CN111965069A - 一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置及雪冰密度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置及雪冰密度测量方法，装置包括硬质雪冰采集组件和称重组件，硬质雪冰采集组件包括钻身和钻刀，钻刀为桶状结构，钻刀开口朝外、且安装在钻身上，钻刀的边缘设有刀齿，用于切割雪冰，钻身用于控制钻刀沿轴向转动，称重组件上设有挂钩，用于勾住硬质雪冰采集组件，钻身包括外壳和设置在外壳内部的动力机体，动力机体上设有芯轴，芯轴与钻刀连接。本发明有效的避免了雪冰提取过程中由于受力不均引起的形变或内部结构被破坏，提高了测量精度；利用钻刀，可对单点数据多次测量，有效的降低了人工单次测量的非稳定、非常态值，进一步提高了测量精度。本发明还公开了一种采用上述装置的雪冰密度测量方法。

Description

一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置及雪冰密度测量方法

技术领域

本发明涉及雪冰密度测量技术领域，特别是涉及一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置及雪冰密度测量方法。

背景技术

雪冰密度是单位体积雪冰的重量，与雪龄、深度雪压及气候条件有关，是雪冰研究最基本、最易测量的物理特性。雪冰密度这一基本物理参量不但是雪冰演化、成冰作用、冰芯净积累量重建及冰川物质平衡计算的重要参数，同时对积雪区域水量平衡研究、融雪径流模拟、雪崩预报和建筑物雪荷计算也有重要意义。

目前，国内外关于雪冰密度的获取主要基于野外观测、遥感反演及公式推导三种。其中，野外观测最为准确重要，是开展其他雪冰密度研究的基础和参照。

野外观测中，采用称重法量测雪密度的精度主要取决于取样和称重的准确性。现行通用的取样器(例如称雪器)测量的积雪密度比实际值偏高0.3-10.3％，原因是圆桶形取样器将四周的积雪挤压进入其中，由于施力不均(同一人不同次或者不同人)致使取得多次采集的雪样体积存在较大的差异。

发明内容

本发明的一个目的在于提出一种测量精度更高的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置。

一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，包括硬质雪冰采集组件和称重组件，硬质雪冰采集组件包括钻身和钻刀，钻刀为桶状结构，钻刀开口朝外、且安装在钻身上，钻刀的边缘设有刀齿，用于切割雪冰，钻身用于控制钻刀沿钻刀的轴向转动，称重组件上设有挂钩，挂钩用于勾住硬质雪冰采集组件，钻身包括外壳和设置在外壳内部的动力机体，动力机体上设有芯轴，芯轴与钻刀连接。

本发明的有益效果包括：本发明有效的避免了雪冰提取过程中由于受力不均引起的形变或内部结构被破坏，提高了测量精度；利用钻刀，可对单点数据多次测量，有效的降低了人工单次测量的非稳定、非常态值，进一步提高了测量精度。

另外，根据本发明提供的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，钻刀朝向芯轴的一侧设有刀座，芯轴插入刀座中，芯轴朝向刀座的一端设有卡块，刀座上对应卡块的位置设有卡孔，卡块与卡孔卡接配合。

进一步地，卡块的数量为2个，分别设置在芯轴的两侧，2个卡块之间设有弹簧，2个卡块和弹簧横向穿过芯轴，弹簧为压缩状态，卡块为锥台结构，卡块的最小一端用于插入卡孔，卡块的最大外径大于卡孔的孔径。

进一步地，钻刀的外壁均匀设有圆孔，圆孔用于连接挂钩。

进一步地，钻刀的底部设有推板和推动件，推板与钻刀的内壁滑动配合，推动件用于推动推板朝向钻刀的开口移动。

进一步地，推动件包括依次连接的翘板、中间柱和拨杆，中间柱贯穿钻刀的底部，并通过回力转轴与钻刀转动连接，翘板和拨杆分别设置在钻刀的内部和外部，中间柱为圆柱状结构，翘板和拨杆均沿中间柱的切线朝相反的方向延伸。

进一步地，称重组件包括箱体和设置在箱体内部的称重传感器，称重传感器与挂钩连接。

进一步地，箱体上设有箱盖，箱体内部设有单片机，箱体的内壁上设有减振层和防潮层，箱盖上对应单片机的位置设有显示窗。

本发明的另一个目的在于提出一种雪冰密度测量方法，采用上述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，包括以下步骤：

对指定区域的雪冰执行多点采样并称重，采样时使雪冰填满钻刀，将钻刀内所获得的雪冰的重量值及对应的时间存入预设的重量数据库中；

当接收到密度测量指令时，从重量数据库中读取所有的重量值及对应的时间，根据时间的先后顺序将重量值依次排列，得到初始数据组；

对初始数据组同时执行多组数字滤波处理，得到重量数据组，根据重量数据组中的每一重量值和钻刀的容积即可获得各点的雪冰的密度，取平均值为雪冰密度。

进一步地，多组数字滤波处理包括限幅滤波处理、限速滤波处理、算术平均滤波处理、一阶滞后滤波处理和限幅平均滤波处理。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一实施例的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置的结构示意图；

图2是图1中钻刀与芯轴配合的剖视结构示意图；

图3是图1中称重组件的结构示意图；

图4是图2中A区域的局部放大图；

图5是本发明第二实施例的雪冰密度测量方法的流程示意图。

图中：1-钻身；11-芯轴；111-卡块；112-弹簧；12-手柄；2-称重组件；21-挂钩；22-箱体；23-箱盖；24-称重传感器；3-钻刀；31-刀座；311-卡孔；32-刀齿；33-圆孔；34-推板；35-推动件；351-翘板；352-拨杆；353-中间柱。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”以及类似的表述只是为了说明的目的，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1和图2，本发明的第一实施例提出一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，包括硬质雪冰采集组件和称重组件2，硬质雪冰采集组件包括钻身1和钻刀3，钻刀3为桶状结构，钻刀3开口朝外、且安装在钻身1上，钻刀3的边缘设有若干刀齿32，钻身1用于控制钻刀3沿钻刀3的轴向转动，称重组件2上设有挂钩21，挂钩21用于勾住钻刀3。

需要说明的是，硬质雪冰采集组件和称重组件2是分别使用的，只有当硬质雪冰采集组件采集完成后，才需要称重组件2进行称重。

本发明的优势在于，能有效的避免了雪冰提取过程中由于受力不均引起的形变或内部结构被破坏，提高了测量精度；利用钻刀3，可对单点数据多次测量，有效的降低了人工单次测量的非稳定、非常态值，进一步提高了测量精度。

在本实施例中，钻身1即为具有手柄12的电钻，钻刀3为1mm厚的不锈钢制成，桶高60mm，刀齿32为右倾角56.2°的锯齿。

具体的，钻身1包括外壳和设置在外壳内部的动力机体和电池(未图示)，电池可以选用低温胶体电池，电池为动力机体提供电能，动力机体上设有芯轴11，芯轴11与钻刀3连接，外壳与动力机体之间设有保温层和防潮层。

可以理解的是，动力机体即为电动机，通过与电池连接即可实现转动芯轴11，从而带动钻刀3转动。

更进一步地，钻刀3朝向芯轴11的一侧设有刀座31，芯轴11插入刀座31中，芯轴11朝向刀座31的内壁设有卡块111，刀座31上对应卡块111的位置设有卡孔311，卡块111与卡孔311卡接配合。

可以理解的是，利用卡块111和卡孔311的卡接配合，能实现钻刀3的安装和拆卸。

具体的，卡块111的数量为2个，分别设置在芯轴11的两侧，2个卡块111之间设有弹簧112，2个卡块111和弹簧112横向穿过芯轴11，弹簧112为压缩状态，卡块111为较小面朝外的锥台结构，卡块111的最大外径大于卡孔311的孔径。

需要说明的是，卡块111的一部分位于芯轴11的空腔中，另一部分伸出空腔外与卡孔311卡接。

应当指出的是，弹簧112无需选择弹力较大的弹性材质，由于卡块111的锥台结构，当芯轴11开始转动时，2个卡块111会以芯轴11的轴线为中心进行转动，在离心力的作用下，卡块111会呈相互远离的趋势，此时会进一步对卡孔311产生挤压，使卡块111能卡得更紧。

另外，钻刀3的外壁均匀设有圆孔33，圆孔33用于连接挂钩21。在本实施例中，挂钩21上还设有挂绳，可将挂绳穿过圆孔33，再将挂绳挂在挂钩21上。

优选的，钻刀3的底部设有推板34和推动件35，推板34与钻刀3的内壁滑动配合，推动件35用于推动推板34朝向钻刀3的开口移动。

需要说明的是，在实际操作中，由于刀齿32的存在，难免会出现刀齿32处的雪冰不够紧实而发生缺失，导致钻刀3内的雪冰并不是一个完整的圆柱体，通过推板34能推出一部分雪冰，再利用切削工具切除存在缺失的部分即可获得完整的圆柱体，在计算时即可获得更精确的雪冰体积。其中，推板34的移动距离可根据结构预先设置。

为了防止一部分雪冰透过推板34与钻刀3内壁之间的缝隙穿过，可在推板34的边缘设置橡胶环，使橡胶环与钻刀3的内壁紧密接触。

请参阅图4，具体的，推动件35包括相互连接的翘板351、拨杆352和中间柱353，中间柱353贯穿钻刀3的底部，并通过回力转轴与钻刀3转动连接，翘板351和拨杆352分别设置在钻刀3的内部和外部，中间柱353为圆柱状结构，翘板351和拨杆352均沿中间柱353的切线朝相反的方向延伸。

在本实施例中，推动件35的数量为2个，分别设置在刀座31的两侧。

可以理解的是，当同时拨动拨杆352时，根据杠杆原理，翘板351会撬动推板34朝外移动，实现推动推板34；当释放拨杆352时，翘板351会在回力转轴的作用下自动复位，而推板34则会在下次采集雪冰时，在雪冰的挤压下再次复位。

请参阅图3，称重组件2包括箱体22和设置在箱体内部的称重传感器24，称重传感器24与挂钩21连接，即可通过称重传感器24获得挂在挂钩21上的物体重量。

另外，箱体22上设有箱盖23，箱体22内部设有单片机，箱体22的内壁上设有减振层和防潮层(未图示)，箱盖23上对应单片机的位置设有显示窗。

请参阅图5，本发明的第二实施例提出一种雪冰密度测量方法，采用上述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，包括以下步骤。

S1.对指定区域的雪冰执行多点采样并称重，采样时使雪冰填满钻刀，将钻刀内所获得的雪冰的重量值及对应的时间存入预设的重量数据库中。

具体的，每当接收到称重组件的称重完成指令时，就将所获得的雪冰的重量值及对应的时间存入预设的重量数据库中。

需要说明的是，对积雪的采样一般为3次以上，在本实施例中，选中9处不同的位置进行采样。

S2.当接收到密度测量指令时，从重量数据库中读取所有的重量值及对应的时间，根据时间的先后顺序将重量值依次排列，得到初始数据组。

可以理解的是，本实施例可自动记录数据及对应时间点，克服了高寒湿冷环境下人工记录的不便及携带问题，易存储。

S3.对初始数据组同时执行多组数字滤波处理，得到重量数据组，根据重量数据组中的每一重量值和钻刀的容积即可获得各点的雪冰的密度，取平均值为雪冰密度。

以上步骤均通过外置的后处理平台实现。

具体的，多组数字滤波处理包括限幅滤波处理、限速滤波处理、算术平均滤波处理、一阶滞后滤波处理和限幅平均滤波处理。

其中，限幅滤波处理的步骤包括：

设定初始数据组{x₁,x₂,x₃,…x_n}的最大偏差Δx；

对初始数据组中任一重量值x_n，若|x_n-x_n-1|<Δx，则将x_n存入重量数据组中，否者将x_n-1存入重量数据组中。

另外，将当前测量数据x_n，与其前两次数据x_n-1、x_n-2进行综合比较，取差值的绝对值与Δx为比较依据取得结果x，如下式所示:

另外，算术平均滤波处理为对采样序列求和再取平均，如下式所示：

另外，一阶滞后滤波处理为根据经验设定平滑系数ɑ，它与滤波的时间常数和采样周期有关，一般取小于1的常数。利用ɑ对测量数据和上次测量结果

做平均得到本次数据，如下式所示：

另外，限幅平均滤波处理是为了提高滤波效果，尽量减少噪声数据对结果的影响，常将两种或两种以上算法结合在一起，如可将限幅滤波和均值滤波结合起来，先用限幅滤波初步剔除明显的噪声数据，再用算术平均滤波取平均值以剔除不明显的噪声数据。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，包括硬质雪冰采集组件和称重组件(2)，所述硬质雪冰采集组件包括钻身(1)和钻刀(3)，所述钻刀(3)为桶状结构，所述钻刀(3)开口朝外、且安装在所述钻身(1)上，所述钻刀(3)的边缘设有刀齿(32)，用于切割雪冰，所述钻身(1)用于控制所述钻刀(3)沿所述钻刀(3)的轴向转动，所述称重组件(2)上设有挂钩(21)，所述挂钩(21)用于勾住所述硬质雪冰采集组件，所述钻身(1)包括外壳和设置在所述外壳内部的动力机体，所述动力机体上设有芯轴(11)，所述芯轴(11)与所述钻刀(3)连接。

2.根据权利要求1所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述钻刀(3)朝向所述芯轴(11)的一侧设有刀座(31)，所述芯轴(11)插入所述刀座(31)中，所述芯轴(11)朝向所述刀座(31)的一端设有卡块(111)，所述刀座(31)上对应所述卡块(111)的位置设有卡孔(311)，所述卡块(111)与所述卡孔(311)卡接配合。

3.根据权利要求2所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述卡块(111)的数量为2个，分别设置在所述芯轴(11)的两侧，2个所述卡块(111)之间设有弹簧(112)，2个所述卡块(111)和所述弹簧(112)横向穿过所述芯轴(11)，所述弹簧(112)为压缩状态，所述卡块(111)为锥台结构，所述卡块(111)的最小一端用于插入所述卡孔(311)，所述卡块(111)的最大外径大于所述卡孔(311)的孔径。

4.根据权利要求1所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述钻刀(3)的外壁均匀设有圆孔(33)，所述圆孔(33)用于连接所述挂钩(21)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述钻刀(3)的底部设有推板(34)和推动件(35)，所述推板(34)与所述钻刀(3)的内壁滑动配合，所述推动件(35)用于推动所述推板(34)朝向所述钻刀(3)的开口移动。

6.根据权利要求5所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述推动件(35)包括依次连接的翘板(351)、中间柱(353)和拨杆(352)，所述中间柱(353)贯穿所述钻刀(3)的底部，并通过回力转轴与所述钻刀(3)转动连接，所述翘板(351)和所述拨杆(352)分别设置在所述钻刀(3)的内部和外部，所述中间柱(353)为圆柱状结构，所述翘板(351)和所述拨杆(352)均沿所述中间柱(353)的切线朝相反的方向延伸。

7.根据权利要求1-4任一项所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述称重组件(2)包括箱体(22)和设置在所述箱体(22)内部的称重传感器(24)，所述称重传感器(24)与所述挂钩(21)连接。

8.根据权利要求7所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，所述箱体(22)上设有箱盖(23)，所述箱体(22)内部设有单片机，所述箱体(22)的内壁上设有减振层和防潮层，所述箱盖(23)上对应所述单片机的位置设有显示窗。

9.一种雪冰密度测量方法，采用权利要求1～6任意一项所述的冰川浅层硬质雪冰密度测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

对指定区域的雪冰执行多点采样并称重，采样时使雪冰填满所述钻刀(3)，将所述钻刀(3)内所获得的雪冰的重量值及对应的时间存入预设的重量数据库中；

当接收到密度测量指令时，从所述重量数据库中读取所有的所述重量值及对应的所述时间，根据所述时间的先后顺序将所述重量值依次排列，得到初始数据组；

对所述初始数据组同时执行多组数字滤波处理，得到重量数据组，根据所述重量数据组中的每一所述重量值和所述钻刀(3)的容积即可获得各点的所述雪冰的密度，取平均值为雪冰密度。

10.根据权利要求9所述的雪冰密度测量方法，其特征在于，所述多组数字滤波处理包括限幅滤波处理、限速滤波处理、算术平均滤波处理、一阶滞后滤波处理和限幅平均滤波处理。

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