一种智能测钎装置及其使用方法

1.本发明属水土保持监测设施技术领域，具体涉及一种基于光敏传感器的智能测钎装置及其使用方法。


背景技术：

2.插钎观测是水土保持领域监测土壤侵蚀量的必要及常用手段。该方法具体操作为：向待测坡面成品字型或梅花型均匀地插入若干细钎，在插钎上标记与地表持平的位置，作为原始高度点，观测人员定期进行观测并记录地表下降高度，计算土壤蚀侵量等数据。该方法要求观测人员定期到野外进行记录，人工测量每根插钎处地表降低的高度，这种方法存在使用繁琐、外业工作条件艰苦、人工读数误差大等缺点，且工作人员定期读数会踩踏地面，破坏坡面稳定性，可能进一步加剧区域水土问题。
3.基于光敏传感器的测钎方法，利用光敏元件对光照强度的感光变化监测坡面下降厚度。现有技术中：中国专利号cn 202021870660.2，专利申请日期为2020年8月31日，发明创造名称为：一种光敏测钎装置，该专利提供了一种光敏测钎装置，包括测钎杆，测钎杆上沿竖直方向依次布置的光敏元件和信号处理模块、太阳能电源模块，无线数据传输模块用于数据的远程传输。该发明的有益效果是节省了传统测量的人工成本，减少人工读数的误差。但是该装置容易受环境影响，当光照条件不足时，需要降低门限电压，否则光敏传感器无法完成测量，工作效率低；在降雨天气下，传感器表面被泥土覆盖时，传感器无法准确测量地表高度，测量结果有较大误差。


技术实现要素：

4.为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种智能测钎装置及使用方法，该装置不仅可以适应各种工作环境，还可以降低测量误差，减少人工维护的成本。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种智能测钎装置，包括探头、光敏传感器、照明装置、冲洗装置、供电系统、数据采集控制器、数据传输模块、外壳；
7.所述探头为多面正棱柱，面数不少于四面，每个侧面布设多个光敏传感器；所述照明装置固定于探头上方，照明装置底座下表面布设有若干led光源；所述冲洗装置固定于照明装置上方，冲洗装置包括水箱和若干喷头，所述喷头通过软管与水箱相连；所述光敏传感器、照明装置、冲洗装置均通过线路连接到数据采集控制器，所述数据采集控制器设于冲洗装置上方，数据采集控制器包括主控模块和和电源管理模块，所述主控模块连出有数据传输模块，所述电源管理模块连出有供电系统；所述外壳为位于探头外侧，外壳为玻璃等透明材料制成的空心圆柱体，且底端为锥形，便于插入地面。
8.进一步的，所述探头每一侧面竖向交错均布两列光敏传感器，由底端到顶端顺序对其进行编号1、2、3
…
n，测量时记录各个光敏传感器状态，位于地面以上的光敏传感器处
于导通状态，地面以下的处于未导通状态，记录处于临界位置的光敏传感器编号，即处于未导通状态的光敏传感器中的最大编号，计算该方向地表高度变化。
9.进一步的，所述照明装置包括底座、led光源、光敏电阻，所述底座为空心圆柱体结构，测钎探头上端与照明装置相连，照明装置下端与外壳相连，所述led光源环形均布于底座下表面，沿探头方向向下，所述光敏电阻位于冲洗装置顶端，检测装置工作环境的光照强度。
10.进一步的，所述冲洗装置包括基座、水箱、喷头，所述基座为空心圆柱体结构，基座下端与照明装置相连，所述水箱位于基座内部，水箱上方有注水口，水箱下方有出水口，所述喷头通过电磁阀与出水口相连，所述电磁阀通过线路连接到数据采集控制器。
11.进一步的，所述供电系统包括太阳能发电板、供放电控制器、铅蓄电池，所述太阳能发电板、铅蓄电池与供放电控制器连接，所述供电控制器输出端经线缆连接至数据采集控制器。
12.进一步的，智能测钎装置配套的上位机软件，具有数据分类存储、整合分析与动态展现功能。
13.上述智能测钎装置的使用方法包括以下步骤：
14.测钎装置插入待测坡面并进行初始化，数据采集控制器根据收到的传感器信号，检测当前环境光照强度，决定照明装置的启停；检测探头表面污染程度，决定冲洗装置的启停；光敏传感器将当前测量值送入数据采集控制器，数据控制采集器将数据转换为数字信号保存到本地存储卡后，经数据传输模块检验校验码及数据位数后通过dtu连接网络，将数据发送至服务器进行数据存储、备份和分析。
15.进一步的，记t-1时刻地面高度为x
t-1
，t时刻地面高度为x
t
，在此方向上的水土流失厚度为：
16.δx＝|x
t-x
t-1
|(单位
·
mm)
17.进一步的，按照设定的采集周期，重复监测位于临界位置的传感器编号，通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度信息。
18.进一步的，以品字型或梅花型等布局布设该装置，可以实现获得监测区域整体水土情况信息。
19.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
20.本发明将水土保持监测工作与现代测试技术和通信技术相结合，通过设计合理的结构及工作流程，实现了水土流失厚度自动化监测，测量结果误差减小，装置可靠性提高，工作人员可通过上位机软件远程查看水土流失数据，了解水土流失趋势，避免了因频繁人工维护导致坡面被破坏的风险。
21.照明装置可以保证本装置全天候工作，避免在光线不足的环境中，无法实现水土情况连续观测，清洗装置可以自动清洗探头表面的灰尘和污垢，可以保证本装置长期稳定工作。
22.本发明结构合理、实用可靠，解决了光敏测钎法工作效率低，测量结果误差较大，水土流失监测自动化程度不足的问题，适用各种不同环境。
附图说明
23.图1为本发明的总体结构示意图；
24.图2为本发明的主视图；
25.图3为探头的主视图；
26.图4为照明装置结构示意图；
27.图5为冲洗装置结构示意图；
28.图6为本发明的系统结构示意图；
29.图7为本发明的工作流程图。
30.图中：1-外壳，2-探头，3-光敏传感器，4-冲洗装置，5-照明装置，6-数据采集控制器，7-数据传输模块。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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发明和简化描述，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发明的限制。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.如图1是本发明实施例提供的智能测钎装置的整体结构示意图；
35.在本实施例中提供了一种智能测钎装置，所述测钎装置包括外壳1、探头2、光敏传感器3、冲洗装置4、照明装置5、数据采集控制器6、数据传输模块7、供电系统；
36.所述探头2基座为多面正棱柱，面数不少于四面，每个侧面竖向交错均布两列光敏传感器3；
37.所述冲洗装置4设置在照明装置5上方，包括水箱、电磁阀、软管、喷头，将电磁阀经电线连接至数据采集控制器6，将软管与电磁阀相连，使用前通过注水口将水箱中注满水；
38.所述照明装置5固定于探头2上方，包括led光源、光敏电阻、底座，底座下表面环形均布设有的若干led光源，将led光源和光敏电阻分别通过电线连接至数据采集控制器6；
39.在上述技术方案中，进一步，所述数据采集控制6器包括主控模块和和电源管理模块，电源管理模块连出有供电系统，主控模块连出有数据传输模块。
40.具体的，数据采集控制器6按照野外工作标准，最大限度的降低了功耗并进行了防尘处理，数据采集控制器6主控芯片采用stm32f407系列单片机。
41.具体的，电源管理模块对外部和主控模块供电，并对供断电进行控制，为外界提供12v、2a和5v、3a的电源，具有升降压功能，既可以恒压也可以恒流输出，输入电压为5v到
32v，输出均可以稳定在设定电压——12v和5v，同时具有短路、防反接、过压、过热保护功能。
42.所述供电系统包括太阳能板、充电控制器、铅蓄电池等，选择光照充足且无遮挡处固定太阳能板及蓄电池，连接至充放电控制器，将测钎装置经线缆接入电源。
43.所述数据传输模块具体为dtu数据传输单元，dtu通过485总线与数据采集控制器6通信模块有线连接。
44.在平整、修坡较少的自然坡面上，选择监测点位，在尽量不造成地表土壤扰动的情况下，将智能测钎装置插入土壤，该装置要垂直地面并且牢固稳定。光敏测钎装置探头2上各个方向的光敏传感器3开始采集光照信息，向数据采集控制器6发送数据，数据采集控制器6将各个方向的土壤高度信息及土壤流失厚度存储到存储卡中，并发送至数据传输模块7，上传数据至服务器，工作人员可以通过配套的上位机软件查看实时该点的水土流失情况。
45.为了便于理解，图6还示出了一种智能测钎装置的工作流程图，包括以下步骤：
46.步骤s01，系统初始化；
47.步骤s02，主控判断装置顶部的光敏传感器是否接收到光信号，如果是，执行步骤s04,如果否，先执行步骤s03，再返回步骤s02；
48.步骤s03，打开照明装置；
49.步骤s04，主控判断探头上部光敏传感器信号是否连续,如果是，执行步骤s06,如果否，则先执行步骤s05,再返回步骤s04；
50.步骤s05，冲洗装置开始工作；
51.步骤s06，数据采集控制器采集传感器信号；
52.步骤s07，数据采集控制器通过有线传输的方式将信号传输至dtu；
53.步骤s08，dtu通过无线传输的方式将信号传输至服务器进行汇总；
54.步骤s09，数据库进行分类存储；
55.步骤s10，前端集成展示；
56.其中，步骤s10结束之后，说明本次测量工作结束，可以返回至步骤s06，继续进行下次测量，也可以直接结束。
57.进一步的，在需多点位监测的使用场景下，例如同时多点采集坡面高度，可按照需求合理设置监测网点位，在每个点插入智能测钎装置形成监测网络，智能测钎装置间基于物联网技术在区域内无线组网。
58.基于此，本发明较之原有技术，自动化程度显著提高，工作效率提升，测量结果误差较小，适用不同工作环境，可靠性好，减少了人工维护的工作成本，方便了水土监测工作的实施。