CN103512484B - 钻式冰层厚度自动测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻式冰层厚度自动测量仪，包括电钻或破冰机，在所述电钻或破冰机上设置一后端处理单元，所述后端处理单元包括压力传感器、旋转编码器、单片机、A/D转换模块、无线通讯模块、显示模块和电源模块；所述的压力传感器设在电钻或破冰机的钻头上，压力传感器经A/D转换模块与单片机连接，旋转编码器与电钻或破冰机通过连线相接，旋转编码器、无线通讯模块和显示模块分别连接单片机。本发明在传统电钻或破冰机的基础上加以改进，只在传统电钻上加一后端测量单元，就能在钻透冰的那一刻便可自动计算冰的厚度值，不仅克服了黄河水中杂质多、含沙量大等因素给测量带来的影响，而且免去了人工记录的麻烦。

Description

钻式冰层厚度自动测量仪及其测量方法

技术领域

本发明属于冰层厚度测量领域，具体涉及一种钻式冰层厚度自动测量仪及其测量方法。

背景技术

在我国北方，由于冬季比较寒冷，封冻期长。冰层达到一定的厚度时，车辆和人员可以直接从冰上通过。这对交通运输带来极大方便。但是从返回的信息可以看出，由于水文、地理条件的复杂性，往往存在某些局部冰层变薄的区域(俗称清沟)。黄河地处北方地区，由于纬度跨度较大，冰凌危害时常发生，给沿岸人民的生命和财产安全带来了极大的威胁。 解决冰凌问题,，首先要认识冰的基本条件，而在受气象和水文条件控制的冰条件中，最直观且重要的指标之一是冰的厚度及其变化过程，它是监测冰川变化、河道冰塞形成、凌汛发生和冰对结构物作用力的基础。如果事先不了解冰厚的分布情况，冰薄的地方将会出现压塌，造成车辆和人员落入水中的事故。东北地区几乎每年冬天都有这类事件发生。并且为了保证冰上交通和涉冰作业的安全，需要测定有关水域冰层厚度及其分布情况。基于这种情况需要设计一个可以安全稳定，测量技术精确的仪器来完成这个任务。

近年来，科技工作者在厚度测量方面做了大量的工作，探讨了多种非接触式测量方法，诸如超声波法、激光法、射线法等，这些测量方法虽然快捷方便，但易受被测物体的材质、温度、色泽等因素的影响，因此测量对象参数一般相对固定，如纸张、镀层、金属等，有的文献中也提到了几种混凝土厚度测量方法，但冰的性质比较特殊，其物理参数随外界温度变化较大，又加上黄河水中杂质多、含沙量大, 这些无疑都加大了测量的难度，是电磁波等类别的测量方法的精确度大大下降，再者冰与水之间交接面比较特殊，使得上述的厚度测量方法都难以满足测量要求。当前，黄河上的冰层厚度测量，仍停留在近乎原始的状态：先用冰凿将冰层凿透，然后用尺子直接测量。利用水的导电特性对冰层厚度的方法由于其前提是水与冰所具有的导电特性，而这一特性要受到水的纯度、冰层的温度等因素的影响，特别是冰层底部与水交界面电导率变化特性比较复杂，导电与绝缘无严格的分界点，给检测带来了困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻式冰层厚度自动测量仪及其测量方法，克服了现有技术的不足之处，稳定性好，设备简单、便携、经济实用。

本发明采用以下技术方案：

一种钻式冰层厚度自动测量仪，包括电钻或破冰机，其中，在所述电钻或破冰机上设置一后端处理单元，所述后端处理单元包括压力传感器、旋转编码器、单片机、A/D转换模块、无线通讯模块、显示模块和电源模块；所述的压力传感器设在电钻或破冰机的钻头上，压力传感器经A/D转换模块与单片机连接，旋转编码器与电钻或破冰机通过连线相接，旋转编码器、无线通讯模块和显示模块分别连接单片机。

作为优选，所述单片机采用AT89S52芯片。

一种钻式冰层厚度自动测量方法，包括如下步骤：

第一步，压力传感器测量；

第二步，旋转编码器测量；

第三步，数据融合，将第一步和第二步得到的冰层厚度值使用数据融合的方法得到最终的冰层厚度值。

作为优选，所述压力传感器测量过程如下：

当压力传感器被按下时，单片机将检测到A/D转换模块输入的低电平信号，从而触发内部定时器，开始计时；单片机循环监测A/D转换模块的转换结果，当收到高电平信号时，关闭定时器，然后用程序预设速度值乘以定时器时间即可得到冰层厚度值；计算公式如下所示：

其中T₀为定时器0的计时结果；v为预设电钻下移速度值，一般为经验值，也可依据特定的测量人员实际设置。

作为优选，所述旋转编码器测量过程如下：

旋转编码器与电钻通过连线相接，当电钻向下移动时将拉动旋转编码器中轴进行旋转，从而发出矩形脉冲；当检测到压力传感器被按下时，外部中断端口开始采集与之相接的旋转编码器的脉冲，根据编码器转一圈发出的总脉冲数和转轮的周长即可计算出冰层厚度值；计算公式如下所示：

C、C₀分别为测量过程中采集到的脉冲数和旋转编码器旋转一周所发出的脉冲数；L₀为缠绕线圈的转轮的周长。

作为优选，经以上两种方法分别得到冰层厚度值后，使用数据融合的方法对数据进行简单处理，计算公式如下：

a₀,a₁,a₂分别为两种结果对应的权值，a₀表示截距，可消除测量的误差，a₁,a₂分别为压力传感器测量值和旋转编码器脉冲值偏斜率系数，a₀,a₁,a₂可通过试验标定而得到。

本发明的有益效果为：

本发明在传统电钻或破冰机的基础上加以改进，只在传统电钻上加一后端测量单元，就能在钻透冰的那一刻便可自动计算冰的厚度值，不仅克服了黄河水中杂质多、含沙量大等因素给测量带来的影响，而且免去了人工记录的麻烦。只要电钻钻通冰层，就可以在显示器上动态的显示冰层厚度，以及周围的温度。本发明便于技术升级和维护；可以在显示器上以动态图像的方式显示水和冰的不同状态；以及电钻从开始钻冰到结束的动态显示。本发明不仅考虑了在严寒恶劣天气和自然环境下能正常使用，同时该冰厚测试仪精度高，稳定性好，而且设备简单、经济实用。

本发明尤其适合测量中型冰厚（比如黄河流域冬天的冰厚），产品便于维护及技术升级，而不用对硬件及软件做出太大的修改，降低了维护升级的成本。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明电源模块的原理图；

图4为本发明使用时的示意图；

图4中，各个部分为：1.电钻、2.压力传感器、3.转轮、4.旋转编码器、5.支架、6.单片机电路板和7.GPRS模块。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的自动含量仪包括电钻或破冰机上和后端处理单元，后端处理单元设置在电钻或破冰机钻头上，后端处理单元包括压力传感器、旋转编码器、单片机、A/D转换模块、无线通讯模块、显示模块和电源模块；所述的压力传感器设在电钻或破冰机的钻头上，压力传感器经A/D转换模块与单片机连接，旋转编码器与电钻或破冰机通过连线相接，旋转编码器、无线通讯模块和显示模块分别连接单片机。

如图2所示，实施例中，单片机采用AT89S52芯片，显示模块采用LCD1602 ，A/D转换模块采用A/D0832。压力传感器采用FS20压力传感器，它是一种高性价比的微力传感器，采用MICROFUSE技术，长期稳定性好，超高分辨率，过量程保护，并且带有温度补偿，这个压力传感器的量程范围是500g-2kg。压力传感器能够自动检测出按压的压力大小，传送给A/D转换模块，再传送给单片机然后让单片机开始计时，同时获取旋转编码器计数脉冲，最后通过显示屏显示出准确的位移值和计时时间，达到对厚度的精确测量。

单片机P0口通过添加上拉电阻直接驱动LCD1602，LCD1602的使能端RS、WR、E分别使用AT89S52的P2.0、P2.1、P2.2进行控制。ADC0832的CLK、CS、和DIO(DI、DO合并)分别接在单片机AT89S52的P2.4、P2.3和P2.5上。程序中设定采集通道0的模拟信号，所以压力传感器接于ADC0832的CH0端口。旋转编码器旋转时发出矩形波脉冲，所以可以使用单片机外部中断采集每个脉冲的下降沿，从而达到采集脉冲数的目的。编码器A相输出信号接在AT89S52的P3.2(外部中断0)上。AT89S52的P1.0外接一个按键开关，开机时按下该键之后才能开始测试。

本发明利用单片机实现计时功能，通过压力传感器感受到外部按压的变化传送信号给A/D转换模块，通过A/D转移模块直接输送给单片机，控制单片机开始计时或者停止，脉冲编码器计数，然后计算出厚度，并通过LCD1602显示出来，测量结束。

如图3所示，电源模块主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，用变压器把220V/50HZ的市网交流电压降压，得到直流电压，因为还有交流成分存在，在经过整流使它变为单相直流电压，在经过滤波电路滤掉交流成分，由于出来的电压不稳定，还要再加一个稳压电路，最后输出所需的电压值。

根据桥式整流电路和电容滤波电路的输出与输入电压的比例关系，从输出电压的最大值15V倒推，可以算出所使用的降压变压器的副边电压有效值应为18V左右，故选取220V/18V变压器。

整流采用常用的二极管桥式整流电路，选择整流二极管，流过二极管的电流 ID=，反向峰值电压UDRM= ，因此可以选用二极管1N4004。

一般滤波电路常用的滤波电容有2200μF和1100μF两种，但要注意它的耐压值要大于电路中所承受的电压，并注意电压的极性的接法是上正下负。本发明选用2200μF，耐压为50V的极性电容器。

如图4所示为本发明使用时的示意图，包含电钻1、压力传感器2、转轮3、旋转编码器4、支架5、单片机电路板6和GPRS模块7。本发明的测量仪器在使用时，将压力传感器2安装在电钻1的上部，电钻与旋转编码器4的转轮3通过电线连接，旋转编码器4可固定在支架5上。当电钻1向下移动时拉动旋转编码器4中轴进行旋转，从而发出矩形脉冲。当检测到压力传感器2被按下时，单片机开始采集与之相接的旋转编码器4的脉冲，同时单片机开始计时，当穿透冰层时，手握压力传感器的压力会突然释放，压力传感器获取的压力小于阈值时，计时结束，旋转编码器4的脉冲计数也结束，得到计时时间为T₀，设置一经验速度V，从而计算T₀和速度V的乘积就得到冰层厚度的另一个值L₁。同时，得到T₀时间内的脉冲计数C，在根据旋转编码器4转一圈发出的总脉冲数C₀和转轮3的周长即可计算出冰层厚度值L₂。最后采用数据融合的方法将L₁和L₂进行融合，在单片机电路板6进行处理。得到最后的冰层厚度值能现场在单片机电路板6上显示，调试通过GPRS模块7将数据无线发送给上位机。本发明在使用时应该保证电钻1垂直钻冰，保持匀速下行，同时也要防止仪器潮湿或者渗水，避免对仪器的损害，以达到更好的使用效果。

本发明的测量方法如下：

整个计算过程分三部分：压力传感器测量，旋转编码器测量，数据融合。

第一步，压力开关经通道零接入ADC0832。当压力传感器被按下时，单片机将检测到ADC0832输入的低电平信号，从而触发内部定时器0，开始计时。单片机循环监测ADC0832的转换结果，当收到高电平信号时，关闭AT89S52的内部中断定时器0。然后用程序预设速度值乘以定时器时间即可得到冰层厚度值。计算公式如下所示：

其中T₀为定时器0的计时结果；v为预设电钻下移速度值，一般为经验值，也可依据特定的测量人员实际设置。

第二步，旋转编码器与电钻通过连线相接，当电钻向下移动时将拉动旋转编码器中轴进行旋转，从而发出矩形脉冲。当检测到压力开关被按下时，外部中断0端口（AT89S52的P3.2端口）开始采集与之相接的旋转编码器的脉冲。根据编码器转一圈发出的总脉冲数和转轮的周长即可计算出冰层厚度值。计算公式如下所示：

C、C₀分别为测量过程中采集到的脉冲数和编码器旋转一周所发出的脉冲数；L₀为缠绕线圈的转轮的周长。

第三步，经以上两种方法分别得到冰层厚度值后，使用数据融合的方法对数据进行简单处理，以求达到减小误差的目的。计算公式如下：

a₀,a₁,a₂分别为两种结果对应的权值，a₀表示截距，可消除测量的误差，a₁,a₂分别为压力传感器测量值和旋转编码器脉冲值偏斜率系数，a₀,a₁,a₂可通过试验标定而得到。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种钻式冰层厚度自动测量方法，包括电钻或破冰机，其特征在于：在电钻或破冰机上设置一后端处理单元，后端处理单元包括压力传感器、旋转编码器、单片机、A/D转换模块、无线通讯模块、显示模块和电源模块；所述的压力传感器设在电钻或破冰机的钻头上，压力传感器经A/D转换模块与单片机连接，旋转编码器与电钻或破冰机通过连线相接，旋转编码器、无线通讯模块和显示模块分别连接单片机；所述的测量方法包括如下步骤：

第一步，压力传感器的测量过程是当压力传感器被按下时，单片机将检测到A/D转换模块输入的低电平信号，从而触发内部定时器，开始计时；单片机循环监测A/D转换模块的转换结果，当收到高电平信号时，关闭定时器，然后用程序预设速度值乘以定时器时间即可得到冰层厚度值；计算公式如下所示：

其中T₀为定时器的计时结果；v为预设电钻下移速度值；

第二步，旋转编码器测量的测量过程是旋转编码器与电钻通过连线相接，当电钻向下移动时将拉动旋转编码器中轴进行旋转，从而发出矩形脉冲；当检测到压力传感器被按下时，外部中断端口开始采集与之相接的旋转编码器的脉冲，根据编码器转一圈发出的总脉冲数和转轮的周长即可计算出冰层厚度值；计算公式如下所示：

C、C₀分别为测量过程中采集到的脉冲数和旋转编码器旋转一周所发出的脉冲数；L₀为缠绕线圈的转轮的周长；

第三步，数据融合，将第一步和第二步得到的冰层厚度值使用数据融合的方法得到最终的冰层厚度值；经以上两种方法分别得到冰层厚度值后，使用数据融合的方法对数据进行简单处理，计算公式如下：

a₀,a₁,a₂分别为两种结果对应的权值，a₀表示截距，可消除测量的误差，a₁,a₂分别为压力传感器测量值和旋转编码器脉冲值偏斜率系数，a₀,a₁,a₂可通过试验标定而得到。

2.根据权利要求1所述的一种钻式冰层厚度自动测量方法，其特征在于：所述单片机采用AT89S52芯片。