一种水下结构物健康监测系统

本发明属于水下监测系统，具体为一种水下结构物健康监测系统。

背景技术：

1、随着水利水电、海洋能源等领域的快速发展，出现了越来越多的水下结构物，不同于地面的建筑物，水下结构物长期受水流冲刷、侵蚀、复杂荷载作用，其结构健康的监测尤为重要，且监测难度更大。

2、申请号为201180050691.0的专利公开了一种可用于扫描水下结构的方法和系统，根据所对准的三维图像生成变化检测模型，并且变化检测模型与水下结构的在先存在的三维模型进行比较。申请号为202210095220.1的专利公开了一种融合视声技术的水下结构超声监测方法及装备。申请号为202210601852.0的专利公开了一种水下结构表面病害图像获取方法、装置及电子设备，提出了一些水下结构物健康监测的方式，对实际工程提供了参考；但上述专利普遍偏重于水下结构物的检测、识别技术，但未提及整体的水下结构物健康监测系统的能源供应和信息传输问题，存在着能源供应困难、补给不清洁且难以适应恶劣环境下的健康检测信号远距离传输的不足。

3、总的来说，现有的水下结构物的检测设备采用传统电力输送方式，难以满足长时间、长距离、清洁的能源补给，且长距离的水下信息传输受恶劣环境和传播介质影响难以兼顾稳定性、实时性和耐久性要求。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种能够进行深水信号传输、实时准确、长距离供能的水下结构物健康监测系统。

2、技术方案：本发明所述的一种水下结构物健康监测系统，包括势流能发电系统、能源管理及能源数据监测系统、健康监测及数据传输系统，势流能发电系统、能源管理及能源数据监测系统、健康监测及数据传输系统通过脐带缆互相连接；势流能发电系统用于将海流能转化为电能；能源管理及能源数据监测系统用于调控电力输送，并监测势流能发电系统、点吸式发电防撞警示与信号中继平台发电量大小，以调控健康监测及数据传输系统健康检测频率；健康监测及数据传输系统用于对水下结构物进行监测，并将监测信息传递给点吸式发电防撞警示与信号中继平台；能源管理及能源数据监测系统、健康监测及数据传输系统将数据传输给服务器处理，生成图表信息呈现在pc端。通过势流能发电系统、点吸式发电防撞警示与信号中继平台在海流或海浪的作用下，单位时间内发电速率的大小对海环境工况进行评估，海流、浪越大则能源俘获量越大，发电速率越高，从而对健康监测及数据传输系统的各个监测模块的监测频率进行调节，以做到更好的平衡节能和准确监测。

3、进一步地，势流能发电系统包括连接杆、摆动浮子、基座、齿轮链条滑轨、齿轮发电机组件和摆动连杆发电机组件，连接杆分别与摆动浮子、摆动连杆发电机组件相连，基座与摆动连杆发电机组件相连，齿轮发电机组件分别与摆动浮子、齿轮链条滑轨相连，摆动浮子摆动时沿齿轮链条滑轨滑动并绕轴自转并将机械能转化为电能。摆动浮子材料采用低密度高强度的泡沫金属，以更好的俘获水流的势流能量。齿轮链条滑轨的底端锚定在水底。

4、进一步地，齿轮发电机组件包括第一齿轮、第二齿轮、第一发电机组、齿轮连接轴、齿轮连接杆；第一齿轮的直径大于第二齿轮的直径，以通过齿轮传动将低转速大扭矩转换为低扭矩高转速以增加发电效率；第一发电机组能够将机械能转化为电能；第一齿轮通过齿轮链接轴与摆动浮子相连，第一齿轮在沿齿轮链条滑轨滑动的同时能够绕齿轮连接轴自转；齿轮连接杆与第二齿轮固接。

5、进一步地，摆动连杆发电机组件包括发电机动子连轴、第二发电机组，发电机动子连轴与连接杆固接，将摆动浮子的机械能传递给第二发电机组件以转化为电能。

6、本发明所述的水下结构物健康监测系统还包括点吸式发电防撞警示与信号中继平台，势流能发电系统、点吸式发电防撞警示与信号中继平台、能源管理及能源数据监测系统、健康监测及数据传输系统通过脐带缆互相连接；点吸式发电防撞警示与信号中继平台用于将波浪能转化为电能和将海底的信号传递至海面。

7、进一步地，点吸式发电防撞警示与信号中继平台包括垂直发电机组、光纤缆绳、浮子平台、太阳能电池组件、信号接收与无线传输模块、警示灯，垂直发电机组件沉于海底，垂直发电机组件的发电机动子通过光纤缆绳与浮子平台相连，浮子平台能够随波浪上下运动，通过光纤缆绳带动发电机动子运动从而使垂直发电机组件发电；太阳能电池组件设置在浮子平台上；太阳能电池组件内设置信号接收与无线传输模块；警示灯设置在信号接收与无线传输模块表面，用于警示来往水上航行器前方有大型水下结构物。

8、进一步地，太阳能电池组件包括保护外壳、电缆，太阳能电池板通过电缆与保护外壳相连，保护外壳内设置用于蓄积太阳能电池板所产生电能的蓄电池、用于调节稳定电压的稳压模块。

9、进一步地，信号接收与无线传输模块包括信号接收模块、单片机、信号无线传输芯片和保护壳体，保护壳体内设置信号接收模块、单片机、信号无线传输芯片；信号接收模块用于接收健康监测及数据传输系统传输过来的水下结构物健康监测结果信号；单片机用于对传输信号进行处理；信号无线传输芯片用于传输单片机处理后的信号。

10、进一步地，能源管理及能源监测系统包括防护壳一；防护壳一内设置蓄电池、电源管理模块、能量监测模块；蓄电池用于储蓄势流能发电系统、点吸式发电防撞警示与信号中继平台产生的电能；电源管理模块用于调节电压并控制电流稳定输出；能量监测模块用于监测储蓄势流能发电系统、点吸式发电防撞警示与信号中继平台的产电速率及运行情况，并将相关数据传递给健康监测及数据传输系统，以进一步预测海况。当海况恶劣时，控制相关监测模块转换为高频监测模式，以更为精确的监测恶劣海况下，水下结构物的健康情况参数。防护壳一用于防护，具有防水、防侵蚀等功能。

11、能源管理及能源监测系统的监测步骤包括：

12、s1、能量监测模块监测新能源发电模块电流、电压值；

13、s2、微电脑处理器判断电流、电压是否超出预定阀值；

14、s2.1、当微电脑处理器判断电流、电压未超出预定阀值，则能量监测模块继续监测新能源发电模块电流、电压值；

15、s2.2、当微电脑处理器判断电流、电压超出预定阀值，则能量监测模块继续监测新能源发电模块电流、电压值且微电脑处理器控制各监测模块转换为高频监测模式；

16、进一步地，健康监测及数据传输系统包括防护壳二；防护壳二内设置微电脑处理器、数据传输模块，微电脑处理器通过脐带缆分别与变形监测系统、声纳探伤系统、水下图采系统相连；微电脑处理器用于将获取的结构健康数据进行初步预处理并传递给数据传输模块。水下图采系统为水下摄像头，用于获取结构物需探测部位的图像信息。

17、进一步地，声纳探伤系统包括声纳主体、动力拖鱼，动力拖鱼底部设置声纳主体，声纳主体通过发射超声波、结构主体反射信号，通过微电脑处理器将声音信号转化为图像信号，获取结构物损伤情况；动力拖鱼为声纳主体提供动力。

18、进一步地，变形监测系统包括信号接受器、信号发射源，信号发射源按健康监测需求安装于水下结构物表面上，信号接收器持续接受信号发射源位置数据信息并将信息传递给微电脑，由微电脑处理以进行结构变形监测。其处理步骤包括：

19、s1、在结构物附近取一虚拟点作为做坐标原点构建虚拟坐标系；

20、s2、信号接收器持续或周期性获取信号发射源信息，并在虚拟坐标中获得坐标点信息；

21、s3、判断结构物产生的整体的位移；

22、s3.1、通过对照不同信号源之间坐标变化以获得信号源(测点)之间的相对位移,以判断结构物的表面产生的位移；

23、s3.2、通过对照虚拟坐标原点与不同信号源之间坐标变化以获得信号源(测点)的绝对位移，以判断结构物产生的整体的位移；

24、s4、综合分析结构物变形情况。

25、工作原理：系统的健康监测数据通过脐带缆传输至点吸式发电防撞警示与信号中继平台，再通过光纤缆绳传递给水面的信号接收与无线传输模块，再通过信号无线传输芯片将结构健康监测数据信息传输至服务器进一步处理，将相关信息转化为图标信息呈现在pc端。

26、势流能发电部分在于通过浮子俘获海流的势能及动能将其转化为机械能，通过发电机机组发电，以为系统提供电力能源。点吸式发电防撞警示与信号中继平台通过浮子平台俘获海面波浪能的垂向势能，通过垂直发电机将其转化为电能，以为系统提供电力能源。海上新能源发电的发电速率与海域环境密切相关，通过新能源发电机(势流能发电、点吸式发电防撞警示与信号中继平台)的发电速率，进一步判断海况，当海况恶劣时可控制健康监测构件进行高频监测，以更好的监测水下结构物的健康状况。利用点吸式发电防撞警示与信号中继平台的缆线(光纤缆)传递水下健康监测数据的方式，克服在深远海域的数据传输问题。数据传输部分的无线传输采用zigbee网络中主要有协调器、路由器和终端设备组成，是一种低复杂度，快速，安全，可靠的无线传输网络。变形监测系统采用虚拟坐标系标定监测点坐标值，并通过坐标变化判断水下结构物的变形情况。

27、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

28、1、能够满足长时间、长距离、清洁的能源补给，长距离的水下信息传输不会受到恶劣环境和传播介质影响，能够兼顾稳定性、实时性和耐久性要求；

29、2、通过势流能发电机技术进行发电，解决了监测系统的能源问题，避免了复杂的电力输送线缆布置；

30、3、通过将浪流的大小反映海况的优劣与浪流的大小引发发电效率的高低特点相结合促使在恶劣海况下的高频监测与普通海况下的低频监测而实现准确变频监测；

31、4、通过将点吸式发电技术与信号中继站以及防撞预警等相结合，在为系统功供能的同时，解决了深水信号传输难的问题，以及水面航行器与水下结构物碰撞的问题；

32、5、通过zigbee网络进行无线数据传输，功耗更低，更为便捷安全，且避免了复杂的线缆布置；

33、6、通过智能手段实时监测水下结构物健康数据，并通过数据处理，将水下结构物健康信息显示在pc端，降低了水下结构物健康监测的难度，提升了水下结构物健康监测的实时性。