Tdr原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器及其測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器及其測量方法。傳感器包括TDR測量儀、兩芯線和套管，兩芯線套在水管和接頭交替連接的套管內(nèi)，并從尾礦壩沿直線平鋪到尾礦庫水面以下，TDR測量儀安裝在尾礦壩上，用TDR測量儀測量兩芯線的阻抗，水淹沒處的兩芯線阻抗會發(fā)生變化，對TDR數(shù)據(jù)進行分析結(jié)合標定的TDR每個采樣間隔對應的兩芯線長度，識別水面下兩芯線的長度，兩芯線總長減去水下部分的長度即為水面到尾礦壩的距離，最后根據(jù)已知的尾礦壩斜率可以計算出干灘長度。本發(fā)明方法可準確而方便地測量得到尾礦壩的干灘長度，并屏蔽了露水及水劑附著在兩芯線上對測量結(jié)果的影響。
【專利說明】
TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及了一種TDR原理的干灘長度測量傳感器及其測量方法，可用于尾礦庫干灘長度測量。
【背景技術(shù)】
[0002]干灘長度是尾礦庫安全監(jiān)測的一個重要指標，長期以來干灘長度的測量沒有一個準確可靠的方法。
[0003 ]目前剛用的長灘長度測量方法有:
[0004]1.坡度推算法
[0005]坡度推算法是當前尾礦庫干灘長度在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用最多的一種方法，其基本原理為:在尾礦庫干灘上設置多個剖面，每個剖面設2個干灘高程監(jiān)測點，第一監(jiān)測點設置在靠近壩體的干灘灘頂處，第二監(jiān)測點則設置在從壩體向庫區(qū)水位方向一定距離位置。在設定的監(jiān)測點埋設立桿，安裝物位計，預先測定好物位計的高程及相對距離，通過測量物位計距灘面的高度來計算干灘高程，求出干灘坡度，再結(jié)合水面高度計算干灘長度等信息，如圖1所示。該方法的優(yōu)點是操作簡單，缺點是當干灘長度較長時，如果布置干灘高程測點較少，所測干灘坡度根本無法反映真實情況，誤差較大;若布置的高程測點多，提高了坡度與長度測量精度，但費用較高。此外，該方法也無法準確計算出灘頂高程、最小安全超高以及最小干灘長度值。隨著干灘的堆積，干灘頂部的物位桿需要重新安裝，坡度需要重新測量。
[0006]2.激光測角測距法
[0007]測角測距法測量，采用激光測距儀結(jié)合角度測量儀來進行干灘監(jiān)測，原理如圖2所示，在灘頂合適位置安裝一臺激光測角測距儀，通過遠程控制儀器對干灘進行測量得到上圖所示三角形中最頂上的角度、邊長，通過簡單的數(shù)學計算即可求出該三角形的所有因素，利用數(shù)學計算求得干灘坡度、長度；
[0008]此方法的缺點:當干灘較長時，沒有反光板，很難捕獲激光亮線的漫反射光。有反光板時會被不斷排出的液態(tài)尾礦砂淹沒
[0009]3.光學圖像識別法
[0010]如圖3，光學成像自動識別水線的立體幾何測量的方法是應用圖像識別技術(shù)將尾礦庫干灘圖像二值化，從而使干灘圖像變得簡單，而且數(shù)據(jù)量減小，并能凸顯出尾礦壩壩體及干灘的輪廓，然后將二值化后的干灘圖像進行處理與分析，利用像素檢測技術(shù)計算分析干灘高度，但干灘表面需要設置較多的現(xiàn)場標志桿輔助劃分水與干灘分界面，這些桿隨著時間會被排出的尾礦砂逐漸淹沒，而且該方法較難識別植物倒影及不規(guī)則水線。
[0011]4.近景立體攝影測量技術(shù)
[0012]該方式通過視頻終端捕捉干灘圖像，采用近景立體攝影測量原理，根據(jù)圖像特征提取和影像匹配的結(jié)果，在立體影像上進行目標點量測和定位等，結(jié)合水位等其他基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解算干灘長度、灘頂高程、干灘坡度、測點高程等數(shù)據(jù)。為了精確地解算影像的定向參數(shù)，需在尾礦庫的壩頂、干灘、澄清水、山頂?shù)葴y區(qū)周邊位置處按照三維、均勻布設原則放置控制標志；
[0013]該方法需要結(jié)合的水位等其他參數(shù)輔助，在尾礦庫周邊的山上安放了較多的標志桿，施工成本較高，且很多尾礦庫不具備這樣的施工條件。
[0014I 5滲流反推法
[0015]滲流反推法測量干灘長度，在干灘上隔一定距離埋設一個滲壓計，根據(jù)浸潤線情況反推干灘長度，但該種方法是間接測量，時效性差，水滲到干灘中有一個時間差問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]為了解決【背景技術(shù)】中現(xiàn)有方法存在的問題，本發(fā)明提出了一種TDR原理的干灘長度測量傳感器及其測量方法。
[0017]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0018]一、一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器:
[0019]所述的干灘長度測量傳感器包括TDR測量儀、兩芯線和套管，兩芯線套在水管和接頭交替連接的套管內(nèi)，并從尾礦壩沿直線平鋪到尾礦庫水面以下，TDR測量儀安裝在尾礦壩上。
[0020]本發(fā)明用TDR測量儀測量兩芯線的阻抗，水淹沒處的兩芯線阻抗會發(fā)生變化，對TDR數(shù)據(jù)進行分析結(jié)合標定的TDR每個采樣間隔對應的兩芯線長度，識別水面下兩芯線的長度，兩芯線總長減去水下部分的長度即為水面到尾礦壩的距離，最后根據(jù)已知的尾礦壩斜率可以計算出干灘長度。
[0021]本發(fā)明的兩芯線套在包裹了土工布的水管內(nèi)可以屏蔽雨水對測量結(jié)果的影響，土工布內(nèi)包裹的孔，用于尾礦庫內(nèi)的水滲進或者排除水管。
[0022]所述的兩芯線是兩芯雙絞線或者兩芯平行線，優(yōu)選兩芯雙絞線。
[0023]所述的水管采用能夠承受尾礦砂壓力的金屬水管或者塑料水管。
[0024]所述的水管固定間隔設有通孔，水管的通孔和下端口均采用土工布包裹過濾泥沙，防止泥沙淤積。
[0025]所述的傳感器具有測量盲區(qū)，需要測量的干灘長度大于所述傳感器自身盲區(qū)的長度才能正確測量。所述的傳感器安裝的時候，需要從尾礦壩到尾礦庫水面方向拉直。
[0026]進一步地，一個所述的傳感器鋪設后被新尾礦砂掩埋后，在新尾礦砂上繼續(xù)再鋪一個傳感器。
[0027]二、一種TDR原理的干灘長度測量方法:
[0028]I)安裝前先測量兩芯線總長度并進行標定:
[0029 ] 2)采集獲取尾礦壩坡面斜度；
[0030]3)把兩芯線置于待測的尾礦庫水中，對采集到的TDR數(shù)據(jù)進行分析，找到兩芯線的下端點所在的TDR數(shù)據(jù)點和在下端點前最小值所在的TDR數(shù)據(jù)點，將該兩點之間的TDR數(shù)據(jù)的間隔數(shù)乘以通過標定獲得的兩芯線單位長度作為兩芯線在水中的長度，用兩芯線總長度減去在水中的長度，獲得水面到尾礦壩的距離；
[0031]4)根據(jù)尾礦壩坡面斜度，計算出干灘長度。
[0032]所述步驟I)中的標定具體是:把兩芯線的一部分浸在尾礦庫水內(nèi)，記錄已入水的兩芯線長度，用TDR測量儀測量兩芯線，對采樣數(shù)據(jù)進行分析找到兩個反射最強的點對應的數(shù)據(jù)點，采樣數(shù)據(jù)中除盲區(qū)以外的第一個最大值點作為兩芯線伸入水下的最下端點，采樣數(shù)據(jù)中的最小值點作為水面位置;該兩點之間TDR采樣數(shù)據(jù)的間隔數(shù)對應入水的兩芯線長度，兩芯線入水的長度除以該兩點之間TDR采樣數(shù)據(jù)的間隔數(shù)，作為該類型水中兩芯線的單位長度。
[0033]本發(fā)明的兩芯雙絞線傳感器在無水情況下，有水劑附著情況下，完全浸水的情況下，TDR脈沖信號在其內(nèi)部傳輸速度不同，在有水劑扶著情況下每個TDR采樣間隔對應的兩芯線長度是不確定的，所以用總長減去在水中的長度來計算干灘長度。
[0034]本發(fā)明傳感器可實現(xiàn)尾礦庫干灘長度的連續(xù)動態(tài)測量，最小分別率是TDR測量儀的最小分辨率，即是在傳感器被尾礦砂掩埋的情況下也可以實現(xiàn)精確測量。
[0035]本發(fā)明的特點和有益效果是:
[0036]本發(fā)明傳感器可以實現(xiàn)尾礦庫干灘長度的連續(xù)動態(tài)測量，即是在傳感器被尾礦砂掩埋的情況下也可以實現(xiàn)精確測量。
[0037]本干灘長度測量方法可以克服水位下降時兩芯線上附著的水劑，以及天氣變化使兩芯線上附著露珠對測量結(jié)果的影響。
[0038]本發(fā)明傳感器實現(xiàn)了在只有兩根信號線的情況的尾礦庫干灘長度的精確測量;相對于坡度推算法需要不斷的修正坡度，本傳感器只需要安裝的時候測量一次坡度，以后不需要再次測量;相較于激光測量，視頻測量，本測量傳感器及方法不受環(huán)境影響，即使在大霧、大雨、大雪的情況下也可以精確測量;相較于滲流反推法，本發(fā)明傳感器是可實時測量，時效性好。
【附圖說明】
[0039]圖1是現(xiàn)有技術(shù)中坡度推算法測量干灘長度原理圖。
[0040]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中激光測角測距法測量干灘長度原理圖。
[0041 ]圖3是現(xiàn)有技術(shù)中光學圖像法測量干灘長度原理圖。
[0042]圖4是本發(fā)明的安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
[0043]圖5是本發(fā)明下端伸入水下測量的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0044]圖6是實施例的TDR測量儀在不同干灘長度下的測量結(jié)果圖。
[0045]圖中:I為TDR測量儀，2為兩芯線，3為套管，4為水，5為尾礦壩，31為水管，32為水管接頭，33為通孔，34為土工布。
【具體實施方式】
[0046]以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0047]本發(fā)明的傳感器包括TDR測量儀1、兩芯線2和套管3，兩芯線2套在水管31和水管接頭32交替連接的套管3內(nèi)，套管3的水管31或者水管接頭32處設有用于水4進出的通孔33，并從尾礦壩5沿直線平鋪到尾礦庫水面以下，TDR測量儀I安裝在尾礦壩上。
[0048]具體實施中，兩芯線2是兩芯雙絞線或者兩芯平行線，水管31采用能夠承受尾礦砂壓力的金屬水管或者塑料水管，水管需要有一定的硬度能夠承受尾礦砂的壓迫。
[0049]具體實施中套管3采用水管31和水管接頭32無限長度連接，優(yōu)選的在水管31固定間隔設有通孔33，水管可通過水管接頭32不斷延長，水管的通孔33和下端口均采用土工布34包裹過濾泥沙，防止泥沙淤積。
[0050]具體實施中，一個所述的傳感器鋪設后被新尾礦砂掩埋后，可以在新尾礦砂上繼續(xù)再鋪一個傳感器。
[0051 ]本發(fā)明的具體實施例及其工作過程如下:
[0052]I)安裝前先測量兩芯線2總長度并進行標定:把兩芯線的一部分浸在尾礦庫水內(nèi)，記錄已入水的兩芯線長度，用TDR測量儀I測量兩芯線，對采樣數(shù)據(jù)進行分析找到兩個反射最強的點對應的數(shù)據(jù)點，采樣數(shù)據(jù)中除盲區(qū)以外的第一個最大值點作為兩芯線41伸入水下的最下端點，采樣數(shù)據(jù)中的最小值點作為水面位置;該兩點之間TDR采樣數(shù)據(jù)的間隔數(shù)對應入水的兩芯線長度，兩芯線2入水4的長度除以該兩點之間TDR采樣數(shù)據(jù)的間隔數(shù)，作為該類型水中兩芯線的單位長度。
[0053]2)使用全站儀采集獲取尾礦壩坡面斜度；
[0054]3)把兩芯線2置于待測的尾礦庫水中，對采集到的TDR數(shù)據(jù)進行分析，找到兩芯線的下端點所在的TDR數(shù)據(jù)點和在下端點前最小值所在的TDR數(shù)據(jù)點，將該兩點之間的TDR數(shù)據(jù)的間隔數(shù)乘以通過標定獲得的兩芯線41單位長度作為兩芯線在水4中的長度，用兩芯線總長度減去在水中的長度，獲得水面到尾礦壩的距離；
[0055]4)根據(jù)尾礦壩坡面斜度，計算出干灘長度。
[0056]以某尾礦庫干灘長度測量傳感器的安裝測量為例來說明，該尾礦庫正常干灘長度變化量在100?150米之間，所以選擇157米I平方的兩芯雙絞線來作為傳感器，用該類型線作傳感器的測量盲區(qū)約為20米。安裝前把兩芯雙絞線60米泡在尾礦庫內(nèi)測量，結(jié)果如圖8中的所示，圖中的60米代表入水60米兩芯線，圖中兩芯線的端點對應第一個TDR采樣數(shù)值最大的點第228點采樣數(shù)值為255，在端點前TDR采樣數(shù)據(jù)最小的點為第128點數(shù)值為2，兩點間隔100點，每個間隔對應庫水內(nèi)的兩芯線長度為60米/100 = 0.6米。
[0057]安裝時，水管選擇的PP-R管，每米打一個通孔，通孔用土工布包裹，套上兩芯雙絞線后，用接頭把一根根PP-R管連接起來鋪設到尾礦庫水面以下。因該尾礦庫坡度小于I度，所以近似認為測量的尾礦庫斜面值即為干灘長度。
[0058]安裝完成后的測量結(jié)果如圖8中的所示，圖中的50米代表兩芯線實際入水50米，對應的實際干灘長度107米，圖中測量結(jié)果為，水面位置對應TDR采樣點第137點數(shù)值為2，兩芯線端點對應第221點數(shù)值為255，兩芯線入水長度的測量值為(221-137)*0.60 = 50.4米，干灘長度的測量值為157-50.4 = 106.6米，誤差0.4米。同理，兩芯線入水40米時，實際干灘長度117米時，測得的干灘長度為157米-(214-147)*0.6米=116.8米，誤差0.2米;兩芯線入水30米時，實際干灘長度127米時，測得的干灘長度為157米-(209-158)*0.6米=126.4米，誤差0.6米;兩芯線入水20米時，實際干灘長度137米時，測得的干灘長度為157米-(201-168)*
0.6米=137.2米，誤差0.2米;兩芯線入水10米時，實際干灘長度147米時，測得的干灘長度為157米-(195-179)*0.6米=147.4米，誤差0.4米。
[0059]由此，實施例獲得的最大誤差0.6米/157米=0.38%，可見本發(fā)明傳感器即是在傳感器被尾礦砂掩埋的情況下也可實現(xiàn)尾礦庫干灘長度的連續(xù)動態(tài)測量，克服了兩芯線上附著水對測量的影響嗎，具有時效性好、準確性好的顯著技術(shù)效果。
【主權(quán)項】
1.一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器，其特征在于:所述的干灘長度測量傳感器包括TDR測量儀(I)、兩芯線(2)和套管(3)，兩芯線(2)套在水管(31)和接頭(32)交替連接的套管(3)內(nèi)，并從尾礦壩(5)沿直線平鋪到尾礦庫水面以下，TDR測量儀(I)安裝在尾礦壩上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器，其特征在于:所述的兩芯線(2)是兩芯雙絞線或者兩芯平行線。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器，其特征在于:所述的水管(31)采用能夠承受尾礦砂壓力的金屬水管或者塑料水管。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器，其特征在于:所述的水管(31)固定間隔設有通孔(33)，水管的通孔(33)和下端口均采用土工布(34)包裹過濾泥沙，防止泥沙淤積。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器，其特征在于:需要測量的干灘長度大于所述傳感器自身盲區(qū)的長度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種TDR原理的尾礦庫干灘長度測量傳感器，其特征在于:一個所述的傳感器鋪設后被新尾礦砂掩埋后，在新尾礦砂上繼續(xù)再鋪一個傳感器。7.應用于權(quán)利要求1?6任一所述傳感器的一種TDR原理的干灘長度測量方法，其特征在于: 1)安裝前先測量兩芯線(2)總長度并進行標定: 2)采集獲取尾礦壩坡面斜度； 3)把兩芯線(2)置于待測的尾礦庫水中，對采集到的TDR數(shù)據(jù)進行分析，找到兩芯線的下端點所在的TDR數(shù)據(jù)點和在下端點前最小值所在的TDR數(shù)據(jù)點，將該兩點之間的TDR數(shù)據(jù)的間隔數(shù)乘以通過標定獲得的兩芯線(41)單位長度作為兩芯線在水中的長度，用兩芯線總長度減去在水中的長度，獲得水面到尾礦壩的距離； 4)根據(jù)尾礦壩坡面斜度，計算出干灘長度。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種TDR原理的干灘長度測量方法，其特征在于: 所述步驟I)中的標定具體是:把兩芯線的一部分浸在尾礦庫水內(nèi)，記錄已入水的兩芯線長度，用TDR測量儀(I)測量兩芯線，對采樣數(shù)據(jù)進行分析找到兩個反射最強的點對應的數(shù)據(jù)點，采樣數(shù)據(jù)中除盲區(qū)以外的第一個最大值點作為兩芯線(41)伸入水下的最下端點，采樣數(shù)據(jù)中的最小值點作為水面位置;該兩點之間TDR采樣數(shù)據(jù)的間隔數(shù)對應入水的兩芯線長度，兩芯線(2)入水的長度除以該兩點之間TDR采樣數(shù)據(jù)的間隔數(shù)，作為該類型水中兩芯線的單位長度。
【文檔編號】G01B7/02GK105841596SQ201610166216
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月19日
【發(fā)明人】王燕杰, 李青, 賈生堯, 童仁園, 施閣, 孫葉青, 池金谷
【申請人】中國計量學院