CN205691088U - 一种冻土深度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种冻土深度传感器，包括：控制器、温度采集器、保护管、防水密封盒、灌封材料和控制电缆，其中所述控制器安装在所述防水密封盒内；所述防水密封盒固定设置在所述保护管一端；所述温度采集器通过灌封材料整体灌封在所述保护管一侧的凹槽中，所述保护管的另一端埋入土壤中，所述温度采集器与所述保护管一起被埋入被测土壤中；所述控制电缆连接在所述控制器与所述温度采集器之间。
Description
技术领域
本实用新型涉及冻土测量领域，具体而言，涉及一种冻土深度传感器。
背景技术
冻土测量是冻土地区生产建设的基本需求，在气候环境变化的研究和冻土气象灾害预警等领域是不可或缺的。目前测量冻土的方法有达泥林冻土测量、直接测量、遥感法测量、自动测量等方法。
达泥林方法测量冻土深度例如以灌注在橡胶皮管中水的冻结深度来记录冻土深度的。这种方法较为原始，由于土壤的质地和水溶液的成分复杂、浓度不均、压力的不同等因素使得冻土的冻结和纯水的冻结情况不同，这种测量冻土的方法并不科学，且不能实时监测土壤冻结深度。设计的结构简陋，易损毁。
直接测量方法如人工挖坑或者钻洞，这种方法较为原始，需要投入大量的人力和物力。这种方法的缺点是观测不方便，数据密度不够，不能实时监测冻土深度。
遥感法测量方法只能获取浅层地表的土壤的冻结情况，在我国北方地区，冻土层较厚，使用遥感法不能准确测量冻土的深度。缺点显而易见。
随着自动气象站在全国气象站的广泛普及，很多观测项目已经进行自动观测，但是冻土观测一直没有得到很好的改进。无法满足冻土自动化测量的要求，直到2013年以来一些自动测量冻土的方法开始兴起。
冻土与未冻土的水分和温度参数有一定的差异，且差异在数值上较明显。根据这一特性设计出很多自动化测量冻土的新方法。目前自动化测量冻土的 方法主要有：电容法、电阻法、射线法，红外遥感法等。其中射线法和红外法成本高，不易推广。而电容法和电阻法测量冻土深度较为常见，电容法和电阻法其原理是测量土壤的介电常数，土壤含水量的变化主要是由于介电常数发生变化引起的，当土壤中水变为冰晶时，介电常数会发生明显变化。以此来测量。这种方法需要做大量数据实验用于标定，工作量庞大，且电容极板受热涨冷缩的影响会发生变形，还有土壤中含有大量金属矿石对电容的电场进行干扰也会影响测量结果。
实用新型内容
本实用新型提供一种冻土深度传感器，用以克服现有技术中存在的至少一个问题。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种冻土深度传感器，包括：控制器、温度采集器、保护管、防水密封盒、灌封材料和控制电缆，其中所述控制器安装在所述防水密封盒内；所述防水密封盒固定设置在所述保护管一端；所述温度采集器通过灌封材料整体灌封在所述保护管一侧的凹槽中，所述保护管的另一端埋入土壤中，所述温度采集器与所述保护管一起被埋入被测土壤中；所述控制电缆连接在所述控制器与所述温度采集器之间。
进一步地，所述防水密封盒的防水等级为IP65。
进一步地，所述控制器与所述温度采集器通过温度采集接口相连，所述温度采集接口包含SPI总线、温度传感器分时测量控制信号和供电电源。
进一步地，所述温度采集器由多块温度采集电路板串接构成。
进一步地，每块所述温度采集电路板包括温度采集器接口电路、总线驱动能力增强电路、温度传感器分时测量控制电路和8个温度传感器，所述温度采集器接口电路用于实现与所述控制器相连以及温度采集电路板之间的级联；所述总线驱动能力增强电路用于增强SPI总线驱动能力，实现同时驱动 200个节点；所述温度传感器分时测量控制电路用于选择读取某个温度传感器的数据；所述温度传感器用于测量所在位置的温度值。
进一步地，所述控制器采用意法半导体公司的STM32F103。
经过测试，本实用新型的冻土传感器结构简单，成本低廉，易于实现，可操作强。大大提高了冻土检测的精度。而且使用这种结构的冻土传感器使用寿命长，不受季节限制，非常适合野外使用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a、图1b图为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的正视图和侧视图；
图2为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的结构图；
图3为本实用新型一个实施例的控制器结构示意图；
图4为本实用新型一个实施例的温度采集器结构示意图；
图5为本实用新型一个实施例的保护管剖面图；
图6为本实用新型一个实施例的温度采集板示意图；
图7a、图7b为本实用新型一个实施例的总线驱动能力增强电路示意图；
图7c、图7d为本实用新型一个实施例的温度采集接口电路示意图；
图7e为本实用新型一个实施例的温度传感器分时测量控制电路示意图；
图7f为本实用新型一个实施例的用于提高ADT7310数据输出端口的输出能力的电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
图1a、图1b图为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的正视图和侧视图；图2为本实用新型一个实施例的冻土深度传感器的结构图；如图所示，A为土壤，B为地表面，冻土深度传感器是用于冻土层深度的自动测量仪器，包括：控制器2、温度采集器6、保护管3、防水密封盒1、灌封材料5和控制电缆4，其中控制器2安装在防水密封盒1内；防水密封盒1固定设置在保护管3一端；保护管3的另一端埋入土壤中；温度采集器6通过灌封材料整体灌封在保护管3一侧的凹槽中，温度采集器6与保护管3一起被埋入被测土壤中；控制电缆4连接在控制器2与温度采集器6之间。图2中，外部设备201与控制器2相连，控制器2包括RS-485接口202、处理器203(可优选高性能低功耗处理器)、电源模块204、第一温度采集接口205，温度采集器6包括第二温度采集接口206及与第二温度采集接口206相连的第1个温度采集电路板207、第2个温度采集电路板208、……、第n个温度采集电路板209和第n+1个温度采集电路板210，n为自然数。
由于安装地点的条件限制(野外、高寒)，所有元器件的均采用工业级温度标准(-40℃～85℃)，盒体及保护管防水等级IP65以上，据有巨大的测量深度(本实施例以2米测量深度为例)。
以下对冻土深度传感器的各部件进行详细介绍。
(1)控制器
控制器为温度采集器提供电源，并对温度采集器采集的温度数据的进行读取和处理，以及与外部设备的数据通讯。控制器安装在防水等级IP65的密封盒中。
CPU选用意法半导体公司的STM32F103作为处理器。STM32系列基于专为要求高性能、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。因此控制器的数据处理和通讯能力非常强大。
控制器采用DC12V电压供电。电源模块采用LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压器，高效、稳定。
RS-485接口作为控制器与外设的通讯接口，采用ModBus标准协议。
控制器与温度采集器通过温度采集接口相连，接口包含SPI总线、温度传感器分时测量控制信号和供电电源。
(2)温度采集器
温度采集器用于为温度数据的采集，内部带有200个温度测点，由25块采集电路板串接构成(可根据需求串接更多的采集电路板完成更深的温度采集)，可以完成高密度测量，以保证温度采集器测量精度。由于使用环境的限制，温度采集器被灌封在保护管中。其安装方式采用地埋式，将保护管连同温度采集器垂直于地表面一同埋入土壤中。深度的选择是根据被测地点的气候条件，埋入相应深度。
在一个实施例中，保护管采用长2200mm、宽40mm、高40mm的环氧树脂棒，一侧表面挖出长2000mm、宽30mm、深30mm的凹形槽，温度采集器被环氧树脂填充物和硅橡胶填充物灌封在凹形槽中。
温度采集器由25块采集电路板级联构成，两块采集电路板之间由硅橡胶 排线相连接。每块采集电路板以1cm为间距平均分布8个温度传感器。
采集电路板由温度采集器接口电路、总线驱动能力增强电路、温度传感器分时测量控制电路和8个温度传感器组成。采集器接口电路用于与控制器相连和采集电路板之间的级联。总线驱动能力增强电路的作用是增强SPI总线驱动能力，实现同时驱动200个节点。温度传感器分时测量控制电路的作用是选择读取哪个温度传感器的数据。温度传感器由于检测温度传感器所在位置的温度值。
图5为本实用新型一个实施例的保护管剖面图；图6为本实用新型一个实施例的温度采集板示意图；图7a、图7b为本实用新型一个实施例的总线驱动能力增强电路示意图；图7c、图7d为本实用新型一个实施例的温度采集接口电路示意图；图7e为本实用新型一个实施例的温度传感器分时测量控制电路示意图；图7f为本实用新型一个实施例的用于提高ADT7310数据输出端口的输出能力的电路示意图。图5中，长度的单位为毫米；图6中601为温度传感器，602为硅橡胶排线，603为采集电路板。
以下从测量原理角度进一步介绍本实用新型。
冻土深度传感器的测量原理为控制器依次读取温度采集器上的温度传感器的数值并保存在内部寄存器中。外部设备读取控制器内的寄存器数据，根据所得数据，查找测量数据0℃以下的温度传感器编号，根据温度传感器编号换算出冻土深度。
(1)控制器
其工作方式是控制器以1s的时间频率循环读取温度采集器内部200个温度传感器的数据，并将数据保存在CPU内部寄存器中，当外部设备需要读取温度数据时，只需读取相应寄存器的数据即可。
若采用主从方式由外设发出测量指令，控制器再启动测量，当温度传感 器数量较多时，控制器采集一轮温度数据需时较长，外设等待时间过长。这种工作方式的好处是，可以保证数据的实时性和可以快速的读取数据。
温度采集器由200个温度传感器构成，最大测量深度可达2m。
(2)温度采集器
温度采集器的设计思想为利用带有SPI总线的数字型温度传感器组成一个类似于可以读取温度的标尺。SPI是串行外设接口(Serial Peripheral Interface)的缩写。SPI总线是一种高速的，全双工，同步的通信总线，可以实现是一个主设备(CPU)连接多个从设备(温度传感器)的目的。数字型温度传感器组态灵活、运行稳定、抗干扰能力强，数据采集准确度高，满足高标准数据监测要求。
由于气候原因，冻土深度具有巨大的差异，有些地点的冻土深度较浅，有些地点的冻土深度较深，统一长度的温度采集器无法满足所有用户的需求。为了满足所有客户需求，温度采集器采用电路板级联安装设计模式。即温度采集器由若干采集电路板级联组成，这种设计的优点是用户可以根据被测地点的气象条件适当选择温度采集器的长度(测量点数)。在埋设温度采集器的时候，极其方便用户施工及安装，减少现场工作量。
温度采集器最大的设计亮点在于有效解决了大量测量点(温度传感器个数)的分时测量控制。分时测量控制含义是在编写程序的时候需要逐一对温度传感器进行数据的读取，此时，我们需要有一个信号来告诉挂在总线上的CPU，这些数据是哪个芯片传来的。
温度采集传感器采用双SPI总线、多组温度传感器级联的方式构成。第一条SPI总线用于各个温度传感器ADT7310的温度采集命令和温度值的传输，另一条SPI总线结合74HC595及外围电路完成位于第一条SPI总线上温度传感器的使能信号控制，从而达到200个温度传感器位于一条SPI总线上，在某一时刻只有一个被使能与单片机进行通讯并完成温度采集的目的。这样设计的优点有三：第一、温度传感器的采集点数可以扩充，在供电电源线足够粗(保证线电阻很小)的情况下，可以无限级扩充；第二、仅用7条 信号线完成大量温度点的温度采集；第三、采用该设计方法，每个点的ID号自然形成，无需刻意设置，每个温度传感器所在的SPI的位置的74HC595发出的使能信号就是该温度采集点的ID，该ID由电路自然形成无需配置，因此大大化简了使用繁琐度。
图7a-图7f中，U27(74HC595)将串行片选数据转换成并行输出，分别对应相应的温度传感器芯片ADT7310的使能引脚，从而完成对所有传感器芯片同一时刻的唯一性选择。
U25、U26(74HC3G34)用于对SPI信号进行增强。由于该产品电路结构为级联模式，所以线路较长，因此采用U25、U26每隔8个温度采集点对SPI信号进行增强。
U9(1G125)用于提高ADT7310数据输出端口的输出能力，由于该产品电路结构为级联模式，所以线路较长，因此采用U9(1G125)每隔8个温度采集点对温度信号进行增强。为了防止后级的传感器模组的数据信号对本级数据信号的影响，采用1G125和9个1N4148(D2～D10)完成。D2～D9每个对应本级的一个温度传感器使能信号，如果一个模组的其中的一个信号被使能，则该模组的1G125被使能，该使能信号通过D10向其前面的模组传输，使其前面直至单片机引脚的1G125全部开通使能，该模组后面的模组的1G125全部为禁用高阻状态，防止数据总线被影响。
(3)保护管
根据保护管的结构剖面图，图中所示保护管外壳材料均为导热系数比较低的材料，如果使用导热系数高的材料(例如金属材料)作为保护管，由于材料的热传递作用，那么保护管会使测量的各点温度趋于平均化，影响测量结果。
环氧树脂具有物理强度高，耐腐蚀，绝缘度高，导热系数低的特点，这样就避免了被土壤中的物质侵蚀。硅橡胶具有优良的电绝缘性能、密封性能 和耐老化的性能。硅橡胶的表面能比大多数有机材料小，具有低吸湿性，与许多材料不发生粘合，填充硅橡胶使电路板与外界隔离。
经过测试，这种新型冻土传感器结构简单，成本低廉，易于实现，可操作强。大大提高了冻土检测的精度。而且使用这种结构的冻土传感器使用寿命长，不受季节限制，非常适合野外使用。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种冻土深度传感器，其特征在于，包括：控制器、温度采集器、保护管、防水密封盒、灌封材料和控制电缆，其中所述控制器安装在所述防水密封盒内；所述防水密封盒固定设置在所述保护管一端；所述温度采集器通过灌封材料整体灌封在所述保护管一侧的凹槽中，所述保护管的另一端埋入土壤中，所述温度采集器与所述保护管一起被埋入被测土壤中；所述控制电缆连接在所述控制器与所述温度采集器之间。
2.根据权利要求1所述的冻土深度传感器，其特征在于，所述防水密封盒的防水等级为IP65。
3.根据权利要求1所述的冻土深度传感器，其特征在于，所述控制器与所述温度采集器通过温度采集接口相连，所述温度采集接口包含SPI总线、温度传感器分时测量控制信号和供电电源。
4.根据权利要求1所述的冻土深度传感器，其特征在于，所述温度采集器由多块温度采集电路板串接构成。
5.根据权利要求4所述的冻土深度传感器，其特征在于，每块所述温度采集电路板包括温度采集器接口电路、总线驱动能力增强电路、温度传感器分时测量控制电路和8个温度传感器，所述温度采集器接口电路用于实现与所述控制器相连以及温度采集电路板之间的级联；所述总线驱动能力增强电路用于增强SPI总线驱动能力，实现同时驱动200个节点；所述温度传感器分时测量控制电路用于选择读取某个温度传感器的数据；所述温度传感器用于测量所在位置的温度值。
6.根据权利要求1所述的冻土深度传感器，其特征在于，所述控制器采用意法半导体公司的STM32F103。
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