CN110057282B - 一种河湖冰凌的自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河湖冰凌的自动测量装置及方法，装置包括：钻冰装置，用于将河湖冰层凿透；控制装置，控制钻冰装置工作；测量装置，用于测量河湖冰层的厚度。该装置可以自动测量冰的厚度或获取冰芯以便分析冰质，还可以结合上位机APP程序使用安装到无人驾驶的探测车上，通过控制探测车来实现江湖冰的特性分析。该装置具有独立的控制模块，通过传感器参数检测、电机控制等实现自动化获取冰层厚度。该设备生产简单，安装容易，控制系统模块化。

Description

一种河湖冰凌的自动测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种河湖冰凌的自动测量装置及方法，属于冰层观测技术领域。

背景技术

江河湖泊在冬季结冰，结冰容易造成凌汛。凌汛就是由于下段河道结冰或冰凌积成的冰坝阻塞河道，使河道不畅而引起河水上涨的现象。有时冰凌聚集，形成冰塞或冰坝，大幅度地抬高水位，轻则漫滩，重则决堤成灾。

我国黄河下游河道上宽下窄，冬季经常受寒潮侵袭，由于河道、气象、水文等自然条件作用，每年都有凌汛。建国以来30多次封河，大多先由河口开始封河，而后逐段向上插封。开河则由上而下，冰水沿程积集，造成明显凌峰，并易在浅滩、急弯或狭窄河段受阻卡塞，形成冰坝，使河段水位迅速抬高，威胁堤防安全，甚至造成凌灾。自1883年至1936年的54年中，就有21年凌汛期发生决口，在新中国成立初期，黄河下游山东河口地区仍发生过两次凌汛决口。因此冬季冰凌观测对于凌汛预防极为重要。

冰凌观测是预防河湖凌汛的一项重要措施，但是一项极其危险的工作。每年防凌期间，从河面结冰开始就要天天进行冰凌观测，并现场进行人工测量冰厚、冰质等数值工作。传统的防凌工作依靠多名防汛观测人员在冰面进行凿冰和拉尺等方式进行观测、记录和计算，不但费时费力，而且测量的冰层厚度误差较大。另外，冬季冰面厚度难以掌握，观测人员在冰面上行走，存在较大安全隐患。

发明内容

针对以上方法存在的不足，本发明提出了一种河湖冰凌的自动测量装置及方法，其能够自动测量冰的厚度或获取冰芯以便分析冰质。

本发明解决其技术问题采取的技术方案是：

一方面，本发明实施例提供的一种河湖冰凌的自动测量装置，包括：

钻冰装置，用于将河湖冰层凿透；

控制装置，控制钻冰装置工作；

测量装置，用于测量河湖冰层的厚度。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述钻冰装置包括横梁臂、调速电机、皮带、旋转编码器、皮带轮、转轴、钻头卡式接口、探针和钻头，所述控制装置包括底座、步进电机、步进电机支撑轴、步进电机卡环、齿轮轴和控制器，所述测量装置包括磁致传感器、磁致传感器固定环、磁环和引线；

所述步进电机支撑轴垂直固定在底座上，所述步进电机通过步进电机卡环固定在步进电机支撑轴的上端外侧，所述齿轮轴下端设置在步进电机支撑轴内部且通过齿轮与步进电机的输出轴齿合连接，所述横梁臂的一端固定在齿轮轴上端，所述转轴上端垂直设置在横梁臂的另一端，转轴上端穿过横梁臂后与旋转编码器连接，转轴上端还设置有皮带轮，调速电机设置在横梁臂上且调速电机的输出端通过皮带与皮带轮连接；所述钻头通过钻头卡式接口设置在转轴下端，所述钻头卡式接口上设置有通孔，所述探针设置在通孔内，探针上端连接有触发开关；所述磁致传感器通过磁致传感器固定环垂直固定在齿轮轴上，磁致传感器的引线垂直设置且下端穿过固定在步进电机支撑轴上的磁环；所述控制器分别与步进电机、旋转编码器、调速电机、触发开关和磁致传感器电连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述触发开关包括磁性接近开关和钢环，所述钢环设置在钻头卡式接口上方且与探针上端连接，所述磁性接近开关设置在钢环上方，磁性接近开关与控制器电连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步进电机为带刹车步进电机。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述横梁臂设置有开口向上的皮带槽，所述的皮带轮、皮带和调速电机的输出端设置在皮带槽内，所述皮带槽开口处设置有皮带槽盖。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述测量装置还包括上限位开关、下限位开关和上限位开关拨片，所述上限位开关设置在步进电机支撑轴上，所述下限位开关设置在磁致传感器的引线下方的底座上，所述上限位开关拨片设置在磁致传感器的引线下端且与上限位开关上下对应；所述的上限位开关和下限位开关分别与控制器电连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述钻头包括冰层钻头或冰芯钻头。

另一方面，本发明实施例提供的一种河湖冰凌的自动测量方法，利用上述所述的一种河湖冰凌的自动测量装置进行河湖冰凌自动测量，所述自动测量方法包括以下步骤：

利用步进电机驱动横梁臂上下移动从而将钻头放置在河湖冰层上；

记录磁致传感器的数据，作为冰层厚度的初始数据；

启动调速电机控制钻头进行钻冰工作，同时利用步进电机驱动钻头和磁致传感器向下移动；

当钻头钻透冰层到达水面时，探针在重力作用下快速下落触动触发开关，停止钻冰工作并记录冰层厚度的最终数据；

驱动步进电机反转，将钻头上升到冰层之上；

计算冰层厚度。

本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：

本发明实施例的技术方案的一种河湖冰凌的自动测量装置，包括：钻冰装置，用于将河湖冰层凿透；控制装置，控制钻冰装置工作；测量装置，用于测量河湖冰层的厚度。该装置可以自动测量冰的厚度或获取冰芯以便分析冰质。该装置还可以结合上位机APP程序使用安装到无人驾驶的探测车上，通过控制探测车来实现江湖冰的特性分析。该装置具有独立的控制模块，通过传感器参数检测、电机控制等实现自动化获取冰层厚度。该设备生产简单，安装容易，控制系统模块化。

本发明实施例的技术方案的一种河湖冰凌的自动测量方法，包括以下步骤：利用步进电机驱动横梁臂上下移动从而将钻头放置在河湖冰层上；记录磁致传感器的数据，作为冰层厚度的初始数据；启动调速电机控制钻头进行钻冰工作，同时利用步进电机驱动钻头和磁致传感器向下移动；当钻头钻透冰层到达水面时，探针在重力作用下快速下落触动触发开关，停止钻冰工作并记录冰层厚度的最终数据；驱动步进电机反转，将钻头上升到冰层之上；计算冰层厚度。本发明不仅可以测量河湖冰层的厚度，而且还可以获取冰芯以便分析冰质。

附图说明：

图1是根据一示例性实施例示出的一种河湖冰凌的自动测量装置进行测量冰层厚度钻冰前的示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种河湖冰凌的自动测量装置进行测量冰层厚度钻透冰层后的示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种河湖冰凌的自动测量装置获取冰芯的示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的一种控制器的原理框图；

图5是根据一示例性实施例示出的一种河湖冰凌的自动测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

自动探测冰层及分析冰层结构是预防河湖凌汛中一项十分重要的工作。当今人工智能发展迅速，无人驾驶江河水冰两用的探测车正在研制。为满足两者的要求。本发明提供了一种河湖冰凌的自动测量装置及方法，用于进行自动测量冰的厚度或获取冰芯以便分析冰质。

如图1-3所示，本发明实施例提供的一种河湖冰凌的自动测量装置，包括：

钻冰装置，用于将河湖冰层凿透；

控制装置，控制钻冰装置工作；

测量装置，用于测量河湖冰层的厚度。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述钻冰装置包括横梁臂13、调速电机14、皮带16、旋转编码器17、皮带轮18、转轴19、钻头卡式接口22、探针23和钻头，所述控制装置包括底座1、步进电机5、步进电机支撑轴3、步进电机卡环7、齿轮轴11和控制器，所述测量装置包括磁致传感器10、磁致传感器固定环12、磁环6和引线8；

所述步进电机支撑轴3垂直固定在底座1上，所述步进电机5通过步进电机卡环7固定在步进电机支撑轴3的上端外侧，所述齿轮轴11下端设置在步进电机支撑轴3内部且通过齿轮9与步进电机5的输出轴齿合连接，所述横梁臂13的一端固定在齿轮轴11上端，所述转轴19上端垂直设置在横梁臂13的另一端，转轴19上端穿过横梁臂13后与旋转编码器17连接，转轴上端还设置有皮带轮18，调速电机14设置在横梁臂13上且调速电机的输出端通过皮带16与皮带轮18连接；所述钻头通过钻头卡式接口22设置在转轴下端，所述钻头卡式接口22上设置有通孔，所述探针23设置在通孔内，探针23上端连接有触发开关；所述磁致传感器10通过磁致传感器固定环12垂直固定在齿轮轴11上，磁致传感器的引线8垂直设置且下端穿过固定在步进电机支撑轴上的磁环6；所述控制器分别与步进电机、旋转编码器、调速电机、触发开关和磁致传感器电连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述触发开关包括磁性接近开关20和钢环21，所述钢环21设置在钻头卡式接口上方且与探针23上端连接，所述磁性接近开关20设置在钢环21的上方，磁性接近开关与控制器电连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述步进电机为带刹车步进电机。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述横梁臂13设置有开口向上的皮带槽，所述的皮带轮、皮带和调速电机的输出端设置在皮带槽内，所述皮带槽开口处设置有皮带槽盖15。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述测量装置还包括上下限位开关2和上限位开关拨片4，所述上限位开关设置在步进电机支撑轴上，所述下限位开关设置在磁致传感器的引线下方的底座上，所述上限位开关拨片4设置在磁致传感器的引线下端且与上限位开关上下对应；所述的上限位开关和下限位开关分别与控制器电连接。

作为本实施例一种可能的实现方式，所述钻头包括冰层钻头24或冰芯钻头25。

作为本实施例一种可能的实现方式，如图4所示，所述控制器包括单片机、调速电机驱动模块、步进电机驱动模块、接口和电源模块，所述单片机通过电平转换电路与上下限位开关、上限位开关拨片、磁致传感器和旋转编码器连接，所述的调速电机驱动模块、步进电机驱动模块和接口分别与单片机连接，单片机通过接口与上位机连接，所述电源模块为单片机、上下限位开关、上限位开关拨片、磁致传感器和旋转编码器提供工作电源。

该装置应用到无线遥控的无人驾驶江河水冰两用的探测车上，通过调速电机带动钻头旋转，通过更换冰层钻头和冰芯钻头实现河湖各处的冰层冰厚测量、冰质取回工作。

钻头有两种，一种是直接测量冰的厚度；第二种，既能探测厚度，同时可以取到冰芯，作为对冰质研究提供保障。由编码器测得实际转速，控制模块根据转速调整带刹车步进电机转速来控制钻冰的速度。

该装置可以自动测量冰的厚度或获取冰芯以便分析冰质。该装置还可以结合上位机APP程序使用安装到无人驾驶的探测车上，通过控制探测车来实现江湖冰的特性分析。该装置具有独立的控制模块，通过传感器参数检测、电机控制等实现自动化获取冰层厚度。该设备生产简单，安装容易，控制系统模块化。

图5是根据一示例性实施例示出的一种河湖冰凌的自动测量方法的流程图。如图5所示，本发明实施例提供的一种河湖冰凌的自动测量方法，利用上述所述的一种河湖冰凌的自动测量装置进行河湖冰凌自动测量，所述自动测量方法包括以下步骤：

安装钻头。如果只进行冰层冰厚测量则安装冰层钻头，如果需要取冰芯则需要更换为冰芯钻头，如图1-3所示。钻头都采卡槽结构，安装在钻头卡式接口上，方便钻头的装卸与更换。

利用步进电机驱动横梁臂上下移动从而将钻头放置在河湖冰层上，如图1和图3所示。

记录磁致传感器的数据，作为冰层厚度的初始数据。

启动调速电机控制钻头进行钻冰工作，同时利用步进电机驱动钻头和磁致传感器向下移动。调速电机控制根据实际情况带动钻头的转速，实际速度由编码器获取；步进电机根据速度情况，计算钻头钻冰的速度，可以根据不同阶段的转速控制钻头沉降速度。

当钻头钻透冰层到达水面时，探针在重力作用下快速下落，如图2所示，探针下落带动钢环，从而触动触发开关，停止钻冰工作并记录冰层厚度的最终数据。冰的厚度由磁致位移传感器的环来测量。

驱动步进电机反转，将钻头上升到冰层之上。

计算冰层厚度。冰层厚度的最终数据与冰层厚度的初始数据之差即为冰层厚度。

本发明不仅可以测量河湖冰层的厚度，而且还可以获取冰芯以便分析冰质。

以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种河湖冰凌的自动测量装置，其特征是，包括：

钻冰装置，用于将河湖冰层凿透；

控制装置，控制钻冰装置工作；

测量装置，用于测量河湖冰层的厚度；

所述钻冰装置包括横梁臂、调速电机、皮带、旋转编码器、皮带轮、转轴、钻头卡式接口、探针和钻头，所述控制装置包括底座、步进电机、步进电机支撑轴、步进电机卡环、齿轮轴和控制器，所述测量装置包括磁致传感器、磁致传感器固定环、磁环和引线；

所述步进电机支撑轴垂直固定在底座上，所述步进电机通过步进电机卡环固定在步进电机支撑轴的上端外侧，所述齿轮轴下端设置在步进电机支撑轴内部且通过齿轮与步进电机的输出轴齿合连接，所述横梁臂的一端固定在齿轮轴上端，所述转轴上端垂直设置在横梁臂的另一端，转轴上端穿过横梁臂后与旋转编码器连接，转轴上端还设置有皮带轮，调速电机设置在横梁臂上且调速电机的输出端通过皮带与皮带轮连接；所述钻头通过钻头卡式接口设置在转轴下端，所述钻头卡式接口上设置有通孔，所述探针设置在通孔内，探针上端连接有触发开关；所述磁致传感器通过磁致传感器固定环垂直固定在齿轮轴上，磁致传感器的引线垂直设置且下端穿过固定在步进电机支撑轴上的磁环；所述控制器分别与步进电机、旋转编码器、调速电机、触发开关和磁致传感器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种河湖冰凌的自动测量装置，其特征是，所述触发开关包括磁性接近开关和钢环，所述钢环设置在钻头卡式接口上方且与探针上端连接，所述磁性接近开关设置在钢环上方，磁性接近开关与控制器电连接。

3.根据权利要求1所述的一种河湖冰凌的自动测量装置，其特征是，所述步进电机为带刹车步进电机。

4.根据权利要求1所述的一种河湖冰凌的自动测量装置，其特征是，所述横梁臂设置有开口向上的皮带槽，所述的皮带轮、皮带和调速电机的输出端设置在皮带槽内，所述皮带槽开口处设置有皮带槽盖。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种河湖冰凌的自动测量装置，其特征是，所述测量装置还包括上限位开关、下限位开关和上限位开关拨片，所述上限位开关设置在步进电机支撑轴上，所述下限位开关设置在磁致传感器的引线下方的底座上，所述上限位开关拨片设置在磁致传感器的引线下端且与上限位开关上下对应；所述的上限位开关和下限位开关分别与控制器电连接。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种河湖冰凌的自动测量装置，其特征是，所述钻头包括冰层钻头或冰芯钻头。

7.一种河湖冰凌的自动测量方法，其特征是，利用权利要求2-6任意一种河湖冰凌的自动测量装置进行河湖冰凌自动测量，所述自动测量方法包括以下步骤：

安装钻头；

利用步进电机驱动横梁臂上下移动从而将钻头放置在河湖冰层上；

记录磁致传感器的数据，作为冰层厚度的初始数据；

启动调速电机控制钻头进行钻冰工作，同时利用步进电机驱动钻头和磁致传感器向下移动；

当钻头钻透冰层到达水面时，探针在重力作用下快速下落触动触发开关，停止钻冰工作并记录冰层厚度的最终数据；

驱动步进电机反转，将钻头上升到冰层之上；

计算冰层厚度。

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