本發(fā)明屬于測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自校準(zhǔn)超聲測釬裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

測釬法適用于分散的土狀堆積物形成的穩(wěn)定坡面土壤流失觀測。該方法具體操作為：向待測坡面有規(guī)律的插入若干細(xì)釬，常見的測釬布設(shè)為3×3的9根測釬方陣，在插釬上標(biāo)記與土壤表層持平的位置，作為原始高度點(diǎn)，人工定期觀測地表土層降低的厚度，計(jì)算土壤蝕侵量等水土流失量相關(guān)數(shù)據(jù)。該方法要求測量人員定期到達(dá)現(xiàn)場查看插釬的狀態(tài)，人工測量每根插釬的地表降低厚度，這種方法耗時(shí)耗力且易破壞坡面穩(wěn)定性。

若將水土保持專業(yè)與測試技術(shù)相結(jié)合，以超聲測距原理為理論基礎(chǔ)，自動(dòng)監(jiān)測地表降低厚度，即可解決此問題。超聲測距原理即利用超聲波在傳播過程中，方向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到物體表面會產(chǎn)生反射波的特性，檢測波的發(fā)射時(shí)刻與反射波到達(dá)設(shè)備時(shí)刻的時(shí)間間隔，根據(jù)超聲波傳播理論，就可計(jì)算出設(shè)備與物體表面之間的距離。實(shí)際應(yīng)用中，超聲波聲速在不同環(huán)境下有所差別，在保證一定精確度的情況下是不可忽略的。一般的，確定測量時(shí)的溫度、濕度、氣壓等環(huán)境值，通過數(shù)學(xué)建模修正可得到準(zhǔn)確的超聲波聲速，但在測釬上增加這些環(huán)境測量裝置使得測釬過于復(fù)雜且增加了裝置成本。為此，研發(fā)一種利用測釬法測量水土流失量的自動(dòng)監(jiān)測裝置，避免傳統(tǒng)測釬法耗時(shí)耗力且易破壞坡面穩(wěn)定性的弊端，在保證精度的情況下避免對溫度、濕度、氣壓等環(huán)境值的測量裝置及其方法，是目前亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種自校準(zhǔn)超聲測釬裝置及測量方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種自校準(zhǔn)超聲測釬裝置，包括測釬桿；測釬桿頂端固定有超聲波收發(fā)模塊，測釬桿上還設(shè)有與超聲波收發(fā)模塊距離固定的標(biāo)準(zhǔn)反射板。

進(jìn)一步的，超聲波收發(fā)模塊包括單片機(jī)及超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和超聲波換能器；單片機(jī)及超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)連接超聲波發(fā)射電路的輸入端和超聲波接收電路的輸出端，超聲波發(fā)射電路的輸出端連接超聲波換能器的控制端，超聲波換能器的輸出端連接超聲波接收電路的輸入端；標(biāo)準(zhǔn)反射板正對超聲波換能器發(fā)出超聲波的一側(cè)設(shè)置。

進(jìn)一步的，單片機(jī)及超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，控制超聲波的發(fā)射與接收，并在每次超聲波發(fā)射或接收時(shí)，控制計(jì)時(shí)作為超聲波的傳播時(shí)間；同時(shí)，單片機(jī)預(yù)留rs485接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。

進(jìn)一步的，超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)的型號為tdc1011。

一種自校準(zhǔn)超聲測釬裝置的測量方法，包括以下步驟：測釬桿插入待測坡面，超聲波收發(fā)模塊發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波傳播到標(biāo)準(zhǔn)反射板時(shí)，超聲波一次返回，超聲波收發(fā)模塊接收到一次返回的超聲波；未返回的超聲波傳播到待測坡面二次返回，超聲波收發(fā)模塊接收到二次返回的超聲波；通過對兩次傳播的時(shí)間，確定二次傳播的距離即測量超聲波收發(fā)模塊與坡面的距離。

進(jìn)一步的，超聲波收發(fā)模塊與標(biāo)準(zhǔn)反射板之間的間距為sn；超聲波第一次返回的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間tn；超聲波第二次返回的時(shí)間為tx，超聲波收發(fā)模塊距離坡面的距離為

進(jìn)一步的，按照設(shè)定的時(shí)間梯度，重復(fù)監(jiān)測超聲波收發(fā)模塊距離坡面的距離，通過兩次測量數(shù)據(jù)之差計(jì)算得該位置水土流失量的厚度信息。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、利用二次反射原理實(shí)現(xiàn)測試的自校準(zhǔn)，在不用測環(huán)境值的情況下，得到精確地超聲波波速，使測釬結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉；

2、通過適當(dāng)提高超聲探頭的激勵(lì)頻率至112khz，在確保測量距離在30-70cm的范圍內(nèi)，提高水土流失量的測量誤差在0.3mm以內(nèi)，保證測量精度；

3、通過數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)省傳統(tǒng)測量的人工成本，避免人工讀數(shù)時(shí)因踩踏引起破壞坡面穩(wěn)定性而帶來的監(jiān)測誤差；

4、采用工業(yè)級單片和tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)構(gòu)建超聲發(fā)射、接收測距平臺；

5、適當(dāng)提高超聲探頭的激勵(lì)頻率，在保證測量范圍的基礎(chǔ)上提高測量精度；

6、利用兩次反射原理實(shí)現(xiàn)聲速監(jiān)測自動(dòng)校準(zhǔn)；

7、利用rs485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明實(shí)施例的限定。

圖1為自校準(zhǔn)超聲測釬裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2為自校準(zhǔn)超聲測釬裝置的測量方法流程圖。

附圖標(biāo)記：

1、測釬桿；2、超聲波收發(fā)模塊；3、標(biāo)準(zhǔn)反射板；4、單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)；5、超聲波發(fā)射電路；6、超聲波接收電路；7、超聲波換能器；8、待測坡面；9、超聲波。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施案例和附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對本發(fā)明的限定。

請參閱圖1所示，本發(fā)明一種自校準(zhǔn)超聲測釬裝置，包括一根測釬桿1、超聲波收發(fā)模塊2和標(biāo)準(zhǔn)反射板3。超聲波收發(fā)模塊2與標(biāo)準(zhǔn)反射板3連接于測釬桿1上，超聲波收發(fā)模塊2與標(biāo)準(zhǔn)反射板3距離固定。其中，超聲波收發(fā)模塊2內(nèi)設(shè)置有單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片4、超聲波發(fā)射電路5、超聲波接收電路6和超聲波換能器7。單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)4連接超聲波發(fā)射電路5的輸入端和超聲波接收電路6的輸出端，超聲波發(fā)射電路5的輸出端連接超聲波換能器7的控制端，超聲波換能器7的輸出端連接超聲波接收電路6的輸入端；標(biāo)準(zhǔn)反射板3正對超聲波換能器7發(fā)出超聲波的一側(cè)設(shè)置。

標(biāo)準(zhǔn)反射板3與超聲波收發(fā)模塊2組合構(gòu)建超聲發(fā)射、接收測距平臺，實(shí)現(xiàn)測試參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)功能，避免測試環(huán)境干擾對超聲波的影響。

當(dāng)自校準(zhǔn)超聲測釬裝置用于水土流失量監(jiān)測時(shí)，先將測釬桿1插入待測坡面8，依據(jù)土壤類型與現(xiàn)場環(huán)境的不同，確定本裝置插入地面的深度，以保證裝置在監(jiān)測期間的穩(wěn)定性。

首先，進(jìn)行一次測量，單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)4控制發(fā)射電路5通過超聲波換能器7發(fā)出超聲波9，當(dāng)超聲波9傳播到標(biāo)準(zhǔn)反射板3，超聲波9一次返回，超聲波換能器7接收到一次返回超聲波9，通過接收電路6傳回給單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)4；

未返回的超聲波9傳播到待測坡面8后二次返回，超聲波換能器7接收到二次返回超聲波9，再通過接收電路6傳回給單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)4。由于標(biāo)準(zhǔn)反射板3與超聲波收發(fā)模塊2的距離一定，兩次傳播的超聲波波速相同，則通過對兩次傳播時(shí)間的確定，可得到二次傳播的距離即測量超聲波收發(fā)模塊2與樣地坡面的距離。

在水土流失量監(jiān)測工作中，通過確定的時(shí)間梯度后再次測量超聲波收發(fā)模塊2與樣地坡面的距離。通過rs485通訊將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，可通過兩次測量數(shù)據(jù)之差計(jì)算得該位置水土流失量的厚度等信息。

本發(fā)明利用超聲測距原理監(jiān)測水土流失量相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過rs485通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到水土流失量等相關(guān)數(shù)據(jù)。本裝置是將超聲波收發(fā)裝置置于測釬的頂部，在釬的中間距離超聲波收發(fā)裝置sn距離處放置一塊標(biāo)準(zhǔn)反射板，當(dāng)超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波傳播到標(biāo)準(zhǔn)反射板第一次返回，測得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間tn；未返回的超聲波傳播到測量坡面后二次返回，測得往返時(shí)間tx，那么超聲波收發(fā)裝置距離坡面的距離為

這樣實(shí)現(xiàn)了測釬法監(jiān)測水土流失量的自動(dòng)監(jiān)測，避免了傳統(tǒng)測釬法耗時(shí)耗力且易破壞坡面穩(wěn)定性的弊端；通過二次反射原理的實(shí)現(xiàn)，在保證精度的情況下避免了對溫度、濕度、氣壓等環(huán)境值的計(jì)算，保證超聲測釬結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

以上所述的具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。