CN217155322U - 基于tdr原理的淤泥深度监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于TDR原理的淤泥深度监测仪，包括底端封闭的中空导管，导管外侧壁的下部沿其纵向依次交错设置有两组以上的探针，探针通过同轴电缆连接有BNC连接器，导管内侧壁的上部固定设置有SFCW‑TDR信号采集器，探针的BNC连接器插接连接于SFCW‑TDR信号采集器对应的BNC插孔上。导管的顶端固定设置有机箱，机箱内设置有核心板，核心板通过数据线和SFCW‑TDR信号采集器相连接，核心板通过网络通讯模块连接监测平台。本实用新型通过SFCW‑TDR信号采集器发射电磁信号，电磁信号经同轴电缆传输至各个探针，从而获得测量迹线，监测平台可以自动计算和监测淤泥当前淤积的深度，从而实现实时、自动且高效地对淤泥的淤积状况进行监测。

Description

基于TDR原理的淤泥深度监测仪

技术领域

本实用新型涉及湖泊、河道监测技术领域，尤其涉及基于TDR原理的淤泥深度监测仪。

背景技术

淤泥是指在静水或缓慢的流水环境中沉积的天然含水率大于液限、天然孔隙比大于1.0的黏性土，其粒径小于0.03mm。

由于中国的广大河流是位于亚热带或者温带气候区域，通常在夏季的降雨量要大于冬季的降雨量，这就造成夏季的地表径流要大于冬季的地表径流，由此带来的结果是在夏季时河流的流量大、水位深同时携带的淤泥量较大，但是同时大的流量也会对河底的淤泥的冲刷效果较强。并且暴雨或者日常市政维护时，地表的垃圾或者废弃物会随着地表径流冲刷进入到河流中，而这些垃圾或废弃物会在河流的河道中形成淤泥，淤积在河流的河底，这将会严重影响河流的通航，这些淤泥还会对河流的水质造成不健康的影响，因而，监控河底淤泥的状况成为目前河道治理中的一项非常重要的工作。

目前对于淤泥淤积厚度的监测，通常采用人工使用机械测量杆来测量河底淤泥的厚度。这样的测量方式，需要耗费很大的人力物力，同时也不能对淤泥的淤积状况进行实时、自动地监测，并且在人工操作的过程中，还容易出现人员受伤、溺水等事故。

时域反射原理(Time Domain Reflectometry，TDR)产生于上世纪三十年代，最初被用来检测和定位通讯电缆的受损位置。当一个电磁脉冲激励信号沿传输线传输，传输线的中断、受损或周边物质的不连续性均会引起其阻抗的变化，这种阻抗的变化将会导致传输的信号在此不连续点处产生一个反射，通过精密的测量电磁波入射波和反射波的行程时间差，则可以准确的判定此不连续点的位置。随着上世纪七十年代发现TDR技术能测定土壤体积含水量后，它被广泛应用于农业领域。而自八十年代后，该技术也应用于岩土工程领域，在测定土体含水量和干密度、监测滑坡稳定性、测定地下水位和电导率、监测土体污染及化学加固土质量控制等方面得以应用，并以方便、安全、经济、数字化及易于远程控制通讯等特点而受到广泛关注。

传统TDR技术应用的其中一个局限在于其采集器与测量地点不可距离过远(应该以10米之内为好)，过远会导致信号采集与传感器连接的同轴电缆长度过长，致使高频电磁信号衰减加剧，影响测量效果。

因此，需要一种能够实时、自动且高效的监测仪器对淤泥的淤积状况进行监测。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供基于TDR原理的淤泥深度监测仪，可以自动计算淤泥当前淤积的深度，实现实时高效地对淤泥的淤积状况进行监测，同时能保证测量结果的准确度和稳定性。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

基于TDR原理的淤泥深度监测仪，包括底端封闭的中空导管，所述导管外侧壁的下部沿其纵向依次交错设置有两组以上的探针，所述探针通过同轴电缆连接有BNC连接器，所述导管内侧壁的上部固定设置有SFCW-TDR信号采集器，探针的BNC连接器插接连接于SFCW-TDR信号采集器对应的BNC插孔上；所述导管的顶端固定设置有机箱，所述机箱内设置有核心板，所述核心板通过数据线和SFCW-TDR信号采集器相连接，所述核心板通过网络通讯模块连接监测平台。

进一步设置为：所述机箱内还设置有蓄电池，所述蓄电池与核心板电性连接，所述机箱的顶端倾斜设置有太阳能电池板，所述太阳能电池板与蓄电池电性连接，蓄电池用于给监测仪内部用电器件供电。

进一步设置为：所述机箱的侧壁开设有散热孔，所述散热孔处设置有防尘网。

进一步设置为：所述机箱于散热孔的周侧设置有防水导流罩。

进一步设置为：所述机箱的一侧转动设置有箱门，所述箱门上设置有电子锁。

进一步设置为：所述探针由阻抗转换器、横向直针体和纵向直针体组成；所述阻抗转换器为管状，置于导管内，所述阻抗转换器内沿其轴向安装横向直针体，同轴电缆的一端与横向直针体相连接。

进一步设置为：所述纵向直针体包括中心纵向直针体和位于中心纵向直针体两侧的与中心纵向直针体平行设置的侧纵向直针体，均贴附于导管的外侧壁，中心纵向直针体的上端与横向直针体连接；每个侧纵向直针体的上端设有一个环状直角折弯，所述环状直角折弯的环状部与纵向直针体相垂直。

进一步设置为：所述阻抗转换器为管帽和套管组成的T型管状构件，所述管帽与套管插接固定，所述套管内沿其轴向插装横向直针体。

进一步设置为：所述套管内还设有导电管，导电管的一端与管帽相连接，另一端与环状直角折弯的直线部相连接，所述导电管和横向直针体之间设置有分隔层。

进一步设置为：所述导管侧壁设有通孔，阻抗转换器插入所述通孔内，并采用树脂胶密封周边。

相比于现有技术，本实用新型的有益技术效果为：

(1)本实用新型通过SFCW-TDR信号采集器发射电磁信号，电磁信号经同轴电缆传输至各个探针，从而获得测量迹线，测量迹线记录了电磁信号沿探针传输产生反射的反射系数随时间变化的实时过程，通过监测平台对各个探针的测量迹线进行监测。当监测的迹线图出现明显的三个反射峰值时，确定对应的处于水土分界层中的探针，可以自动计算得出淤泥当前淤积的深度，从而实现实时、自动且高效地对淤泥的淤积状况进行监测。

(2)通过采用SFCW-TDR信号采集器，可以实现多个探针的巡回监测，信号采集器的RS485端口再与数十米外的核心板连接，解决了采集器与测量目标相距较远引起高频微波信号衰减过大的问题，保证了测量结果的准确度和稳定性。

(3)通过监测平台可以获取SFCW-TDR信号采集器的测量迹线，测量迹线记录了电磁信号沿探针传输产生反射的反射系数随时间变化的实时过程，强冲激的脉冲函数使得测量结果直观明了，更适合于实现自动化的在线监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型中机箱的结构示意图；

图3为本实用新型中阻抗转换器与同轴电缆的结构示意图及其连接关系图；

图4为本实用新型中纵向直针体与横向直针体的结构示意图及其连接关系图。

附图标记：1、导管；2、机箱；3、同轴电缆；4、BNC连接器；5、SFCW-TDR信号采集器；6、核心板；7、数据线；8、蓄电池；9、太阳能电池板；10、散热孔；11、防水导流罩；12、箱门；13、电子锁；14、通孔；15、阻抗转换器；151、管帽；152、套管；153、导电管；154、分隔层；16、横向直针体；17、纵向直针体；171、中心纵向直针体；172、侧纵向直针体；173、环状直角折弯。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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实用新型中的具体含义。

下面首先对本申请文件涉及的技术术语进行解释：

电子测量领域主要基于三种体制：时域无载频脉冲体制、频域频率步进波体制和调频连续波体制。

TDR测量技术：采用的是无载频脉冲体制，技术核心为高速延迟线技术。无载频脉冲体制TDR本质上是一个宽带接收的高频示波器，其测量迹线是所发射的阶跃波信号传输过程中，发射和反射信号叠加的电压值随时间的变化状况，其精确的反射时间点需要对其测量迹线图像通过特定算法确定。

SFCW-TDR测量技术：将频域频率步进体制和向量接收技术应用于TDR测量。SFCW-TDR的测量迹线是一个基于数字信号处理技术(DSP)得到的数字化的图像，其记录了电磁信号沿探针传输产生反射的反射系数随时间变化的实时过程，强冲激的脉冲函数使得测量结果直观明了。

实施例

参照图1，为本实用新型公开的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，包括底端封闭的中空导管1，导管1采用高分子低介电常数的材质如聚四氟乙烯制成，导管1的底部设置为圆锥形以便埋入河道淤泥中。导管1外侧壁的下部沿其纵向依次交错设置有探针，相邻两个探针以导管1的纵向平面为中心呈对称分布，探针至少设置有两组，根据不同河道的实际情况增加探针数量。探针通过同轴电缆3连接有BNC连接器4，导管1内侧壁的上部固定设置有SFCW-TDR信号采集器5，探针的BNC连接器4插接连接于SFCW-TDR信号采集器5对应的BNC插孔上，可实现多个探针的巡回监测。

导管1的顶端固定设置有机箱2，机箱2内设置有核心板6，核心板6通过数据线7和SFCW-TDR信号采集器5的RS485端口相连接，核心板6通过网络通讯模块连接监测平台，从而解决了采集器与测量目标相距较远引起高频微波信号衰减过大的问题。

通过监测平台对各个探针的测量迹线进行监测，当监测的迹线图出现明显的三个反射峰值时，确定对应的处于水土分界层中的探针，可自动计算得出淤泥当前淤积的深度。

机箱2内还设置有蓄电池8，蓄电池8与核心板6电性连接，机箱2的顶端倾斜设置有太阳能电池板9，太阳能电池板9与蓄电池8电性连接，蓄电池8用于给监测仪内部用电器件供电。

参照图2，机箱2的侧壁开设有散热孔10，机箱2内部用电器件运行过程中积攒的热量可以从散热孔10中散出，机箱2的内侧壁于散热孔10处可拆卸设置有防尘网。机箱2于散热孔10的周侧设置有防水导流罩11，以减少雨水通过散热孔10侵入机箱2内部而对内部器件造成损坏。机箱2的一侧转动设置有箱门12，箱门12上设置有电子锁13，通过箱门12可以打开或关闭机箱2，以便工作人员对内部进行检修。

参照图3和图4，探针由阻抗转换器15、横向直针体16和纵向直针体17组成，相邻两个探针的纵向直针体17于纵向平面设置有重叠部分。阻抗转换器15为管状，置于导管1内，阻抗转换器15内沿其轴向安装横向直针体16，同轴电缆3的一端与横向直针体16相连接。阻抗转换器15为管帽151和套管152组成的T型管状构件，管帽151与套管152插接固定，套管152内沿其轴向插装横向直针体16。其中，套管152的外径为D₀，内径为d₀，长度为L₀。不锈钢材质且呈柱状的横向直针体16长度为L₀，直径为d₂，横向直针体16的前端设有插孔，同轴电缆3的一端穿入管帽151内，且同轴电缆3的内导体插入插孔内，冷压固定连接同轴电缆3内导体和横向直针体16。剥离处于管帽151内同轴电缆3的外绝缘层，使同轴电缆3外导体与管帽151紧密连接。

导管1侧壁开设有多个与探针一一对应的通孔14，套管152同样采用聚四氟乙烯材质制成，将套管152紧密插入通孔14内，并采用树脂胶密封周边，避免水分沿通孔14缝隙渗入。

导管1的外侧壁由上至下依次紧密贴附三针式纵向直针体17，为了避免与导管1的外侧壁间有空气渗入，可以在导管1的外侧壁设置凹槽，纵向直针体17卧装于凹槽内，但并不限定这种方式。纵向直针体17包括中心纵向直针体171和位于中心纵向直针体171两侧的与中心纵向直针体171平行设置的侧纵向直针体172，中心纵向直针体171的上端与横向直针体16焊接固定。每个侧纵向直针体172的上端设有一个环状直角折弯173，环状直角折弯173的环状部与纵向直针体17相垂直。套管152内还插装有长度为L₀、外径为d₀、内径为d₁的导电管153，其中，d₁＞d₂，导电管153的一端与管帽151相连接，另一端与环状直角折弯173的直线部相连接。为了避免中心纵向直针体171与侧纵向直针体172相接触短路，导电管153和横向直针体16之间设置有分隔层154，分隔层154采用高分子低介电常数材质的聚四氟乙烯制作而成。

本实用新型的工作原理及有益效果为：

SFCW-TDR信号采集器5采用了SFCW-TDR测量技术，通过SFCW-TDR信号采集器5发射电磁信号，电磁信号经同轴电缆3传输至各个探针，从而获得测量迹线，测量迹线是一个基于数字信号处理技术(DSP)得到的数字化的图像，测量迹线记录了电磁信号沿探针传输产生反射的反射系数随时间变化的实时过程，测量迹线和采集数据通过核心板6传输至监测平台。通过监测平台对各个探针的测量迹线进行监测，当监测的迹线图出现明显的三个反射峰值时，确定对应的处于水土分界层中的探针，可以自动计算得出淤泥当前淤积的深度，从而实时、自动且高效地对淤泥的淤积状况进行监测。同时，本实用新型解决了采集器与测量目标相距较远引起高频微波信号衰减过大的问题，保证了测量结果的准确度和稳定性。

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；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部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各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.基于TDR原理的淤泥深度监测仪，包括底端封闭的中空导管(1)，其特征在于：所述导管(1)外侧壁的下部沿其纵向依次交错设置有两组以上的探针，所述探针通过同轴电缆(3)连接有BNC连接器(4)，所述导管(1)内侧壁的上部固定设置有SFCW-TDR信号采集器(5)，探针的BNC连接器(4)插接连接于SFCW-TDR信号采集器(5)对应的BNC插孔上；

所述导管(1)的顶端固定设置有机箱(2)，所述机箱(2)内设置有核心板(6)，所述核心板(6)通过数据线(7)和SFCW-TDR信号采集器(5)相连接，所述核心板(6)通过网络通讯模块连接监测平台。

2.根据权利要求1所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述机箱(2)内还设置有蓄电池(8)，所述蓄电池(8)与核心板(6)电性连接，所述机箱(2)的顶端倾斜设置有太阳能电池板(9)，所述太阳能电池板(9)与蓄电池(8)电性连接，蓄电池(8)用于给监测仪内部用电器件供电。

3.根据权利要求1所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述机箱(2)的侧壁开设有散热孔(10)，所述散热孔(10)处设置有防尘网。

4.根据权利要求3所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述机箱(2)于散热孔(10)的周侧设置有防水导流罩(11)。

5.根据权利要求1所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述机箱(2)的一侧转动设置有箱门(12)，所述箱门(12)上设置有电子锁(13)。

6.根据权利要求1所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述探针由阻抗转换器(15)、横向直针体(16)和纵向直针体(17)组成；所述阻抗转换器(15)为管状，置于导管(1)内，所述阻抗转换器(15)内沿其轴向安装横向直针体(16)，同轴电缆(3)的一端与横向直针体(16)相连接。

7.根据权利要求6所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述纵向直针体(17)包括中心纵向直针体(171)和位于中心纵向直针体(171)两侧的与中心纵向直针体(171)平行设置的侧纵向直针体(172)，均贴附于导管(1)的外侧壁，中心纵向直针体(171)的上端与横向直针体(16)连接；每个侧纵向直针体(172)的上端设有一个环状直角折弯(173)，所述环状直角折弯(173)的环状部与纵向直针体(17)相垂直。

8.根据权利要求7所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述阻抗转换器(15)为管帽(151)和套管(152)组成的T型管状构件，所述管帽(151)与套管(152)插接固定，所述套管(152)内沿其轴向插装横向直针体(16)。

9.根据权利要求8所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述套管(152)内还设有导电管(153)，导电管(153)的一端与管帽(151)相连接，另一端与环状直角折弯(173)的直线部相连接，所述导电管(153)和横向直针体(16)之间设置有分隔层(154)。

10.根据权利要求6所述的基于TDR原理的淤泥深度监测仪，其特征在于：所述导管(1)侧壁设有通孔(14)，阻抗转换器(15)插入所述通孔(14)内，并采用树脂胶密封周边。

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