CN212721313U - 一种光敏测钎装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光敏测钎装置，包括测钎杆、光敏元件、信号处理模块、无线数据传输模块和太阳能电源模块。其中，信号处理模块内设置有信号输入端口、处理电路及信号转换电路、信号输出端口和电源端口。信号处理模块的输入端连接光敏元件，输出端连接无线数据传输模块，电源端口连接太阳能电源模块。无线数据传输模块内设置有输入端，电源端口，输入端连接信号处理模块的输出端，电源端口连接太阳能电源模块。本实用新型节省了传统测量的人工成本，同时避免了人工读数的误差干扰及传统测钎法耗时耗力且易破坏坡面稳定性的弊端，本光敏测钎装置结构简单、可靠性高、成本低。
Description
技术领域
本实用新型属于测试技术领域，具体涉及一种光敏测钎装置。
背景技术
测钎法适用于分散的土状堆积物形成的稳定坡面土壤流失观测。现有的测钎是一种杆状物，测钎上具有简单的位置标记或者刻度。利用现有测钎观测坡面土壤流失的操作过程为：向待测坡面有规律的***若干细钎，常见的测钎布设为3×3的9根测钎方阵，在测钎上标记与土壤表层持平的位置，作为原始高度点，人工定期观测地表土层降低的厚度，计算土壤侵蚀等水土流失量相关数据。利用该测钎进行测量时，要求测量人员定期到达现场查看测钎的状态，人工测量每根测钎的地表降低厚度，这种方法耗时耗力且易破坏坡面稳定性。
发明内容
本实用新型提供了一种光敏测钎装置，不用工作人员去现场，即可监测位于坡面以上的光敏元件中最靠近坡面的光敏元件的位置，根据此光敏元件的位置可得到地表降低厚度。
为达到上述目的，本实用新型所述一种光敏测钎装置，包括测钎杆、光敏元件组和信号处理模块，所述光敏元件组和信号处理模块均安装在钎杆上，所述光敏元件组包括多个沿着测钎杆竖直方向依次布置的光敏元件，所有所述的光敏元件输出端和信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块用于根据接收到的光敏元件组的通断状态，判断出位于地面以上的光敏元件中最靠近坡面的光敏元件。
进一步的，信号处理模块的输出端和无线数据传输模块，通过无线数据传输模块将接收到的信号传递至接收单元的输入端连接，所述接收单元用于根据位于地面以上的光敏元件中最靠近坡面的光敏元件的编号或位置，计算钎杆露出地面的高度，以及坡面的下降高度。
进一步的，信号处理模块和无线数据传输模块的连接导线上设置有发光二极管。
进一步的，的光敏元件分为N组，每一组包括M个光敏元件，同一组光敏元件的第一端均连接至组别选择芯片U12的同一个引脚，同一组光敏元件的第二端分别连接至光敏元件选择芯片U11的不同引脚。
进一步的，光敏元件经采样电阻接地。进一步的，钎杆上设置有用于为信号处理模块供电的太阳能电源模块。
进一步的，光敏元件均匀布置。
进一步的，光敏元件之间的间距为1mm。
进一步的，光敏元件的型号为PT0603。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果：
本实用新型所述的装置，包括多个依次排列的光敏元件，利用光敏元件对光照强度的敏锐感光变化量检测坡面下降厚度，可随时监测地表降低厚度，测钎结构简单、成本低廉；且由于光敏元件对环境温度、湿度、气压的变化不敏感，只对光照强度敏感，稳定性和可靠性极高。
进一步的，信号处理模块和无线数据传输模块的连接导线上设置有发光二极管，可通过发光二极管是否发光判断信号处理模块和无线数据传输模块是否接通。
进一步的，的光敏元件分为N组，每一组包括M个光敏元件，同一组光敏元件的第一端均连接至组别选择芯片U12的同一个引脚，同一组光敏元件的第二端分别连接至光敏元件选择芯片U11的不同引脚，可以方便的通过芯片选择不同的光敏元件进行测试。
进一步的，光敏元件经采样电阻接地，对光敏元件起保护作用。
进一步的，通过适当设置光敏元件的数量及门限电压值，提高测量精确度，在测量距离0-30cm的范围内，可确保水土流失量的测量误差在1mm以内，保证测量精度。
进一步的，本实用新型采用太阳能电源模块供电，可实现供电的自给自足。
进一步的，利用无线数据传输模块实现数据的远程传输，通过无线数据传输，节省传统测量的人工成本，避免人工读数时因踩踏引起破坏坡面稳定性而带来的监测误差。
进一步的，光敏元件的型号为PT0603，采用工业级感光元器件保证测量的准确性、稳定性和可靠性。
本实用新型利用感光强度反映出实际检测距离，可监测地表降低厚度，由于光敏元件对环境温度、湿度、气压的变化不敏感，只对光照强度敏感，稳定性和可靠性极高，测量精度可根据需要制作，是替代人工测量方式的理想装置。
附图说明
图1为光敏测钎装置结构图；
图2为光敏测钎装置的测量过程流程图；
图3为光敏原件连接电路图；
图4为芯片U11示意图；
图5为芯片U12示意图；
图6为芯片U5示意图；
图7为放大电路的电路图；
图8为供电电路示意图；
图9为无线数传模块接线示意图。
附图中：1、测钎杆；2、光敏元件；3、信号处理模块；4、无线数据传输模块；5、太阳能电源模块；6、坡面。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
参照图1，一种光敏测钎装置，包括一根测钎杆1、光敏元件组2、信号处理模块3、无线数据传输模块4和太阳能电源模块5。
其中，光敏元件组2、信号处理模块3、无线数据传输模块4、太阳能电源模块5安装于测钎杆1上。光敏元件组2包括多个沿着测钎杆1竖直方向依次均匀设置的光敏元件。测钎杆1上开设有条形槽，条形槽外侧安装有光敏元件组2，内侧安装有信号处理模块3，信号处理模块3包括芯片U11、芯片U12、芯片P11、芯片P12、放大电路以及芯片U5；其中U11型号为HCF4067BMI；U12型号为MC14514BDW；P11为6芯接插件；P12为6芯接插件；U5的型号为PIC24FV16KM202。
测钎杆1顶端设置有圆柱形的壳体，壳体中安装有上板，上板包括无线数据传输模块4和太阳能电源模块5，太阳能电源模块5包括太阳能电池、芯片U21、芯片U22、芯片P21、芯片P22以及芯片P3，U21的型号为LDO，U22的型号为TLV61220，P21为2芯接插件；P22为2芯接插件；P3为6芯接插件；光敏元件组2安装在测钎杆1的中上方，上板和下板通过六芯电缆连接，无线数据传输模块4和太阳能电源模块5均安装在测钎杆1顶部。
其中，信号处理模块3内设置有信号输入端口、处理电路、信号输出端口和电源端口。信号处理模块3的输入端连接光敏元件2，输出端连接无线数据传输模块4，电源端口连接太阳能电源模块5。无线数据传输模块4内设置有输入端和电源端口，输入端连接信号处理模块3的输出端，电源端口连接太阳能电源模块5。
图3至图9中，相同的符号表示相同的节点。
光敏元件连接电路图如3所示，所有的光敏元件分为15组，每一组包括16个光敏元件，同一组光敏元件的第一端均连接至芯片U12(MC14514BDW)的同一个引脚，同一组16个光敏元件的第二端分别连接至芯片U11的不同引脚。不同组中编号相同的光敏元件连接至芯片U11的同一个引脚，所有光敏元件经采样电阻接地。
参照图4和图6，芯片U11采用HCF4067BM1芯片，其1号引脚为输出端口VIN，输出端口VIN和放大电路的输入端连接，放大电路的输出端和芯片U5(PIC24FV16KM202)的2号引脚连接，芯片U11的10号引脚接芯片U5的23号引脚，芯片U11的11号引脚接单片机芯片U5的24号引脚，芯片U11的14号引脚接芯片U5的25号引脚，芯片U11的13号引脚接芯片U5的26号引脚。芯片U11的10、11、13和14号引脚为地址选择位。芯片U11的AIN1-AIN16端口分别连接至各组光敏原件的1号-16号光敏原件的第二端。
参照图5和图6，芯片U12采用MC14514BDW芯片，其4号引脚连接第7组光敏元件的第一端，芯片U12的5号引脚连接第6组光敏元件的第一端，芯片U12的6号引脚连接第5组光敏元件的第一端，芯片U12的7号引脚连接第4组光敏元件的第一端，芯片U12的8号引脚连接第3组光敏元件的第一端，芯片U12的9号引脚连接第1组光敏元件的第一端，芯片U12的10号引脚连接第2组光敏元件的第一端，芯片U12的13号引脚连接第13组光敏元件的第一端，芯片U12的14号引脚连接第12组光敏元件的第一端，芯片U12的15号引脚连接第15组光敏元件的第一端，芯片U12的16号引脚连接第14组光敏元件的第一端，芯片U12的17号引脚连接第9组光敏元件的第一端，芯片U12的18号引脚连接第8组光敏元件的第一端，芯片U12的19号引脚连接第11组光敏元件的第一端，芯片U12的20号引脚连接第10组光敏元件的第一端。
芯片U12的1号引脚和电源VCC连接，2号引脚和芯片U5的17号引脚连接，3号引脚和芯片U5的18号引脚连接，21号引脚和芯片U5的21号引脚连接，22号引脚和芯片U5的22号引脚连接，23号引脚和芯片U5的19号引脚连接，23号引脚经电阻R20与电源VCC连接，12号引脚接地。芯片U12的2、3、21、22号引脚为地址选择位。
参照图6和图7，芯片U5采用芯片U5，其1号引脚接芯片P12的1号引脚，芯片U5的2号引脚接放大电路的输出端AD_IN，芯片U5的3号引脚接在放大电路的电阻R26的一端，芯片U5的4号引脚接芯片P12的4号引脚，芯片U5的5号引脚接芯片P12的5号引脚，芯片U5的6号引脚接芯片P11的2号引脚，芯片U5的8号引脚接地，芯片U5的9号引脚接和10号引脚接入晶振Y1，芯片U5的11号引脚接芯片P11的4号引脚，芯片U5的12号引脚接接芯片P11的5号引脚，芯片U5的13号引脚接电源VCC，芯片U5的16号引脚接芯片P11的3号引脚，芯片U5的19号引脚接芯片U12的23号引脚，芯片U5的20号引脚经电容C6接地，芯片U5的27号引脚接地，并与电容C14的第二端连接，芯片U5的28号引脚和电源VCC以及C14的第一端连接。
芯片P11的2号引脚和3号引脚为通信引脚；芯片P12D 1号引脚为仿真编程口。芯片U5的1号引脚为主复位端口，3号引脚为运放电路的工作状态控制端口，4号和5号引脚为编程接口，6号引脚接无线数传模块，16号引脚向无线数传模块发送数据，9号和10号引脚接时钟电路，12号引脚用于控制无线数传模块的工作状态(工作或待机)，11号引脚为电源控制端口，每当芯片工作设定时间后(10s)，关闭电源，使各个芯片处于待机状态；当太阳能电池充满电后，控制各个芯片继续工作，采用此种供电方式，依靠太阳能即可满足用电量，不需要额外的电源。
图8为太阳能电源模块的电路图，图8中的芯片U21为稳压器(LDO)，芯片U22采用TLV61220芯片。P21为太阳能电池，P22与储能电容C连接，储能电容C的电容为1法拉。太阳能电池与芯片U21的5号引脚以及6号引脚连接，芯片U21的7号引脚和8号引脚和芯片U22的2号引脚连接，芯片U22的1号引脚接地；芯片U21的1号引脚悬空，3号引脚和4号引脚接地，2号引脚与电阻R3的第一端、电阻R8的第一端、电阻R4的第一端以及芯片U22的3号引脚连接，电阻R8的第二端和芯片P3的4号引脚连接，电阻R4的第二端接地，电容C3和电阻R4并联；电阻R3的第二端和P22的2号引脚、电感L1的第一端、芯片U22的6号引脚以及电容C1的第一端连接，电感L1的第二端和芯片U22的1号引脚连接，芯片U22的2号引脚接地，电容C1和C2的第二端接地，芯片U22的5号引脚和电阻R1的第一端以及电容C2的第一端连接，电阻R1的第二端和电阻R2的第一端以及芯片U22的5号引脚连接，电阻R2的第二端接地；芯片U22的5号引脚作为输出端和芯片P3的1号引脚连接。
参照图9，芯片P3的2号引脚经发光二极管D2和无线数传模块的7号引脚连接，芯片P3的3号引脚经发光二极管D3和无线数传模块的6号引脚连接，芯片P3的6号引脚接地，芯片P3的5号引脚和芯片U5的12号引脚连接。
电源VDD经电阻R12和发光二极管D4连接。
上述电路的工作原理为：
太阳能电池接收太阳光，进行充电，并经稳压芯片将电压稳定在2.5V，2.5V的电压经升压芯片U22升压至3.3V的电压VDD。稳压芯片向储能电容充电，稳压芯片U21的2号引脚为芯片U11的使能信号，芯片P3的4号引脚为芯片U12的使能信号，发信号使芯片U12工作。一个工作周期内，测量所有光敏原件的通断状态。芯片U11、U12、U21、U22、U4、U5、P11、P 12、P21、P22和P3均由太阳能电池供电。
芯片P11的4号引脚接电源控制信号，通过电源控制，控制其他芯片的工作状态。
当光敏元件被物体挡住后，光敏元件保持原始状态，不发出信号。信号处理电路定时发送检测信号给光敏元件2，从下至上依次检测哪些光敏原件被挡住，哪些未被挡住，当有连续两个的光敏原件导通(即未被挡住)，则输出未被挡住的光敏元件中最下方的一个光敏元件的序号，根据未被挡住的光敏元件中最下方的一个光敏元件的序号来计算测量时的坡面厚度。信号转换电路用于将光敏器件导通后输出的电压值转换为标准的信号，使测纤装置可连接的测量仪表范围不受限制，只要是可接收标准信号的显示仪表都可连接测纤装置，增加测纤装置的通用性。
光敏元件的数量决定测纤装置的精度，单位长度内，排列的光敏元件的数量越多，则测量精度越高；在一定长度范围内，光敏器件排列的数量越多，就证明光敏器件越密集，相邻光敏器件间的间距就越小，测量精度就越高，反之，测量精度就越低，门限电压的调整决定测纤装置的准确度，门限电压调的较高，在太阳直射的情况下，光敏器件也不导通，测纤装置就测不到地面分界线，无法读取测量高度。
若在24cm范围内均匀排列240个感光元器件，则相邻两个元器件之间间距为1mm,即装置的测量精度和分辨率为1mm；如果在测量精度要求较高的场合可以在30cm范围内均匀排列600个光敏器件，相邻光敏器件间间距就变为0.5mm，此时装置的测量精度就变为0.5mm。
光敏元件门限电压的调整取决于光照强度，在阴天情况下，光照强度不足，要得到较准确的测量结果，就需要降低门限电压，使光敏器件在较低的光照强度下也能测得准确的测量结果。
光敏元件在24cm范围内均匀排列240个，测纤杆***地下部分的光敏器件在黑暗的环境中，感应不到光亮，始终处于断开状态，露出地面的光敏元件，在太阳光的照射下，会处于导通状态，根据未被挡住的光敏元件中，最下方的一个光敏元件的编号或者，来计算坡面厚度的变化量。可将光敏元件自下至上按照从小打到大的顺序依次编号，假设上次测量时，能够感受到光的最下方的光敏元件的编号是100，本次测量时，能够感受到光的最下方的光敏元件的编号是98，则说明坡面下降了(100-98)*1mm＝2mm。
由于光敏元件输出的状态信号只有两种结果，有光照时导通，没光照时断开，与温度、湿度、气压等因素无关，所以本实用新型根据光敏元件的通断状态就可计算出坡面变化量，不受温度、湿度、气压的影响。
利用上述光敏测钎装置测量坡面下降高度的操作步骤如下：
步骤1、将测钎杆1***待测坡面6，依据土壤类型与现场环境的不同，确定本装置***地面的深度(对于较松软的土壤，***较深，较松软的土壤水土流失量比较大，反之，***较浅)，以保证装置在监测期间的稳定性。
步骤2、当测钎杆1***待测坡面后，部分光敏元件被坡面埋没，露出地面以上的光敏元件感受光照；芯片U5利用芯片U12选择哪一组光敏元件被检测，通过芯片U22选择选定的光敏元件组中，哪一只光敏元件被检测，被检测的光敏元件的导通状态通过芯片U11的1号引脚输出至运算放大电路进行放大，输出信号AD_IN,信号AD_IN输入至芯片U5的2号管脚，当检测到连续两个光敏元件导通时，芯片U5的16号引脚向无线数传模块输出测试结果——能够感受到光照的光敏元件中最下面的光敏元件的高度或者编号，无线数传模块将此信息传递至上位机或显示模块，由上位机或者人工计算检测时坡面和测钎杆的相对位置，进而得到单位面积内流失的土壤体积——水土流失量，接收单元可以为任何一种能接收标准信号的显示仪表、记录仪、电脑等。
步骤3、在水土流失量监测工作中，通过确定的时间梯度后，再次测量各个光敏元件的导通状态，并计算得到光敏元件被埋没的深度，通过与首次的测量结果作差，得到被测坡面的流失厚度。通过无线数据传输模块4将数据传至接收单元，接收单元可通过两次测量数据之差计算得该位置水土流厚度。
本实用新型利用光敏测距原理监测光敏元件被埋没的深度，再通过无线数据传输模块实现数据传输，***利用接收单元自动计算得到水土流失量、日土壤侵蚀强度Di、月土壤侵蚀强度Mk以及年土壤侵蚀强度T。
其中，(1)日土壤侵蚀强度Di(单位t/km2)
公式中：土壤容重ρ为880-1220kg/m3，hi为第i个测钎的日侵蚀深度(单位mm)，n为每个测点的测钎数量，n＝9。
(2)月土壤侵蚀强度Mk(单位t/km2)
公式中月土壤侵蚀强度为每个月中日土壤侵蚀强度Di之和，j为被检测月的天数。
(3)年土壤侵蚀强度T(单位t/(km2.a))
公式中年土壤侵蚀强度为每个月土壤侵蚀强度Mk的和。
这样实现了测钎法监测水土流失量的自动监测，避免了传统测钎法耗时耗力且易破坏坡面稳定性的弊端，通过光敏测距原理的实现，在保证精度的情况下避免了人为干扰因素，且测钎结构简单，成本低廉。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
本实用新型将水土保持专业与测试技术相结合，以光敏测距原理为理论基础，自动监测地表降低厚度，即可解决此问题。光敏测距原理即利用光敏元件对光照强度的敏锐感光变化量检测坡面下降厚度，利用感光强度反映出实际检测距离。实际应用中，光敏元件对环境温度、湿度、气压的变化不敏感，只对光照强度敏感，稳定性和可靠性极高，测量精度可根据需要制做。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光敏测钎装置，其特征在于，包括测钎杆(1)、光敏元件组(2)和信号处理模块(3)，所述光敏元件组(2)和信号处理模块(3)均安装在钎杆(1)上，所述光敏元件组(2)包括多个沿着测钎杆(1)竖直方向依次布置的光敏元件，所有所述的光敏元件输出端和信号处理模块(3)的输入端连接，所述信号处理模块(3)用于根据接收到的光敏元件组(2)的通断状态，判断出位于地面以上的光敏元件中最靠近坡面(6)的光敏元件。
2.根据权利要求1所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所述信号处理模块(3)的输出端和无线数据传输模块(4)，通过无线数据传输模块(4)将接收到的信号传递至接收单元的输入端连接，所述接收单元用于根据位于地面以上的光敏元件中最靠近坡面(6)的光敏元件的编号或位置，计算钎杆(1)露出地面的高度，以及坡面的下降高度。
3.根据权利要求2所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所述信号处理模块(3)和无线数据传输模块(4)的连接导线上设置有发光二极管。
4.根据权利要求1所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所有的光敏元件分为N组，每一组包括M个光敏元件，同一组光敏元件的第一端均连接至组别选择芯片U12的同一个引脚，同一组光敏元件的第二端分别连接至光敏元件选择芯片U11的不同引脚。
5.根据权利要求4所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所有光敏元件经采样电阻接地。
6.根据权利要求1所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所述钎杆(1)上设置有用于为信号处理模块(3)供电的太阳能电源模块(5)。
7.根据权利要求1所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所述光敏元件均匀布置。
8.根据权利要求6所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所述光敏元件之间的间距为1mm。
9.根据权利要求1所述的一种光敏测钎装置，其特征在于，所述光敏元件的型号为PT0603。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202021870660.2U CN212721313U (zh) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 一种光敏测钎装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202021870660.2U CN212721313U (zh) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 一种光敏测钎装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| CN212721313U true CN212721313U (zh) | 2021-03-16 |
Family
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112033289A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-04 | 国网陕西省电力公司电力科学研究院 | 一种光敏测钎装置及坡面下降高度的测量方法 |
-
2020
- 2020-08-31 CN CN202021870660.2U patent/CN212721313U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN112033289A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-12-04 | 国网陕西省电力公司电力科学研究院 | 一种光敏测钎装置及坡面下降高度的测量方法 |
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