一種自校準超聲測釺裝置及測量方法與流程

2023-05-14 23:12:16

本發明屬於測試技術領域，特別涉及一種自校準超聲測釺裝置及測量方法。

背景技術：

測釺法適用於分散的土狀堆積物形成的穩定坡面土壤流失觀測。該方法具體操作為：向待測坡面有規律的插入若干細釺，常見的測釺布設為3×3的9根測釺方陣，在插釺上標記與土壤表層持平的位置，作為原始高度點，人工定期觀測地表土層降低的厚度，計算土壤蝕侵量等水土流失量相關數據。該方法要求測量人員定期到達現場查看插釺的狀態，人工測量每根插釺的地表降低厚度，這種方法耗時耗力且易破壞坡面穩定性。

若將水土保持專業與測試技術相結合，以超聲測距原理為理論基礎，自動監測地表降低厚度，即可解決此問題。超聲測距原理即利用超聲波在傳播過程中，方向性強，能量消耗緩慢，遇到物體表面會產生反射波的特性，檢測波的發射時刻與反射波到達設備時刻的時間間隔，根據超聲波傳播理論，就可計算出設備與物體表面之間的距離。實際應用中，超聲波聲速在不同環境下有所差別，在保證一定精確度的情況下是不可忽略的。一般的，確定測量時的溫度、溼度、氣壓等環境值，通過數學建模修正可得到準確的超聲波聲速，但在測釺上增加這些環境測量裝置使得測釺過於複雜且增加了裝置成本。為此，研發一種利用測釺法測量水土流失量的自動監測裝置，避免傳統測釺法耗時耗力且易破壞坡面穩定性的弊端，在保證精度的情況下避免對溫度、溼度、氣壓等環境值的測量裝置及其方法，是目前亟待解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種自校準超聲測釺裝置及測量方法，以解決上述現有技術中的問題。

為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案予以實現：

一種自校準超聲測釺裝置，包括測釺杆；測釺杆頂端固定有超聲波收發模塊，測釺杆上還設有與超聲波收發模塊距離固定的標準反射板。

進一步的，超聲波收發模塊包括單片機及超聲波收發專用晶片機、超聲波發射電路、超聲波接收電路和超聲波換能器；單片機及超聲波收發專用晶片機連接超聲波發射電路的輸入端和超聲波接收電路的輸出端，超聲波發射電路的輸出端連接超聲波換能器的控制端，超聲波換能器的輸出端連接超聲波接收電路的輸入端；標準反射板正對超聲波換能器發出超聲波的一側設置。

進一步的，單片機及超聲波收發專用晶片機作為系統的主控晶片，控制超聲波的發射與接收，並在每次超聲波發射或接收時，控制計時作為超聲波的傳播時間；同時，單片機預留rs485接口，用於數據傳輸。

進一步的，超聲波收發專用晶片機的型號為tdc1011。

一種自校準超聲測釺裝置的測量方法，包括以下步驟：測釺杆插入待測坡面，超聲波收發模塊發出超聲波，當超聲波傳播到標準反射板時，超聲波一次返回，超聲波收發模塊接收到一次返回的超聲波；未返回的超聲波傳播到待測坡面二次返回，超聲波收發模塊接收到二次返回的超聲波；通過對兩次傳播的時間，確定二次傳播的距離即測量超聲波收發模塊與坡面的距離。

進一步的，超聲波收發模塊與標準反射板之間的間距為sn；超聲波第一次返回的時間為標準時間tn；超聲波第二次返回的時間為tx，超聲波收發模塊距離坡面的距離為

進一步的，按照設定的時間梯度，重複監測超聲波收發模塊距離坡面的距離，通過兩次測量數據之差計算得該位置水土流失量的厚度信息。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、利用二次反射原理實現測試的自校準，在不用測環境值的情況下，得到精確地超聲波波速，使測釺結構簡單、成本低廉；

2、通過適當提高超聲探頭的激勵頻率至112khz，在確保測量距離在30-70cm的範圍內，提高水土流失量的測量誤差在0.3mm以內，保證測量精度；

3、通過數據傳輸，節省傳統測量的人工成本，避免人工讀數時因踩踏引起破壞坡面穩定性而帶來的監測誤差；

4、採用工業級單片和tdc1011超聲波收發專用晶片機構建超聲發射、接收測距平臺；

5、適當提高超聲探頭的激勵頻率，在保證測量範圍的基礎上提高測量精度；

6、利用兩次反射原理實現聲速監測自動校準；

7、利用rs485接口實現數據自動傳輸。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明實施例的進一步理解，構成本申請的一部分，並不構成對本發明實施例的限定。

圖1為自校準超聲測釺裝置結構圖；

圖2為自校準超聲測釺裝置的測量方法流程圖。

附圖標記：

1、測釺杆；2、超聲波收發模塊；3、標準反射板；4、單片機及tdc1011超聲波收發專用晶片機；5、超聲波發射電路；6、超聲波接收電路；7、超聲波換能器；8、待測坡面；9、超聲波。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合實施案例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明，本發明的示意性實施方式及其說明僅用於解釋本發明，並不作為對本發明的限定。

請參閱圖1所示，本發明一種自校準超聲測釺裝置，包括一根測釺杆1、超聲波收發模塊2和標準反射板3。超聲波收發模塊2與標準反射板3連接於測釺杆1上，超聲波收發模塊2與標準反射板3距離固定。其中，超聲波收發模塊2內設置有單片機及tdc1011超聲波收發專用晶片4、超聲波發射電路5、超聲波接收電路6和超聲波換能器7。單片機及tdc1011超聲波收發專用晶片機4連接超聲波發射電路5的輸入端和超聲波接收電路6的輸出端，超聲波發射電路5的輸出端連接超聲波換能器7的控制端，超聲波換能器7的輸出端連接超聲波接收電路6的輸入端；標準反射板3正對超聲波換能器7發出超聲波的一側設置。

標準反射板3與超聲波收發模塊2組合構建超聲發射、接收測距平臺，實現測試參數自動校準功能，避免測試環境幹擾對超聲波的影響。

當自校準超聲測釺裝置用於水土流失量監測時，先將測釺杆1插入待測坡面8，依據土壤類型與現場環境的不同，確定本裝置插入地面的深度，以保證裝置在監測期間的穩定性。

首先，進行一次測量，單片機及tdc1011超聲波收發專用晶片機4控制發射電路5通過超聲波換能器7發出超聲波9，當超聲波9傳播到標準反射板3，超聲波9一次返回，超聲波換能器7接收到一次返回超聲波9，通過接收電路6傳回給單片機及tdc1011超聲波收發專用晶片機4；

未返回的超聲波9傳播到待測坡面8後二次返回，超聲波換能器7接收到二次返回超聲波9，再通過接收電路6傳回給單片機及tdc1011超聲波收發專用晶片機4。由於標準反射板3與超聲波收發模塊2的距離一定，兩次傳播的超聲波波速相同，則通過對兩次傳播時間的確定，可得到二次傳播的距離即測量超聲波收發模塊2與樣地坡面的距離。

在水土流失量監測工作中，通過確定的時間梯度後再次測量超聲波收發模塊2與樣地坡面的距離。通過rs485通訊將數據傳至上位機，可通過兩次測量數據之差計算得該位置水土流失量的厚度等信息。

本發明利用超聲測距原理監測水土流失量相關數據，再通過rs485通訊實現數據傳輸，系統自動計算得到水土流失量等相關數據。本裝置是將超聲波收發裝置置於測釺的頂部，在釺的中間距離超聲波收發裝置sn距離處放置一塊標準反射板，當超聲波發射裝置發射超聲波時，超聲波傳播到標準反射板第一次返回，測得標準時間tn；未返回的超聲波傳播到測量坡面後二次返回，測得往返時間tx，那麼超聲波收發裝置距離坡面的距離為

這樣實現了測釺法監測水土流失量的自動監測，避免了傳統測釺法耗時耗力且易破壞坡面穩定性的弊端；通過二次反射原理的實現，在保證精度的情況下避免了對溫度、溼度、氣壓等環境值的計算，保證超聲測釺結構簡單，成本低廉。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。