基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器及預(yù)警系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于：包括土壤孔隙水壓力傳感器全橋電路以及放大電路。本實(shí)用新型是通過采用橋式電阻原理的傳感器監(jiān)測(cè)孔隙水壓力方法，使得傳感器體積小、抗干擾能力強(qiáng)，適合在監(jiān)測(cè)泥石流的啟動(dòng)條件下埋設(shè)。當(dāng)降雨時(shí)，能夠通過監(jiān)測(cè)淺層土壤內(nèi)的含水量變化來實(shí)現(xiàn)預(yù)警泥石流災(zāi)害和通過分析含水量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和預(yù)警泥石流災(zāi)害發(fā)生。
【專利說明】基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器及預(yù)警系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種橋式電阻原理的泥石流孔隙水壓力傳感器，特別是一種用于泥石流預(yù)警監(jiān)測(cè)的橋式電阻原理的泥石流孔隙水壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]2010年8月7日夜至8日凌晨，甘肅甘南藏族自治州舟曲縣突發(fā)特大泥石流，造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。從電視中看到的災(zāi)難畫面讓人觸目驚心，給我造成了強(qiáng)烈的震撼！圖1是2010年8月7日，甘肅舟曲縣發(fā)生的泥石流災(zāi)害，造成死亡1434人，失蹤331人。泥石流這個(gè)詞對(duì)于四川人來說毫不陌生。在汶川特大地震極震區(qū)，由于受地震影響巖體震裂松動(dòng)，巖石疏松破碎并誘發(fā)了大量的表層滑塌、崩塌、滑坡，致使大量的松散物質(zhì)堆積在溝道內(nèi)，為泥石流的形成提供了豐富的物源，使得最近四川頻繁發(fā)生大型山洪泥石流。
[0003]2010年8月13日13時(shí)至14日7時(shí)，都江堰市龍池鎮(zhèn)出現(xiàn)大暴雨，引發(fā)特大山洪泥石流災(zāi)害，造成16人死亡，66失蹤；其后在汶川地震重災(zāi)區(qū)的映秀、綿竹、北川等都相繼發(fā)生了嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害，造成了重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，使得地震災(zāi)害之后的重建不得不面臨二次重建的局面。2010年9月24日，四川地震災(zāi)區(qū)北川縣遭暴雨泥石流襲擊，已造成14名群眾失蹤，唐家山堰塞湖也因泥石流堵塞泄洪槽，水位上升5米，嚴(yán)重危害下游的居民……圖2是9月24日北川縣遭暴雨泥石流沖毀的家園。2013年4.20四川蘆山7.0級(jí)地震后，雅安全市共排查出地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)2724處(滑坡1268處，泥石流304處，崩塌653處，不穩(wěn)定斜坡474處，其他25處)，威脅人數(shù)18余萬人、財(cái)產(chǎn)845680.2萬元。其中，新增地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)997 處，原有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)1727處(險(xiǎn)情加劇點(diǎn)187處)。實(shí)踐也證明所以監(jiān)測(cè)預(yù)警是目前泥石流防災(zāi)減災(zāi)最有效的手段。
[0004]泥石流啟動(dòng)是指在降雨、滲透的作用下，土體因含水量增加、體積收縮、粘土顆粒膨脹而造成孔壓上升導(dǎo)致其摩擦力降低，同時(shí)土體潛蝕導(dǎo)致粘滯力降低，最終促使土體強(qiáng)度降低并失穩(wěn)液化產(chǎn)生泥石流的過程。
[0005]泥石流要是能預(yù)警和進(jìn)而預(yù)報(bào)就好了，這樣至少能減少人員傷亡！這個(gè)想法一直在我腦子里，于是我找到了老師，告訴他我的這個(gè)想法。老師鼓勵(lì)了我，但也告訴我:“泥石流是自然災(zāi)害，要預(yù)測(cè)和預(yù)警可不那么容易，首先要學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)?！庇谑俏蚁聸Q心來收集相關(guān)的信息、學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)。
[0006]目前，國內(nèi)外的泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警，主要是采用人工觀測(cè)、降雨監(jiān)測(cè)、視頻和含水量監(jiān)測(cè)來預(yù)報(bào)、預(yù)警泥石流的方法。隨著震后泥石流災(zāi)害的頻發(fā)程度，研究人員開始關(guān)注地下微觀的孔壓變化，泥石流的啟動(dòng)和發(fā)生是土體內(nèi)部孔壓作用效應(yīng)。根據(jù)研究表明，孔隙水壓力變化特征，不同的起動(dòng)模式下的土體內(nèi)部孔隙水壓力變化特征不同，孔隙水壓力的變化可以解釋不同泥石流起動(dòng)模式的機(jī)理特征。根據(jù)研究結(jié)果，可以對(duì)不同起動(dòng)下的泥石流模式進(jìn)行不同的防治規(guī)劃，同時(shí)結(jié)合泥石流起動(dòng)過程中孔隙水壓力的變化，以解釋泥石流起動(dòng)的模式，開展震后泥石流預(yù)報(bào)而不是預(yù)警提供了新型技術(shù)手段。
[0007]目前，通過監(jiān)測(cè)泥石流溝的邊坡土壤的水量和孔隙水壓力的雙重方法，判定泥石流的啟動(dòng)條件和實(shí)現(xiàn)預(yù)警和預(yù)測(cè)是科學(xué)界極度關(guān)注和處于方興未艾之勢(shì)。但是由于孔隙水監(jiān)測(cè)傳感器技術(shù)問題，制約了孔壓監(jiān)測(cè)在泥石流中的應(yīng)用。據(jù)調(diào)查，在泥石流研究國內(nèi)外享有盛名的中國科學(xué)院的泥石流專門的研究所，目前，在泥石流邊坡孔壓監(jiān)測(cè)中，大多采用國內(nèi)的孔壓傳感器和進(jìn)口十分昂貴的美國的孔壓傳感器和采集設(shè)備(一套設(shè)備大約10多萬美兀)。
[0008]我們國內(nèi)生產(chǎn)的孔壓傳感器，主要對(duì)象是應(yīng)用于水庫大壩的滲水監(jiān)測(cè)、滑坡體的孔壓監(jiān)測(cè)。通過我們調(diào)查，在這些監(jiān)測(cè)中的特點(diǎn)是由于滑坡體較具有深度大，一般在幾米到幾十米，便于現(xiàn)有的大尺寸孔壓傳感器埋設(shè)。在水庫大壩監(jiān)測(cè)中，傳感器埋藏深度較深，大壩滲水含水量較大，對(duì)傳感器靈敏度和尺寸要求不高，一般還是可以滿足滑坡和大壩滲透監(jiān)測(cè)的需求。
[0009]在泥石流溝的邊坡監(jiān)測(cè)中，孔壓和泥石流發(fā)生的關(guān)系和一般邊坡提供給泥石流的堆積物的厚度在五十厘米左右，加上，一般這個(gè)土壤中的含水量不是很高，至少比大壩滲透時(shí)候，大壩的含水量低。在這種較低含水量和淺土層的孔壓監(jiān)測(cè)中，對(duì)孔壓傳感器就提出了更高的要求。目前，國內(nèi)的現(xiàn)有孔壓傳感器，尺寸大，一般長(zhǎng)度在190_，直徑在25_，量程大、靈敏度低，成本高，基本上不能滿足泥石流溝的邊坡淺土層監(jiān)測(cè)。由于成本高，也不適合多數(shù)量、大量面積埋設(shè)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]針對(duì)現(xiàn)有泥石流預(yù)警方法存在的問題，本實(shí)用新型提供一種用于泥石流監(jiān)測(cè)的應(yīng)變電阻橋式原理的水壓力傳感器；本傳感器監(jiān)測(cè)震裂坡地土壤中的孔隙水壓力，來滿足科學(xué)家對(duì)泥石流的預(yù)測(cè)和發(fā)生實(shí)現(xiàn)預(yù)警和一步實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)。
[0011]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，構(gòu)造一種基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于:包括土壤孔隙水壓力傳感器全橋電路以及放大電路；所述全橋電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4 ；
[0012]其中電阻R1和電阻R3為應(yīng)變主片；
[0013]其中電阻R2和電阻R4為匹配電阻；應(yīng)變電阻構(gòu)成一個(gè)電橋，全橋電路具有電源端U為2、4 ;輸出端UO為1、6和3 ;所述全橋電路的輸出端與放大電路輸入端連接。
[0014]根據(jù)本實(shí)用新型所述基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于:所述全橋電路為Metrodyne Microsystem Corp電橋芯片。
[0015]根據(jù)本實(shí)用新型所述基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于:所述放大電路為Burr-Brown的CMOS儀表差分輸入放大器INA55。
[0016]一種基于上述泥石流孔隙水壓力傳感器的震裂坡地泥石流孔隙水壓力傳感器預(yù)警裝置系統(tǒng)；其特征在于:包括泥石流孔隙水壓力傳感器、A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板以及指揮中心監(jiān)測(cè)站；
[0017]泥石流孔隙水壓力傳感器通過導(dǎo)線與A/D數(shù)據(jù)采集處理板連接；A/D數(shù)據(jù)采集處理板與Zigbee傳輸電路板連接；Zigbee傳輸電路板與指揮中心監(jiān)測(cè)站通過無線通信；
[0018]所述指揮中心監(jiān)測(cè)站具有報(bào)警系統(tǒng)、232無線收發(fā)模塊；
[0019]其中A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板構(gòu)成泥石流孔隙水壓力傳感器的讀取電路。[0020]根據(jù)權(quán)本實(shí)用新型所述的預(yù)警裝置系統(tǒng)；其特征在于:通過太陽能蓄電池分別與A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板以及泥石流孔隙水壓力傳感器連接。
[0021]根據(jù)本實(shí)用新型所述的預(yù)警裝置系統(tǒng)；其特征在于:指揮中心監(jiān)測(cè)站設(shè)置在泥石流溝的溝口公路旁。
[0022]本實(shí)用新型的有益效果在于:本實(shí)用新型是通過采用橋式電阻原理的傳感器監(jiān)測(cè)孔隙水壓力方法，使得傳感器體積小、抗干擾能力強(qiáng)，適合在監(jiān)測(cè)泥石流的啟動(dòng)條件下埋設(shè)。當(dāng)降雨時(shí)，能夠通過監(jiān)測(cè)淺層土壤內(nèi)的含水量變化來實(shí)現(xiàn)預(yù)警泥石流災(zāi)害和通過分析含水量數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和預(yù)警泥石流災(zāi)害發(fā)生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1 土壤孔隙水壓力傳感器全橋電路示意圖
[0024]圖2 土壤孔隙水壓力傳感器原理圖
[0025]圖3放大器芯片的內(nèi)部電路原理圖
[0026]圖4放大器芯片的實(shí)用電路原理圖
[0027]圖5傳感器封裝結(jié)構(gòu)圖
[0028]圖6傳感器和讀取數(shù)據(jù)電路及傳輸系統(tǒng)框圖
[0029]圖7指揮中心監(jiān)測(cè)站實(shí)現(xiàn)原理框圖
[0030]圖8現(xiàn)場(chǎng)傳感器讀取電路及傳輸實(shí)現(xiàn)原理框圖
[0031]圖中:1、傳感器透水孔，2、封裝冒，3、透水片，4、傳感器芯片孔，5、傳感器PCB板，
6、引出信號(hào)線，7、填充娃橡膠。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面將結(jié)合附圖1-9對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0033]本實(shí)用新型在此提供一種基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，包括土壤孔隙水壓力傳感器全橋電路以及放大電路；所述全橋電路包括電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4 ；
[0034]其中電阻R1和電阻R3為應(yīng)變主片；
[0035]其中電阻R2和電阻R4為匹配電阻；應(yīng)變電阻構(gòu)成一個(gè)電橋，全橋電路具有電源端U為2、4 ;輸出端UO為1、6和3 ;所述全橋電路的輸出端與放大電路輸入端連接。
[0036]所述全橋電路為Metrodyne Microsystem Corp電橋芯片。
[0037]所述放大電路為Burr-Brown的CMOS儀表差分輸入放大器INA55。
[0038]一種上述泥石流孔隙水壓力傳感器的震裂坡地泥石流孔隙水壓力傳感器預(yù)警裝置系統(tǒng)；包括泥石流孔隙水壓力傳感器、A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板以及指揮中心監(jiān)測(cè)站；
[0039]泥石流孔隙水壓力傳感器通過導(dǎo)線與A/D數(shù)據(jù)采集處理板連接；A/D數(shù)據(jù)采集處理板與Zigbee傳輸電路板連接；Zigbee傳輸電路板與指揮中心監(jiān)測(cè)站通過無線通信；[0040]所述指揮中心監(jiān)測(cè)站具有報(bào)警系統(tǒng)、232無線收發(fā)模塊；
[0041]其中A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板構(gòu)成泥石流孔隙水壓力傳感器的讀取電路。
[0042]所述的預(yù)警裝置系統(tǒng)；通過太陽能蓄電池分別與A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板以及泥石流孔隙水壓力傳感器連接。指揮中心監(jiān)測(cè)站設(shè)置在泥石流溝的溝口公路芳。
[0043]土壤中由于水分的增大，土壤中無水流條件下的高滲透性土，在有自由水情況下，土壤微?；蚩障吨g壓力就增大。從歐姆定律知道:對(duì)于長(zhǎng)度L，截面積A，電阻率P的導(dǎo)
體，其電阻值
[0044]
【權(quán)利要求】
1.一種基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于:包括土壤孔隙水壓力傳感器全橋電路以及放大電路；所述全橋電路包括電阻Rp電阻R2、電阻R3、電阻R4 ； 其中電阻R1和電阻R3為應(yīng)變主片； 其中電阻R2和電阻R4為匹配電阻；應(yīng)變電阻構(gòu)成一個(gè)電橋，全橋電路具有電源端及輸出端；所述全橋電路的輸出端與放大電路輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于:所述全橋電路為Metrodyne Microsystem Corp電橋芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于應(yīng)變電阻的橋式泥石流孔隙水壓力傳感器，其特征在于:所述放大電路為Burr-Brown的CMOS儀表差分輸入放大器INA55。
4.一種基于權(quán)利要求1所述泥石流孔隙水壓力傳感器的震裂坡地泥石流孔隙水壓力傳感器預(yù)警系統(tǒng)；其特征在于:包括泥石流孔隙水壓力傳感器、A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板以及指揮中心監(jiān)測(cè)站； 泥石流孔隙水壓力傳感器通過導(dǎo)線與A/D數(shù)據(jù)采集處理板連接；A/D數(shù)據(jù)采集處理板與Zigbee傳輸電路板連接；Zigbee傳輸電路板與指揮中心監(jiān)測(cè)站通過無線通信； 所述指揮中心監(jiān)測(cè)站具有報(bào)警系統(tǒng)、232無線收發(fā)模塊； 其中A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板構(gòu)成泥石流孔隙水壓力傳感器的讀取電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的預(yù)警裝置系統(tǒng)；其特征在于:通過太陽能蓄電池分別與A/D數(shù)據(jù)采集處理板、Zigbee傳輸電路板以及泥石流孔隙水壓力傳感器連接。
【文檔編號(hào)】H04L29/06GK203688132SQ201420044520
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】丁海濤, 楊成林, 王萬林, 陳寧生 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所