一种泥石流地声监测装置

1.一种泥石流地声监测装置，包括依次联接的监测端（1）、中心端（2）、控制端（3）；所述监测端（1）是地声信号检测设备，中心端（2）是控制端（3）与监测端（1）间的信号传输装置，控制端（3）是地声信号处理与控制指令操作装置；其特征在于：所述监测端（1）采用MEMS三轴数字加速度计芯片作为传感元件。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：装置包括至少二个监测端（1），各监测端（1）通过一个共同的中心端（2）与一个共同的控制端（3）联接；或者，装置包括至少二个监测端（1），各监测端（1）分别通过一个中心端（2）与一个共同的控制端（3）联接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述监测端（1）包括MEMS三轴数字加速度计芯片、单片机、通信模块、必要的电源电路模块；单片机集成实时时钟芯片与接口模块，并分别通过SPI接口、中断信号线路与MEMS三轴数字加速度计芯片联接。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：监测端（1）必要的电源电路模块包括太阳能电池板充电开关电路、铅酸电池电压检测电路、电源模块。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述单片机集成的接口模块包括SPI接口、USART接口、AD接口，其中SPI接口与MEMS三轴数字加速度计芯片联接，USART接口与通信模块联接，AD接口与铅酸电池电压检测电路联接。
6.根据权利要求1或2或5所述的装置，其特征在于：所述中心端（2）包括通信模块、必要的电源电路模块；所述中心端（2）必要的电源电路模块包括接口转换电路、电源模块；
中心端（2）通信模块通过接口转换电路联接至控制端（3）。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述控制端（3）包括中央处理单元、数据存储单元、通信模块、操作信号输入模块、必要的电源电路模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述监测端（1）与中心端（2）的通信模块为无线信号收发模块，中心端（2）无线信号收发模块通过USART转USB接口转换电路联接至控制端（3）；所述MEMS三轴数字加速度计芯片，分辨率13位、测量范围±16g、比例系数
4mg/LSB、采样频率0.1~3200HZ；所述单片机主频16MHZ，SPI接口频率2MHZ，USART接口波特率115200。
9.一种利用权利要求1或2或8所述的泥石流地声监测装置实现的泥石流龙头流速测量装置，其特征在于：包括至少二个监测端（1），各监测端（1）布置在泥石流沟道同侧边，顺泥石流沟道排列，并保持一定间距。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于：所述各监测端（1）间距≤100m，且保持等距。

一种泥石流地声监测装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种泥石流监测装置，特别是涉及一种泥石流地声信号监测，属于地声信号探测技术领域。\n背景技术\n[0002] 泥石流地声是泥石流发生时地球内部振动信号沿沿沟岸岩层传播产生的振动波。\n泥石流地声与其他振动波一样，具有独特的振动频率、波形、波形振幅，并在泥石流形成、启动、发生过程中表现出不同的特征值。通过检测泥石流地声的变化，将泥石流地声波的主频范围并与沟道环境背景产生的振动（如降雨、刮风、雷电等）区别开来，根据泥石流地声强度（振幅）与泥石流流量成正比的关系再根据泥石流的过流持续时间较长，利用鉴频、鉴幅，延时三要素，便能监测泥石流的形成发生，及时发出泥石流灾害预报。\n[0003] 专利号为ZL 99241577.2，授权公告号为CN2396404Y，名称为“泥石流地声参数检测仪”的中国实用新型专利公开了一种泥石流地声参数检测仪。该检测仪由多路地声信号采集通道、检波触发电路、A/D转换、数据存储器以及微处理器控制系统组成，并具有与PC微机的通讯接口，可用于泥石流地声参数多点同时检测和泥石流变化规律分析以及泥石流地声报警。该检测仪采用单轴压电式加速度传感器，由放大、滤波、A/D电路转化为数字信号，通过无线电台发送报警信号和数据，存在无法通过无线方式获取实时采样数据，且无法实现空间三轴震动强度值的计算和泥石流龙头速度计算的缺陷。现有的地声检测仪常见另一种采用机械振子、变形齿结构传感器，通过有线光电传输报警信号的结构，也同样存在上述缺陷。\n发明内容\n[0004] 本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种可实时获取泥石流爆发过程中地声数据，并且数据准确性更高的泥石流检测仪。\n[0005] 为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：\n[0006] 一种泥石流地声监测装置，包括依次联接的监测端、中心端、控制端；所述监测端是地声信号检测设备，中心端是控制端与监测端之间的信号传输装置，控制端是地声信号处理与控制指令操作装置；其特征在于：所述监测端采用MEMS三轴数字加速度计芯片作为传感元件。\n[0007] 加速度计是一种惯性传感器，用于测量物体的加速力。加速力指的是当物体在加速过程中，作用在物体前行方向上的力。任何物体发生振动都会产生加速度变化，无论振动加速度方向如何，均可通过物体运动加速度有效获取物体振动相关信息。由于泥石流地声是泥石流发生时大地内部振动信号沿沟岸岩层传播产生的振动波，因而通过测量泥石流发生时伴生的振动波（即泥石流地声）可以有效获取泥石流发生运动的数据信息。本实用新型产品泥石流地声监测装置通过监测端实时获取采样点上的加速度数据，通过高速通信模块经中心端实时回传至控制端，控制端对数据信息进行存储或分析处理，能够实现地声数据采集、实时报警，并根据采集数据可计算出泥石流地声强度，空间方向和泥石流平均流速。\n[0008] 上述泥石流地声监测装置的监测器端采用MEMS三轴数字加速度计作为传感元件，具有两项特点：一是针对泥石流地声方向多变，可能在各个方向产生震动的特征，三轴数字加速度计能够实时测量到每个采样点上x、y、z三个方向上的加速度数据，计算出地声强度，因此获取的地声数据更准确；二是由于采用了MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）技术，因此传感器本身除了能够承担加速度计的功能外，还同时具备了体积小、重量轻、抗干扰、能耗低等优点。\n[0009] 上述监测装置的监测端包括MEMS三轴数字加速度计芯片、单片机、通信模块、必要的电源电路模块；单片机集成实时时钟芯片与接口模块，并分别通过SPI接口、中断信号线路与MEMS三轴数字加速度计芯片联接。必要的电源电路模块包括太阳能电池板充电开关电路、铅酸电池电压检测电路、电源模块。单片机集成的接口模块包括SPI接口、USART接口、AD接口，其中SPI接口与MEMS三轴数字加速度计芯片联接，USART接口与通信模块联接，AD接口与铅酸电池电压检测电路联接。\n[0010] 监测端安装后，一旦环境中有超过阈值震动信号产生，MEMS三轴数字加速度计采集该震动信号并产生一个中断信号，单片机接收到中断信号立即通过SPI接口读取MEMS三轴数字加速度计内部FIFO存储器中的采样数据与单片机内部的实时时钟数据，整理数据格式后发送给通信模块再传输至中心端，并进一步经中心端传输到控制端。单片机的AD接口每分钟通过铅酸电池电压检测电路采集铅酸电池电压，如果电压过高，立即控制太阳能电池板充电开关电路停止充电，以保护铅酸电池过充发热烧干电池液而损坏。\n[0011] 上述监测装置，中心端包括通信模块、必要的电源电路模块。必要的电源电路模块包括接口转换电路、电源模块，中心端通信模块通过接口转换电路联接至控制端。\n[0012] 中心端通信模块与监测端通信模块联通信道，接收监测端回传的采样三轴数字地声数据与仪器状态参数信息，如仪器时间、采样报警阈值、采样频率、采样时间等，并接收控制端的控制指令对监测端状态参数进行设置等。\n[0013] 上述监测装置，控制端包括中央处理单元、数据存储单元、通信模块、操作信号输入模块、必要的电源电路模块。\n[0014] 控制端通过接收到回传的三轴地声数据，根据公式 计算出真\n实地声强度，振动方向与x轴夹角 与y轴夹角 与z轴夹角\n控制端将中心端传输来的地声数据存储或分析处理后再进行必要输出或存\n储；通过操作信号输入模块能够向控制端输入操作信息，并最终成为控制指令经中心端对监测端进行参数设置。\n[0015] 为了满足实地测量的需要上述泥石流地声监测装置通常装备有多个监测端，装置整体可以两种常规结构。结构一：装置包括至少二个监测端，各监测端通过一个共同的中心端与一个共同的控制端联接；结构二：装置包括至少二个监测端，各监测端分别通过一个中心端与一个共同的控制端联接。结构二的优点在于当一个中心端不能满足同时接收多个监测端地声数据需要时，通过增加中心端数量能够确保数据不丢失。\n[0016] 本实用新型还提供一种利用上述泥石流地声监测装置实现的泥石流龙头流速测量装置，具体技术方案如下：\n[0017] 一种利用上述泥石流地声监测装置实现的泥石流龙头流速测量装置，其特征在于：包括至少二个监测端，各监测端布置在泥石流沟道同侧边，顺泥石流沟道排列，并保持一定间距。\n[0018] 装置安装后，确定各监测端间距值，当泥石流通过顺直沟道时，各监测端均能够采集到加速度数据，泥石流龙头经过测量点时会产生最大强度地声。根据采集到的数据，提取产生峰值数据的时刻t1、t2、ti、tj，可计算出泥石流龙头经过每二个监测端的时间，如Δtij＝tj-ti，再经距离时间关系计算出泥石流龙头经过监测传感器端的平均速度。\n[0019] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本产品采用MEMS三轴数字加速度计，可同时测量单个采样点上x、y、z三个方向上加速度，克服了现有设备采用单轴加速度传感器安装后无法改变测量轴向，一旦震动方向与测量轴向不一致则只能测量该轴向上的加速度分量，测量结果存在较大误差的缺陷；克服了现有测量装置无法测量地声空间方向的缺陷；克服了现有装置使用语音电台进行无线传输，需要调制调解，传输数据速率极慢，而检测地声必须高速采集才能准确的还原真实的地声数据，从而数据量会非常大，语音电台无法满足大数据量传输的缺陷；克服了现有设备采用滤波、放大、AD电路转化成数字信号，每种电路都会产生二次误差的缺陷；克服了现有装置体积大，能耗高的缺陷。基于本泥石流地声监测装置扩展得到的泥石流龙头流速测量装置能够测量泥石流龙头平均流速，这也是现有装置无法实现的。\n附图说明\n[0020] 图1是泥石流地声监测装置结构示意图。\n[0021] 图2是监测端电路图（示MEMS三轴加速度计芯片与单片机连接电路图、铅酸电池电压检测电路图、电源模块电路图）。\n[0022] 图3是监测端电路图（示太阳能电池板充电开关电路图、通信模块电路图）。\n[0023] 图4是中心端电路图（示通信模块电路图、USART转USB电路图）。\n[0024] 图5是多监测端泥石流地声监测装置结构示意图。\n[0025] 图6是多监测端泥石流地声监测装置结构示意图。\n[0026] 图7是泥石流龙头流速测量装置安装结构示意图。\n[0027] 附图中的数字标记分别是：\n[0028] 1监测端 2中心端 3控制端 4泥石流沟道\n具体实施方式\n[0029] 下面结合附图，对本实用新型的优选实施例作进一步的描述。\n[0030] 实施例一\n[0031] 如图1～图4所示，加工一种泥石流地声监测装置。\n[0032] 图1是泥石流地声监测装置结构示意图。泥石流地声监测装置，包括依次联接的监测端1、中心端2、控制端3；监测端1是地声信号检测设备，中心端2是控制端3与监测端1间的信号传输装置，控制端3是地声信号处理与控制指令操作装置；监测端1采用MEMS三轴数字加速度计芯片作为传感元件。\n[0033] 图2是监测端电路图（示MEMS三轴加速度计芯片与单片机连接电路图、铅酸电池电压检测电路图、电源模块电路图）；图3是监测端电路图（示太阳能电池板充电开关电路图、通信模块电路图）。监测端1包括MEMS三轴数字加速度计芯片、单片机、通信模块、必要的电源电路模块。监测端1必要的电源电路模块包括太阳能电池板充电开关电路、铅酸电池电压检测电路、电源模块。单片机集成实时时钟芯片与接口模块，并分别通过SPI接口、中断信号线路与MEMS三轴数字加速度计芯片联接；单片机集成的接口模块包括SPI接口、USART接口、AD接口，其中SPI接口与MEMS三轴数字加速度计芯片联接，USART接口与通信模块联接，AD接口与铅酸电池电压检测电路联接。\n[0034] 在本实施方式中，MEMS三轴数字加速度计芯片分辨率13位、测量范围±16g、比例系数4mg/LSB、采样频率0.1~3200HZ；单片机主频16MHZ，SPI接口频率2MHZ，USART接口波特率115200。\n[0035] 图4是中心端电路图（示通信模块电路图、USART转USB电路图）。中心端2包括通信模块、必要的电源电路模块。中心端2必要的电源电路模块包括接口转换电路、电源模块；中心端2通信模块通过接口转换电路联接至控制端3。\n[0036] 控制端3包括中央处理单元、数据存储单元、通信模块、操作信号输入模块、必要的电源电路模块。\n[0037] 本实施方式中，监测端1与中心端2的通信模块为无线信号收发模块，中心端2无线信号收发模块通过USART转USB接口转换电路联接至控制端3。控制端3采用普通计算机。\n[0038] 实施例二\n[0039] 如图5、图6所示，加工一种泥石流地声监测装置，属多监测端泥石流地声监测装置，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于泥石流地声监测装置通常装备有多个监测端，装置整体具体两种常规结构。\n[0040] 结构一：图5是多监测端泥石流地声监测装置结构示意图。装置包括至少二个监测端1，各监测端1通过一个共同的中心端2与一个共同的控制端3联接。\n[0041] 结构二：图6是多监测端泥石流地声监测装置结构示意图。装置包括至少二个监测端1，各监测端1分别通过一个中心端2与一个共同的控制端3联接。\n[0042] 实施例三\n[0043] 如图7所示，加工一种泥石流龙头流速测量装置，基于实例二的泥石流地声监测装置实现。\n[0044] 图7是泥石流龙头流速测量装置安装结构示意图。泥石流龙头流速测量装置包括至少二个监测端1，各监测端1布置在泥石流沟道同侧边，顺泥石流沟道排列，并保持一定间距。各监测端1间距设计根据泥石流沟道实际条件而定，一般为≤100m，且保持等距。