器R10的另一端分别连接现场监测端中电源模块的供电电压；第三运放器U3的输出端与第十一可变数字电阻器R11的另一端相对接，构成超声波采集信号增益可调节放大模块(116)的输出端；所述监测方法包括如下步骤：步骤A，在深基坑混凝土支撑测试断面上表面采用线阵列间距布置各个超声波传感器，形成超声波传感器阵列(12)，且深基坑混凝土支撑测试断面上表面与超声波传感器间隙使用凡士林作为耦合剂填充；步骤B，控制终端(2)基于第一无线通讯模块(3)，采用指令将所设计无线超声波阵列传感器从睡眠模式激活，并从长时间和指定时长两种工作模式中选择，设置成功后，无线超声波阵列传感器返回状态确认信息至控制终端(2)；步骤C，预实验：总控模块(111)控制超声波传感器阵列(12)在深基坑混凝土支撑表面激励生成超声波，并通过I²C设置超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)中可变数字电阻器R1、R2、R5、R6阻值，使得其低通滤波器的截止频率为超声波中心频率的两倍，并控制各超声波传感器初步采集超声波阵列信号，当超声波采集信号带通可调节滤波模块(115)中可变数字电阻器阻值设置成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至控制终端(2)；步骤D，超声波阵列信号采集参数优化：总控模块(111)通过分析来自超声波采集信号ADC模块(117)的信号幅值与频率特征，以无线指令通过I²C设置超声波采集信号增益可调节放大模块(116)中可变数字电阻器R11的阻值，使得超声波采集信号幅值贴近超声波采集信号ADC模块(117)所能采集信号幅值上限的60％，当超声波采集信号增益可调节放大模块(116)中可变数字电阻器阻值修改成功时，无线超声波阵列传感器返回状态信息至控制终端(2)；步骤E，超声波阵列信号数据自动实时采集与无线传输：控制终端(2)通过第一无线通讯模块(3)，采用指令设置无线超声波阵列传感器信号自动采集的时间间隔，无线超声波阵列传感器按合成孔径聚焦技术原理激励与采集超声波阵列信号，即每组次超声波信号采集时，多路通断控制模块(114)控制超声波传感器阵列(12)中任一超声波传感器激励在深基坑混凝土支撑表面产生超声波，并由阵列中其它超声波传感器接收超声波回波信号；随后控制超声波传感器阵列(12)中其余各超声波传感器依次激励产生超声波信号，并由其它超声波传感器接收超声波回波信号；当超声波传感器阵列(12)中所有超声波传感器均完成一次激励，且实现n‑1次采集后，超声波传感器阵列(12)探测到的回波信号分别通过超声波采集信号ADC模块(117)进行采样，按采集顺序以无线通信方式传输回控制终端(2)，并在无线超声波阵列传感器本地进行数据备份；其中，n为超声波传感器阵列(12)中超声波传感器个数；步骤F，装置休眠：当无线超声波阵列传感器处于定时长工作模式时，无线超声波阵列传感器完成步骤B中设置的工作时长后自动休眠，并发送状态信息至控制终端(2)，等待下一次激活。