专利名称：重力式压电片冲刷监测装置的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种重力式压电片冲刷监测装置，尤指涉及一种可同时装设在多个桥墩上，特别系指不需要开挖河床且可量测回淤变化的冲刷监测装置。
背景技术：
由于桥梁发生灾害或即将要倒塌前多在天气恶劣情况下，碍于此时不易藉由观测得知桥墩与水流的状况，因此利用河床冲刷深度的监测仪器监测桥墩裸露的深度，可较容易在恶劣的天气下了解实际状况，不仅可对于桥墩裸露的程度发布警讯，亦为建立或修正该流域的冲刷公式提供了一项重要的参数。当冲刷公式在某个流域可以准确地预估其雨量可能对应的冲刷深度时，桥梁的管理者便能在豪雨预报发布后对于特定的桥梁进行补强或封桥，进而对人民的生命安全也多一份保障。在目前众多的河床冲刷监测仪器中，大多数的监测仪器安装时都必须开挖河床，其施工经费及难度都会随着地况的不同而产生一些无法预期的问题，举凡开挖遇到砾石层等。例如以中国台湾台大研究团队所开发的光纤冲刷监测计，其虽能做到较全面的监测，惟因光纤冲刷监测计造价昂贵，并且需要开挖施工，工地许多不确定的因素也会造成施工成本提高与进度落后。又如图4所示的压电片冲刷监测计，虽为一实用且原理简单的冲刷监测装置，惟其最大的缺点为装设的复杂性，当冲刷计装设于河道中，或系布满砾石的河床上，均使得埋设工程的开挖步骤变得非常困难，成本及工期也会随之增加，反而失去了当初设计压电片式冲刷监测计时材料便宜与量测简单的原意。此外，另一种重力式冲刷监测计则系现有冲刷监测器中少数不需要开挖河床的监测计，如图5所示，其利用放置在河床上的侦测杆落下深度得之冲刷深度，惟其缺点系无法测得回淤深度及水位高度，且必须定期利用人工方式将重力杆抽出，以免回淤影响量测冲刷深度的准确性。 有鉴于压电片冲刷监测计为少数可量测河床冲刷深度及回淤的变化者，惟其需要开挖河床；而重力式冲刷监测计则系目前唯一在装设时不需要进行开挖河床，且可直接在桥面板上进行施工者，惟其需要定期将重力杆抽出，故，一般已用者无法符合使用者于实际使用时的所需，实有必要开发不需开挖河床且可量测回淤变化的具耐久、经济效益的新型冲刷监测计。

发明内容
本发明主要目的在于，克服已知技艺所遭遇的上述问题并提供一种施工方便且造价便宜，可同时装设在多个桥墩上，适合应用于监测冲刷深度、水位及回淤的情况，可以所得的数据直接判读河床冲刷的深度，不需要经由复杂的处理，并可配合无线传输将监测地数据实时回传，以达到远距监测的重力式压电片冲刷监测装置。为达以上目的，本发明一种重力式压电片冲刷监测装置，其可同时装设在多个桥墩上，适合应用于监测冲刷深度、水位及回淤的情况，并可配合无线传输将监测地数据实时回传，其包括
数个压电片，当水流摆动冲击该压电片时能产生一电压讯号，并透过一讯号线传递
出；
一重力杆，其一端抵触在河床上，另一端则朝垂直方向向上延伸，并于该重力杆的每一预定间隔处固设有一压电片，且该重力杆内埋设有与该些压电片连接并传输其电压讯号的信息输送部；
二围束构件，为H型钢梁，且于设立时，此二围束构件内侧开口相对而夹成一导槽，该两内侧开口之间具有预定间距，藉由数个固接组件固定二围束构件在桥墩上端及下端位置处，该导槽及预定间距部分供该重力杆及其上的压电片穿过并作垂直方向滑动；
数个悬臂，其一端固设在该二围束构件外侧，另一端固设于桥墩的预定位置上，用以固 定该二围束构件并维持该重力杆及其上的压电片能在该导槽中作垂直方向滑动；
一电阻尺，系透过一尺轴与该重力杆连接，用以侦测该重力杆的位置，藉该电阻尺的尺轴被拉伸的长度测得当前冲刷的深度，并将其转换为一位置侦测讯号；以及
一接收机构，系分别透过一导线与该电阻尺连接，以及透过该讯号线与该信息输送部连接，且该接收机构包含一数据撷取部及一网络传输部，可于该电阻尺运转时同步撷取并输出该尺轴拉伸长度的位置侦测讯号，以及于该压电片反应时同步撷取并输出该产生感应的压电片位置的电压讯号，由该数据撷取部收集各讯号以直接判读河床冲刷面的深度位置，并透过该网络传输部将冲刷监测数据经由无线网络传送至远程的数据处理装置进行讯号的远距监测。该重力杆与其上的压电片一起连动。该重力杆由高硬度及及高机械强度的不锈钢材质所构成。该重力杆下端包含一往径向扩大的抵接部。所述重力式压电片冲刷监测装置利用该电阻尺与该压电片的讯号来判读河床冲刷面的深度位置，其操作原理包括
(A)当该重力杆因河床高程降低而下降时，连接在该重力杆上电阻尺会被向下拉伸，藉由其尺轴被拉伸的长度得到河床高程下降的高度，以求得当前的冲刷深度；
(B)当水流冲击该压电片时，该压电片随着水流摆动以产生电压讯号，而未浸在水里的压电片则无讯号产生，以求得当前的水位深度；以及
(C)当回淤产生导致该重力杆被埋在土中，形成该电阻尺所量测的冲刷深度为真实的冲刷深度加上回淤深度时，利用该压电片的电压讯号判断该重力杆埋在土中的回淤深度，再以该电阻尺所量测的冲刷深度减去经由该压电片的电压讯号所得的回淤深度，即为当前实际的冲刷深度。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为本发明结合传统重力式冲刷监测计及压电片式冲刷监测计两者的优点，且相较于传统压电片式冲刷监测计具有施工简便而不需开挖河床，即使装设位置在河道中间亦可以利用吊车从桥台上将施工人员及材料吊至桥面下施工；而相较于传统重力式冲刷监测计则具有不需要定期将重力杆抽出，藉由读取压电片讯号即可得知回淤深度，再利用电阻尺读数减去回淤深度即为实际冲刷深度。


图I系本发明较佳实施例的组装示意图。图2系图I中A部分的放大俯视示意图。图3 A系本发明河床正常态的使用态样示意图。图3 B系本发明河床冲刷后的使用态样示意图。图3 C系本发明河床回淤后的使用态样示意图。图4系传统的压电片冲刷监测计示意图。图5系传统的重力式冲刷监测计示意图。标号说明 重力式压电片冲刷监测装置I;
压电片I I ;
讯号线111;
重力杆I 2 ；
抵接部12 1;
信息输送部12 2;
围束构件I 3 ；
导槽I 3 I ;
预定间距13 2;
固接组件13 3;
悬臂I 4 ；
电阻尺I 5 ；
尺轴I 5 I ;
接收机构I 6 ；
数据撷取部16 1;
网络传输部16 2;
河床2 0 ；
桥墩2 I ；
墩帽2 2 ；
桩帽2 3 ；
数据处理装置3。
具体实施例方式请参阅图I及图2所示，分别为本发明较佳实施例的组装示意图及图I中A部分的放大俯视示意图。如图所示本发明系一重力式压电片冲刷监测装置I，至少包含数个压电片I I、一重力杆I 2、二围束构件I 3、数个悬臂I 4、一电阻尺I 5以及一接收机构I 6所构成，系可同时装设在多个桥墩2 I上，适合应用于监测冲刷深度、水位及回淤的情况，并可配合无线传输将监测地数据实时回传。上述所提的压电片I I可量测冲刷深度、水位及回淤的情况，当水流摆动冲击该压电片I I时能产生一电压讯号，并可透过一讯号线I I I传递至该接收机构I 6。该重力杆I 2由高硬度及高机械强度的不锈钢材质所构成，其一端具有一往径向扩大的抵接部I 2 I，用以抵触在河床2 O上，另一端则朝垂直方向向上延伸，并于该重力杆I 2的每一预定间隔处固设有一压电片I I，可在垂降时一起连动，其中，该重力杆I 2内埋设有与该些压电片I I连接并传输其电压讯号的信息输送部I 2 2。该二围束构件I 3为H型钢梁，且于设立时，此二围束构件I 3内侧开口相对而夹成一导槽I 3 I，两者之间并具有预定间距I 3 2，藉由数个固接组件I 3 3固定二围束构件I 3在桥墩2 I上端的墩帽2 2位置以及下端的桩帽2 3位置处，俾以该导槽I 3 I及预定间距I 3 2部分供该重力杆I 2及其上的压电片I I穿过并作垂直方向滑动。各悬臂I 4 一端固设在该二围束构件I 3外侧，另一端固设于桥墩2 I的预定位置上，用以固定该二围束构件I 3并维持该重力杆I 2及其上的压电片I I能在该导槽I 3 I中作垂直方向滑动。该电阻尺I 5透过一尺轴I 5 I与该重力杆I 2连接，用以侦测该重力杆I 2的位置，藉该电阻尺I 5的尺轴I 5 I被拉伸的长度测得当前冲刷的深度，并将其转换为一 位置侦测讯号。该接收机构I 6系分别透过一导线与该电阻尺I 5连接，以及透过该讯号线I I I与该信息输送部I 2 2连接，并包含一数据撷取部I 6 I及一网络传输部16 2，可于该电阻尺I 5运转时同步撷取并输出该尺轴I 5 I拉伸长度的位置侦测讯号，以及于该压电片I I反应时同步撷取并输出该产生感应的压电片I I位置的电压讯号，由该数据撷取部I 6 I收集各讯号以直接判读河床冲刷面的深度位置，并透过该网络传输部I 6 2将冲刷监测数据经由无线网络传送至远程的数据处理装置3进行讯号的远距监测。当运用时，其操作原理系利用该电阻尺I 5与该压电片I I的讯号来计算冲刷的深度，当该重力杆I 2因河床2 0高程降低而下降时，连接在该重力杆I 2上的电阻尺I 5会被向下拉伸，藉由其尺轴I 5 I被拉伸的长度即可得到河床2 0高程下降的高度；当水流冲击该压电片I I时，该压电片I I随着水流摆动以产生电压讯号，而未浸在水里的压电片I I则无讯号产生。当该重力杆I 2尚未被埋在土中时，无法藉由该压电片I I的电压讯号得知冲刷的深度，仅可求得当前水位的深度；以及当回淤产生导致该重力杆I 2被埋在土中，形成该电阻尺I 5所量测的冲刷深度为真实的冲刷深度加上回淤深度时，利用该压电片I I的电压讯号判断该重力杆I 2埋在土中的回淤深度，再以该电阻尺I 5所量测的冲刷深度减去经由该压电片I I的电压讯号所得的回淤深度，即为当前实际的冲刷深度。请参阅图3 A 图3 C所示，分别为本发明河床正常态的使用态样示意图、本发明河床冲刷后的使用态样示意图及本发明河床回淤后的使用态样示意图。如图所示于一较佳实施例中，本发明的重力式压电片冲刷监测装置I配置于河道的使用状态如图3 A所示，其重力杆I 2因受重力作用而会垂落在河床2 0上，当洪水来临时，造成河床2 0的冲刷，使得河床2 0高程降低，如图3 B所示，本装置I亦会随着河床2 0高程降低而下降，藉由其电阻尺I 5被拉伸的长度得到当前冲刷的深度，且当洪水退去之后，若该处河水带走的泥沙量小于淤积的泥沙量，则会开始产生淤积而使得河床2 0高程增加，导致本装置I被埋于土中，如图3 C所示，此时即可利用该电阻尺I 5拉伸的长度减去回淤的深度，SP为冲刷深度。
本发明为重力式压电片冲刷监测装置(如图I所示)的开发，系结合传统重力式冲刷监测计及压电片式冲刷监测计两者的优点，且相较于传统压电片式冲刷监测计具有施工简便而不需开挖河床，即使装设位置在河道中间亦可以利用吊车从桥台上将施工人员及材料吊至桥面下施工；而相较于传统重力式冲刷监测计则具有不需要定期将重力杆抽出，藉由读取压电片讯号即可得知回淤深度，再利用电阻尺读数减去回淤深度即为实际冲刷深度。藉此，本装置系唯一不需要开挖河床即可量测回淤变化的监测装置，其优点在于
施工方便；
成本低廉，可同时安装于多个桥墩；
数据可直接判读河床冲刷的深度，不需要经由复杂的处理；以及 由于数据简单，因此可使用无线传输将监测地的数据实时回传。
由此可知，本发明的重力式压电片冲刷监测装置具有耐久的经济效益，可藉由无线网络的传输，将监测地冲刷监测数据经由高速的网络回传，配合远程的数据处理装置，使监测人员可于桥梁外的其它场所达到实时监测的目的，例如可在远程的主控室，实时监控所辖安装有监测装置的桥梁，进行讯号的远距实时监测，若设置于防灾单位，即可对损坏的桥梁发布警告、封桥与进行修复抢灾的工作。综上所述，本发明系一种重力式压电片冲刷监测装置，可有效改善已用的种种缺点，其施工方便且造价便宜，可同时装设在多个桥墩上，适合应用于监测冲刷深度、水位及回淤的情况，并可配合无线传输将监测地数据实时回传而达到远距监测者，进而使本发明的产生能更进步、更实用、更符合使用者的所须，确已符合发明专利申请的要件，爰依法提出专利申请。
权利要求
1.一种重力式压电片冲刷监测装置，其可同时装设在多个桥墩上，适合应用于监测冲刷深度、水位及回淤的情况，并可配合无线传输将监测地数据实时回传，其特征在于包括 数个压电片，当水流摆动冲击该压电片时能产生一电压讯号，并透过一讯号线传递出； 一重力杆，其一端抵触在河床上，另一端则朝垂直方向向上延伸，并于该重力杆的每一预定间隔处固设有一压电片，且该重力杆内埋设有与该些压电片连接并传输其电压讯号的信息输送部； 二围束构件，为H型钢梁，且于设立时，此二围束构件内侧开口相对而夹成一导槽，该两内侧开口之间具有预定间距，藉由数个固接组件固定二围束构件在桥墩上端及下端位置处，该导槽及预定间距部分供该重力杆及其上的压电片穿过并作垂直方向滑动； 数个悬臂，其一端固设在该二围束构件外侧，另一端固设于桥墩的预定位置上，用以固定该二围束构件并维持该重力杆及其上的压电片能在该导槽中作垂直方向滑动； 一电阻尺，系透过一尺轴与该重力杆连接，用以侦测该重力杆的位置，藉该电阻尺的尺轴被拉伸的长度测得当前冲刷的深度，并将其转换为一位置侦测讯号；以及 一接收机构，系分别透过一导线与该电阻尺连接，以及透过该讯号线与该信息输送部连接，且该接收机构包含一数据撷取部及一网络传输部，可于该电阻尺运转时同步撷取并输出该尺轴拉伸长度的位置侦测讯号，以及于该压电片反应时同步撷取并输出该产生感应的压电片位置的电压讯号，由该数据撷取部收集各讯号以直接判读河床冲刷面的深度位置，并透过该网络传输部将冲刷监测数据经由无线网络传送至远程的数据处理装置进行讯号的远距监测。
2.根据权利要求I所述的重力式压电片冲刷监测装置，其特征在于，该重力杆由不锈钢材质所构成。
3.根据权利要求I所述的重力式压电片冲刷监测装置，其特征在于，该重力杆下端包含一往径向扩大的抵接部。
4.根据权利要求I所述的重力式压电片冲刷监测装置，其特征在于，利用该电阻尺与该压电片的讯号来判读河床冲刷面的深度位置，其操作原理包括 (A)当该重力杆因河床高程降低而下降时，连接在该重力杆上电阻尺会被向下拉伸，藉由其尺轴被拉伸的长度得到河床高程下降的高度，以求得当前的冲刷深度； (B)当水流冲击该压电片时，该压电片随着水流摆动以产生电压讯号，而未浸在水里的压电片则无讯号产生，以求得当前的水位深度；以及 (C)当回淤产生导致该重力杆被埋在土中，形成该电阻尺所量测的冲刷深度为真实的冲刷深度加上回淤深度时，利用该压电片的电压讯号判断该重力杆埋在土中的回淤深度，再以该电阻尺所量测的冲刷深度减去经由该压电片的电压讯号所得的回淤深度，即为当前实际的冲刷深度。
全文摘要
一种重力式压电片冲刷监测装置，其至少包含重力杆，该重力杆的每一预定间隔处固设有一压电片，该重力杆内埋设有与该些压电片连接并传输其电压讯号的信息输送部；二围束构件内侧开口相对而夹成一导槽，该两内侧开口之间具有预定间距，该导槽及预定间距部分供该重力杆及其上的压电片穿过并作垂直方向滑动；数个悬臂一端固设在该二围束构件外侧，另一端固设于桥墩的预定位置上；电阻尺透过一尺轴与该重力杆连接；接收机构分别透过一导线与该电阻尺连接，以及透过该讯号线与该信息输送部连接。本发明施工方便且造价便宜，适合应用于监测冲刷深度、水位及回淤情况，可以所得数据直接判读河床冲刷深度，并可将数据实时回传，实现远距监测。
文档编号G01B7/26GK102735156SQ20111009168
公开日2012年10月17日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者侯钧哲, 王仲宇, 王颢霖, 陈明正 申请人:王仲宇, 财团法人中华顾问工程司