一种基于水库坝体监测的激光基准点检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种水库坝体监测装置，具体地说是一种基于水库坝体监测的激光基准点检测装置。

背景技术：

混凝土坝和砌石坝建成蓄水运用后，在水、泥沙、浪、扬压力、温度以及地震等作用下，必然发生变形，严重导致塌陷，案例不胜枚举。大坝安全监测技术是国际关注问题。

大坝结构安全监测系统涉及光学、传感器、电子等多个学科领域，发展经历两个阶段：

1、观测阶段(1891～1964年)，也称原型观测。因为该阶段的监测水平较低，只是对放置在大坝结构上的监测仪器进行人工观察和检测，记录大坝实时状态。

2、安全观测向安全监测转变和发展的阶段(1965年至今)。国内外监测领域逐渐意识到仪器检测的局限性，便对大坝采用人工巡查与仪器观测相结合。其中日本、美国是最早进行巡视检查的国家，随后法国、意大利加拿大以及挪威等国家也都规定必须对大坝进行人工巡检，从而有效的避免了只用观测仪器对大坝进行安全监测的缺陷。但由于人工巡查只能观察大坝表面的变化，而对其内部的复杂结构变化以及安全隐患难以辨别，因此必须实用新型一种能够随时、随地、及时、高效的反映和检测大坝安全问题的监测技术。60年代后期，国外许多国家对自动监测大坝安全的仪器设备进行研究和制造：日本首先实现了在拱坝上对监测数据进行自动采集；之后，意大利先后实现了垂线仪变形自动监测和集中式采集数据系统；1989年，加拿大将能够进行数据采集、存储、处理、远程以及分析等功能的自动化检测系统安装在大坝上。我国从80年代开始对坝体变形实行监测，也研制了分布式智能检测数据采集系统、无线通信模块以及维护大坝网络安全信息的软件系统。

目前国际上对坝体变形监测采用两种方式：

1、根据基点高程和位置，使用经纬仪、水准仪、电子测距仪或激光准直仪、GPS、智能全站仪等来测量坝体表面标点、觇标处高程和位置变化。可实现测点的三维位移数据测量；

2、在坝体表面安装或埋设一些监测位移的仪器，通常只能测量测点的单项位移数据(水平位移或垂直位移)。常用的位移监测仪器有位移计、测缝计、倾斜仪、沉降仪、垂线坐标仪、引张线仪、多点位移计和应变计等。

就变形监测设备而言，从精度、稳定性、安装工程量、维护、价格等几方面说,能满足各项要求的设备几乎没有。坝体内部位移监测还只能使用传统的单项位移监测设备，需要预先埋设或钻孔安装，施工不便，目前还没有好的替代方法；坝体表面位移使用的三维数据监测设备安装方便、性能稳定、精度高，但受地理环境影响大，安装条件受到限制，且成本高。

由此，研发一种不受地理环境影响，响应时间快，测量精度高，可实现自校准，便于实现智能数字化管理的坝体变形自动监测系统意义重大。

实用新型专利《水库坝体沉陷与水平位移基准点检测装置及检测方法》[专利号ZL201410450657.8]和《水库坝体沉陷与水平位移监测系统》[专利号ZL201410450695.3]详细阐述了基于激光原理监测坝体变形的原理和方法。关键技术是利用激光光束通过观测点的“十字架”折射产生清晰图形获取纵轴的特征值—弦长及截距来推算坝体变形程度。系统包括监测控制器和集中管理器，集中管理器设置在坝体外坚固端，激光经发射和直射到若干个等间距的监测点，并在每个监测点处分别设置一个基准点监测器，如图1所示。工作时上位机给基准点监测器发生一系列控制命令，在得到各监测器总允许情况下开启激光发生器，同时给监测器发射拍摄图像指令。经图像处理完毕将特征值存入EEPROM，等待上位机有关命令。集中管理器与上位机可实现GPRS或RS485数据通讯，将坝体变形数据进行统计分析即可实现数字化智能安全管理，防患于未然，避免坝体塌陷等事故发生。

但是，在上述两实用新型专利中，基准点监测器挡板通过挡板伸缩驱动机构和挡板移动驱动机构来进行移动和固定，当挡板受到外界冲击时(物体撞击或者大风)，挡板很容易损坏，导致箱体内进水或者灰尘，影响拍照效果无法准确监测水库坝体。

技术实现要素：

针对上述不足，本实用新型提供了一种基于水库坝体监测的激光基准点检测装置，其不仅能够有效监测水库坝体情况，而且测量精度高。

本实用新型解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于水库坝体监测的激光基准点检测装置，其特征是，包括检测器壳体、图像检测装置、通孔开关机构和检测控制器，所述检测器壳体为一体成型壳体，在检测器壳体对应的两侧面分别设置有通孔，所述图像检测装置设置在检测器壳体内两个通孔之间，在检测器壳体通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构，所述检测控制器设置在检测器壳体内，所述检测控制器分别与图像检测装置和通孔开关机构相连；所述通孔开关机构包括固定在检测器壳体内侧壁上的支架板，在支架板一端设置有与通孔相应大小的通光孔，支架板另一端设置有水平的轨道孔，轨道孔与通光孔联通，在支架板靠近检测器壳体侧壁一侧设置有滑槽，在滑槽内设置有左右移动的遮挡板，所述遮挡板背面设置有在轨道孔左右移动的齿条，所述齿条与设置在旋转轴上的齿轮啮合，所述旋转轴的上端与固定在支架板上的步进电机的输出轴连接，旋转轴的下端设置在固定在支架板上的轴承座内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关；所述支架板上还设置有拉式电磁铁，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁的挡头下落在齿条远离通光孔的一端；所述限位开关的输出端与检测控制器连接，所述步进电机的控制端与检测控制器连接，所述拉式电磁铁的控制端与检测控制器连接；在步进电机的带动下所述遮挡板紧靠在检测器壳体内侧壁上移动。

优选地，所述遮挡板采用聚乙烯板。

优选地，所述图像检测装置包括摄像箱体、反光钢条和摄像装置，所述摄像箱体上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔，所述的圆孔、通孔和透光孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；所述反光钢条竖直设置在摄像箱体内且与圆孔的中心线垂直；所述摄像装置设置在述摄像箱体内且与检测控制器连接。

优选地，所述摄像装置采用OV2640摄像头。

优选地，所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接。

优选地，基准点检测装置还包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板设置在检测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在检测器壳体内，所述充电装置分别与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池与电源模块连接。

优选地，所述无线模块包括GPRS模块，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过设置通孔开关机构实现了检测器壳体的通孔自动开启和关闭，通孔开关机中遮挡板采用聚乙烯板加工制成，成本较低，耐用抗腐蚀，且不变型，检测控制器采用超低功耗的STM8L单片机构成，功耗较低，整个系统满足实际现场要求。

当进行水库坝体检测时，本实用新型控制通孔开关机构自动将检测器壳体的通孔打开，使激光穿过通光孔和通孔；当检测完成时，控制通孔开关机构自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

附图说明

图1为现有技术水库坝体监测系统的结构示意图；

图2为本实用新型所述检测器壳体的结构示意图；

图3为本实用新型所述检测器壳体的内部结构示意图；

图4为本实用新型所述图像检测装置的结构示意图；

图5为本实用新型所述通孔开关机构(支架板背离壳体侧壁一侧)的结构示意图；

图6为本实用新型所述通孔开关机构(支架板靠近壳体侧壁一侧)的结构示意图；

图7为本实用新型所述检测控制器的结构示意图；

图8为本实用新型所述GPRS模块的电路原理图；

图中，1为检测器壳体，2为通孔，3为图像检测装置，31摄像箱体，32为圆孔，33为反光钢条，34为摄像装置，4为检测控制器，5为通孔开关机构；501为支架板、502为通光孔、503为轨道孔、504为滑槽、505为遮挡板、506为齿条、507为旋转轴、508为齿轮、509为步进电机、510为轴承座、511和512为限位开关、513为拉式电磁铁。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式并结合其附图对本实用新型进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本实用新型省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本实用新型。

如图2至图6所示，本实用新型的一种基于水库坝体监测的激光基准点检测装置，它包括检测器壳体1、图像检测装置3、通孔开关机构5和检测控制器4，所述检测器壳体1为一体成型壳体，在检测器壳体1对应的两侧面分别设置有通孔2，所述图像检测装置3设置在检测器壳体内两个通孔2之间，在检测器壳体1通孔处的内侧壁上设置有通孔开关机构5，所述检测控制器4设置在检测器壳体1内，所述检测控制器4分别与图像检测装置3和通孔开关机构5相连；所述通孔开关机构5包括固定在检测器壳体内侧壁上的支架板501，在支架板501一端设置有与通孔相应大小的通光孔502，支架板另一端设置有水平的轨道孔503，轨道孔503与通光孔502联通，在支架板501靠近检测器壳体侧壁一侧设置有滑槽504，在滑槽504内设置有左右移动的遮挡板505，所述遮挡板505背面设置有在轨道孔左右移动的齿条506，所述齿条506与设置在旋转轴507上的齿轮508啮合，所述旋转轴507的上端与固定在支架板上的步进电机509的输出轴连接，旋转轴507的下端设置在固定在支架板上的轴承座510内，在支架板左右两端对应齿条移动行程的位置分别设置有一个限位开关511和512；所述支架板501上还设置有拉式电磁铁513，当遮挡板遮挡通光孔和通孔时拉式电磁铁513的挡头下落在齿条506远离通光孔的一端；所述限位开关511和512的输出端与检测控制器4连接，所述步进电机509的控制端与检测控制器4连接，所述拉式电磁铁513的控制端与检测控制器4连接；在步进电机509的带动下所述遮挡板505紧靠在检测器壳体1内侧壁进行移动，增加了检测器壳体的密封性和防水性。

所述遮挡板505采用聚乙烯板。

如图4所示，所述图像检测装置3包括摄像箱体31、反光钢条33和摄像装置34，所述摄像箱体31上设置有对应检测器壳体上通孔的圆孔32，所述的圆孔32、通孔和透光孔的大小相同且它们的中心线在一条直线上；所述反光钢条33竖直设置在摄像箱体31内且与圆孔32的中心线垂直；所述摄像装置34设置在述摄像箱体31内且与检测控制器连接。所述摄像装置优选采用OV2640摄像头。

如图7所示，所述检测控制器包括STM8L151单片机、图像检测电源控制电路、无线模块、无线模块电源控制电路、振动传感器、驱动电路和电源模块，所述STM8L151单片机通过UART通讯电路电路与图像检测装置连接，所述图像检测电源控制电路分别与STM8L151单片机和图像检测装置连接，所述无线模块与STM8L151单片机连接，所述无线模块电源控制电路分别与STM8L151单片机、无线模块和电源模块连接，所述振动传感器设置在检测器壳体且与STM8L151单片机连接，所述电源模块与STM8L151单片机连接。

基准点检测装置还包括太阳能电池板、充电装置和锂电池，所述太阳能电池板设置在检测器壳体顶部，所述充电装置和锂电池设置在检测器壳体内，所述充电装置分别与太阳能电池板和锂电池连接，所述锂电池与电源模块连接。

如图8所示，所述无线模块包括GPRS模块，所述GPRS模块包括SIM800C模块、SIM卡和MIC29302芯片，所述SIM800C模块分别与STM8L151单片机和电源模块连接，所述SIM卡设置在SIM800C模块的卡槽内，所述MIC29302芯片的控制端与STM8L151单片机连接。

通孔开关机构的工作原理如下：步进电机的输出轴与旋转轴固定在一起，旋转轴跟齿轮固定一起，齿轮与齿条咬合一起，当电机工作时，旋转轴和齿轮旋转，带动齿条移动，齿条和遮挡板固定在一起上，从而带动遮挡板移动打开或关闭通光孔和通孔。当齿条移动到指定位置时会碰触限位开关，限位开关会给STM8L151单片机一个信号，STM8L151单片机停止驱动步进电机工作。当齿条移动碰触到开进通光孔处的限位开关7时，遮挡板将通光孔关闭，此时给拉式电磁铁断电，拉式电磁铁的挡头会落下，挡住齿条，使齿条不能向远通光孔方向移动，防止外力将遮挡板打开，增强安全性。下次开启时，首先给拉式电磁铁上电，使挡头抬起。通孔开关机构通过STM32F407单片机的控制，驱动步进电机自动打开和关闭通光孔和通孔。当检测水库水位时，其自动将通光孔打开，使摄像头穿过通光孔和通孔拍摄水位尺；当检测完成时，自动关闭通光孔和通孔，防止灰尘、雨水等进入壳体内，不仅减少了人工参与，节约了成本，而且做到了随时检测的目的。

在本实用新型检测系统中，控制器使用STM8L151低功耗单片机，降低系统功耗。同时使用太阳能板和充电锂电池的供电方案，减少能源损耗。单片机可以控制无线模块的电源，周期性的开启关闭无线模块，有利于降低功耗。振动传感器固定在箱体上，与单片机通过导线相连，当箱体因外力发生振动时，振动传感器给单片机一个低电平信号，单片机中断接收后，通过无线模块，将震动报警信号发送到计算机。单片机驱动步进电机正转、反转，从而打开或关闭通孔开关机构中遮挡板，在检测时打开激光通路，检测结束后关闭激光通路。限位开关与单片机相连，当机构打开或关闭到预定位置时，碰触限位开关，限位开关给单片机一个低电平信号，单片机停止控制步进电机。单片机控制图像检测装置的电源，当需要拍照时，控制其电源打开，使图像检测装置工作，它们通过UART通信，将检测到的坝体变形信息传到STM8L151单片机，单片机再通过无线模块传输到上位机上。整个过程能够自动开启、关闭机构，自动完成检测，自动数据传输，不需要人工参与，极大的方便了工作，节省了成本。

本实用新型的工作过程为：控制器的无线模块接收到上位机的指令后给单片机，单片机接收到开启检测命令后，开始执行开启动作，首先控制电磁铁上电，使挡头抬起，然后控制步进电机转动，带动遮挡板移动。在这个过程中，检查限位开关是否有信号输入，如果有信号输入，说明已经开启到指定位置，则停止步进电机工作，此时激光通光孔打开。控制图像检测装置的电源，使图像检测装置通电并开始工作，摄像头拍摄图像并进行分析计算出水平垂直位移，并通过UART将测得的数据传输到单片机。单片机通过无线模块将数据传输到上位机上。

此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。