CN111198143A - 一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，包括导轨滑台，所述导轨滑台顶部连接有电机固定板，电机输出轴通过电机固定板的通孔向下伸出，在导轨滑台中设有滚珠丝杆，所述滚珠丝杆顶部穿过导轨滑台的顶板与电机输出轴相连，丝母与方形滑块的中部固定连接，所述方形滑块通过两侧的滑道与导轨滑台相连，在方形滑块上设有夹具，所述夹具与连接管顶部相连通，该连接管底部与微型拉压力传感器的上螺杆相连，所述微型拉压力传感器的下螺杆与贯入杆顶部固定连接，在贯入杆底部设有锥形尖端，在方形滑块上还设有激光位移传感器。贯入杆通过电机驱动，实现了匀速贯入，且信号采集与贯入速度无关，从而避免了与蠕变变形相关的速率依赖性。

Description

一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪
技术领域
本发明涉及一种用于测量积雪硬度的贯入仪，属于极地亚极地、高山、寒区工程积雪强度测试技术领域，尤其涉及到一种可以连续、匀速测量积雪硬度并有较强机动性的贯入设备。
背景技术
积雪硬度是积雪强度的重要指标之一，目前，国外测量积雪硬度主要是通过各种款式的贯入设备。这些贯入设备，按照驱动方式，可将其简单分为三类：夯击式、手动插入式和电控式贯入仪。其中，以Rammsonde为代表的夯击式贯入仪，最大的优势在于方便、坚实、可靠，目前仍广泛用于极地地区，但限于其原理和构造，不能获取连续的积雪硬度剖面图，且分辨率过于粗糙的缺点同样明显。手动插入式贯入仪虽然携带方便，易于使用，但不稳定的贯入速率和有限的贯入深度意味着其只能用于浅层雪地环境，应用范围十分有限。相比前两类贯入仪，电控式贯入仪最大的优点在于其均匀的贯入速度和精准的阻力测量，目前比较成熟的主要有微型雪贯入仪SnowMicroPenetrometer和液压CPT设备。其中微型雪贯入仪SnowMicroPenetrometer的探头尺寸小，可以识别薄弱雪层以及粒间键的断裂，但小尺寸同时也意味着其整体结构相对脆弱，刚度较低，贯入能力相对不足，同时过于昂贵的价格也限制了其推广；液压CPT设备的贯入能力最强，最大贯入深度可达10m，非常适用于坚硬的极地雪，但其重量过大，只能通过车辆移动和运输，且未能做成产品。
发明内容
为克服微型雪贯入仪SnowMicroPenetrometer贯入能力不足且过于昂贵的缺点以及液压CPT设备重量过大、运输不便的不足，本发明提供了一种可以连续、匀速测量积雪硬度并有较强机动性的贯入设备。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，包括导轨滑台，所述导轨滑台顶部连接有电机固定板，电机输出轴通过电机固定板的通孔向下伸出，在导轨滑台中设有滚珠丝杆，所述滚珠丝杆顶部穿过导轨滑台的顶板与电机输出轴相连，丝母与方形滑块的中部固定连接，所述方形滑块通过两侧的滑道与导轨滑台相连，在方形滑块上设有夹具，所述夹具与连接管顶部相连通，该连接管底部与微型拉压力传感器的上螺杆相连，所述微型拉压力传感器的下螺杆与贯入杆顶部固定连接，在贯入杆底部设有锥形尖端，在方形滑块上还设有激光位移传感器；所述导轨滑台一侧连接有控制箱固定板，所述控制箱固定板上设有与电机相连的控制箱，该控制箱前面设有一体结构的触摸式显示屏。
进一步的，所述导轨滑台的顶板一侧设有上限位开关，导轨滑台的底板一侧设有下限位开关，所述上限位开关与下限位开关均与控制箱电连接。
进一步的，所述导轨滑台安装在上板顶部，所述上板通过四周的立柱连接在下板上，在下板的四周底部连接有水平调节脚轮。
进一步的，在下板上设有盛装雪样的可拆卸无盖实验箱，所述可拆卸无盖实验箱包括底板，以及与底板相连的箱体，所述箱体由两个结构相同的角钢围成，每个角钢两边的连接处为连接挡板，螺栓穿过连接挡板与螺母配合实现可拆卸连接。
进一步的，所述微型拉压力传感器依次通过接线桥盒、应变仪与采集卡的一端相连，所述采集卡的另一端与激光位移传感器相连，外部计算机通过采集卡进行数据读取。
进一步的，信号线一端穿过夹具通孔、连接管内部与微型拉压力传感器相连，信号线另一端连接接线桥盒。
更进一步的，导轨滑台下部与加强板的侧板通过多个固定螺栓b相连，加强板的底板通过多个紧固螺栓连接在上板顶部。
更进一步的，贯入杆采用空心高速钢贯入杆，上端部内壁加工有内螺纹，下端部配有60°的锥形尖端，其锥部的直径略大于贯入杆。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：贯入杆通过电机驱动，实现了匀速贯入，且信号采集与贯入速度无关，从而避免了与蠕变变形相关的速率依赖性；测力量程大，且根据实际需要可更换为相应量程的传感器；操作者可直接控制贯入速度，无需与电机速率进行转换，且触摸式显示屏极大地方便了操作；设备安装和拆卸方便，各部件就地安装后即可工作，测量工作完成后，调节水平脚轮后即可较为容易地移动，也可根据现场需要可以将上、下板与四根立柱拆除，安装在车辆后可实现即测即走。
附图说明
图1是本发明电控式贯入仪的主视图；
图2是本发明电控式贯入仪的侧视图；
图3是本发明电控式贯入仪的俯视图。
图中序号说明：1、电机，2、方形滑块，3、夹具，4、连接管，5、上限位开关，6、激光位移传感器，7、微型拉压力传感器，8、导轨滑台，9、滚珠丝杆，10、触摸式显示屏，11、控制箱，12、固定螺栓a，13、控制箱固定板，14、贯入杆，15、锥形尖端，16、下限位开关，17、加强板，18、固定螺栓b，19、上板，20、立柱，21、下板，22、水平调节脚轮。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
请参见图1至图3所示，一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，选用电动步进电机提供驱动力，机身尺寸小，重量轻；材质为高硬度航空铝的导轨滑台，配有直径为16mm的滚珠丝杆和方形滑块，行程600mm；控制箱通过固定螺栓a连接在控制箱固定板上，所述控制箱内置变压器、编码器和开关电源，试验时通过触摸式显示屏操作，可直接输入贯入速度(1-90mm/s可调)，使贯入杆向上或向下匀速运动，并可指定行程(0-600mm)；导轨滑台的顶板和底板处各装有一个限位开关，当滑块行至上下极限行程处接触到连杆驱动开关时，限位开关会直接切断控制电路，电机将停止运行，从而保护贯入仪不受损坏；量程为500kg的微型拉压力传感器固定在夹具与贯入杆之间，用于测量锥尖阻力；使用高精度微型激光位移传感器测量滑块位移，监测贯入速度；四根高650mm的高强度立柱与上、下板形成试验空间，该试验空间设有盛装雪样的可拆卸无盖实验箱；下板底部配有4个水平调节脚轮，具有较强的机动性和稳定性。
上述电控式贯入仪连续测试雪样的硬度的方法具体为：
电机1采用86系列电动步进电机，通电工作后驱动滚珠丝杆9旋转，带动方形滑块2向上或向下移动；贯入杆14采用直径为16mm的空心高速钢贯入杆，长70cm，上端部内壁加工有内螺纹，下端部配有60°的锥形尖端15，为减少侧壁摩擦，锥部的直径略大于贯入杆；使用微型拉压力传感器7测量贯入杆行进过程中受到的阻力，信号线穿过滑块上固定的夹具3及空心的连接管，微型拉压力传感器7通过其上螺杆与连接管4连接在一起，贯入杆14与微型拉压力传感器7的下螺杆固定在一起；激光位移传感器6固定在方形滑块2上，用于测量方形滑块2的位移，监测贯入杆14的贯入速度。其具体实施步骤为：
1)将激光位移传感器6与采集卡一端连接，采集卡另一端依次通过动态电阻应变仪、接线桥盒与微型拉压力传感器7相连，计算机(为了移动方便，可以为笔记本电脑)通过采集卡进行试验数据的采集和处理工作，信息采集系统采用以太网数据采集程序；2)接通电源按下开关，通过触摸式显示屏10操作，使方形滑块2上升至最高位置，从而贯入杆14提升至最高处；3)将盛装雪样的可拆卸无盖实验箱置于下板中心处，测试点对准贯入杆；4)通过触摸式显示屏10操作，设定贯入速度及贯入深度；5)设置信息采集系统的参数(如采集频率，采集通道)并开始采集；6)通过触摸式显示屏10操作，使电机工作，贯入杆开始贯入；7)结束观测并拆卸设备：移除连接导线，断开设备与外部记录设备之间的连接。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，包括导轨滑台，所述导轨滑台顶部连接有电机固定板，电机输出轴通过电机固定板的通孔向下伸出，在导轨滑台中设有滚珠丝杆，所述滚珠丝杆顶部穿过导轨滑台的顶板与电机输出轴相连，丝母与方形滑块的中部固定连接，所述方形滑块通过两侧的滑道与导轨滑台相连，在方形滑块上设有夹具，所述夹具与连接管顶部相连通，该连接管底部与微型拉压力传感器的上螺杆相连，所述微型拉压力传感器的下螺杆与贯入杆顶部固定连接，在贯入杆底部设有锥形尖端，在方形滑块上还设有激光位移传感器；所述导轨滑台一侧连接有控制箱固定板，所述控制箱固定板上设有与电机相连的控制箱，该控制箱前面设有一体结构的触摸式显示屏。
2.根据权利要求1所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，所述导轨滑台的顶板一侧设有上限位开关，导轨滑台的底板一侧设有下限位开关，所述上限位开关与下限位开关均与控制箱电连接。
3.根据权利要求1所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，所述导轨滑台安装在上板顶部，所述上板通过四周的立柱连接在下板上，在下板的四周底部连接有水平调节脚轮。
4.根据权利要求3所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，在下板上设有盛装雪样的可拆卸无盖实验箱，所述可拆卸无盖实验箱包括底板，以及与底板相连的箱体，所述箱体由两个结构相同的角钢围成，每个角钢两边的连接处为连接挡板，螺栓穿过连接挡板与螺母配合实现可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，所述微型拉压力传感器依次通过接线桥盒、应变仪与采集卡的一端相连，所述采集卡的另一端与激光位移传感器相连，外部计算机通过采集卡进行数据读取。
6.根据权利要求5所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，信号线一端穿过夹具通孔、连接管内部与微型拉压力传感器相连，信号线另一端连接接线桥盒。
7.根据权利要求3所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，导轨滑台下部与加强板的侧板通过多个固定螺栓b相连，加强板的底板通过多个紧固螺栓连接在上板顶部。
8.根据权利要求1所述一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其特征在于，贯入杆采用空心高速钢贯入杆，上端部内壁加工有内螺纹，下端部配有60°的锥形尖端，其锥部的直径略大于贯入杆。
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