CN111780718A - 一种获取落球高度的装置 - Google Patents

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贾其松
李科
何伟
黄魏平
张远军
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Abstract

本发明公开了一种获取落球高度的装置，包括装配于自由落体物上的加速度传感器(2)、开关(4)，其中，加速度传感器(2)与开关(4)并联连接，加速度传感器(2)的输出端连接到放大器(5)，放大器(5)的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接高度计算系统；所述开关(4)被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1，高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2。

Description

一种获取落球高度的装置
技术领域
本发明涉及土木工程检测领域或高度测量技术领域，具体涉及一种获取落球高度的装置。
背景技术
岩土材料是土木、建筑、桥隧、水利等行业中重要结构工程最常用的材料，在社会基础设施建设中占据举足轻重的地位。岩土材料的碾压质量的好坏直接决定了工程的使用寿命。其中，可以用弹性模量来表示岩土材料的碾压质量。
落球检测技术是通过落球冲撞岩土表面，通过获得这一过程中球体的加速度变化，进而来分析岩土质量。具体分析岩土质量的过程请参见ZL200810087044.7。如图1所示，该分析系统采用内置加速度传感器的球形金属刚性落球体，并与信号放大器、A/D转换卡及带有专用软件的笔记本电脑连接；通过自由落下的金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞，利用Hertz碰撞理论和Vesic空洞扩张理论分析其碰撞过程，并结合岩土材料以及刚性落球体的特性加以修正，从而快速、简便、准确地测试岩土材料的变形特性和强度特性；测试的具体方式：将刚性落球体提升到一定的高度，让其自由落下，利用笔记本电脑的专用软件采集碰撞过程中的加速度信号，通过对加速度信号解析和统计处理方法，从而求得岩土材料的变形特性和强度特性，变形特性是变形模量，强度特性是内部摩擦角；该现有技术表明，其只采用了金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞之后的信号，获得T c：接触时间，从而去分析岩土质量，同时表明，分析岩土质量时，需要获得金属刚性落球体的初始高度，而现有技术介绍表明，其金属刚性落球体的初始高度是采用人力测量一个预定高度，再由人从该预定高度处松开金属刚性落球体。
上述技术存在以下问题：
由于需要将落球提升至指定的高度，而对于高度的测量，传统的方式是采用尺量等方式进行。这样大大降低了效率，且操作不便。
发明内容
本发明提供一种获取落球高度的装置，该装置设置一个高度计算系统，提供获得加速度传感器的反馈信号，从反馈信号中解析出能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1、能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2，从而自动计算获得高度信息。
本发明通过下述技术方案实现：
一种获取落球高度的装置，包括装配于自由落体物上的加速度传感器、开关，其中，加速度传感器与开关并联连接，加速度传感器的输出端连接到放大器，放大器的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接高度计算系统；
放大器用于对加速度传感器的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器的输出信号进行AD转换，
所述开关被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；
高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1，
高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2，
高度计算系统用于根据初始时刻和终止时刻计算自由落体物在被松手释放时的高度。
为了解决获得高度的技术问题，本发明人曾尝试从金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞之前的信号进行分析，从而获得球形金属刚性落球体释放时候的初始时刻，以及采用碰撞时的时刻作为终止时刻，准备依据该初始时刻与终止时刻去计算高度；
但，由于加速度传感器的输出信号为加速度变化率，即在加速度发生变化时才表现为较大的波动，因此，其在撞击地面时才表现出较大波动，如图2所示，在手释放金属刚性落球体时其波动并不大，几乎保持在0附近的微波动状态；加上数据传输线路会产生一些本底噪音，这些本底噪音与释放时造成的加速度变化率波动几乎没有差别，因此，对于识别准确的释放时的初始时刻变得非常困难。
为了解决初始时刻识别难的问题，提出一种更加准确的高度获取装置，本发明对加速度传感器提出了短接的设计，采用开关与加速度传感器进行并联，在开关闭合时，其处于短接，使得加速度传感器暂时处于无效状态。比如，如图4所示，其中，将加速度传感器可以等效为电阻R，等同于加速度变化率发生变化时，电阻R阻值变化；其中将开关等效为开关K；开关与加速度传感器并联，可以等效为电阻R与开关K并联；假设将放大器视为一个电压表，在开关闭合时，电压表测量的是电源的电压，表现为最大量程状态。因此对于AD模块或者高度计算系统来讲，其获得的初始态信号为加速度变化率处于最大量程状态信息(如图5所示，松手的时刻之前的信号)。再参考图2，其由于没有采用并联的开关对其短接处理，对于加速度传感器而言，其在手握时，加速度变化率为零，在释放时，也仅是很小的波动，其处于释放过程中，加速度变化率也处于零状态。因此，很难识别得到准确的释放时刻。而如图5所示，其初始时，由于开关闭合，导致短接，其输出的信号处于最大量程状态，在断开开关后，其会由最大量程状态向零实现变化，我们只需求导这种变化的角点即可非常明显的找到一个明显的求导角点，从而确定一个准确的开关被断开的时刻，在人操作时，将握住自由落体物的同时握住开关，释放自由落体物即代表释放开关。因此可以很好的得到释放时的时刻。从而得到我们计算高度的初始时刻。
进一步的，优选的，
高度计算系统从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于最大量程状态信息为：当手握住自由落体物时致使开关闭合后，此时高度计算系统从AD模块得到：加速度变化率处于最大量程状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时致使开关断开后，此时高度计算系统从AD模块得到：由加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化后、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时高度计算系统从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2。
进一步的，优选的，
所述高度计算系统包括：初始时刻T1提取模块、终止时刻T2提取模块、高度计算模块，
其中，初始时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻，该时刻记为初始时刻T1；
其中，终止时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为终止时刻T2；
其中，高度计算模块用于根据初始时刻T1、终止时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
Figure BDA0002548004100000031
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
进一步的，优选的，
所述高度计算系统还包括存储器，存储器用于存储：初始时刻T1、终止时刻T2、初始高度H、加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息。
进一步的，优选的，
所述高度计算系统还包括显示器，显示器用于显示：初始时刻T1、终止时刻T2、初始高度H、加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息。
进一步的，优选的，
所述AD模块包括BNC端子板和AD转换卡；其中BNC端子板的输入端子与放大器的输出端连接，AD转换卡的输入端子与BNC端子板的输出端子；AD转换卡连接于高度计算系统。
进一步的，优选的，
所述自由落体物包括用于测试岩土材料的变形特性和强度特性的球形金属刚性落球体。
进一步的，优选的，
自由落体物还包括配置于球形金属刚性落球体上的手柄，所述开关配置于手柄上。
进一步的，优选的，
所述开关的两端并联于加速度传感器的2个输出端子。
上述介绍仅是本发明从分析岩土质量需求出发，提出一种可以获得高度信息的装置产品，该产品也可以广泛的应用于其他自由落体的需要测量高度的场合，本发明上述介绍，仅表达了本发明的研发构思过程，并不局限的表明本发明的应用范畴，本发明中的自由落体物还可以是其他形式的物体。凡是配置开关与加速度传感器并联、开关随释放自由落体被触发，将加速度传感器的初始状态由0调置为一定量程范围内的也属于本发明的等同构思范畴。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明无需高度测量的辅助，不会由于手部抖动导致误差，其以开关被触发导致信号状态发生变化为基础，因此，释放时只要保证开关和自由落体物同时被释放即可，操作简单。本发明虽然也是从加速度传感器的输出信号中获得采样数据，从而获得释放的初始时刻，但对输出信号的初始状态进行设置，加大了可识别性，具有非常准确特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为现有技术的结构示意图；
图2为现有技术中无开关并联于加速度传感器时的信号输出示意；
图3为本发明结构示意图；
图4为本发明的原理等效示意图；、
图5为本发明的开关并联于加速度传感器时的信号输出示意；
图6为本发明中的高度计算系统的示意图。
附图标记及对应的零部件名称：
1、球形金属刚性落球体；2、加速度传感器；3、手柄；4、开关；5、放大器；6、电源；7、BNC端子板；8、AD转换卡；9、高度计算系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
由于现有的人造草坪上的喷淋供水系统都是通过在人造草坪边设置喷头，在供水作业时，直接从喷头由上而下向人工草坪进行喷洒，这种方式存在不能均匀喷淋到场地每一个地方，因此，本发明通过设置供水结构，以实现场地各区域的供水均匀。
实施例一
如图3所示，一种获取落球高度的装置，包括装配于自由落体物上的加速度传感器2、开关4，其中，加速度传感器2与开关4并联连接，加速度传感器2的输出端连接到放大器5，放大器5的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接高度计算系统；
放大器5用于对加速度传感器2的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器5的输出信号进行AD转换，
所述开关4被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；
高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1，
高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2，
高度计算系统用于根据初始时刻和终止时刻计算自由落体物在被松手释放时的高度。
为了解决获得高度的技术问题，本发明人曾尝试从金属刚性落球体与岩土材料发生碰撞之前的信号进行分析，从而获得球形金属刚性落球体释放时候的初始时刻，以及采用碰撞时的时刻作为终止时刻，准备依据该初始时刻与终止时刻去计算高度；
但，由于加速度传感器的输出信号为加速度变化率，即在加速度发生变化时才表现为较大的波动，因此，其在撞击地面时才表现出较大波动，如图2所示，在手释放金属刚性落球体时其波动并不大，几乎保持在0附近的微波动状态；加上数据传输线路会产生一些本底噪音，这些本底噪音与释放时造成的加速度变化率波动几乎没有差别，因此，对于识别准确的释放时的初始时刻变得非常困难。
为了解决初始时刻识别难的问题，提出一种更加准确的高度获取装置，本发明对加速度传感器2提出了短接的设计，采用开关与加速度传感器2进行并联，在开关闭合时，其处于短接，使得加速度传感器2暂时处于无效状态。比如，如图4所示，其中，将加速度传感器2可以等效为电阻R，等同于加速度变化率发生变化时，电阻R阻值变化；其中将开关等效为开关K；开关与加速度传感器并联，可以等效为电阻R与开关K并联；假设将放大器视为一个电压表，在开关闭合时，电压表测量的是电源的电压，表现为最大量程状态。因此对于AD模块或者高度计算系统来讲，其获得的初始态信号为加速度变化率处于最大量程状态信息(如图5所示，松手的时刻之前的信号)。再参考图2，其由于没有采用并联的开关对其短接处理，对于加速度传感器2而言，其在手握时，加速度变化率为零，在释放时，也仅是很小的波动，其处于释放过程中，加速度变化率也处于零状态。因此，很难识别得到准确的释放时刻。而如图5所示，其初始时，由于开关闭合，导致短接，其输出的信号处于最大量程状态，在断开开关后，其会由最大量程状态向零实现变化，我们只需求导这种变化的角点即可非常明显的找到一个明显的求导角点，从而确定一个准确的开关被断开的时刻，在人操作时，将握住自由落体物的同时握住开关，释放自由落体物即代表释放开关。因此可以很好的得到释放时的时刻。从而得到我们计算高度的初始时刻。
在图2中，其量程为7.476e+000，该量程表达的是撞击时，加速度变化率的最大值。在图5中，其量程为1.000e+001，其换算电压为10v(9.999v实际值)。
在图2中，可以见，未设置开关并联时，加速度变化率在未撞击地面前始终处于零的微弱波动范围，在附图2中所示意的松手的时刻区域中，该区虽然出现了一些波动，但其依据变化不大。在实际中由于线路的运动、本地噪声等影响，都会使得很难准确的得到一个准确的时刻来表征释放时的时刻。
在图5中，可以见，设置开关并联后，加速度传感器在初始状态时输出的信号为10v，处于最大量程状态，在开关断开后，加速度传感器处于有效状态，因此，其需要恢复到0，以表达其加速度无变化，在由最大量程到0的变化过程中，会出现一个明显的变化点，因此以该明显的变化点作为最佳的释放时刻。
经过该对比可见，本发明的设计，能提高识别释放初始时刻的准确度。最终达到对高度测量的精度的提升。
进一步的，优选的，
如图5所示，
高度计算系统从AD模块得到信息为：包括加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于最大量程状态信息为：当手握住自由落体物时致使开关闭合后，此时高度计算系统从AD模块得到：加速度变化率处于最大量程状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时致使开关断开后，此时高度计算系统从AD模块得到：由加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化后、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时高度计算系统从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2。
进一步的，优选的，
如图6所示，所述高度计算系统包括：初始时刻T1提取模块、终止时刻T2提取模块、高度计算模块，
其中，初始时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻，该时刻记为初始时刻T1；
其中，终止时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为终止时刻T2；
其中，高度计算模块用于根据初始时刻T1、终止时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度
Figure BDA0002548004100000081
其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
进一步的，优选的，
如图6所示，所述高度计算系统还包括存储器，存储器用于存储：初始时刻T1、终止时刻T2、初始高度H、加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息。
进一步的，优选的，
如图6所示，所述高度计算系统还包括显示器，显示器用于显示：初始时刻T1、终止时刻T2、初始高度H、加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息。
进一步的，优选的，
所述AD模块包括BNC端子板7和AD转换卡8；其中BNC端子板7的输入端子与放大器5的输出端连接，AD转换卡8的输入端子与BNC端子板7的输出端子；AD转换卡8连接于高度计算系统。
进一步的，优选的，
所述自由落体物包括用于测试岩土材料的变形特性和强度特性的球形金属刚性落球体1。
进一步的，优选的，
自由落体物还包括配置于球形金属刚性落球体1上的手柄3，所述开关4配置于手柄3上。
进一步的，优选的，
所述开关4的两端并联于加速度传感器2的2个输出端子。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种获取落球高度的装置，其特征在于，包括装配于自由落体物上的加速度传感器（2）、开关（4），其中，加速度传感器（2）与开关（4）并联连接，加速度传感器（2）的输出端连接到放大器（5），放大器（5）的输出端连接AD模块，AD模块的输出端连接高度计算系统；
放大器（5）用于对加速度传感器（2）的输出信号放大处理，
AD模块用于对放大器（5）的输出信号进行AD转换，
所述开关（4）被配置为：常开开关，开关随手握住自由落体物时，开关处于闭合状态，开关随手松开自由落体物时，开关处于断开状态；
高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1，
高度计算系统用于在获取AD模块的输出信号后、识别获得能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2，
高度计算系统用于根据初始时刻T1和终止时刻T2计算自由落体物在被松手释放时的高度。
2.根据权利要求1所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，
高度计算系统从AD模块得到信息包括：加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
加速度变化率处于最大量程状态信息为：当手握住自由落体物时致使开关闭合后，此时高度计算系统从AD模块得到：加速度变化率处于最大量程状态信息；
自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当手松开自由落体物时致使开关断开后，此时高度计算系统从AD模块得到：由加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化后、再保持零加速度变化率的自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息；
撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息为：当自由落体物撞击地面，此时高度计算系统从AD模块得到：由零加速度变化率开始产生大幅度波动的撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息；
其中，加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻为能表征自由落体物刚做自由落体时的初始时刻T1；
其中，由零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻能表征自由落体物撞击地面时的终止时刻T2。
3.根据权利要求2所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，
所述高度计算系统包括：初始时刻T1提取模块、终止时刻T2提取模块、高度计算模块，
其中，初始时刻T1提取模块用于识别提取：加速度变化率处于最大量程状态开始向零加速度变化率变化的初始变化时刻，该时刻记为初始时刻T1；
其中，终止时刻T2提取模块用于识别提取：零加速度变化率开始产生大幅度波动的初始变化时刻，该时刻记为终止时刻T2；
其中，高度计算模块用于根据初始时刻T1、终止时刻T2计算自由落体物的初始高度H，初始高度H=1/2*G*(T2-T1)2，其中，G为重力加速度，可取9.8m/s2。
4.根据权利要求3所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，
所述高度计算系统还包括存储器，存储器用于存储：初始时刻T1、终止时刻T2、初始高度H、加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息。
5.根据权利要求3所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，
所述高度计算系统还包括显示器，显示器用于显示：初始时刻T1、终止时刻T2、初始高度H、加速度变化率处于最大量程状态信息、自由落体阶段的加速度变化率的变化状态信息、撞击地面阶段的加速度变化率的变化状态信息。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，
所述AD模块包括BNC端子板（7）和AD转换卡（8）；其中BNC端子板（7）的输入端子与放大器（5）的输出端连接，AD转换卡（8）的输入端子与BNC端子板（7）的输出端子；AD转换卡（8）连接于高度计算系统。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，所述自由落体物包括用于测试岩土材料的变形特性和强度特性的球形金属刚性落球体（1）。
8.根据权利要求7所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，
自由落体物还包括配置于球形金属刚性落球体（1）上的手柄（3），所述开关（4）配置于手柄（3）上。
9.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种获取落球高度的装置，其特征在于，所述开关（4）的两端并联于加速度传感器（2）的2个输出端子。
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CN1979110A (zh) * 2005-12-02 2007-06-13 陈夏宗 落地试验的检测方法及其装置
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