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CN107179061A - 一种自校准超声测钎装置及测量方法 - Google Patents

一种自校准超声测钎装置及测量方法 Download PDF

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姚金雄
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丁德
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郭季璞
周艺环
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State Grid Shaanxi Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Co Ltd
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Xi'an Power Transmission And Transformation Project Environmental Impact Control Technology Center Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
State Grid Shaanxi Electric Power Co Ltd
Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Co Ltd
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明公开了一种自校准超声测钎装置及测量方法，包括测钎杆；测钎杆顶端固定有超声波收发模块，测钎杆上还设有与超声波收发模块距离固定的标准反射板；超声波收发模块包括单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波换能器；单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机连接超声波发射电路的输入端和超声波接收电路的输出端，超声波发射电路的输出端连接超声波换能器的控制端，超声波换能器的输出端连接超声波接收电路的输入端；标准反射板正对超声波换能器发出超声波的一侧设置。本发明节省传统测量的人工成本，同时避免人工读数时因踩踏引起破坏坡面稳定性而带来的监测误差。

Description

一种自校准超声测钎装置及测量方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，特别涉及一种自校准超声测钎装置及测量方法。
背景技术
测钎法适用于分散的土状堆积物形成的稳定坡面土壤流失观测。该方法具体操作为：向待测坡面有规律的插入若干细钎，常见的测钎布设为3×3的9根测钎方阵，在插钎上标记与土壤表层持平的位置，作为原始高度点，人工定期观测地表土层降低的厚度，计算土壤蚀侵量等水土流失量相关数据。该方法要求测量人员定期到达现场查看插钎的状态，人工测量每根插钎的地表降低厚度，这种方法耗时耗力且易破坏坡面稳定性。
若将水土保持专业与测试技术相结合，以超声测距原理为理论基础，自动监测地表降低厚度，即可解决此问题。超声测距原理即利用超声波在传播过程中，方向性强，能量消耗缓慢，遇到物体表面会产生反射波的特性，检测波的发射时刻与反射波到达设备时刻的时间间隔，根据超声波传播理论，就可计算出设备与物体表面之间的距离。实际应用中，超声波声速在不同环境下有所差别，在保证一定精确度的情况下是不可忽略的。一般的，确定测量时的温度、湿度、气压等环境值，通过数学建模修正可得到准确的超声波声速，但在测钎上增加这些环境测量装置使得测钎过于复杂且增加了装置成本。为此，研发一种利用测钎法测量水土流失量的自动监测装置，避免传统测钎法耗时耗力且易破坏坡面稳定性的弊端，在保证精度的情况下避免对温度、湿度、气压等环境值的测量装置及其方法，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自校准超声测钎装置及测量方法，以解决上述现有技术中的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种自校准超声测钎装置，包括测钎杆；测钎杆顶端固定有超声波收发模块，测钎杆上还设有与超声波收发模块距离固定的标准反射板。
进一步的，超声波收发模块包括单片机及超声波收发专用芯片机、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波换能器；单片机及超声波收发专用芯片机连接超声波发射电路的输入端和超声波接收电路的输出端，超声波发射电路的输出端连接超声波换能器的控制端，超声波换能器的输出端连接超声波接收电路的输入端；标准反射板正对超声波换能器发出超声波的一侧设置。
进一步的，单片机及超声波收发专用芯片机作为系统的主控芯片，控制超声波的发射与接收，并在每次超声波发射或接收时，控制计时作为超声波的传播时间；同时，单片机预留RS485接口，用于数据传输。
进一步的，超声波收发专用芯片机的型号为TDC1011。
一种自校准超声测钎装置的测量方法，包括以下步骤：测钎杆插入待测坡面，超声波收发模块发出超声波，当超声波传播到标准反射板时，超声波一次返回，超声波收发模块接收到一次返回的超声波；未返回的超声波传播到待测坡面二次返回，超声波收发模块接收到二次返回的超声波；通过对两次传播的时间，确定二次传播的距离即测量超声波收发模块与坡面的距离。
进一步的，超声波收发模块与标准反射板之间的间距为Sn；超声波第一次返回的时间为标准时间Tn；超声波第二次返回的时间为Tx，超声波收发模块距离坡面的距离为
进一步的，按照设定的时间梯度，重复监测超声波收发模块距离坡面的距离，通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、利用二次反射原理实现测试的自校准，在不用测环境值的情况下，得到精确地超声波波速，使测钎结构简单、成本低廉；
2、通过适当提高超声探头的激励频率至112kHZ，在确保测量距离在30-70cm的范围内，提高水土流失量的测量误差在0.3mm以内，保证测量精度；
3、通过数据传输，节省传统测量的人工成本，避免人工读数时因踩踏引起破坏坡面稳定性而带来的监测误差；
4、采用工业级单片和TDC1011超声波收发专用芯片机构建超声发射、接收测距平台；
5、适当提高超声探头的激励频率，在保证测量范围的基础上提高测量精度；
6、利用两次反射原理实现声速监测自动校准；
7、利用RS485接口实现数据自动传输。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为自校准超声测钎装置结构图；
图2为自校准超声测钎装置的测量方法流程图。
附图标记：
1、测钎杆；2、超声波收发模块；3、标准反射板；4、单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机；5、超声波发射电路；6、超声波接收电路；7、超声波换能器；8、待测坡面；9、超声波。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施案例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
请参阅图1所示，本发明一种自校准超声测钎装置，包括一根测钎杆1、超声波收发模块2和标准反射板3。超声波收发模块2与标准反射板3连接于测钎杆1上，超声波收发模块2与标准反射板3距离固定。其中，超声波收发模块2内设置有单片机及TDC1011超声波收发专用芯片4、超声波发射电路5、超声波接收电路6和超声波换能器7。单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机4连接超声波发射电路5的输入端和超声波接收电路6的输出端，超声波发射电路5的输出端连接超声波换能器7的控制端，超声波换能器7的输出端连接超声波接收电路6的输入端；标准反射板3正对超声波换能器7发出超声波的一侧设置。
标准反射板3与超声波收发模块2组合构建超声发射、接收测距平台，实现测试参数自动校准功能，避免测试环境干扰对超声波的影响。
当自校准超声测钎装置用于水土流失量监测时，先将测钎杆1插入待测坡面8，依据土壤类型与现场环境的不同，确定本装置插入地面的深度，以保证装置在监测期间的稳定性。
首先，进行一次测量，单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机4控制发射电路5通过超声波换能器7发出超声波9，当超声波9传播到标准反射板3，超声波9一次返回，超声波换能器7接收到一次返回超声波9，通过接收电路6传回给单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机4；
未返回的超声波9传播到待测坡面8后二次返回，超声波换能器7接收到二次返回超声波9，再通过接收电路6传回给单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机4。由于标准反射板3与超声波收发模块2的距离一定，两次传播的超声波波速相同，则通过对两次传播时间的确定，可得到二次传播的距离即测量超声波收发模块2与样地坡面的距离。
在水土流失量监测工作中，通过确定的时间梯度后再次测量超声波收发模块2与样地坡面的距离。通过RS485通讯将数据传至上位机，可通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度等信息。
本发明利用超声测距原理监测水土流失量相关数据，再通过RS485通讯实现数据传输，系统自动计算得到水土流失量等相关数据。本装置是将超声波收发装置置于测钎的顶部，在钎的中间距离超声波收发装置Sn距离处放置一块标准反射板，当超声波发射装置发射超声波时，超声波传播到标准反射板第一次返回，测得标准时间Tn；未返回的超声波传播到测量坡面后二次返回，测得往返时间Tx，那么超声波收发装置距离坡面的距离为
这样实现了测钎法监测水土流失量的自动监测，避免了传统测钎法耗时耗力且易破坏坡面稳定性的弊端；通过二次反射原理的实现，在保证精度的情况下避免了对温度、湿度、气压等环境值的计算，保证超声测钎结构简单，成本低廉。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自校准超声测钎装置，其特征在于：包括测钎杆(1)；测钎杆(1)顶端固定有超声波收发模块(2)，测钎杆(1)上还设有与超声波收发模块(2)距离固定的标准反射板(3)。
2.根据权利要求1所述的一种自校准超声测钎装置，其特征在于：超声波收发模块(2)包括单片机及超声波收发专用芯片机(4)、超声波发射电路(5)、超声波接收电路(6)和超声波换能器(7)；单片机及超声波收发专用芯片机(4)连接超声波发射电路(5)的输入端和超声波接收电路(6)的输出端，超声波发射电路(5)的输出端连接超声波换能器(7)的控制端，超声波换能器(7)的输出端连接超声波接收电路(6)的输入端；标准反射板(3)正对超声波换能器(7)发出超声波的一侧设置。
3.根据权利要求2所述的一种自校准超声测钎装置，其特征在于：单片机及超声波收发专用芯片机(4)作为系统的主控芯片，控制超声波的发射与接收，并在每次超声波发射或接收时，控制计时作为超声波的传播时间；同时，单片机预留RS485接口，用于数据传输。
4.根据权利要求1所述的一种自校准超声测钎装置，其特征在于：超声波收发专用芯片机的型号为TDC1011。
5.权利要求1至4中任一项所述的一种自校准超声测钎装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
测钎杆(1)插入待测坡面，超声波收发模块(2)发出超声波(9)，当超声波(9)传播到标准反射板(3)时，超声波(9)一次返回，超声波收发模块(2)接收到一次返回的超声波；未返回的超声波传播到待测坡面二次返回，超声波收发模块(2)接收到二次返回的超声波；通过对两次传播的时间，确定二次传播的距离即测量超声波收发模块(2)与坡面(8)的距离。
6.权利要求5所述的测量方法，其特征在于，具体的，超声波收发模块(2)与标准反射板(3)之间的间距为Sn；超声波第一次返回的时间为标准时间Tn；超声波第二次返回的时间为Tx，超声波收发模块(2)距离坡面的距离为
7.权利要求5所述的测量方法，其特征在于，具体的，按照设定的时间梯度，重复监测超声波收发模块(2)距离坡面的距离，通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度信息。
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