一種凍土深度傳感器的製造方法
2023-06-12 04:26:16
專利名稱:一種凍土深度傳感器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種凍土深度傳感器，包括：控制器、溫度採集器、保護管、防水密封盒、灌封材料和控制電纜，其中所述控制器安裝在所述防水密封盒內；所述防水密封盒固定設置在所述保護管一端；所述溫度採集器通過灌封材料整體灌封在所述保護管一側的凹槽中，所述保護管的另一端埋入土壤中，所述溫度採集器與所述保護管一起被埋入被測土壤中；所述控制電纜連接在所述控制器與所述溫度採集器之間。
【專利說明】
一種凍土深度傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及凍土測量領域，具體而言，涉及一種凍土深度傳感器。
【背景技術】
[0002]凍土測量是凍土地區生產建設的基本需求，在氣候環境變化的研究和凍土氣象災害預警等領域是不可或缺的。目前測量凍土的方法有達泥林凍土測量、直接測量、遙感法測量、自動測量等方法。
[0003]達泥林方法測量凍土深度例如以灌注在橡膠皮管中水的凍結深度來記錄凍土深度的。這種方法較為原始，由於土壤的質地和水溶液的成分複雜、濃度不均、壓力的不同等因素使得凍土的凍結和純水的凍結情況不同，這種測量凍土的方法並不科學，且不能實時監測土壤凍結深度。設計的結構簡陋，易損毀。
[0004]直接測量方法如人工挖坑或者鑽洞，這種方法較為原始，需要投入大量的人力和物力。這種方法的缺點是觀測不方便，數據密度不夠，不能實時監測凍土深度。
[0005]遙感法測量方法只能獲取淺層地表的土壤的凍結情況，在我國北方地區，凍土層較厚，使用遙感法不能準確測量凍土的深度。缺點顯而易見。
[0006]隨著自動氣象站在全國氣象站的廣泛普及，很多觀測項目已經進行自動觀測，但是凍土觀測一直沒有得到很好的改進。無法滿足凍土自動化測量的要求，直到2013年以來一些自動測量凍土的方法開始興起。
[0007]凍土與未凍土的水分和溫度參數有一定的差異，且差異在數值上較明顯。根據這一特性設計出很多自動化測量凍土的新方法。目前自動化測量凍土的方法主要有:電容法、電阻法、射線法，紅外遙感法等。其中射線法和紅外法成本高，不易推廣。而電容法和電阻法測量凍土深度較為常見，電容法和電阻法其原理是測量土壤的介電常數，土壤含水量的變化主要是由於介電常數發生變化引起的，當土壤中水變為冰晶時，介電常數會發生明顯變化。以此來測量。這種方法需要做大量數據實驗用於標定，工作量龐大，且電容極板受熱漲冷縮的影響會發生變形，還有土壤中含有大量金屬礦石對電容的電場進行幹擾也會影響測量結果。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型提供一種凍土深度傳感器，用以克服現有技術中存在的至少一個問題。
[0009]為達到上述目的，本實用新型提供了一種凍土深度傳感器，包括:控制器、溫度採集器、保護管、防水密封盒、灌封材料和控制電纜，其中所述控制器安裝在所述防水密封盒內；所述防水密封盒固定設置在所述保護管一端;所述溫度採集器通過灌封材料整體灌封在所述保護管一側的凹槽中，所述保護管的另一端埋入土壤中，所述溫度採集器與所述保護管一起被埋入被測土壤中；所述控制電纜連接在所述控制器與所述溫度採集器之間。
[0010]進一步地，所述防水密封盒的防水等級為IP65。[0011 ]進一步地，所述控制器與所述溫度採集器通過溫度採集接口相連，所述溫度採集接口包含SPI總線、溫度傳感器分時測量控制信號和供電電源。
[0012]進一步地，所述溫度採集器由多塊溫度採集電路板串接構成。
[0013]進一步地，每塊所述溫度採集電路板包括溫度採集器接口電路、總線驅動能力增強電路、溫度傳感器分時測量控制電路和8個溫度傳感器，所述溫度採集器接口電路用於實現與所述控制器相連以及溫度採集電路板之間的級聯;所述總線驅動能力增強電路用於增強SPI總線驅動能力，實現同時驅動200個節點;所述溫度傳感器分時測量控制電路用於選擇讀取某個溫度傳感器的數據;所述溫度傳感器用於測量所在位置的溫度值。
[0014]進一步地，所述控制器採用意法半導體公司的STM32F103。
[0015]經過測試，本實用新型的凍土傳感器結構簡單，成本低廉，易於實現，可操作強。大大提高了凍土檢測的精度。而且使用這種結構的凍土傳感器使用壽命長，不受季節限制，非常適合野外使用。
【附圖說明】
[0016]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0017]圖la、圖1b圖為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的正視圖和側視圖；
[0018]圖2為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的結構圖；
[0019]圖3為本實用新型一個實施例的控制器結構示意圖；
[0020]圖4為本實用新型一個實施例的溫度採集器結構示意圖；
[0021 ]圖5為本實用新型一個實施例的保護管剖面圖；
[0022]圖6為本實用新型一個實施例的溫度採集板示意圖；
[0023]圖7a、圖7b為本實用新型一個實施例的總線驅動能力增強電路示意圖；
[0024]圖7c、圖7d為本實用新型一個實施例的溫度採集接口電路示意圖；
[0025]圖7e為本實用新型一個實施例的溫度傳感器分時測量控制電路示意圖；
[0026]圖7f為本實用新型一個實施例的用於提高ADT7310數據輸出埠的輸出能力的電路不意圖。
【具體實施方式】
[0027]下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有付出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
[0028]圖la、圖1b圖為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的正視圖和側視圖；圖2為本實用新型一個實施例的凍土深度傳感器的結構圖；如圖所示，A為土壤，B為地表面，凍土深度傳感器是用於凍土層深度的自動測量儀器，包括:控制器2、溫度採集器6、保護管3、防水密封盒1、灌封材料5和控制電纜4，其中控制器2安裝在防水密封盒I內；防水密封盒I固定設置在保護管3—端;保護管3的另一端埋入土壤中；溫度採集器6通過灌封材料整體灌封在保護管3—側的凹槽中，溫度採集器6與保護管3—起被埋入被測土壤中；控制電纜4連接在控制器2與溫度採集器6之間。圖2中，外部設備201與控制器2相連，控制器2包括RS-485接口 202、處理器203 (可優選高性能低功耗處理器)、電源模塊204、第一溫度採集接口 205，溫度採集器6包括第二溫度採集接口 206及與第二溫度採集接口 206相連的第I個溫度採集電路板207、第2個溫度採集電路板208、……、第η個溫度採集電路板209和第n+1個溫度採集電路板210，η為自然數。
[0029]由於安裝地點的條件限制(野外、高寒)，所有元器件的均採用工業級溫度標準(-40 °C?85 °C)，盒體及保護管防水等級IP65以上，據有巨大的測量深度(本實施例以2米測量深度為例)。
[0030]以下對凍土深度傳感器的各部件進行詳細介紹。
[0031](I)控制器
[0032]控制器為溫度採集器提供電源，並對溫度採集器採集的溫度數據的進行讀取和處理，以及與外部設備的數據通訊。控制器安裝在防水等級IP65的密封盒中。
[0033]CPU選用意法半導體公司的STM32F103作為處理器。STM32系列基於專為要求高性能、低功耗的嵌入式應用專門設計的ARM Cortex-M3內核。因此控制器的數據處理和通訊能力非常強大。
[0034]控制器採用DC12V電壓供電。電源模塊採用LM2576系列是美國國家半導體公司生產的3A電流輸出降壓開關型集成穩壓器，高效、穩定。
[0035]RS-485接口作為控制器與外設的通訊接口，採用ModBus標準協議。
[0036]控制器與溫度採集器通過溫度採集接口相連，接口包含SPI總線、溫度傳感器分時測量控制信號和供電電源。
[0037](2)溫度採集器
[0038]溫度採集器用於為溫度數據的採集，內部帶有200個溫度測點，由25塊採集電路板串接構成(可根據需求串接更多的採集電路板完成更深的溫度採集)，可以完成高密度測量，以保證溫度採集器測量精度。由於使用環境的限制，溫度採集器被灌封在保護管中。其安裝方式採用地埋式，將保護管連同溫度採集器垂直於地表面一同埋入土壤中。深度的選擇是根據被測地點的氣候條件，埋入相應深度。
[0039]在一個實施例中，保護管採用長2200mm、寬40mm、高40mm的環氧樹脂棒，一側表面挖出長2000mm、寬30mm、深30mm的凹形槽，溫度採集器被環氧樹脂填充物和娃橡膠填充物灌封在凹形槽中。
[0040]溫度採集器由25塊採集電路板級聯構成，兩塊採集電路板之間由矽橡膠排線相連接。每塊採集電路板以Icm為間距平均分布8個溫度傳感器。
[0041]採集電路板由溫度採集器接口電路、總線驅動能力增強電路、溫度傳感器分時測量控制電路和8個溫度傳感器組成。採集器接口電路用於與控制器相連和採集電路板之間的級聯。總線驅動能力增強電路的作用是增強SPI總線驅動能力，實現同時驅動200個節點。溫度傳感器分時測量控制電路的作用是選擇讀取哪個溫度傳感器的數據。溫度傳感器由於檢測溫度傳感器所在位置的溫度值。
[0042]圖5為本實用新型一個實施例的保護管剖面圖；圖6為本實用新型一個實施例的溫度採集板示意圖；圖7a、圖7b為本實用新型一個實施例的總線驅動能力增強電路示意圖；圖7c、圖7d為本實用新型一個實施例的溫度採集接口電路示意圖；圖7e為本實用新型一個實施例的溫度傳感器分時測量控制電路示意圖；圖7f為本實用新型一個實施例的用於提高ADT7 310數據輸出埠的輸出能力的電路示意圖。圖5中，長度的單位為毫米；圖6中601為溫度傳感器，602為矽橡膠排線，603為採集電路板。
[0043]以下從測量原理角度進一步介紹本實用新型。
[0044]凍土深度傳感器的測量原理為控制器依次讀取溫度採集器上的溫度傳感器的數值並保存在內部寄存器中。外部設備讀取控制器內的寄存器數據，根據所得數據，查找測量數據O °c以下的溫度傳感器編號，根據溫度傳感器編號換算出凍土深度。
[0045](I)控制器
[0046]其工作方式是控制器以Is的時間頻率循環讀取溫度採集器內部200個溫度傳感器的數據，並將數據保存在CPU內部寄存器中，當外部設備需要讀取溫度數據時，只需讀取相應寄存器的數據即可。
[0047]若採用主從方式由外設發出測量指令，控制器再啟動測量，當溫度傳感器數量較多時，控制器採集一輪溫度數據需時較長，外設等待時間過長。這種工作方式的好處是，可以保證數據的實時性和可以快速的讀取數據。
[0048]溫度採集器由200個溫度傳感器構成，最大測量深度可達2m。
[0049](2)溫度採集器
[0050]溫度採集器的設計思想為利用帶有SPI總線的數字型溫度傳感器組成一個類似於可以讀取溫度的標尺。SPI是串行外設接口(Serial Peripheral Interface)的縮寫。SPI總線是一種高速的，全雙工，同步的通信總線，可以實現是一個主設備(CPU)連接多個從設備(溫度傳感器)的目的。數字型溫度傳感器組態靈活、運行穩定、抗幹擾能力強，數據採集準確度高，滿足高標準數據監測要求。
[0051]由於氣候原因，凍土深度具有巨大的差異，有些地點的凍土深度較淺，有些地點的凍土深度較深，統一長度的溫度採集器無法滿足所有用戶的需求。為了滿足所有客戶需求，溫度採集器採用電路板級聯安裝設計模式。即溫度採集器由若干採集電路板級聯組成，這種設計的優點是用戶可以根據被測地點的氣象條件適當選擇溫度採集器的長度(測量點數)。在埋設溫度採集器的時候，極其方便用戶施工及安裝，減少現場工作量。
[0052]溫度採集器最大的設計亮點在於有效解決了大量測量點(溫度傳感器個數)的分時測量控制。分時測量控制含義是在編寫程序的時候需要逐一對溫度傳感器進行數據的讀取，此時，我們需要有一個信號來告訴掛在總線上的CPU，這些數據是哪個晶片傳來的。
[0053]溫度採集傳感器採用雙SPI總線、多組溫度傳感器級聯的方式構成。第一條SPI總線用於各個溫度傳感器ADT7310的溫度採集命令和溫度值的傳輸，另一條SPI總線結合74HC595及外圍電路完成位於第一條SPI總線上溫度傳感器的使能信號控制，從而達到200個溫度傳感器位於一條SPI總線上，在某一時刻只有一個被使能與單片機進行通訊並完成溫度採集的目的。這樣設計的優點有三:第一、溫度傳感器的採集點數可以擴充，在供電電源線足夠粗(保證線電阻很小)的情況下，可以無限級擴充;第二、僅用7條信號線完成大量溫度點的溫度採集;第三、採用該設計方法，每個點的ID號自然形成，無需刻意設置，每個溫度傳感器所在的SPI的位置的74HC595發出的使能信號就是該溫度採集點的ID，該ID由電路自然形成無需配置，因此大大化簡了使用繁瑣度。
[0054]圖7a_圖7f中，U27(74HC595)將串行片選數據轉換成並行輸出，分別對應相應的溫度傳感器晶片ADT7310的使能引腳，從而完成對所有傳感器晶片同一時刻的唯一性選擇。
[0055]U25、U26(74HC3G34)用於對SPI信號進行增強。由於該產品電路結構為級聯模式，所以線路較長，因此採用U25、U26每隔8個溫度採集點對SPI信號進行增強。
[0056]U9(1G125)用於提高ADT7310數據輸出埠的輸出能力，由於該產品電路結構為級聯模式，所以線路較長，因此採用U9(1G125)每隔8個溫度採集點對溫度信號進行增強。為了防止後級的傳感器模組的數據信號對本級數據信號的影響，採用1G125和9個1N4148(D2?D10)完成。D2?D9每個對應本級的一個溫度傳感器使能信號，如果一個模組的其中的一個信號被使能，則該模組的1G125被使能，該使能信號通過DlO向其前面的模組傳輸，使其前面直至單片機引腳的1G125全部開通使能，該模組後面的模組的1G125全部為禁用高阻狀態，防止數據總線被影響。
[0057](3)保護管
[0058]根據保護管的結構剖面圖，圖中所示保護管外殼材料均為導熱係數比較低的材料，如果使用導熱係數高的材料(例如金屬材料)作為保護管，由於材料的熱傳遞作用，那麼保護管會使測量的各點溫度趨於平均化，影響測量結果。
[0059]環氧樹脂具有物理強度高，耐腐蝕，絕緣度高，導熱係數低的特點，這樣就避免了被土壤中的物質侵蝕。矽橡膠具有優良的電絕緣性能、密封性能和耐老化的性能。矽橡膠的表面能比大多數有機材料小，具有低吸溼性，與許多材料不發生粘合，填充矽橡膠使電路板與外界隔離。
[0060]經過測試，這種新型凍土傳感器結構簡單，成本低廉，易於實現，可操作強。大大提高了凍土檢測的精度。而且使用這種結構的凍土傳感器使用壽命長，不受季節限制，非常適合野外使用。
[0061]本領域普通技術人員可以理解:附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程並不一定是實施本實用新型所必須的。
[0062]本領域普通技術人員可以理解:實施例中的裝置中的模塊可以按照實施例描述分布於實施例的裝置中，也可以進行相應變化位於不同於本實施例的一個或多個裝置中。上述實施例的模塊可以合併為一個模塊，也可以進一步拆分成多個子模塊。
[0063]最後應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換;而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例技術方案的精神和範圍。
【主權項】
1.一種凍土深度傳感器，其特徵在於，包括:控制器、溫度採集器、保護管、防水密封盒、灌封材料和控制電纜，其中所述控制器安裝在所述防水密封盒內；所述防水密封盒固定設置在所述保護管一端;所述溫度採集器通過灌封材料整體灌封在所述保護管一側的凹槽中，所述保護管的另一端埋入土壤中，所述溫度採集器與所述保護管一起被埋入被測土壤中；所述控制電纜連接在所述控制器與所述溫度採集器之間。2.根據權利要求1所述的凍土深度傳感器，其特徵在於，所述防水密封盒的防水等級為IP65。3.根據權利要求1所述的凍土深度傳感器，其特徵在於，所述控制器與所述溫度採集器通過溫度採集接口相連，所述溫度採集接口包含SPI總線、溫度傳感器分時測量控制信號和供電電源。4.根據權利要求1所述的凍土深度傳感器，其特徵在於，所述溫度採集器由多塊溫度採集電路板串接構成。5.根據權利要求4所述的凍土深度傳感器，其特徵在於，每塊所述溫度採集電路板包括溫度採集器接口電路、總線驅動能力增強電路、溫度傳感器分時測量控制電路和8個溫度傳感器，所述溫度採集器接口電路用於實現與所述控制器相連以及溫度採集電路板之間的級聯;所述總線驅動能力增強電路用於增強SPI總線驅動能力，實現同時驅動200個節點;所述溫度傳感器分時測量控制電路用於選擇讀取某個溫度傳感器的數據;所述溫度傳感器用於測量所在位置的溫度值。6.根據權利要求1所述的凍土深度傳感器，其特徵在於，所述控制器採用意法半導體公司的 STM32F103。
【文檔編號】G01K13/10GK205691088SQ201620311209
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年4月14日 公開號201620311209.4, CN 201620311209, CN 205691088 U, CN 205691088U, CN-U-205691088, CN201620311209, CN201620311209.4, CN205691088 U, CN205691088U
【發明人】吳永吉, 劉偉
【申請人】哈爾濱今星微電子科技有限公司, 劉偉