CN105674869B - 一种不同介质厚度的自动测量方法及其测量装置 - Google Patents

一种不同介质厚度的自动测量方法及其测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种不同介质厚度的自动测量方法及其测量装置，其中方法包括：步骤1：启动电容测量装置，电容测量装置顺序采集多个在垂直方向上阵列分布的电容测键的电容值数据，得到多个电容值数据构成的电容值数据集；步骤2：将电容值数据集存入内存，对电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点；步骤3：根据所有拐点对应的电容测键的位置计算得到不同介质的厚度，结束测量。本发明可以长时间的无需人工干预的监测淤泥的厚度、水位的高度。本发明准确性高、实时性强、安放简单、后期维护量小，便于大面积广泛投入，用于监测水库、河道、管道的淤泥厚度、水位高度，以及库容计算和水量计量。

Description

一种不同介质厚度的自动测量方法及其测量装置
技术领域
本发明涉及一种不同介质厚度的自动测量方法及其测量装置。
背景技术
淤泥厚度及水位测量在水库容积测算、水库及河道沉积监测、河道水流量测算、河道清淤、排污管道淤积测量、环境治理等领域都有广泛和迫切需求。目前没有一种方法可以大面积、长时间连续的对淤泥沉积的速度及厚度进行监测。
目前国内外对淤泥的传统的测量方法有以下几种：钻孔取样法，使用钻机单点采集柱状淤泥样品，钻孔取样法人工介入高，效率低，时效性差，同时无法避免对淤泥的扰动；静力触探法，通过单点测定淤泥对测杆的比贯入阻力来测定淤泥厚度，此方法测量误差大且不便操作；放射线测量法，放射线法测量淤泥厚度精度较高，但对测量环境和测试人员存在放射性污染，测量繁琐且风险较高；双频超声波多普勒测量法，利用水和淤泥对不同频率超声波的传导特性，测量水与淤泥的界面及淤泥底层与水的距离，这种方法当底部存在充分沉积排水的固化淤泥是误差较大，且操作麻烦设备复杂。同时，目前在渠道水量计量上，无论采用水位流量关系法还是断面流速法，都无法解决淤泥沉积对水位和断面面积测算带来的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对目前没有一种测量方法能够长期、自动地对淤泥进行监测的不足，如何解决即时、自动、大范围的长期测量淤泥的厚度、监测淤泥的沉积问题。提供一种可以长时间的无需人工干预的监测淤泥的厚度、水位的高度，并分析淤泥的沉积规律、水位的变化情况的不同介质厚度的自动测量方法及其测量装置。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种不同介质厚度的自动测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1：启动电容测量装置，电容测量装置顺序采集多个在垂直方向上阵列分布的电容测键的电容值数据，得到多个电容值数据构成的电容值数据集；
步骤2：将电容值数据集存入内存，对电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点；
步骤3：根据所有拐点对应的电容测键的位置计算得到不同介质的厚度，结束测量。
本发明的有益效果是：本发明可以长时间的无需人工干预的监测淤泥的厚度、水位的高度，在分析淤泥的沉积规律、水位的变化情况，以及测算库容或水流量上有着广泛的应用前景。本发明准确性高、实时性强、安放简单、后期维护量小，便于大面积广泛投入，用于监测水库、河道、管道的淤泥厚度、水位高度，以及库容计算和水量计量；本发明利用不同介质的介电常数不同，在空气中、水中、高含水率淤泥和低含水率淤泥中的介电常数都不同，因此在不同介质测得的电容值数据不同，根据电容值数据突变的位置就可知此处为介质变化的位置，从而分辨水位深度和淤泥厚度，甚至可以测得不同含水率淤泥的厚度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤1之前还包括步骤0：判断距离上一次完成测量的时间是否达到预设周期，如果是，执行步骤1；否则，等待，循环执行步骤0。
采用上述进一步方案的有益效果是，当未达到周期时，系统处于待机状态，节省能源的同时，达到了自动测量的目的。
进一步，所述步骤2中对所有电容值数据利用平面曲线离散点集拐点查找算法查找拐点，得到多个拐点。
采用上述进一步方案的有益效果是，本发明采用的平面曲线离散点集拐点查找算法是现有技术中常用的拐点查找算法，从空气介质到水介质的界面出现第一个拐点，从水介质到淤泥介质的界面出现第二个拐点，如淤泥分为含水率高和含水率低两种，其含水率高淤泥和含水率低淤泥的界面出现第三个拐点，如测量其他介质也是一样的。
进一步，所述步骤1中自开始电容扫描测量时起延时1ms之后进行测量电容测键的电容值数据。
采用上述进一步方案的有益效果是，延时1ms是为了等待电容扫描测量电路稳定，使测量的电容值数据更准确。
进一步，所述3中将各个拐点对应的电容测键的位置乘以电容测键的间距计算得出不同介质的厚度。
采用上述进一步方案的有益效果是，利用介质不同介电常数不同的物理性质进行测量，其中：空气εr为1，水εr为80，高含水率淤泥εr为30-80，低含水率淤泥为εr为5-30。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种不同介质厚度的自动测量装置，包括主控器、供电模块、电容测量装置和多个电容测键；
所述主控器控制供电模块为电容测量装置供电，并启动电容测量装置；
所述电容测量装置用于根据主控器的驱动顺序测量每个电容测键的电容值，得到多个电容值数据构成电容值数据集，并将电容值数据集存入主控器的内存中；
所有所述电容测键在垂直方向上阵列分布；
所述主控器对内存中的电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点，并根据所有拐点对应的电容测键的位置计算得到不同介质的厚度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，还包括电路板，所有所述电容测键均匀阵列在电路板正面，所述电路板反面设置电容测量装置。
进一步，还包括金属外壳和固定钢杆，所述金属外壳和电路板共同构成封闭柱状结构；所述电路板反面与金属外壳共同构成一个封闭腔体；
所述供电模块设置在封闭腔体内；
所述封闭腔体接近顶部的内部设有主控器；所述封闭腔体底部与固定钢杆相连接。
采用上述进一步方案的有益效果是，将电池放在外壳内进行防水保护，增加电池寿命，而固定钢杆将测量装置固定在固定位置，便于测量的进行。
进一步，所述外壳内部填充有海绵体，所述海绵体用于固定供电模块的位置。
进一步，所述外壳内部填充有密封树脂，所述密封树脂用于使外壳内密封。
进一步，所述所有电容测键设置在多个电路板上，两个所述电路板之间通过键容电路扩展连接焊盘连接。
进一步，还包括辅助连接铜柱，所述辅助连接铜柱用于辅助键容电路扩展连接焊盘连接两个所述电路板。
进一步，还包括天线和底座，所述天线用于实现主控器与外部装置的通信；所述底座用于固定固定钢杆。
采用上述进一步方案的有益效果是，通常底座采用混凝土制成，将固定钢杆固定在混凝土底座中，保证了装置的位置稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述的一种不同介质厚度的自动测量方法流程图；
图2为本发明实施例1所述的一种不同介质厚度的自动测量装置结构示意图；
图3为本发明具体示例所述的一种不同介质厚度的自动测量装置结构图；
图4为本发明具体示例所述的一种不同介质厚度的自动测量装置局部正面图；
图5为本发明具体示例所述的一种不同介质厚度的自动测量装置局部反面图；
图6为本发明具体示例中0-249电容测键测得的电容值曲线图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、主控器，2、供电模块，3、电容测量装置，4、电容测键，5、天线，6、密封顶盖，7、海绵体，8、密封树脂，9、金属外壳，10、底座，11、密封底盖，12、容键电路扩展连接焊盘，13、锡焊辅助连接铜柱，14、固定钢杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明实施例1所述的一种不同介质厚度的自动测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1：启动电容测量装置，电容测量装置顺序采集多个在垂直方向上阵列分布的电容测键的电容值数据，得到多个电容值数据构成的电容值数据集；
步骤2：将电容值数据集存入内存，对电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点；
步骤3：根据所有拐点对应的电容测键的位置计算得到不同介质的厚度，结束测量。
本发明实施例2所述的一种不同介质厚度的自动测量方法，在实施例1的基础上，所述步骤1之前还包括步骤0：判断距离上一次完成测量的时间是否达到预设周期，如果是，执行步骤1；否则，等待，循环执行步骤0。
本发明实施例3所述的一种不同介质厚度的自动测量方法，在实施例1或2的基础上，所述步骤2中对所有电容值数据利用平面曲线离散点集拐点查找算法查找拐点，得到多个拐点。
本发明实施例4所述的一种不同介质厚度的自动测量方法，在实施例1-3任一项的基础上，所述步骤1中自开始电容扫描测量时起延时1ms之后进行测量电容测键的电容值数据。
本发明实施例5所述的一种不同介质厚度的自动测量方法，在实施例1-4任一项的基础上，所述3中将各个拐点对应的电容测键的位置乘以电容测键的间距计算得出不同介质的厚度。利用介质不同介电常数不同的物理性质进行测量，其中：空气εr为1，水εr为80，高含水率淤泥εr为30-80，低含水率淤泥为εr为5-30。
如图2所示，本发明实施例1所述的一种不同介质厚度的自动测量装置，包括主控器1、供电模块2、电容测量装置3和多个电容测键4；
所述主控器1控制供电模块2为电容测量装置3供电，并启动电容测量装置3；
所述电容测量装置3用于根据主控器1的驱动顺序测量每个电容测键4的电容值，得到多个电容值数据构成电容值数据集，并将电容值数据集存入主控器1的内存中；
所有所述电容测键4在垂直方向上阵列分布；
所述主控器1对内存中的电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点，并根据所有拐点对应的电容测键4的位置计算得到不同介质的厚度
实施例2所述的测量装置，在实施例1的基础上，还包括电路板，所有所述电容测键均匀阵列在电路板正面，所述电路板反面设置电容测量装置。
实施例3所述的测量装置，在实施例1或2的基础上，还包括金属外壳和固定钢杆14，所述金属外壳和电路板共同构成封闭柱状结构；所述电路板正面朝向封闭结构的外侧；所述供电模块设置在封闭结构内；所述电路板反面与金属外壳共同构成一个封闭腔体；所述供电模块设置在封闭腔体内；所述封闭腔体接近顶部的内部设有主控器1；所述封闭腔体底部与固定钢杆14相连接。
实施例4所述的测量装置，在实施例3的基础上，所述外壳内部填充有海绵体7和密封树脂8，所述海绵体7用于固定供电模块的位置；所述密封树脂8用于使外壳内密封。
实施例5所述的测量装置，在实施例2的基础上，所述所有电容测键4设置在多个电路板上，两个所述电路板之间通过键容电路扩展连接焊盘12连接；还包括辅助连接铜柱13，所述辅助连接铜柱13用于辅助键容电路扩展连接焊盘12连接两个所述电路板。
实施例6所述的测量装置，在实施例1-5任一项的基础上，还包括天线5和底座10，所述天线5用于实现主控器1与外部装置的通信；所述底座10用于固定固定钢杆14。
本发明所述的一种不同介质厚度的自动测量装置在具体示例中应用如下：
采用本发明所述的一种不同介质厚度的自动测量装置测量淤泥的厚度和水位的深度，首先将测量装置插入所需测量位置。
深度方向上离散分布的电容测键，利用空气、水、淤泥的介电常数差异进行电容值测量。
测量装置其主要组成为：多点电容测键电路板、低功耗主控板1(相当于本发明中主控器)、供电电池2(相当于本发明供电模块)。多点电容测键电路板，正面为离散分布的电容测键4，反面为电容测量电路3(相当于本发明的电容测量装置)及可扩展串行通讯总线。
多点电容测键电路板通过串行数据总线和供电电源线与主控板的接口相连。主控板可以利用板上的电源管理电路打开或关闭多点电容测键电路板的电源，并可以通过数据总线采集每个测键电容值。
利用介质不同介电常数不同的物理性质进行测量，其中：空气εr为1，水εr为80，高含水率淤泥εr 30-80，低含水率淤泥为εr5-30。
当采集条件满足时，主控板接通多点电容测键电路板的电源，然后通过数据线在深度方向上，测量每个电容测键的电容值。
利用平面曲线离散点集拐点查找算法，分别查找电容值数据序列的拐点。曲线拐点是由于不同介质的介电常数变化造成的，拐点出现的位置就是介质分层的位置。利用各拐点对应电容测键的位置乘以电容测键的间距计算出淤泥厚度和水位深度。
以上具体示例所述的自动测量装置，构成一种多点电容测键及多点电导测点式淤泥、水位测量仪，其结构，如图4所示：传输天线5固定在密封顶盖6上；密封顶盖6、充填密封树脂8对金属外壳9的内腔进行密封，里面安装主控板2和电池3，海绵体7对电池挠性支撑；电容测量PCB组3被PCB表层密封树脂10、矩形孔密封底盖11和金属外壳9的PCB槽密封，PCB组的上端通过导线与主控板5连接；固定钢杆14浇注在混凝土底座10中并埋在河床或渠底内，固定钢杆穿过矩形孔密封底盖11，顶到充填密封树脂8的下侧，通过固定钢杆14完成对测量仪的固定。
如图4、5所述：电容测量PCB组3正面离散分布着多个电容测键4，反面分布着电容测键的测量电路，电容测量电路由两根电源线和两根数据线完成上下级的级联，级联通过4个PCB扩展连接焊盘12和4个锡焊辅助连接铜柱13采用锡焊方式完成多个PCB的电气和结构连接。
其具体使用方法，包括以下步骤：
主处理器固定周期唤醒一次比对系统预设周期是否达到，未到达周期系统继续睡眠等待，已到达系统唤醒进入下一流程。
打开电容扫描测量电路电源。
延时1ms等待电路稳定。
驱动电容扫描测量电路顺序测量每个电容测键的电容值，并将数据序列存入系统内存。如图6所示，为本发明具体示例中0-249电容测键测得的电容值曲线图，其中单位为pF。
关闭电容扫描测量电路电源。
利用平面曲线离散点集拐点查找算法，对所有电容值数据利用平面曲线离散点集拐点查找算法查找拐点，查找电容值数据序列的2个拐点，
将各个拐点对应的电容测键的位置乘以电容测键的间距计算得出不同介质的厚度，得到对应的淤泥深度值、水位深度值存入内存。
启动选定传输电路电源，将数据发送至上一级接收端。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种不同介质厚度的自动测量装置，其特征在于，包括主控器、供电模块、电容测量装置、多个电容测键、电路板、金属外壳和固定钢杆；
所述主控器控制供电模块为电容测量装置供电，并启动电容测量装置；
所述电容测量装置用于根据主控器的驱动顺序测量每个电容测键的电容值，得到多个电容值数据构成电容值数据集，并将电容值数据集存入主控器的内存中；
所有所述电容测键在垂直方向上阵列分布；
所述主控器对内存中的电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点，并根据所有拐点对应的电容测键的位置计算得到不同介质的厚度；
所有所述电容测键均匀阵列在电路板正面，所述电路板反面设置电容测量装置；
所述金属外壳和电路板共同构成封闭柱状结构；所述电路板反面与金属外壳共同构成一个封闭腔体；所述供电模块设置在封闭腔体内；所述封闭腔体接近顶部的内部设有主控器；所述封闭腔体底部与固定钢杆相连接；所述固定钢杆用于固定自动测量装置的位置；
所有所述电容测键设置在多个电路板上，两个所述电路板之间通过键容电路扩展连接焊盘连接；还包括辅助连接铜柱，所述辅助连接铜柱用于辅助键容电路扩展连接焊盘连接两个所述电路板；
所述外壳内部填充有海绵体和密封树脂，所述海绵体用于固定供电模块的位置；所述密封树脂用于使外壳内密封。
2.一种应用于权利要求1的自动测量装置的不同介质厚度的自动测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：启动电容测量装置，电容测量装置顺序采集多个在垂直方向上阵列分布的电容测键的电容值数据，得到多个电容值数据构成的电容值数据集；
步骤2：将电容值数据集存入内存，对电容值数据集进行拐点查找处理，得到至少一个拐点；
步骤3：根据所有拐点对应的电容测键的位置计算得到不同介质的厚度，结束测量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1之前还包括步骤0：判断距离上一次完成测量的时间是否达到预设周期，如果是，执行步骤1；否则，等待，循环执行步骤0。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2中对所有电容值数据利用平面曲线离散点集拐点查找算法查找拐点，得到两个或三个拐点。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤1中自开始电容扫描测量时起延时1ms之后进行测量电容测键的电容值数据。
6.根据权利要求2-5任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤3中将各个拐点对应的电容测键的位置乘以电容测键的间距计算得出淤泥厚度和水位深度。
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基于CAV444的矿用阵列式电容传感器;徐乐年等;《煤矿安全》;20121031;第43卷(第10期);第101-104页：参见摘要、第2-4节以及图2-3 *
徐乐年等.基于CAV444的矿用阵列式电容传感器.《煤矿安全》.2012,第43卷(第10期),第101-104页：参见摘要、第2-4节以及图2-3. *

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