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技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及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，属于深基坑混凝土支撑结构健康监测

技术介绍
近年来，伴随着我国国民经济快速发展、城市化进程加快和城市扩张，土木工程结构向高空与地下发展。超高层建筑的建造与地下空间的开发，使基坑工程向更深、更大发展成为一种趋势。混凝土材料具有造价低廉、施工方便、变形小等特点，在深基坑支撑中使用广泛。然而受基坑周围工程地质、水文地质条件复杂等不利因素作用，支撑结构失效事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成极大的损失，带来恶劣的社会影响。因此对深基坑混凝土支撑开展实时监测，可以及时发现和定位混凝土损伤，智能评估损伤程度，预警深基坑支撑失效的潜在风险，进而指导深基坑施工进度管理，对保护人民生命财产安全有着积极而重要的意义。深基坑混凝土支撑监测是基坑施工不可或缺的重要组成部分，然而深基坑工程施工中混凝土支撑垮塌事故的发生率仍相对较高。导致监控措施不能有效预警，主要有以下两方面的原因：首先，现阶段根据现行国家、行业和地方各个层面的基坑监测技术规范(GB50497-2009、JGJ120-2012和DG/TJ08-61-2010)进行的监测大多采用有线的数据传输方式，存在线缆铺设成本高昂、布线工作量大、特殊部位布线不便、维护消耗较多的人力物力、数据传输易受施工影响等问题；其次，基于位移和轴力等宏观特征的深基坑混凝土支撑监测方法存在一定的局限性，目前工程中监测的数据客观存在较大幅度的波动，导致难以选择合理的监测数据阈值作为可靠的预警指标。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有低成本、小体积、支持工程现场长期部署和数据实时传输特性的深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器。本专利技术为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术设计了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，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。作为本专利技术的一种优选技术方案：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。作为本专利技术的一种优选技术方案：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。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述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。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述电源模块包括太阳能光伏发电板（14）和充电电池及其保护电路（15）；太阳能光伏发电板（14）的输出端与充电电池及其保护电路（15）的输入端相对接，充电电池及其保护电路（15）的输出端分别对接核心电控模块中的各模块并进行供电。作为本专利技术的一种优选技术方案：还包括防水盒（16）、核心电路板（11）和滑轨支架；核心电路板（11）置于防水盒（16）内；所述核心电控模块中的各个模块设置于核心电路板（11）上，且第二无线通信天线模块（13）中的天线置于防水盒（16）的外部；所述充电电池及其保护电路（15）置于防水盒（16）内；所述太阳能光伏发电板（14）通过滑轨支架固定于防水盒（16）的上表面，通过滑轨支架针对太阳能光伏发电板（14）的角度进行调节。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述防水盒（16）为PC+玻璃纤维阻燃材质制成。作为本专利技术的一种优选技术方案：所述超声波传感器阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
1.一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，其特征在于：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。2.根据权利要求1所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述一种深基坑混凝土支撑无线超声波阵列传感器，其特征在于：所述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...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈硕，高玉峰，赵海涛，陈晓东，洪彬，秦骁，万意，吴霞，蒋凯迪，丁健，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32