鉆式冰層厚度自動測量儀及其測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種鉆式冰層厚度自動測量儀，包括電鉆或破冰機，在所述電鉆或破冰機上設置一后端處理單元，所述后端處理單元包括壓力傳感器、旋轉編碼器、單片機、A/D轉換模塊、無線通訊模塊、顯示模塊和電源模塊；所述的壓力傳感器設在電鉆或破冰機的鉆頭上，壓力傳感器經A/D轉換模塊與單片機連接，旋轉編碼器與電鉆或破冰機通過連線相接，旋轉編碼器、無線通訊模塊和顯示模塊分別連接單片機。本發明在傳統電鉆或破冰機的基礎上加以改進，只在傳統電鉆上加一后端測量單元，就能在鉆透冰的那一刻便可自動計算冰的厚度值，不僅克服了黃河水中雜質多、含沙量大等因素給測量帶來的影響，而且免去了人工記錄的麻煩。
【專利說明】鉆式冰層厚度自動測量儀及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于冰層厚度測量領域，具體涉及一種鉆式冰層厚度自動測量儀及其測量方法。
【背景技術】
[0002]在我國北方，由于冬季比較寒冷，封凍期長。冰層達到一定的厚度時，車輛和人員可以直接從冰上通過。這對交通運輸帶來極大方便。但是從返回的信息可以看出，由于水文、地理條件的復雜性，往往存在某些局部冰層變薄的區域(俗稱清溝)。黃河地處北方地區，由于緯度跨度較大，冰凌危害時常發生，給沿岸人民的生命和財產安全帶來了極大的威脅。解決冰凌問題，，首先要認識冰的基本條件，而在受氣象和水文條件控制的冰條件中，最直觀且重要的指標之一是冰的厚度及其變化過程，它是監測冰川變化、河道冰塞形成、凌汛發生和冰對結構物作用力的基礎。如果事先不了解冰厚的分布情況，冰薄的地方將會出現壓塌，造成車輛和人員落入水中的事故。東北地區幾乎每年冬天都有這類事件發生。并且為了保證冰上交通和涉冰作業的安全，需要測定有關水域冰層厚度及其分布情況。基于這種情況需要設計一個可以安全穩定，測量技術精確的儀器來完成這個任務。
[0003]近年來，科技工作者在厚度測量方面做了大量的工作，探討了多種非接觸式測量方法，諸如超聲波法、激光法、射線法等，這些測量方法雖然快捷方便，但易受被測物體的材質、溫度、色澤等因素的影響，因此測量對象參數一般相對固定，如紙張、鍍層、金屬等，有的文獻中也提到了幾種混凝土厚度測量方法，但冰的性質比較特殊，其物理參數隨外界溫度變化較大，又加上黃河水中雜質多、含沙量大，這些無疑都加大了測量的難度，是電磁波等類別的測量方法的精確度大大下降，再者冰與水之間交接面比較特殊，使得上述的厚度測量方法都難以滿足測量要求。當前，黃河上的冰層厚度測量，仍停留在近乎原始的狀態:先用冰鑿將冰層鑿透，然后用尺子直接測量。利用水的導電特性對冰層厚度的方法由于其前提是水與冰所具有的導電特性，而這一特性要受到水的純度、冰層的溫度等因素的影響，特別是冰層底部與水交界面電導率變化特性比較復雜，導電與絕緣無嚴格的分界點，給檢測帶來了困難。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種鉆式冰層厚度自動測量儀及其測量方法，克服了現有技術的不足之處，穩定性好，設備簡單、便攜、經濟實用。
[0005]本發明采用以下技術方案:
一種鉆式冰層厚度自動測量儀，包括電鉆或破冰機，其中，在所述電鉆或破冰機上設置一后端處理單元，所述后端處理單元包括壓力傳感器、旋轉編碼器、單片機、A/D轉換模塊、無線通訊模塊、顯示模塊和電源模塊；所述的壓力傳感器設在電鉆或破冰機的鉆頭上，壓力傳感器經A/D轉換模塊與單片機連接，旋轉編碼器與電鉆或破冰機通過連線相接，旋轉編碼器、無線通訊模塊和顯示模塊分別連接單片機。[0006]作為優選，所述單片機采用AT89S52芯片。
[0007]—種鉆式冰層厚度自動測量方法，包括如下步驟:
第一步，壓力傳感器測量；
第二步，旋轉編碼器測量；
第三步，數據融合，將第一步和第二步得到的冰層厚度值使用數據融合的方法得到最終的冰層厚度值。
[0008]作為優選，所述壓力傳感器測量過程如下: 當壓力傳感器被按下時，單片機將檢測到A/D轉換模塊輸入的低電平信號，從而觸發內部定時器，開始計時；單片機循環監測A/D轉換模塊的轉換結果，當收到高電平信號時，關閉定時器，然后用程序預設速度值乘以定時器時間即可得到冰層厚度值；計算公式如下所示:
【權利要求】
1.一種鉆式冰層厚度自動測量儀，包括電鉆或破冰機，其特征在于:在所述電鉆或破冰機上設置一后端處理單元，所述后端處理單元包括壓力傳感器、旋轉編碼器、單片機、A/D轉換模塊、無線通訊模塊、顯示模塊和電源模塊；所述的壓力傳感器設在電鉆或破冰機的鉆頭上，壓力傳感器經A/D轉換模塊與單片機連接，旋轉編碼器與電鉆或破冰機通過連線相接，旋轉編碼器、無線通訊模塊和顯示模塊分別連接單片機。
2.根據權利要求1所述的一種鉆式冰層厚度自動測量儀，其特征在于:所述單片機采用AT89S52芯片。
3.一種鉆式冰層厚度自動測量方法，其特征在于:包括如下步驟: 第一步，壓力傳感器測量； 第二步，旋轉編碼器測量； 第三步，數據融合，將第一步和第二步得到的冰層厚度值使用數據融合的方法得到最終的冰層厚度值。
4.根據權利要求3所述的一種鉆式冰層厚度自動測量方法，其特征在于:包括如下步驟: 所述壓力傳感器測量過程如下: 當壓力傳感器被按下時，單片機將檢測到A/D轉換模塊輸入的低電平信號，從而觸發內部定時器，開始計時；單片機循環監測A/D轉換模塊的轉換結果，當收到高電平信號時，關閉定時器，然后用程序預設速度值乘以定時器時間即可得到冰層厚度值；計算公式如下所示:
5.根據權利要求3或4所述的一種鉆式冰層厚度自動測量方法，其特征在于:所述旋轉編碼器測量過程如下: 旋轉編碼器與電鉆通過連線相接，當電鉆向下移動時將拉動旋轉編碼器中軸進行旋轉，從而發出矩形脈沖；當檢測到壓力傳感器被按下時，外部中斷端口開始采集與之相接的旋轉編碼器的脈沖，根據編碼器轉一圈發出的總脈沖數和轉輪的周長即可計算出冰層厚度值；計算公式如下所示:
6.根據權利要求5所述的一種鉆式冰層厚度自動測量方法，其特征在于:經以上兩種方法分別得到冰層厚度值后，使用數據融合的方法對數據進行簡單處理，計算公式如下:
【文檔編號】G01B7/06GK103512484SQ201310454512
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月29日 優先權日:2013年9月29日
【發明者】劉明堂, 辛艷輝, 姚淑霞, 袁勝, 張曉華, 劉雪梅, 李釗, 翟華, 黨浩明, 周紅曉, 杜順利, 李坤 申請人:華北水利水電大學