Tdr原理的尾矿库干滩长度测量传感器及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器及其测量方法。传感器包括TDR测量仪、两芯线和套管，两芯线套在水管和接头交替连接的套管内，并从尾矿坝沿直线平铺到尾矿库水面以下，TDR测量仪安装在尾矿坝上，用TDR测量仪测量两芯线的阻抗，水淹没处的两芯线阻抗会发生变化，对TDR数据进行分析结合标定的TDR每个采样间隔对应的两芯线长度，识别水面下两芯线的长度，两芯线总长减去水下部分的长度即为水面到尾矿坝的距离，最后根据已知的尾矿坝斜率可以计算出干滩长度。本发明方法可准确而方便地测量得到尾矿坝的干滩长度，并屏蔽了露水及水剂附着在两芯线上对测量结果的影响。
【专利说明】
TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器及其测量方法
技术领域
[0001]本发明属于检测技术领域，具体涉及了一种TDR原理的干滩长度测量传感器及其测量方法，可用于尾矿库干滩长度测量。
【背景技术】
[0002]干滩长度是尾矿库安全监测的一个重要指标，长期以来干滩长度的测量没有一个准确可靠的方法。
[0003 ]目前刚用的长滩长度测量方法有:
[0004]1.坡度推算法
[0005]坡度推算法是当前尾矿库干滩长度在线监测系统中使用最多的一种方法，其基本原理为:在尾矿库干滩上设置多个剖面，每个剖面设2个干滩高程监测点，第一监测点设置在靠近坝体的干滩滩顶处，第二监测点则设置在从坝体向库区水位方向一定距离位置。在设定的监测点埋设立杆，安装物位计，预先测定好物位计的高程及相对距离，通过测量物位计距滩面的高度来计算干滩高程，求出干滩坡度，再结合水面高度计算干滩长度等信息，如图1所示。该方法的优点是操作简单，缺点是当干滩长度较长时，如果布置干滩高程测点较少，所测干滩坡度根本无法反映真实情况，误差较大;若布置的高程测点多，提高了坡度与长度测量精度，但费用较高。此外，该方法也无法准确计算出滩顶高程、最小安全超高以及最小干滩长度值。随着干滩的堆积，干滩顶部的物位杆需要重新安装，坡度需要重新测量。
[0006]2.激光测角测距法
[0007]测角测距法测量，采用激光测距仪结合角度测量仪来进行干滩监测，原理如图2所示，在滩顶合适位置安装一台激光测角测距仪，通过远程控制仪器对干滩进行测量得到上图所示三角形中最顶上的角度、边长，通过简单的数学计算即可求出该三角形的所有因素，利用数学计算求得干滩坡度、长度；
[0008]此方法的缺点:当干滩较长时，没有反光板，很难捕获激光亮线的漫反射光。有反光板时会被不断排出的液态尾矿砂淹没
[0009]3.光学图像识别法
[0010]如图3，光学成像自动识别水线的立体几何测量的方法是应用图像识别技术将尾矿库干滩图像二值化，从而使干滩图像变得简单，而且数据量减小，并能凸显出尾矿坝坝体及干滩的轮廓，然后将二值化后的干滩图像进行处理与分析，利用像素检测技术计算分析干滩高度，但干滩表面需要设置较多的现场标志杆辅助划分水与干滩分界面，这些杆随着时间会被排出的尾矿砂逐渐淹没，而且该方法较难识别植物倒影及不规则水线。
[0011]4.近景立体摄影测量技术
[0012]该方式通过视频终端捕捉干滩图像，采用近景立体摄影测量原理，根据图像特征提取和影像匹配的结果，在立体影像上进行目标点量测和定位等，结合水位等其他基础数据解算干滩长度、滩顶高程、干滩坡度、测点高程等数据。为了精确地解算影像的定向参数，需在尾矿库的坝顶、干滩、澄清水、山顶等测区周边位置处按照三维、均匀布设原则放置控制标志；
[0013]该方法需要结合的水位等其他参数辅助，在尾矿库周边的山上安放了较多的标志杆，施工成本较高，且很多尾矿库不具备这样的施工条件。
[0014I 5渗流反推法
[0015]渗流反推法测量干滩长度，在干滩上隔一定距离埋设一个渗压计，根据浸润线情况反推干滩长度，但该种方法是间接测量，时效性差，水渗到干滩中有一个时间差问题。
【发明内容】
[0016]为了解决【背景技术】中现有方法存在的问题，本发明提出了一种TDR原理的干滩长度测量传感器及其测量方法。
[0017]本发明采用的技术方案是:
[0018]一、一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器:
[0019]所述的干滩长度测量传感器包括TDR测量仪、两芯线和套管，两芯线套在水管和接头交替连接的套管内，并从尾矿坝沿直线平铺到尾矿库水面以下，TDR测量仪安装在尾矿坝上。
[0020]本发明用TDR测量仪测量两芯线的阻抗，水淹没处的两芯线阻抗会发生变化，对TDR数据进行分析结合标定的TDR每个采样间隔对应的两芯线长度，识别水面下两芯线的长度，两芯线总长减去水下部分的长度即为水面到尾矿坝的距离，最后根据已知的尾矿坝斜率可以计算出干滩长度。
[0021]本发明的两芯线套在包裹了土工布的水管内可以屏蔽雨水对测量结果的影响，土工布内包裹的孔，用于尾矿库内的水渗进或者排除水管。
[0022]所述的两芯线是两芯双绞线或者两芯平行线，优选两芯双绞线。
[0023]所述的水管采用能够承受尾矿砂压力的金属水管或者塑料水管。
[0024]所述的水管固定间隔设有通孔，水管的通孔和下端口均采用土工布包裹过滤泥沙，防止泥沙淤积。
[0025]所述的传感器具有测量盲区，需要测量的干滩长度大于所述传感器自身盲区的长度才能正确测量。所述的传感器安装的时候，需要从尾矿坝到尾矿库水面方向拉直。
[0026]进一步地，一个所述的传感器铺设后被新尾矿砂掩埋后，在新尾矿砂上继续再铺一个传感器。
[0027]二、一种TDR原理的干滩长度测量方法:
[0028]I)安装前先测量两芯线总长度并进行标定:
[0029 ] 2)采集获取尾矿坝坡面斜度；
[0030]3)把两芯线置于待测的尾矿库水中，对采集到的TDR数据进行分析，找到两芯线的下端点所在的TDR数据点和在下端点前最小值所在的TDR数据点，将该两点之间的TDR数据的间隔数乘以通过标定获得的两芯线单位长度作为两芯线在水中的长度，用两芯线总长度减去在水中的长度，获得水面到尾矿坝的距离；
[0031]4)根据尾矿坝坡面斜度，计算出干滩长度。
[0032]所述步骤I)中的标定具体是:把两芯线的一部分浸在尾矿库水内，记录已入水的两芯线长度，用TDR测量仪测量两芯线，对采样数据进行分析找到两个反射最强的点对应的数据点，采样数据中除盲区以外的第一个最大值点作为两芯线伸入水下的最下端点，采样数据中的最小值点作为水面位置;该两点之间TDR采样数据的间隔数对应入水的两芯线长度，两芯线入水的长度除以该两点之间TDR采样数据的间隔数，作为该类型水中两芯线的单位长度。
[0033]本发明的两芯双绞线传感器在无水情况下，有水剂附着情况下，完全浸水的情况下，TDR脉冲信号在其内部传输速度不同，在有水剂扶着情况下每个TDR采样间隔对应的两芯线长度是不确定的，所以用总长减去在水中的长度来计算干滩长度。
[0034]本发明传感器可实现尾矿库干滩长度的连续动态测量，最小分别率是TDR测量仪的最小分辨率，即是在传感器被尾矿砂掩埋的情况下也可以实现精确测量。
[0035]本发明的特点和有益效果是:
[0036]本发明传感器可以实现尾矿库干滩长度的连续动态测量，即是在传感器被尾矿砂掩埋的情况下也可以实现精确测量。
[0037]本干滩长度测量方法可以克服水位下降时两芯线上附着的水剂，以及天气变化使两芯线上附着露珠对测量结果的影响。
[0038]本发明传感器实现了在只有两根信号线的情况的尾矿库干滩长度的精确测量;相对于坡度推算法需要不断的修正坡度，本传感器只需要安装的时候测量一次坡度，以后不需要再次测量;相较于激光测量，视频测量，本测量传感器及方法不受环境影响，即使在大雾、大雨、大雪的情况下也可以精确测量;相较于渗流反推法，本发明传感器是可实时测量，时效性好。
【附图说明】
[0039]图1是现有技术中坡度推算法测量干滩长度原理图。
[0040]图2是现有技术中激光测角测距法测量干滩长度原理图。
[0041 ]图3是现有技术中光学图像法测量干滩长度原理图。
[0042]图4是本发明的安装结构示意图。
[0043]图5是本发明下端伸入水下测量的结构示意图。
[0044]图6是实施例的TDR测量仪在不同干滩长度下的测量结果图。
[0045]图中:I为TDR测量仪，2为两芯线，3为套管，4为水，5为尾矿坝，31为水管，32为水管接头，33为通孔，34为土工布。
【具体实施方式】
[0046]以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0047]本发明的传感器包括TDR测量仪1、两芯线2和套管3，两芯线2套在水管31和水管接头32交替连接的套管3内，套管3的水管31或者水管接头32处设有用于水4进出的通孔33，并从尾矿坝5沿直线平铺到尾矿库水面以下，TDR测量仪I安装在尾矿坝上。
[0048]具体实施中，两芯线2是两芯双绞线或者两芯平行线，水管31采用能够承受尾矿砂压力的金属水管或者塑料水管，水管需要有一定的硬度能够承受尾矿砂的压迫。
[0049]具体实施中套管3采用水管31和水管接头32无限长度连接，优选的在水管31固定间隔设有通孔33，水管可通过水管接头32不断延长，水管的通孔33和下端口均采用土工布34包裹过滤泥沙，防止泥沙淤积。
[0050]具体实施中，一个所述的传感器铺设后被新尾矿砂掩埋后，可以在新尾矿砂上继续再铺一个传感器。
[0051 ]本发明的具体实施例及其工作过程如下:
[0052]I)安装前先测量两芯线2总长度并进行标定:把两芯线的一部分浸在尾矿库水内，记录已入水的两芯线长度，用TDR测量仪I测量两芯线，对采样数据进行分析找到两个反射最强的点对应的数据点，采样数据中除盲区以外的第一个最大值点作为两芯线41伸入水下的最下端点，采样数据中的最小值点作为水面位置;该两点之间TDR采样数据的间隔数对应入水的两芯线长度，两芯线2入水4的长度除以该两点之间TDR采样数据的间隔数，作为该类型水中两芯线的单位长度。
[0053]2)使用全站仪采集获取尾矿坝坡面斜度；
[0054]3)把两芯线2置于待测的尾矿库水中，对采集到的TDR数据进行分析，找到两芯线的下端点所在的TDR数据点和在下端点前最小值所在的TDR数据点，将该两点之间的TDR数据的间隔数乘以通过标定获得的两芯线41单位长度作为两芯线在水4中的长度，用两芯线总长度减去在水中的长度，获得水面到尾矿坝的距离；
[0055]4)根据尾矿坝坡面斜度，计算出干滩长度。
[0056]以某尾矿库干滩长度测量传感器的安装测量为例来说明，该尾矿库正常干滩长度变化量在100?150米之间，所以选择157米I平方的两芯双绞线来作为传感器，用该类型线作传感器的测量盲区约为20米。安装前把两芯双绞线60米泡在尾矿库内测量，结果如图8中的所示，图中的60米代表入水60米两芯线，图中两芯线的端点对应第一个TDR采样数值最大的点第228点采样数值为255，在端点前TDR采样数据最小的点为第128点数值为2，两点间隔100点，每个间隔对应库水内的两芯线长度为60米/100 = 0.6米。
[0057]安装时，水管选择的PP-R管，每米打一个通孔，通孔用土工布包裹，套上两芯双绞线后，用接头把一根根PP-R管连接起来铺设到尾矿库水面以下。因该尾矿库坡度小于I度，所以近似认为测量的尾矿库斜面值即为干滩长度。
[0058]安装完成后的测量结果如图8中的所示，图中的50米代表两芯线实际入水50米，对应的实际干滩长度107米，图中测量结果为，水面位置对应TDR采样点第137点数值为2，两芯线端点对应第221点数值为255，两芯线入水长度的测量值为(221-137)*0.60 = 50.4米，干滩长度的测量值为157-50.4 = 106.6米，误差0.4米。同理，两芯线入水40米时，实际干滩长度117米时，测得的干滩长度为157米-(214-147)*0.6米=116.8米，误差0.2米;两芯线入水30米时，实际干滩长度127米时，测得的干滩长度为157米-(209-158)*0.6米=126.4米，误差0.6米;两芯线入水20米时，实际干滩长度137米时，测得的干滩长度为157米-(201-168)*
0.6米=137.2米，误差0.2米;两芯线入水10米时，实际干滩长度147米时，测得的干滩长度为157米-(195-179)*0.6米=147.4米，误差0.4米。
[0059]由此，实施例获得的最大误差0.6米/157米=0.38%，可见本发明传感器即是在传感器被尾矿砂掩埋的情况下也可实现尾矿库干滩长度的连续动态测量，克服了两芯线上附着水对测量的影响吗，具有时效性好、准确性好的显著技术效果。
【主权项】
1.一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器，其特征在于:所述的干滩长度测量传感器包括TDR测量仪(I)、两芯线(2)和套管(3)，两芯线(2)套在水管(31)和接头(32)交替连接的套管(3)内，并从尾矿坝(5)沿直线平铺到尾矿库水面以下，TDR测量仪(I)安装在尾矿坝上。2.根据权利要求1所述的一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器，其特征在于:所述的两芯线(2)是两芯双绞线或者两芯平行线。3.根据权利要求1所述的一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器，其特征在于:所述的水管(31)采用能够承受尾矿砂压力的金属水管或者塑料水管。4.根据权利要求1所述的一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器，其特征在于:所述的水管(31)固定间隔设有通孔(33)，水管的通孔(33)和下端口均采用土工布(34)包裹过滤泥沙，防止泥沙淤积。5.根据权利要求1所述的一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器，其特征在于:需要测量的干滩长度大于所述传感器自身盲区的长度。6.根据权利要求1所述的一种TDR原理的尾矿库干滩长度测量传感器，其特征在于:一个所述的传感器铺设后被新尾矿砂掩埋后，在新尾矿砂上继续再铺一个传感器。7.应用于权利要求1?6任一所述传感器的一种TDR原理的干滩长度测量方法，其特征在于: 1)安装前先测量两芯线(2)总长度并进行标定: 2)采集获取尾矿坝坡面斜度； 3)把两芯线(2)置于待测的尾矿库水中，对采集到的TDR数据进行分析，找到两芯线的下端点所在的TDR数据点和在下端点前最小值所在的TDR数据点，将该两点之间的TDR数据的间隔数乘以通过标定获得的两芯线(41)单位长度作为两芯线在水中的长度，用两芯线总长度减去在水中的长度，获得水面到尾矿坝的距离； 4)根据尾矿坝坡面斜度，计算出干滩长度。8.根据权利要求7所述的一种TDR原理的干滩长度测量方法，其特征在于: 所述步骤I)中的标定具体是:把两芯线的一部分浸在尾矿库水内，记录已入水的两芯线长度，用TDR测量仪(I)测量两芯线，对采样数据进行分析找到两个反射最强的点对应的数据点，采样数据中除盲区以外的第一个最大值点作为两芯线(41)伸入水下的最下端点，采样数据中的最小值点作为水面位置;该两点之间TDR采样数据的间隔数对应入水的两芯线长度，两芯线(2)入水的长度除以该两点之间TDR采样数据的间隔数，作为该类型水中两芯线的单位长度。
【文档编号】G01B7/02GK105841596SQ201610166216
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月19日
【发明人】王燕杰, 李青, 贾生尧, 童仁园, 施阁, 孙叶青, 池金谷
【申请人】中国计量学院