一種測量土樣的滲透液位的光控裝置的製作方法
2023-10-09 14:15:39 3
專利名稱：一種測量土樣的滲透液位的光控裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及光控裝置，尤其涉及一種測量土樣的滲透液位的光控裝置。
背景技術：
在工程建設過程中，為提供分析地基固結沉降的時間因素，估計天然地基、土壩、 高填土的滲流量和滲流穩定性，以及給排水設計，施工選料，人工降低水位與地基加固設計等，土樣的滲透性測量數據一直是比較重要的基本參數。土樣的滲透性的測量一般是通過測量插入土樣中的透明玻璃管內透明液體液面的高度來完成，目前，大部分場合都是通過人肉眼觀察透明玻璃管內液位高度，利用人工來讀取透明玻璃管上的參考刻度。這種測量方式所不可避免的存在視覺的誤差，測量結果會因人而異；也無法準確的完成動態適時的測量；遇到耗時的任務測量人員根本不可能時時刻刻蹲守。
因此，本領域的技術人員致力於開發一種全自動化的測量土樣的滲透液位的光控直ο
實用新型內容有鑑於現有技術的上述缺陷，本實用新型的目的是提供一種全自動化的測量土樣的滲透液位的光控裝置。
為實現上述目的，本實用新型提供了一種測量土樣的滲透液位的光控裝置，包括開口容器、透明玻璃管、T型導管、光源組件、傳感器模塊、信號處理機和計算機； 所述透明玻璃管兩端開口 ；所述T型導管具有第一端、第二端和第三端，所述第一端開口並與透明玻璃管連接，所述第二端開口並垂直插入所述開口容器中盛放的被測土樣中，所述第三端上設有一個閥門；所述透明玻璃管和T型導管中盛有透明液體； 所述光源組件包括調製信號發生器和線型光源，所述調製信號發生器與線型光源相連； 所述傳感器模塊包括光探測器、前置放大器、檢波器和數位訊號處理器，所述光探測器通過前置放大器與檢波器相連，所述檢波器和數位訊號處理器相連； 所述線型光源與所述光探測器配合，相互面對的置於所述透明玻璃管的橫向兩側，用於測量所述透明液體的液位； 所述信號處理機包括數據輸入端和數據輸出端，所述數據輸入端與所述數位訊號處理器相連，所述數據輸出端與所述計算機相連。
在本實用新型的較佳實施方式中，其中所述透明液體為水。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述調製信號發生器包括高速混合信號處理器、正弦波發生電路和相位協調部件；所述高速混合信號處理器通過正弦波發生電路與相位協調部件相連，所述相位協調部件與所述線型光源相連。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述線型光源為冷陰極螢光燈管，所述調製信號發生器還包括高壓激發電路，所述高速混合信號處理器通過高壓激發電路與冷陰極螢光燈管相連。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述光源組件還包括自動功率控制電路，所述自動功率控制電路包括平均光電流測量電路，所述自動功率控制電路與所述調製信號發生器相連。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述光源組件還包括單色環和狹縫光欄。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述光探測器為半導體光電陣列，所述半導體光電陣列的像元採用矽光探測器，所述傳感器模塊還包括偏壓器，傳感器模塊電源輸入端通過偏壓器與半導體光電陣列相連。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述檢波器為相敏檢波器，所述相敏檢波器置於複雜可編程邏輯控制器中。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述光探測器還包括帶通濾光片，所述帶通濾光片與所述狹縫光欄配合，相互面對的置於所述透明玻璃管的橫向兩側。
在本實用新型的另一較佳實施方式中，其中所述計算機包括通訊模塊、主控模塊、 存儲模塊、交互模塊和外部設備，所述通訊模塊通過主控模塊與存儲模塊和交互模塊相連， 所述交互模塊與外部設備相連。
本實用新型的測量土樣的滲透液位的光控裝置採用光電非接觸式測量，以無損的方式完成準確高效的測量；克服了人肉眼觀測液位讀數的不精確性和無法實時測量的缺陷，是一種全自動化的測量土樣的滲透液位的電子測量裝置，能夠完成全自動化高效率的測量任務。
以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特徵和效果。
圖1是本實用新型的一個較佳實施例的系統結構示意圖； 圖2是本實用新型的一個較佳實施例的光源組件的結構示意圖； 圖3是本實用新型的一個較佳實施例的傳感器模塊的結構示意圖； 圖4是本實用新型的一個較佳實施例的計算機的結構示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，在本實用新型的較佳實施例中，一種測量土樣的滲透液位的光控裝置包括T型導管7、透明玻璃管1、開口容器2、光源組件3、傳感器模塊4、信號處理機5和計算機6。光源組件3包括調製信號發生器31和線型光源32，調製信號發生器31和線型光源32相連。傳感器模塊4包括光探測器41、前置放大器42、檢波器43和數位訊號處理器 44，光探測器41通過前置放大器42與檢波器43相連，檢波器43和數位訊號處理器44相連。
另如圖1中所示，透明玻璃管1兩端開口。T型導管7具有第一端71、第二端72 和第三端73 ；第一端71開口並與透明玻璃管1連接，第二端72開口並垂直插入開口容器2 中盛放的被測土樣中，第三端73上設有一個閥門8。透明玻璃管1和T型導管7中盛有透明液體。線型光源32與光探測器41配合，相互面對的置於透明玻璃管1的橫向兩側，用於測量透明液體的液位；數位訊號處理器44與信號處理機5的數據輸入端相連；信號處理機 5的數據輸出端與計算機6相連。
本實用新型的測量土樣的滲透液位的光控裝置通過測量與插入到開口容器中的被測土樣中的T型導管相連的透明玻璃管上的透明液體的滲透液位來計算出被測土樣的滲透性。如圖1中箭頭所示，當需將液體注入到透明玻璃管中時，閥門8打開，液體經T型導管7的第三端73進入T型導管7和透明玻璃管1中。當透明液體到達所需的液位刻度時，關閉閥門8，此時，由於T型導管7和透明玻璃管1相連的整體的兩端開口，並垂直插入到被測土樣中，在大氣壓力和自身重力的影響下，T型導管和透明玻璃管中的透明液體會向下移動；因此會導致開口容器中的被測土樣對透明液體產生一個向上的阻力，影響透明液體向下移動，並會在透明玻璃管上產生一個逐漸下降的液位。該液位會隨著時間和不同土樣的滲透性而產生不同幅度的下降。本實用新型因而可以通過讀取該液位的下降幅度的測量數據並進而計算出土樣的滲透性。
本實用新型應用置於透明玻璃管橫向兩側的光源組件等光控裝置的部件完成全自動的測量數據的讀取。如圖1中所示，當本實施例中的光源組件3接通供給電源後會啟動內部的調製信號發生器31和線型光源32，產生所需的線型光；被測的透明玻璃管被線型光照亮後，有液體的區域和沒液體的區域的交界處會出現能量的分界線，這個分界線的信號傳到傳感器模塊4的光探測器41，並經傳感器模塊4的前置放大器42、檢波器43和數位訊號處理器44的調理和解調後得到有用的液位數據信號。這些液位數據信號經信號處理機5排序和中繼後傳輸到計算機6，並最終由計算機6顯示、保存和列印出測量數據。本實用新型利用光控技術讀取透明玻璃管上的液體液位，提高了讀數精確性，並且能夠動態實時的測量，從而能夠完成全自動化高效率的測量任務。
如圖1中所示，本實用新型採用了 T型導管7與透明玻璃管1連接的形式，並採用如圖1中箭頭所示的方向將透明液體注入到透明玻璃管1中。本實施例中閥門8用於控制 T型導管7的第三端73的開合，便於將透明液體注入到透明玻璃管和T型導管中，在其他實施例中，也可省略T型導管7和閥門8，直接採用T型的透明玻璃管。並如上所述，在本實用新型中，透明玻璃管的作用是盛放液體並提供逐漸滲透到土樣中的透明液體的液位刻度，因此在其他實施例中，也可不是T型，比如，而是製成直接盛放液體的直線型，只要能盛放透明液體並具有刻度可以讀取即可；此外，為了能準確和方便的測量，本實施例中透明玻璃管的外徑為8毫米，在其他實施例中亦可採用其他形狀和外徑的透明玻璃管，本實施例對此不作限制。
此外，本較佳實施例中的透明液體為水，在其他實施例中，透明液體也可為其他液體，比如加了顏色的水等，只要其能滲透到土樣中並可允許光線透過即可，本實施例對此不作限制。
本實用新型的光源組件3中包括調製信號發生器31和線型光源32。調製信號發生器31用於產生線型光源32發出線型光所需的調製信號。如圖2所示，調製信號發生器 31中包括高速混合信號處理器33、正弦波發生電路34和相位協調部件35 ；高速混合信號處理器31通過正弦波發生電路34與相位協調部件35相連，相位協調部件35與線型光源 32相連。
本實施例中高速混合信號處理器33選用新一代8051核的高速混合信號處理器， 如圖2中所示，該處理器產生的調製脈衝激發外部的正弦波發生電路34，產生的正弦波信號經過相位協調部件35後，產生頻率和相位都非常純淨的調製信號。當然在其他實施例中，也可以採取其他方法、其他處理器和電路等，只要能產生線型光源32發出線型光所需的調製信號即可，本實施例對此不作限制。
本較佳實施例中的線型光源32選用在高壓條件下工作的冷陰極螢光燈管(CCFL 線型燈)，因此需要一個接近500V的高壓驅動。如圖2所示，在本實施例中，為了給CCFL線型燈提供一個高壓，在調製信號處理器33中還包括高壓激發電路36。高速混合信號處理器 33產生的脈衝寬度調製(PWM)信號配同高壓激發電路36產生高壓驅動信號傳遞至CCFL線型燈，驅動CCFL線型燈工作。
在本實施例中，如上所述的調製信號處理器31所產生的調製信號和高壓驅動信號經過合理的配比連接到CCFL線型燈，CCFL線型燈會發出具有調製特徵的光信號。當然在其他實施例中，線型光源也可採用其他的類型光源，並可因此省略高壓激發電路，只要其能接受調製信號發生器31所發出的調製信號發出具有調製特徵的光信號即可，本實施例對此不作限制。
如圖2中所示，在本較佳實施例中，光源組件3中還包括自動功率控制電路(APC 電路)37。自動功率控制電路37中包括平均光電流測量電路(圖中未示出)，平均光電流測量電路在線型光源32發出光信號後，接受線型光源32光信號並反饋給APC電路37 ；APC 電路37動態的轉換平均的光功率，並根據光功率的變化適時的調節光功率，以達到光源恆功率的要求，消除了因光源老化或色溫變化而帶來的測量誤差。當然，在其他實施例中，也可不設APC電路，本實施例對此不作限制。
此外，如圖2中所示，本較佳實施例的光源組件3中還包括單色環38和狹縫光欄 30以用於調理光信號的光譜和傳輸方向。通過加單色環可以得到與光探測器中心波長一致的光譜，添加狹縫光欄可以限制光信號的傳輸路徑，平衡測量光束。當然，在其他實施例中， 也可不設單色環和狹縫光欄，本實施例對此不作限制。
如圖3所示，本實用新型的測量土樣的滲透液位的光控裝置的傳感器模塊4包括光探測器41、前置放大器42、檢波器43和數位訊號處理器44。光探測器41採用半導體 (PIN)光電陣列，PIN光電陣列像元採用高速低噪音的矽光探測器。在本較佳實施例中， lmm*lmm的矽光探測器像元以0. Imm的光刻間隙綁定成一排，以形成本較佳實施例的測量量程。在本較佳實施例中，整個測量量程為^Omm。此外，如圖3中所示，在本實施例中的傳感器模塊4中包括偏壓器45，傳感器模塊電源輸入端通過偏壓器45與PIN光電陣列相連， 偏壓器45用於為PIN光電陣列提供偏置高壓。當攜帶著測量信息的光信號照射到PIN光電陣列上時，每個矽光探測器會因為偏壓器45所提供的偏置高壓，將光能量轉換為電流信號。如圖3中所示，所產生的電流信號傳輸至與光探測器42相連的前置放大器42，經前置放大器42後被轉化為電壓信號。這些摻雜了各種幹擾信息的電壓信號需進一步經調解後才能獲得有用純淨的所需測量信號。
如圖3所示，本較佳實施例中的檢波器43為相敏檢波器。採用相敏檢波器的原因是在本實施例中，光源的調製頻率和相位是已知的。採用相敏檢波器更易於提取測量信息。當然，在其他實施例中，也可採用其他檢波器，本實施例對此不作限制。同時，在本實施例中，相敏檢波器43設置於複雜可編程邏輯控制器(CPLD)46中。CPLD46可用於信號選擇和採集時序，並將取得的時序信號傳送至數位訊號處理器(DSP)44中。當然，在其他實施例中，也可不設置CPLD，本實施例對此不作限制。
如圖3中所示，前置放大器42所產生的摻雜了各種幹擾信息的電壓信號經相敏檢波器43提取後，將得到的有用的測量信息傳送到數位訊號處理器(DSP)44中進行模擬到數字的轉換，並完成線性的標定及線性擬合，從而得到實際的液位值。
另如圖3中所示，數位訊號處理器(DSP)44所得出的實際的液位值通過數字通訊的方式跟信號處理機5實現數據傳輸。
此外，如在圖3中所示，傳感器模塊4中包括帶通濾光片40，帶通濾光片用於衰減可見光的各種成分。在本較佳實施例中的帶通濾光片選用下限600mm，上限660mm的紅光波段的帶通濾光片，可從光學的角度濾除其他非測量強光源對測量的影響，為提高信噪比和動態範圍提供前提條件。當然，在其他實施例中，也可省略或選用其他類型的濾光片，本實施例對此不作限制。
如圖1至圖3中所示，本較佳實施例光源組件的狹縫光欄30與傳感器模塊的帶通濾光片40配合，相互面對的置於T型玻璃管1的橫向兩側。如此，從狹縫光欄30中發出的光源在穿過透明玻璃管1後可順利的穿過帶通濾光片40，照射在光探測器41上。
在本較佳實施例中，採用了多個透明玻璃管來測量土樣的滲透性，每個透明玻璃管配套一個光源組件和一個傳感器模塊，多個傳感器模塊通過MODBUS通訊協議實現與信號處理機5的連接，以保證多通道和傳輸可靠性的要求。本實用新型的信號處理機5的重要工作包括完成信號中繼及通訊埠的分配和控制。如圖3中所示，在本較佳實施例中，傳感器模塊4與信號處理機5之間採用一主機多從機模式的MODBUS協議，信號處理機5在採集到數據後進行信息格式的標準化，最後通過標準的RS232協議實現與計算機6之間的數據傳輸。
在本較佳實施例中，光源組件和傳感器模塊的電源均由信號處理機5提供。如圖 3中所示，為了避免同一市電網絡上存在大電流負載或強幹擾源的可能，信號處理機5中設置了電源處理電路51，對電源做前期的處理。這些處理主要包括電源的隔離和LC濾波，從而得到放心安全的交流電源。如圖3中所示，交流電源經信號處理機5中的電源處理電路 51進行整流濾波等電源處理後，轉換為相應幅度的光源組件和傳感器模塊所需的電壓信號，如12V的接口電壓、+5V的通訊電壓及+3. 3V、+1. 8V的內核電壓等等。當然在其他的實施例中，也可以省略掉電源處理電路，本實施例對此不作限制。
如圖4中所示，本較佳實施例中的計算機6包括通訊模塊61、主控模塊62、存儲模塊63、交互模塊64和外部設備65。
通訊模塊61與信號處理機5相連，通過通訊協議將信號處理機中的測量數據傳輸到通訊模塊中，在本較佳實施例中，通訊協議為RS232，通訊協議在讀到數據的同時完成數字命令字的解碼，將數據信息歸類，以方便主控模塊62的快速高效的讀取。在其他實施例中，亦可採用其他通訊協議，本實施例對此不作限制。
主控模塊62是計算機6的核心，為提高執行效率，減少開發周期，本較佳實施例應用LabView開發軟體作為開發平臺。如圖4中所示，主控模塊62在讀到通訊傳輸來的相應的測量數據後，根據設定的參數和算法對數據進行處理，得到各種格式的測量數據。
如圖4中所示，這些數據一方面會以資料庫的形式存儲於與主控模塊62相連的存儲模塊63中，以備以後調用及分析；另一方面，這些數據通過交互模塊64進行流程控制，完成顯示和列印。
交互模塊64主要工作是顯示和完成人機的信息交流。一方面，如上所述，主控模塊2傳輸至交互模塊64的數據信息會以各種各樣的格式和方式進行顯示，如動靜態圖像顯示、動靜態文字顯示、特定格式圖像文字顯示等；另一方面，鍵盤。滑鼠等外部設備65與交互模塊64相連，通過相應的軟體解讀後控制交互模塊64完成相應的功能。
以上詳細描述了本實用新型的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本實用新型的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本實用新型的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護範圍內。
權利要求1.一種測量土樣的滲透液位的光控裝置，其特徵在於，包括開口容器、透明玻璃管、T 型導管、光源組件、傳感器模塊、信號處理機和計算機；所述透明玻璃管兩端開口 ；所述T型導管具有第一端、第二端和第三端，所述第一端開口並與透明玻璃管連接，所述第二端開口並垂直插入所述開口容器中盛放的被測土樣中， 所述第三端上設有一個閥門；所述透明玻璃管和T型導管中盛有透明液體；所述光源組件包括調製信號發生器和線型光源，所述調製信號發生器與線型光源相連；所述傳感器模塊包括光探測器、前置放大器、檢波器和數位訊號處理器，所述光探測器通過前置放大器與檢波器相連，所述檢波器和數位訊號處理器相連；所述線型光源與所述光探測器配合，相互面對的置於所述透明玻璃管的橫向兩側；所述信號處理機包括數據輸入端和數據輸出端，所述數據輸入端與所述數位訊號處理器相連，所述數據輸出端與所述計算機相連。
2.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述透明液體為水。
3.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述調製信號發生器包括高速混合信號處理器、正弦波發生電路和相位協調部件；所述高速混合信號處理器通過正弦波發生電路與相位協調部件相連，所述相位協調部件與所述線型光源相連。
4.如權利要求3所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述線型光源為冷陰極螢光燈管，所述調製信號發生器還包括高壓激發電路，所述高速混合信號處理器通過高壓激發電路與冷陰極螢光燈管相連。
5.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述光源組件還包括自動功率控制電路，所述自動功率控制電路包括平均光電流測量電路，所述自動功率控制電路與所述調製信號發生器相連。
6.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述光源組件還包括單色環和狹縫光欄。
7.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述光探測器為半導體光電陣列，所述半導體光電陣列的像元採用矽光探測器，所述傳感器模塊還包括偏壓器，傳感器模塊電源輸入端通過偏壓器與半導體光電陣列相連。
8.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述檢波器為相敏檢波器，所述相敏檢波器置於複雜可編程邏輯控制器中。
9.如權利要求1或6所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述光探測器還包括帶通濾光片，所述帶通濾光片與所述狹縫光欄配合，相互面對的置於所述透明玻璃管的橫向兩側。
10.如權利要求1所述的測量土樣的滲透液位的光控裝置，其中所述計算機包括通訊模塊、主控模塊、存儲模塊、交互模塊和外部設備，所述通訊模塊通過主控模塊與存儲模塊和交互模塊相連，所述交互模塊與外部設備相連。
專利摘要本實用新型公開了一種測量土樣的滲透液位的光控裝置，包括透明玻璃管、T型導管、開口容器、光源組件、傳感器模塊、信號處理機和計算機；T型導管垂直插入開口容器中；光源組件包括調製信號發生器和線型光源；傳感器模塊包括光探測器、前置放大器、檢波器和數位訊號處理器；線型光源與光探測器配合，相互面對的置於透明玻璃管的橫向兩側；信號處理機包括數據輸入端和數據輸出端，數據輸入端與數位訊號處理器相連，數據輸出端與計算機相連。本實用新型克服了人肉眼觀測液位讀數的不精確性和無法實時測量的缺陷，是一種全自動化的測量土樣的滲透液位的電子測量裝置。
文檔編號G01N15/08GK202002869SQ201120079748
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月23日 優先權日2011年3月23日
發明者劉銀寶, 郎權德 申請人:上海市城市建設設計研究院