用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置及测量系统

摘要

一种用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置及测量系统，属于检测设备领域。冻土深度测量装置包括保持架、冻结组件以及测量组件。保持架被构造来插入土壤并提供与冻结组件和测量组件相配合的部分。所述的冻土深度测量装置通过使用电子设备代替机械传动等设备，实现了冻土深度测量的自动化记录，降低了使用者的劳动强度和使用难度。

说明书

技术领域

本发明涉及检测设备领域，具体而言，涉及一种用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置及测量系统。

背景技术

土壤冻结深度、融化深度的测定在寒冷地区的水工建筑物、工业与民用建筑物的冻害防治、采用人工冻结方法在软土地基上施工方面、陆地热质循环、气象观测等领域都有重要的意义。目前，土壤冻结深度、融化深度的测定方法有测温法、超声波法、TDR法和冻深管法等。但是前三种方法需要的装置造价较高，在计测精度和使用的方便性方面也存在各自的不足。而冻深管法则是计测精度较好的一种方法。国内目前所使用的冻深管主要是DTM-2型，但是造价却比较高，每支可测定最大冻结深度为1.5m的冻深管零售价约900元人民币，而且外管由两段硬橡胶管节组成，使用中在连接处很容易进水，从而影响计测精度，在夏季从土壤中取出冻深管时还很容易断开，使得下部管件难以取出，而且硬橡胶管的刚度不理想，容易弯曲。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供了一种用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置及系统，以部分或全部地改善、甚至解决现有技术中的至少一个问题。

本发明是这样实现的：

在第一方面，本发明的实施例提供了一种用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置。

一种用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置包括：

保持架，保持架包括固定件和动作件，固定件具有固定部和进攻部，保持架被构造来以进攻部插入土壤、固定部暴露于土壤外的方式布置，动作件具有被控制器操控的绳链的收放机构，控制器被配置来以预设方式操控收放机构使绳链被收纳而缩短、被释放而伸长，且收放机构在单位时间内的提升绳链的长度被预设；

冻结组件，冻结组件包括相互配合的外管、内管，内管连接在绳链且与绳链同步运动，外管由第一管壁构成，内管由第二管壁构成，内管套设于外管内，内管以可移除的方式布置于外管内，第一管壁和第二管壁之间填充有传热介质，内管内贮存有能够被冻结及解冻的液体测量介质，内管内具有第一真空段和第二真空段，液体测量介质位于第一真空段和第二真空段之间；

测量组件，测量组件包括计数器，计数器具有相互匹配的光发生器和光接收器，光发生器被配置来产生被光接收器接受的光线，光发生器和光接收器相对地布置且分别位于冻结组件的两侧，由光发生器产生的光线能够透过处于解冻状态的液体测量介质以及内管的第一真空段和第二真空段而被光接收器接受，由光发生器产生的光线不能透过处于解冻状态的液体测量介质且不能被光接收器接受；

计数器与控制器匹配连接，并由控制器操控开启和关闭，且控制器具有被配置来接受由计数器反馈的脉冲数量、以及相邻两侧脉冲信号之间的时长；

控制器在收放机构完成一次连续进行释放和收纳绳链后记录液体测量介质由冻结长度，并重置计数器。

在其他的一个或多个示例中，控制器包括可编程逻辑控制器、可编程自动控制器、工业控制计算机中的任一种。

在其他的一个或多个示例中，传热介质为液体，且传热介质的凝固点低于液体测量介质的凝固点。

在其他的一个或多个示例中，外管还具有水平仪，水平仪被提供来确保冻结组件能够以竖直的姿态被布置于土壤中。

在其他的一个或多个示例中，保持架固定连接有GPS定位器。

在其他的一个或多个示例中，收放机构具有电机以及滚轮，滚轮固定连接在电机的输出轴，绳链远离内管的端部连接在滚轮。

在其他的一个或多个示例中，控制器具有数据接口，数据接口被配置来供数字设备读取被记录的冻结长度。

在其他的一个或多个示例中，数据接口为USB接口。

在其他的一个或多个示例中，自适应冻土深度测量装置还包括稳定架，稳定架具有能够容纳并可选地限制外管运动的稳定腔，稳定架具有多个维稳足。

在第二方面，本发明的实施例提供了一种测量系统。

测量系统，包括服务器、如前述的用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置。服务器与控制器无线通信连接。

有益效果：

本发明实施例提供的用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置能够自动地测量和记录冻土深度，并且在长时间跨度内自主地进行数据的记录。使用者可以在适当的时间对数据进行收集，从而可以大量的数据。通过这样的测量装置，可以降低使用者的操作难度，降低劳作强度，避免浪费时间。并且，采用所述的测量装置所测得的土壤冻结深度更精确，误差更小，可以避免人为测量的偏差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的冻土深度测量装置的结构示意图。

图标：100-冻土深度测量装置；102-动作件；101-固定件；103-保持架；104-测量组件；105-冻结组件；106-内管；107-外管；108-绳链。

具体实施方式

为了获得某一地区的冻结情况，因此，需要对当地土壤的冻结深度进行观测，以了解当地的冻土情况。

现有技术中，通常通过将装置或设备安置在期望测量的区域，然后在适当的时间后现场设备观测，记录冻结的深度。例如，一种简易的冻深检测器已被提出，其具有相互套设的两根管道。其中，外管套设在内管内。外管对内管起到保护作用。内管的管壁设置有的刻度、且内部填充能够在当地土壤冻结温度下发生凝结为固体的介质。

在经过一段时间后，操作人员现场将内管从外管中取出，并经内管的刻度获得介质的冻结长度，从而获得土壤的冻结深度信息。

但是，显而易见的是，这样的设备的使用便利性差。当需要对大范围内的区域进行冻土观测，或者需要对多个区域进行冻结观测时，这样的方式会大大提高操作和使用成本。

基于现有技术的缺陷，发明人提出了一种新的、易于使用的冻土深度测量装置，以简化操作，降低使用难度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，在不矛盾或冲突的情况下，本发明的所有实施例、实施方式以及特征可以相互组合。在本发明中，常规的设备、装置、部件等，既可以商购，也可以根据本发明公开的内容自制。在本发明中，为了突出本发明的重点，对一些常规的操作和设备、装置、部件进行的省略，或仅作简单描述。

以下，将结合附图对本发明提供的用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置100及测量系统进行详细阐述。

参阅图1。

本实施例提供了一种用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置100。

冻土深度测量装置100主要包括保持架103、冻结组件105、测量组件104。

其中，保持架103是作为辅助外设来被提供的，冻结组件105和测量组件104构成了冻土深度测量装置100的主要功能化构件。其中，冻结组件105被用在土壤环境条件下产生冻结现象。测量组件104被用来对已经发生冻结的冻结组件105的人为感兴趣的参数进行测量，例如，包括冻土的冻结信息，更具体而言，所述的冻结信息至少包括冻结深度。

以下分别对各个部件进行详细说明。

保持架103包括固定件101和动作件102，固定件101具有固定部和进攻部。保持架103被构造来以进攻部插入土壤、固定部暴露于土壤外的方式布置。其中，固定件101可以被简单地使用圆柱形杆来构造。进一步地，在固定件101的进攻部形成锥形结构，以便提供更尖锐的端部，从而更易穿刺土壤。

另外，由于保持架103需要承受一定的拉扯、拖拽作用力，因此，其姿态的稳定性应当被进行特别的注意和控制。基于此，保持架103可以设置一些姿态辅助维持机构。例如，固定件101连接姿态辅助维持机构。在固定件101插入至土壤中时，通过姿态辅助维持机构来提供稳定性。所述的姿态辅助维持机构可以是三脚架、斜拉撑杆等等。

本发明实施例中，固定件101大致上呈圆柱形结构，并且在端部形成如前述的尖锐的进攻部。进一步地，进攻部可以采用耐腐蚀、耐酸碱的硬质材料制作而成，以便能够更容易地插入土壤中。可以理解的是，前述的固定件101除了可以是圆柱形结构，也可以是其他的结构和形状，例如，棱柱形，包括三棱柱、四棱柱、五棱柱等等。在实际的制作和使用过程中，使用者可以根据环境和使用情况，对应地选择使用。以上，固定件101均被以整体式(一体式)的结构来阐述。但是，在其他的一个或多个示例中，固定件101还可以是被分体式结构，例如由多段圆柱体可拆卸地拼装而成。例如，固定件101还可以底座与杆结合而成的组合体。

动作件102是附连在固定件101的，并由固定件101提供稳定的支撑。动作件102通常是固定在固定件101的固定部的，使得动作件102大体远离土壤表面；或者，在一些示例中，动作件102是大体上呈现悬空状态的。

依据其功能而言，动作件102具有被控制器操控的绳链108的收放机构。换言之，动作件102能够驱动绳链108并且执行如在以下将被阐述的驱动测量组件104的部分。正如前述，基于自动化设备的需求，本实施例中，动作件102被采用为电驱动设备，并且其工作状态被控制器所调节，而无需人为干预(至少在一般情况下)。通常地，动作件102被选择为电机。电机的输出转轴连接绳链108，从而通过转轴的转动实现收纳或释放绳链108。

另外，基于实际应用的便利性考量，保持架103固定连接有GPS定位器，以便使冻土深度测量装置100能够更容易地被查找到。针对大区域内多个冻土深度测量装置100的使用情况，提供精确和快速的定位显得尤为重要和必要。但是，应该是指的是，除了使用GPS定位之外，还可以在冻土深度测量装置100布置其他信标，例如红外信标、射频信标等，以便红外线探查设备能够找到冻土深度测量装置100，如在能够更好地在GPS信号不利的情况下，进行更好的查找。换言之，为了能够更快速和准确地查找和获取冻土深度测量装置100的位置信息，结合多种定位方式和装置将是有利的。

进一步地，控制器被配置来以预设方式操控收放机构使绳链108被收纳而缩短、被释放而伸长，且收放机构在单位时间内的提升绳链108的长度被预设。

控制器可以控制在适当的时间、或时间间隔，或则其他触发条件下启动收放机构(如电机)，使得绳链108被收纳或释放。当电机的转速和转轴的直径已知，而绳链108直接固定在转轴时，其单位时间内的提升绳链108的长度可以被预先设定，以备后续冻土深度的检测。在另一些示例中，当电机的转轴连接滚轮，而绳链108也相应地固定在滚轮时，通过电机的转速和滚轮的直径也可以相应地获得单位时间内的提升绳链108的长度。另外，通过控制器的工作模式或方式预先设置，可以使得收放机构能够更加自动化和智能化地工作。

作为一种可选的示例，控制器包括可编程逻辑控制器、可编程自动控制器、工业控制计算机中的任一种，或者是其他发明人已知的控制器。这些控制器可以被预先编程，以便规范和确定对收放机构的控制方式，从而也是的收放机构的工作方式可以被预先地设计，以满足现实的测量需求。

更进一步地，作为一种更优的选择，控制器具有数据接口，数据接口被配置来供数字设备读取被记录的冻结长度。例如，数据接口为USB接口。数据接口的设置使得冻土深度测量装置100在电能允许的条件下能够长期地工作和运动，并且记录和存储相应的冻土深度信息，以备使用者随时地采集数据。

冻结组件105是被用来反映土壤的冻结情况的设备，并且通过结合测量组件104来将所感兴趣的冻结情况数据测量。

本发明实施例中，冻结组件105包括相互配合的外管107、内管106。其中，内管106连接在绳链108且与绳链108同步运动；外管107通常被插入(竖直)到土壤中。可以理解的是，内管106和外管107均采用导热系数高的材料制作将是有利的。与之相配合的是，前述的收放机构具有电机以及滚轮，滚轮固定连接在电机的输出轴，绳链108远离内管106的端部连接在滚轮。

外管107由第一管壁构成，内管106由第二管壁构成。内管106一般地同轴的方式套设于外管107内，且内管106以可移除的方式布置于外管107内。内管106竖直地布置将使得获得的土壤冻结深度数据更加准确。当内管106的垂直度不够好时，或者内管106的轴线偏移铅垂线时，所测得的数据需要进行一定的修正，以便获得更精确的数据。当然，在一些精度要求不高的情况下，数据也可以直接采用而不用进行修正。

一般地，内管106和外管107之间存在间隙更小时或可以忽略时，内管106和外管107之间的传热相对适宜，因此可以不作具体的改进。但是，当两者之间的传热不良好或者空隙较大时，相互套设的内管106和外管107应当或者更优的是通过结构或材料的调整和选择使其具有良好的热力学接触，以便能够更好地传热。

例如，在本发明实施例中，第一管壁和第二管壁之间填充有传热介质，内管106内贮存有能够被冻结及解冻的液体测量介质，内管106内具有第一真空段和第二真空段，液体测量介质位于第一真空段和第二真空段之间。

进一步地，所述的传热介质为液体，且传热介质的凝固点低于液体测量介质的凝固点。

更进一步地，外管107还具有水平仪，水平仪被提供来确保冻结组件105能够以竖直的姿态被布置于土壤中。另外，冻土深度测量装置100还可根据需要设置稳定架。稳定架具有能够容纳并可选地限制外管107运动的稳定腔，稳定架具有多个维稳足。

测量组件104包括计数器。所述的计数器可以记录脉冲信号，以及脉冲相关的信息。例如，脉冲间隔时间等。

计数器具有相互匹配的光发生器和光接收器。即工作原理为：光发生器发生一个光线，对应光接收器接受该光线。当光通路被阻挡时，光发生器产生的光线，不能够光接收器所接受，从而产生短暂的信号终止。通过信号的通断而产生脉冲的信号。

光发生器被配置来产生被光接收器接受的光线。光发生器和光接收器相对地布置且分别位于冻结组件105的两侧，由光发生器产生的光线能够透过处于解冻状态的液体测量介质以及内管106的第一真空段和第二真空段而被光接收器接受，由光发生器产生的光线不能透过处于解冻状态的液体测量介质且不能被光接收器接受。

其中，内管106设置第一真空段和第二真空段可以作为计数器的工作起始和工作终止的标记。由收放机构的运转速度已知，而内管106尺寸确定，因此，当内管106中的液体未发生冻结时，计数器将不会记录到脉冲信号的存在。而当内管106中的液体发生冻结时，计数器将记录到脉冲信号的存在。并且，当仅仅存在两个脉冲时，可以知晓，液体被完全冻结。进一步可知，脉冲数量N。当N为大于等于4的偶数，N与内管106内液体的冻结段数M，具有以下关系N/2＝M。其中，所述的冻结段数是指在内管106内液体冻结的部分的数量。显然，当液体完全冻结时，冻结的数量为1，脉冲数们可以是2或3。当液体部分冻结时，例如，第一部分冻结、第二部分冻结，在第一部分和第二部分之间存在未冻结部分。

计数器与控制器匹配连接，并由控制器操控开启和关闭，且控制器具有被配置来接受由计数器反馈的脉冲数量、以及相邻两侧脉冲信号之间的时长。

控制器在收放机构完成一次连续进行释放和收纳绳链108后记录液体测量介质由冻结长度，并重置计数器。

通过计数器获得脉冲数量，以及脉冲时间间隔可以获得，在任意冻结段内的内管106的运动时间，进而根据收放机构的运动速度可以计算获得冻结段的长度。通过这样的方式，可以实现便利的准确的冻结深度检测，减小操作难度。

基于前述的冻土深度测量设备，本发明实施例还提供了一种测量系统。包括服务器、如前述的用于对冻土深度进行检测的自适应冻土深度测量装置100。服务器与控制器无线通信连接。服务器可以存在预先设定的工作命令，并通过无线通信链路下发给控制器，进而操作相应的设备。另外，控制器也可以将获得相关数据信息通过上行链路上传至服务器存贮、分析等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。