CN102620675B - 便携式转角结构激光水土流失监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量土壤侵蚀沟的仪器。目的是提供的仪器应能测量一定范围内坡面或曲面的侵蚀深度，直接测得坡面侵蚀量，并具有检测精度高、检测效率高以及自动化程度高的特点。技术方案是：便携式转角结构激光水土流失监测仪，包括单片机、蓝牙通信器、电池及激光测距仪；其特征在于该测量仪还包括支撑架及测量头；测量头包括支撑外壳、传感器底板及摆动机构；所述支撑外壳包括上下对接且轴线重合的柱状的上外壳和下外壳；下外壳内固定一输出轴竖直往上伸出的水平旋转电机；上外壳内可转动地竖直安装着与前述输出轴插接配合的旋转主轴。

Description

便携式转角结构激光水土流失监测仪

技术领域

本发明涉及一种环境监测仪器，具体是测量土壤侵蚀沟的仪器。

背景技术

坡面是土壤侵蚀区最基本的地貌单元，坡面上的细沟、切沟和冲沟等土壤侵蚀沟，是水蚀区基本的微地貌形态；天然降水形成的坡面径流侵蚀土壤，携带、冲刷土壤颗粒，是水土流失的主要类型。坡面侵蚀沟监测是水土流失微观监测的传统内容，是定量研究坡面水土流失的基础环节。中国专利（zl200910155172.5）提供了一种便携式侵蚀沟测量仪，能够准确、高效地对坡面水土流失的状况进行检测，并显著降低了测量人员的工作强度和工作量，为获取第一手水土保持资料提供了技术支撑。

以上便携式侵蚀沟测量仪的不足是只能用于侵蚀沟断面的测量，即一次只能测量一条线，不能直接测量侵蚀量，需要完成多个断面测量后，换算取得侵蚀数据，测量工作量较大，且换算误差较大。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种改进结构的水土流失监测仪；该仪器应能测量一定范围内坡面或曲面的侵蚀深度，直接测得坡面侵蚀量，并具有检测精度高、检测效率高以及自动化程度高的特点。

本发明提供的技术方案是：便携式转角结构激光水土流失监测仪，包括控制用的单片机、蓝牙通信器、电池以及对坡面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输方式发送给终端设备的激光测距仪；其特征在于该测量仪还包括竖直设置在侵蚀沟地面上的支撑架以及安装在支撑架顶端且支撑着所述激光测距仪的测量头；所述测量头包括带动激光测距仪绕支撑架的竖直轴线转动的支撑外壳、可摆动地水平铰接在支撑外壳上端并用于固定所述激光测距仪的传感器底板以及带动传感器底板摆动以调节激光测距仪的测量俯角的摆动机构；

所述支撑外壳包括上下对接且轴线重合的柱状的上外壳和下外壳；下外壳内固定一输出轴竖直往上伸出的水平旋转电机；上外壳内可转动地竖直安装着与前述输出轴插接配合的旋转主轴。

所述摆动机构包括位于旋转主轴顶端的测头平台上的支架，可转动地定位在支架上的水平轴、与该水平轴固定且连接着传感器底板的旋转拨杆以及驱动该水平轴摆动的角位移电机；该水平轴上还连接角位移编码器。

所述测头平台上固定一包覆着编码器、旋转电机以及旋转拨杆的防尘罩。

所述支撑架包括固定在地面下的固定桩以及可拆卸地固定在固定桩顶端的支撑杆。

所述支撑杆为通过连接螺纹连为一体的至少两个杆件。

所述固定桩的顶端装有用于检测固定桩是否处于竖直位置的水平泡。

本发明的工作原理是：仪器通电后水平旋转电机启动，激光测距仪即被带动绕支撑架的竖直轴线旋转（编码器11将旋转角度信号输送至单片机）同时以一定俯角对坡面进行激光测距，测得的数据通过单片机处理后，由蓝牙通信器发送给终端设备；当激光测距仪绕支撑架的竖直轴线测量旋转一圈后，单片机又根据设定指令控制角位移电机转动，使激光测距仪摆动若干角度（图3中的虚线框5B表示激光测距仪摆动后处于某一角度），然后指令水平旋转电机再次旋转进行又一次的激光测距（此次激光测距扫描的坡面部位与前次激光测距扫描的部位构成两个同心圆）。如此反复循环，直至激光测距仪在设定的俯角范围内对坡面进行全部测量为止。

本发明的有益效果是：由于本发明是对某一面积或区域的曲面进行测量，因而能够直接获得坡面侵蚀量数据，自然检测精度显著提高，实用性更强；并且所有检测程序可预先设定，又能根据指令自动进行检测，所以检测效率更高，还大幅度减轻了测量人员的工作强度。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明中的固定桩的放大结构示意图。

图3是图1中的A部放大结构示意图。

图4是图3中部分机构的结构示意图。

图5是图4的左视方向结构示意图。

图6是图4的俯视方向结构示意图。

图7是单片机的软件主流程框图。

具体实施方式

如图所示，该便携式转角结构激光水土流失监测仪中，包括控制用的单片机、蓝牙通信器、电池（单片机、蓝牙通信器、电池图中均予省略）以及对坡面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输的方式发送给终端设备的激光测距仪5，这些部件和装置均为常规产品，可直接外购获得。

本发明的改进是包括竖直设置在侵蚀沟地面上的支撑架以及安装在支撑架顶端且支撑着所述激光测距仪的测量头；

所述支撑架中，用于固定在地面下的固定桩1为柱形且底部1-1制成利于插入地面的锥形，固定桩的顶端通过螺纹结构可拆卸地连接一支撑杆2（图2中显示固定桩的顶端制有一往上凸出与支撑杆底端的内螺纹相配合的连接头1-1）。为有利于固定桩保持竖直状态，所述固定桩的顶端还装有水平泡1-2，用于检测固定桩是否竖直）。为利于携带，所述支撑杆分为至少两个杆件，杆件之间通过连接螺纹可拆卸地连为一体。

所述测量头中，支撑外壳固定在支撑杆顶端；支撑外壳分为柱状的上外壳12-1和下外壳12-2，上外壳和下外壳上下对接（图中可知是通过连接螺钉对接为一体）且轴线重合。测量头的旋转主轴6通过轴承固定在上外壳里，主轴中间制有利于电机的输出轴10-1插入配合的孔。下外壳里安装有水平旋转电机10和编码器11。当上下外壳连接时，电机主轴插入旋转主轴并锁紧（图3中可见用螺钉6-1锁紧），当水平旋转电机旋转时，旋转主轴即被驱动而旋转。摆动机构中：旋转主轴的顶部的测头平台9上制有一支架8，水平轴8-1可转动地定位在该支架上；与传感器底板7固定连接的旋转拨杆8-3，其一端又固定在水平轴上；一角位移电机16通过电机支架8-5固定，该电机的输出轴与水平轴对准相接并带动水平轴摆动；该水平轴上还连接角位移编码器17；传感器底板上固定着所述激光测距仪5。工作时，角位移电机转动，即可通过水平轴、旋转拨杆以及传感器底板带动激光测距仪摆动，实现测量俯角（激光测距仪的激光射线与垂直于地面的直线所构成的角度）的调整；同时角位移编码器将旋转角度信号送至单片机，单片机利用旋转角度信号控制激光测距仪的测量俯角。

此外，所述旋转主轴顶部的测头平台上还固定着防尘罩15，用于包覆编码器、支架、角位移电机以及旋转拨杆，具有防尘和防撞保护作用。图6中可知:防尘罩的一侧开有与激光测距仪尺寸相适合的活动槽15-1，作用是为激光测距仪的摆动留出余地，避免产生干涉。

便携式转角结构激光水土流失监测仪指标：

·水平旋转360°误差≤±0.25°；

·角度旋转0～45°误差≤±0.5°；

·测距误差≤±1mm；

·整备质量（不包括固定桩）≤15kg;

·支撑杆最长长度（不包括测量头长度）2m；

·使用环境：

环境相对湿度：≤80％；

环境温度：≤50℃。

具体配置选择：

1）、电子、电气结构

根据实际使用情况，水平旋转电机选择使用歩进电机。步进电机具有旋转定位精确的特性，具体电机型号为39BYG，驱动器型号为2HB3525D，驱动器可将步进电机步幅细分到0.225°。角位移旋转电机采用小型减速电机，减速电机具有速度慢，力矩大，锁定力大的特点，适合作为本检测仪器的角位移旋转电机。本角位移旋转电机选择型号为××，控制电机运行和方向采用小型继电器。

2）电子控制

（1）AVR单片机主板选用Arduino Duemilanove328，是一块基与开放原始代码的Simple i/o平台，並且具有使用类似java,C语言的开发环境。使用者可以快速使用Arduino语言与Flash或Processing…等软件，作出互动作品。Arduino可以使用开发完成的电子元件例如Switch或Sensors或其他控制器、ＬＥＤ、步进电机或其他输出裝置。Arduino也可以独立运作成为一个可以跟软件沟通的平台，例如说：flash processing Max/MSP VVVV或其他互动软件…，Arduino开发ＩＤＥ界面基于开放原始码原则，可以进一步开发出使用设备。其技术规格特点如下：

·Digital I/O数字输入/输出端共0～13。

·Analog I/O模拟输入/输出端共0～5。

·支持USB接口协议及供电(不需外接电源)。

·支持ISP下载功能。支持单片机TX/RX端子。

·输入电压：接上USB时无须外部供电或外部7V～12V DC输入。

·输出电压：5V DC输出和3.3V DC输出和外部电源输入。

·采用Atmel Atmega328P-PU单片机。

·Arduino大小尺寸：宽70mm X高54mm。

·开放原始码的电路图设计，程式开发界面免费下载，也可依需求修改。

·Arduino可使用ISP下载线，自我將新的IC程序烧入「bootloader」；

·可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制器；

·可简单地与传感器、各式各样的电子元件连接(如：红外线,超声波,热敏电阻,光敏电阻,伺服电机等)；

·支持多样的互动程式如:Flash,Max/Msp,VVVV,PD,C,Processing等；

·使用低价格的微处理控制器(ATMEGA328P-PU)；

·USB接口供电，不需外接电源，500mA自恢复保险丝避免电脑USB电源过载，另外有提供9VDC输入接口，USB与外接电源自动切换。

（2）蓝牙通信器采用Bluetooh Bee V2蓝牙串口模块。其技术规格特点如下：

·蓝牙芯片：CSR BC417143

·蓝牙协议：Bluetooth Specification v2.0+EDR

·USB协议：USB v1.1/2.0

·工作频率：2.4～2.48GHz unlicensed ISM band

·调制方式：GFSK(Gaussian Frequency Shift Keying)

·发射功率：≤4dBm,Class2

·传输距离：20～30m in free space

·灵敏度：≤-84dBm at0.1%BER

·传输速率：Asynchronous:2.1Mbps(Max)/160kbps；Synchronous:1Mbps/1Mbps

·安全特性：Authentication and encryption

·支持profiles：Bluetooth serial port

·串口设置：1200～1382400/N/8/1

·波特率默认：9600

·配对密码：1234

·输入电压：+3.3DC/50mA

·工作温度：–20℃～+55℃

·模块尺寸：32×24×9mm

（3）激光测距仪采用上海复林LRFS-0200-485。其技术规格特点如下：

·测量范围：0.1-50m，任何自然物体表面（30m，黑色表面），超过100m时，需使用特制反射器；

·测量精度：±1mm(0.1-10m);±2mm(<30m)；±3mm(>30m)；

·分辨率：0.1mm；

·测量速率：I型：典型值5Hz，通常可达10Hz；

II型：50Hz（白色表面）

·激光发散角：0.6mrad；

·工作温度：-10℃-50℃；

·存储温度：-20℃-70℃；

·供电电压：10V-30V直流

·功耗：与工作方式有关，保持状态<0.4W，测量状态<1W

·数据接口：RS232/RS422，波特率2400-38400，格式8n1（固定）

·开关量输出：可编程开关量输出，带负载能力0.5A

·模拟量输出：对测量范围可编程，4-20mA，负载阻抗≤500Ω

·精度：±0.15%，温漂：<50ppm/℃

·触发输入：外部触发，5V脉冲信号，触发相位(上升沿、下降沿)可调

·安全等级：符合DIN EN60825-1标准，激光等级2级

·波长：650nm，红色可见激光

·尺寸：182mm×96×50mm（L×W×H）

·重量：850g

·防护等级：IP65

·测量角度：>=45

（4）编码器采用型号为SXA-8EGO5E2048BM。其技术参数特点如下：

·分辨率：2048（360°）；

·供电电压：DC5V；

·输入轴直径：8mm；

·信号线数：3根；

·防护等级：IP65

·工作温度：-10℃-50℃；

3）单片机主程序

单片机作为整个测量仪的核心，需要进行接收处理水平旋转电机和角位移电机的位移信号，控制各电机运行；控制激光测距仪检测；还要接收通信指令，发送检测数据等。其软件主流程框图见图7。软件可由普通软件人员编写而成。

单片机工作时，首先进入初始化，然后等待接收设置参数和命令。设置参数主要为输入支撑杆的高度，当接收到设置参数时即进行设置；如开机后没有设置参数直接进入命令运行，则设置参数采用前面设置的参数。初次运行时，设置参数为1m。

当有运行命令时，取出设置参数，根据不同支撑杆高度计算不同的圈数，并计算每圈点数。这是由于高度不同时，同样角度的激光测距，地面上被测部位的半径就不同，检测圈数就要变化。同理，每圈的周长在变化，每圈检测点数也要计算变化。

当每点检测后，记录检测数据。再控制电机转到下一点检测，直到每圈每点全部检测完毕，发送数据。然后，等待下一个工作指令。

4）机械结构

（1）固定桩

固定桩主要用于将测量中心地点固定，保障测量的数据重复性。固定桩平时不用时留在地下，上面覆盖加以保护，使用时移开保护层即可使用。

由于固定桩长期永久埋于地下，对固定桩管材料必须具有防锈的能力；固定桩管还需要支撑近15kg重量的测量器具运行，材料要具有一定的长度和直径，并不能太重，造成搬运困难。因此固定桩采用直径89mm、内壁厚5mm、长度为500mm的热镀锌管加工，可基本满足对固定桩材料的要求。

固定桩具有连接支撑杆的连接头，同样需要采用防锈材料加工，选择使用304号不锈钢材料制成。连接头嵌入固定桩管顶端并焊接而成。

为了使固定桩容易埋设，将固定桩管底部削尖，并设计一与连接头螺纹配套的连接帽1-5。埋设时只要将连接头帽旋套在连接头上，锤击帽头即可。

连接帽的另一个功能是在固定桩埋设在地下以后，套上连接帽可以防止杂物、烂泥、细砂等粘住连接头螺丝，造成安装支撑杆困难。

此外，为了使固定桩埋设时，保持与地面垂直，在连接头螺丝内，安装了一个水平泡1-1（用有机玻璃1-3保护），可以目测控制固定桩埋设时尽量与地面垂直。

（2）支撑杆

支撑杆用于将测量头和固定桩连接起来，并保证一定的测量高度。

为防止测量时，测量头由于空气的流动而造成轻微摆动，从而影响测量精度，同时又不能太重。支撑杆推荐选用直径42mm，壁厚3.5mm的304不锈钢管。

考虑到运输方便，推荐将2m长的支撑杆分为3节。1m1节，0.5m2节。为保证两杆连接时的精度，两杆之间采用1.5的细牙螺纹连接，保证连接致密。

Claims (5)

1.便携式转角结构激光水土流失监测仪，包括控制用的单片机、蓝牙通信器、电池以及对坡面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输的方式发送给终端设备的激光测距仪（5）；其特征在于该测量仪还包括竖直设置在侵蚀沟地面上的支撑架以及安装在支撑架顶端且支撑着所述激光测距仪的测量头；所述测量头包括带动激光测距仪绕支撑架的竖直轴线转动的支撑外壳、可摆动地水平铰接在支撑外壳上端并用于固定所述激光测距仪的传感器底板（7）以及带动传感器底板摆动以调节激光测距仪的测量俯角的摆动机构；

所述支撑外壳包括上下对接且轴线重合的柱状的上外壳（12-1）和下外壳（12-2）；下外壳内固定一输出轴（10-1）竖直往上伸出的水平旋转电机(10)；上外壳内可转动地竖直安装着与前述输出轴插接配合的旋转主轴(6)；

所述摆动机构包括位于旋转主轴顶端的测头平台(9)上的支架(8)，可转动地定位在支架上的水平轴(8-1)、与该水平轴固定且连接着传感器底板的旋转拨杆（8-3）以及驱动该水平轴摆动的角位移电机（16）；该水平轴上还连接角位移编码器（17）；

单片机作为整个测量仪的核心，需要进行接收处理水平旋转电机和角位移电机的位移信号，控制各电机运行；控制激光测距仪检测；还要接收通信指令，发送检测数据；同时角位移编码器将旋转角度信号送至单片机，单片机利用旋转角度信号控制激光测距仪的测量俯角。

2.根据权利要求1所述的便携式转角结构激光水土流失监测仪，其特征在于：所述测头平台上固定一包覆着编码器、旋转电机以及旋转拨杆的防尘罩（15）。

3.根据权利要求2所述的便携式转角结构激光水土流失监测仪，其特征在于：所述支撑架包括固定在地面下的固定桩（1）以及可拆卸地固定在固定桩顶端的支撑杆（2）。

4.根据权利要求3所述的便携式转角结构激光水土流失监测仪，其特征在于：所述支撑杆为通过连接螺纹连为一体的至少两个杆件。

5.根据权利要求4所述的便携式转角结构激光水土流失监测仪，其特征在于：所述固定桩的顶端装有用于检测固定桩是否处于竖直位置的水平泡（1-2）。

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