本发明涉及水工建筑安全监测领域，公开了一种基于声学测试的冲刷深度监测装置及方法，该装置包括：自动沉降装置，所述自动沉降装置包括沉降套管和从上至下依次连接的封堵挡板、第一连接件和沉降板，所述封堵挡板、第一连接件和沉降板连接后位于所述沉降套管内且可沿所述沉降套管的轴向滑动，所述封堵挡板与所述沉降套管内壁之间装有第一密封件；声波收发模块，所述声波收发模块位于所述沉降套管的上端，用于向所述封堵挡板发射声波信号，并接收经所述封堵挡板反射的回波信号；信号处理模块，所述信号处理模块与所述声波收发模块电连接，用于处理声波信号和回波信号，根据声波信号和回波信号的波长、波速确定所述沉降板的沉降量。
1.一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，包括：
自动沉降装置，所述自动沉降装置包括沉降套管和从上至下依次连接的封堵挡板、第一连接件和沉降板，所述封堵挡板、第一连接件和沉降板连接后位于所述沉降套管内且可沿所述沉降套管的轴向滑动，所述封堵挡板与所述沉降套管内壁之间装有第一密封件；其中，所述封堵挡板内圈为磁性钢制构造，外圈为柔性构造且和沉降套管柔性连接，所述封堵挡板可随第一连接件上下自由移动，所述沉降套管和第一连接件可根据需要调节管道弯曲角度；所述自动沉降装置还包括第二连接件，所述第二连接件伸入所述沉降套管后与所述封堵挡板固定连接，所述沉降套管通过第二连接件安装在水工建筑物边壁上，通过第二连接件提拉第一连接件，对沉降套管内部进行清理；所述自动沉降装置还包括一个或多个第二密封件，所述一个或多个第二密封件固定在所述第一连接件上，且所述第二密封件圆周与所述沉降套管内壁接触；所述第二密封件采用球塞或柱塞，采用不透水材质，当提拉第一连接件时，球塞或柱塞随着第一连接件上下运动；
声波收发模块，所述声波收发模块位于所述沉降套管的上端，用于向所述封堵挡板发射声波信号，并接收经所述封堵挡板反射的回波信号；
信号处理模块，所述信号处理模块与所述声波收发模块电连接，用于处理声波信号和回波信号，根据声波信号和回波信号的波长、波速确定所述沉降板的沉降量。
2.根据权利要求1所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，所述沉降板外设有保护滤层。
3.根据权利要求1所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，所述自动沉降装置还包括固定件，所述固定件固定在所述沉降套管外壁。
4.根据权利要求1所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，所述第二连接件上具有刻度。
5.根据权利要求1所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，所述声波收发模块包括：音频发射源，所述音频发射源通过测头安装在所述沉降套管上端，用于向所述封堵挡板发射声波信号；
压控振荡器，所述压控振荡器与所述音频发射源相连，用于调节所述音频发射源发射出声波的频率；
拾音器，所述拾音器置于音频发射源上侧，用于接收经所述封堵挡板反射的回波信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：前置放大器，所述前置放大器与所述音频发射源相连，用于将声波信号和回波信号的频率分别放大到第一预定频率和第二预定频率；
滤波器，所述滤波器与所述前置放大器连接，用于对所述第一预定频率和第二预定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，分别得到第一电源信号和第二电源信号；
单片机，所述单片机与所述滤波器相连，用于根据所述第一电源信号和第二电源信号，计算沉降套管下沉的深度。
7.根据权利要求6所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，还包括：地表仪器显示装置，所述地表仪器显示装置位于所述沉降套管上方的地面上，与所述单片机相连，用于显示沉降套管下沉的深度。
8.根据权利要求7所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，其特征在于，所述地表仪器显示装置包括相连的显示器和冲刷超限预警系统；
所述冲刷超限预警系统与单片机连接，当冲刷深度超过预警既定值时，发出预警。
9.根据权利要求6所述的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置的监测方法，其特征在于，该方法包括：当发生冲刷时，所述沉降板带动第一连接件及杆上连接物下沉至某一高度，所述音频发射源通过测头向管道中发射声波信号，经所述封堵挡板反射后由所述拾音器接受回波信号，通过所述前置放大器、滤波器对声波收发模块测得的声波数据信息进行放大、过滤后传输给单片机，所述单片机经过快速傅式变换，处理后可以得到管内共振频率ƒn，再次计算得出此时管内水柱长度 ，与初始值作差即可得到冲刷深度d。
一种基于声学测试的冲刷深度监测装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于水工建筑物冲刷深度监测技术领域，尤其涉及一种基于声学测试的冲刷深度监测装置及方法。
背景技术
[0002] 国内外众多学者提出了许多基于不同监测原理的海上建筑物冲刷监测技术。主要包括:浮力驱动式冲刷监测技术、重力驱动式冲刷监测技术、基于电导率测量、基于声呐、基于雷达的冲刷监测技术等。其中浮力驱动式和重力驱动式冲刷监测技术为一次性监测方法具有很大的局限性，无法进行长时间、有规律的监测。基于电导率测量的冲刷监测技需贴在建筑物外侧安装导电棒，极易损坏，丧失监测能力。基于声呐和雷达的冲刷监测技术；其监测信号分析技术复杂、造价昂贵，且易受水体杂质影响精度，在发生大规模降雨或者洪水等自然灾害时，无法进行有效的监测。
发明内容
[0003] 针对以上问题，本发明实施例提供一种基于声学测试的冲刷深度监测装置及方法，能有效、便捷的测量海上建筑物附件的冲刷深度。
[0004] 为达到上述目的，本发明提供了一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，包括：
[0005] 自动沉降装置，所述自动沉降装置包括沉降套管和从上至下依次连接的封堵挡板、第一连接件和沉降板，所述封堵挡板、第一连接件和沉降板连接后位于所述沉降套管内且可沿所述沉降套管的轴向滑动，所述封堵挡板与所述沉降套管内壁之间装有第一密封件；
[0006] 声波收发模块，所述声波收发模块位于所述沉降套管的上端，用于向所述封堵挡板发射声波信号，并接收经所述封堵挡板反射的回波信号；
[0007] 信号处理模块，所述信号处理模块与所述声波收发模块电连接，用于处理声波信号和回波信号，根据声波信号和回波信号的波长、波速确定所述沉降板的沉降量。
[0008] 可选的，所述沉降板外设有保护滤层，以减缓海水对沉降板的侵蚀。
[0009] 可选的，所述自动沉降装置还包括一个或多个第二密封件，所述一个或多个第二密封件固定在所述第一连接件上，且所述第二密封件圆周与所述沉降套管内壁接触。
[0010] 可选的，所述自动沉降装置还包括固定件，所述固定件固定在所述沉降套管外壁。
[0011] 可选的，所述第二连接件上具有刻度。
[0012] 可选的，所述声波收发模块包括：
[0013] 音频发射源，所述音频发射源通过测头安装在所述沉降套管上端，用于向所述封堵挡板发射声波信号；
[0014] 压控振荡器，所述压控振荡器与所述音频发射源相连，用于调节所述音频发射源发射出声波的频率；
[0015] 拾音器，所述拾音器置于音频发射源上侧，用于接收经所述封堵挡板反射的回波信号。
[0016] 可选的，所述信号处理模块包括：
[0017] 前置放大器，所述前置放大器与所述音频发射源相连，用于将声波信号和回波信号的频率分别放大到第一预定频率和第二预定频率；
[0018] 滤波器，所述滤波器与所述前置放大器连接，用于对所述第一预定频率和第二预定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，分别得到第一电源信号和第二电源信号；
[0019] 单片机，所述单片机与所述滤波器相连，用于根据所述第一电源信号和第二电源信号，计算沉降套管下沉的深度。
[0020] 可选的，还包括：
[0021] 地表仪器显示装置，所述地表仪器显示装置位于所述沉降套管上方的地面上，与所述单片机相连，用于显示沉降套管下沉的深度。
[0022] 可选的，所述地表仪器显示装置包括相连的显示器和冲刷超限预警系统；
[0023] 所述冲刷超限预警系统与单片机连接，当冲刷深度超过预警既定值时，发出预警。
[0024] 可选的，该方法包括：
[0025] 当发生冲刷时，所述沉降板带动第一连接件及杆上连接物下沉至某一高度，所述音频发射源通过测头向管道中发射声波信号，经所述封堵挡板反射后由所述拾音器接受回波信号，通过所述前置放大器、滤波器对声波收发模块测得的声波数据信息进行放大、过滤后传输给单片机，所述单片机经过快速傅式变换，处理后可以得到管内共振频率fn，再次计算得出此时管内水柱长度l，与初始值作差即可得到冲刷深度d。
[0026] 本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
[0027] 由上述实施例可知，本申请通过自动沉降装置克服了以往冲刷测距技术易受水体杂质影响、易受灾害天气影响的问题，进而达到了在不同水体、天气条件的影响下均具有较好监测的能力的技术效果。
[0028] 本申请因采用利用声波收发模块向封堵挡板发射声波信号，并接收经封堵挡板反射的回波信号的技术手段，克服了以往基于浮力驱动式和重力驱动式冲刷监测技术为一次性监测方法的局限性，进而达到了长时间、实时有规律监测的技术效果。
[0029] 本申请因采用了新型声波测距技术，克服了监测方法，受外界影响较大、易于损坏的问题，进而达到了经济节约的效果。
[0030] 应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
[0031] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
[0032] 图1是根据一示例性实施例示出的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置的框图。
[0033] 图2是根据一示例性实施例示出的一种基于声学测试的冲刷深度监测装置的内部结构示意图。
[0034] 图3是根据一示例性实施例示出的固定件的结构示意图。
[0035] 图4是根据一示例性实施例示出的信息处理模块结构示意图。
[0036] 图中：1‑1、沉降板；1‑2、第一连接件；1‑3、固定件；1‑4、沉降套管；1‑5、第二连接件；1‑6、第二密封件；1‑7、封堵挡板；2‑1、音频发射源；2‑2、压控振荡器；2‑3、测头；2‑4、拾音器；3‑1、前置放大器；3‑2、滤波器；3‑3、单片机；4‑1、显示器。
具体实施方式
[0037] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
[0038] 在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0039] 应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
[0040] 参考图1‑图4所示，本发明实施例提供一种基于声学测试的冲刷深度监测装置，该装置可以包括：
[0041] 自动沉降装置，所述自动沉降装置包括沉降套管1‑4和从上至下依次连接的封堵挡板1‑7、第一连接件1‑2和沉降板1‑1，所述封堵挡板1‑7、第一连接件1‑2和沉降板1‑1连接后位于所述沉降套管1‑4内且可沿所述沉降套管1‑4的轴向滑动，所述封堵挡板1‑7与所述沉降套管1‑4内壁之间装有第一密封件；
[0042] 声波收发模块，所述声波收发模块位于所述沉降套管1‑4的上端，用于向所述封堵挡板1‑7发射声波信号，接收经所述封堵挡板1‑7反射的回波信号；
[0043] 信号处理模块，所述信号处理模块与所述声波收发模块电连接，用于处理声波信号和回波信号，根据声波信号和回波信号的波长、波速确定所述沉降板1‑1的沉降量。
[0044] 由上述实施例可知，本申请通过自动沉降装置克服了以往冲刷测距技术易受水体杂质影响、易受灾害天气影响的问题，进而达到了在不同水体、天气条件的影响下均具有较好监测的能力的技术效果。
[0045] 本申请因采用利用声波收发模块向封堵挡板1‑7发射声波信号，并接收经封堵挡板1‑7反射的回波信号的技术手段，克服了以往基于浮力驱动式和重力驱动式冲刷监测技术为一次性监测方法的局限性，进而达到了长时间、实时有规律监测的技术效果。
[0046] 本申请因采用了新型声波测距技术，克服了监测方法，受外界影响较大、易于损坏的问题，进而达到了经济节约的效果。
[0047] 本实施例中，所述沉降板1‑1可为圆台形，放置在海床面上；所述沉降板1‑1外设有保护滤层，以减缓海水对沉降板1‑1的侵蚀。
[0048] 本实施例中，所述封堵挡板1‑7内圈为磁性钢制构造，外圈为柔性构造且和沉降套管1‑4柔性连接，所述封堵挡板1‑7可随第一连接件1‑2上下自由移动。所述沉降套管1‑4和第一连接件1‑2可根据需要调节管道弯曲角度。该设计可以经过适应各类水工建筑物，应用广泛。
[0049] 本实施例中，所述自动沉降装置还包括一个或多个第二密封件1‑6，所述一个或多个第二密封件1‑6固定在所述第一连接件1‑2上，且所述第二密封件1‑6圆周与所述沉降套管1‑4内壁接触。该设计可以在让第一连接件1‑2顺利下降的同时防止测量水域内的杂物堵塞沉降套管1‑4，使整个发明具有很好的密封性。
[0050] 本实施例中，所述自动沉降装置还包括固定件1‑3，所述固定件1‑3固定在所述沉降套管1‑4外壁。该设计用于固定沉降套管1‑4。
[0051] 本实施例中，所述自动沉降装置还包括第二连接件1‑5，所述第二连接件1‑5伸入所述沉降套管1‑4后与所述封堵挡板1‑7固定连接，所述沉降套管1‑4通过第二连接件1‑5安装在水工建筑物边壁上。可以通过该设计内的第二连接件1‑5提拉第一连接件1‑2，对沉降套管1‑4内部进行清理，去除沉降套管1‑4内的杂物，确保本发明装置的监测效果。
[0052] 本实施例中，所述第二连接件1‑5上具有刻度，可在本发明初次使用时确定初始沉降量。
[0053] 本实施例中，所述第二密封件1‑6与第一连接件1‑2连接并抵靠于沉降套管1‑4内壁；所述第二密封件1‑6采用球塞或柱塞，采用不透水材质。当提拉第一连接件1‑2时，球塞或柱塞随着第一连接件1‑2上下运动。
[0054] 本实施例中，所述声波收发模块包括：音频发射源2‑1，所述音频发射源2‑1通过测头2‑3安装在所述沉降套管1‑4上端，用于向所述封堵挡板1‑7发射声波信号；压控振荡器2‑2，所述压控振荡器2‑2与所述音频发射源2‑1相连，用于调节所述音频发射源2‑1发射出声波的频率；拾音器2‑4，所述拾音器2‑4置于音频发射源2‑1上侧，用于接收经所述封堵挡板
1‑7反射的回波信号。利用声波反射测距的原理，可以更加巧妙精准的测量冲刷深度，具有较好的实用前景。
[0055] 本实施例中，所述信号处理模块包括：前置放大器3‑1，所述前置放大器3‑1与所述音频发射源2‑1相连，用于将声波信号和回波信号的频率分别放大到第一预定频率和第二预定频率；滤波器3‑2，所述滤波器3‑2与所述前置放大器3‑1连接，用于对所述第一预定频率和第二预定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，分别得到第一电源信号和第二电源信号；单片机3‑3，所述单片机3‑3与所述滤波器3‑2相连，用于根据所述第一电源信号和第二电源信号，计算沉降套管1‑4下沉的深度。
[0056] 本实施例中，所述基于声学测试的冲刷深度监测装置还包括：地表仪器显示装置，所述地表仪器显示装置位于所述沉降套管1‑4上方的地面上，与所述单片机3‑3相连，用于显示沉降套管1‑4下沉的深度，可以实时监测冲刷深度并显示于显示装置上。
[0057] 本实施例中，所述地表仪器显示装置包括相连的显示器4‑1和冲刷超限预警系统；所述冲刷超限预警系统与单片机3‑3连接，当冲刷深度超过预警既定值时，发出预警。该设计使本发明具有较大的实用价值，可以及时像管理部门发送预警信息，保护当地人民的生命财产安全。
[0058] 本发明实施例还提供一种基于声学测试的冲刷深度监测装置的监测方法，该方法包括：
[0059] 当发生冲刷时，所述沉降板1‑1带动第一连接件1‑2及杆上连接物下沉至某一高度，所述音频发射源2‑1通过测头2‑3向管道中发射声波信号，经所述封堵挡板1‑7反射后由所述拾音器2‑4接受回波信号，通过所述前置放大器3‑1、滤波器3‑2对声波收发模块测得的声波数据信息进行放大、过滤后传输给单片机3‑3，所述单片机3‑3经过快速傅式变换，处理后可以得到管内共振频率fn，再次计算得出此时管内水柱长度l，与初始值作差即可得到冲刷深度d。
[0060] 当然，在首次安装时可利用第二连接件1‑5确定初步读数，并采用声波测定精确读数，当第二密封件1‑6下降至一定深度不再下降后，启动所述声波收发模块和所述信号处理模块，读取冲刷深度，与第二连接件1‑5读取的示数比较分析后确定该处冲刷深度的初始值。
[0061] 在装置首次投入使用时进行音频信号频率和波长调整测试和补偿，所述共振频率计算需考虑环境温度影响和声波吸收衰减影响，利用对不同温度和管内吸收衰减补偿来降低这些误差，确定共振频率；补偿完毕后进行设备调试，打开设备1分钟从低频向高频调节压控振荡器2‑2，通过显示器4‑1观察管内驻波形成情况，发生驻波共振后记录此时共振频率，调试完毕。
[0062] 由于所述冲刷超限预警装置设置在外管套外侧。该装置定期测读监测，若发现冲刷深度达到阈值时，所述冲刷超限预警装置发出超限预警。
[0063] 该发明通过发射、接受声波来测量海上建筑物冲刷的深度，较已有的发明更为便捷、准确，且由于是通过沉降管测量冲刷深度，受环境的影响较小。
[0064] 应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
