[发明专利]一种自校准超声测钎装置及测量方法

说明书

本发明公开了一种自校准超声测钎装置及测量方法，包括测钎杆；测钎杆顶端固定有超声波收发模块，测钎杆上还设有与超声波收发模块距离固定的标准反射板；超声波收发模块包括单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波换能器；单片机及TDC1011超声波收发专用芯片机连接超声波发射电路的输入端和超声波接收电路的输出端，超声波发射电路的输出端连接超声波换能器的控制端，超声波换能器的输出端连接超声波接收电路的输入端；标准反射板正对超声波换能器发出超声波的一侧设置。本发明节省传统测量的人工成本，同时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。

技术领域

本发明属于测试技术领域，特别涉及一种自校准超声测钎装置及测量方法。

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。该方法具体操作为：向待测坡面有规律的插入若干细钎，常见的测钎布设为3×3的9根测钎方阵，在插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，计算土壤蚀侵量等水土流失量相关数据。该方法要求测量人员定期到达现场查看插钎的状态，人工测量每根插钎的地表降低厚度，这种方法耗时耗力且易破坏坡面稳定性。

若将水土保持专业与测试技术相结合，以超声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。超声测距原理即利用超声波在传播过程中，方向性强，能量消耗缓慢，遇到物体表面会产生反射波的特性，检测波的发射时刻与反射波到达设备时刻的时间间隔，根据超声波传播理论，就可计算出设备与物体表面之间的距离。实际应用中，超声波声速在不同环境下有所差别，在保证一定精确度的情况下是不可忽略的。一般的，确定测量时的温度、湿度、气压等环境值，通过数学建模修正可得到准确的超声波声速，但在测钎上增加这些环境测量装置使得测钎过于复杂且增加了装置成本。为此，研发一种利用测钎法测量水土流失量的自动监测装置，避免传统测钎法耗时耗力且易破坏坡面稳定性的弊端，在保证精度的情况下避免对温度、湿度、气压等环境值的测量装置及其方法，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自校准超声测钎装置及测量方法，以解决上述现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种自校准超声测钎装置，包括测钎杆；测钎杆顶端固定有超声波收发模块，测钎杆上还设有与超声波收发模块距离固定的标准反射板。

进一步的，超声波收发模块包括单片机及超声波收发专用芯片机、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波换能器；单片机及超声波收发专用芯片机连接超声波发射电路的输入端和超声波接收电路的输出端，超声波发射电路的输出端连接超声波换能器的控制端，超声波换能器的输出端连接超声波接收电路的输入端；标准反射板正对超声波换能器发出超声波的一侧设置。

进一步的，单片机及超声波收发专用芯片机作为系统的主控芯片，控制超声波的发射与接收，并在每次超声波发射或接收时，控制计时作为超声波的传播时间；同时，单片机预留RS485接口，用于数据传输。

进一步的，超声波收发专用芯片机的型号为TDC1011。

一种自校准超声测钎装置的测量方法，包括以下步骤：测钎杆插入待测坡面，超声波收发模块发出超声波，当超声波传播到标准反射板时，超声波一次返回，超声波收发模块接收到一次返回的超声波；未返回的超声波传播到待测坡面二次返回，超声波收发模块接收到二次返回的超声波；通过对两次传播的时间，确定二次传播的距离即测量超声波收发模块与坡面的距离。

进一步的，超声波收发模块与标准反射板之间的间距为S_n；超声波第一次返回的时间为标准时间T_n；超声波第二次返回的时间为T_x，超声波收发模块距离坡面的距离为