专利名称：便携式侵蚀沟测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种环境监测仪器，具体是测量土壤侵蚀沟的仪器。
背景技术：
坡面侵蚀沟监测是水土流失微观监测的传统内容，是定量研究坡面水土流失的基础环节。坡面是土壤侵蚀区最基本的地貌单元，坡面上的细沟、切沟和冲沟等土壤侵蚀沟，是水蚀区基本的微地貌形态。沟蚀在土壤侵蚀中占据重要位置，研究表明，以切沟为主的沟谷产沙最高可占流域产沙总量的94%。为有效的防治侵蚀沟，首先必须准确掌握侵蚀沟的发展与变化过程。 侵蚀沟发育于侵蚀坡面，一般立地条件恶劣，山高坡陡，山道崎岖细窄，不便大型测量仪器的上下搬运。林下水土流失往往发生于高大乔木林的裸露坡面，给航空摄像和遥感测绘带来困难，限制了侵蚀沟测量技术的发展。纵观国内外各种侵蚀沟监测技术，可以分为接触式和非接触式测量2类，接触式测量方法有人工手动测量、测针法(地表糙率仪)、测钎法、标尺法、链条法等，非接触式测量方法目前主要依托空间遥感和定位技术，有高精度GPS、航拍图像法和三维激光微地貌扫描仪法。 人工手动测量是在监测区内按一定比例选取样地，通过调查样地内侵蚀沟的数量(条数)，测量每条侵蚀沟的长度、深度、宽度等要素，按近似形状(U型或V型等)的方法计算出土壤侵蚀量，该法操作简单，技术要求不高，但过程费时费力、精度差。
测针法是通过多根联排测针测定地面基点的高度值，获知微地貌的地形变化。之后经过改进而成的"地表糙率仪"；由51根测针组成，每根测针的长度为50cm，测针间距为2cm，在进行测定时，将该仪器沿坡面置于试测区，依次读取各测针的数值。"地表糙率仪"测量精度、可靠性有限，糙率仪水平方向和垂直方向的精度范围最高只能达到2cm和lcm，且观测主观性大，目前已很少使用。 测钎法通过在简易水土流失观测场有规律的埋设测钎来观测土壤侵蚀量，是开发
建设项目水土流失地面监测的常用方法，已列入我国水土保持监测技术规程。此方法存在
控制点易遭到破坏、读数主观性强、外业工作量过大、测量精度不够高等缺陷。 以上接触式测量对人力要求较高，且水土流失监测环境一般具有一定的危险性；
未来监测手段的发展方向是非接触式测量。 高精度GPS可采用RTK(实时动态测量)技术，在理想环境下，具有高定位精度的特点，可达到厘米级。但从实践结果来看，由于水土流失监测作业环境往往地形复杂，加之天气恶劣，接收机搜索到的卫星数偏少，对于坡面沟蚀这样一类微地貌侵蚀环境，很难确保沟沿线、沟底地形特征线测量的质量。 类似宏观遥感影像监测的做法，采用大比例尺多时相航拍影像监测微地貌环境不同时段的侵蚀形态时，由于其空间分辨率及时间分辨率的不足，测量误差往往远大于待测侵蚀沟的深、宽度，难以较好地反映沟蚀在微小尺度上的变化和多变性，尤其是在纵深方向上的变化，目前还很难用于沟蚀测量的实际工作中。此外购买大比例尺影像目前费用昂贵。
三维激光扫描采用非接触式激光测量，以此获取地形或复杂物体的几何图形和影像数据，并由后处理软件处理以满足不同的应用需要。但三维激光微地貌扫描仪由于需要提供连续的立体三维地形，设计、运转过程复杂，但操作繁琐，成本高昂，经济实用性不高，另其体积庞大，不便搬运使用。 综上，在与水土流失过程关系密切的侵蚀沟监测领域，尚无一套可以推广应用的精确高效的监测技术和设备。随着水土保持研究和管理部门对监测数据要求的不断提高，
自动化地面监测趋势的发展，加之日益成为工作重点的开发建设项目水土保持监测的实践需求，无论从理论还是实践工作角度，都迫切需要开发一种精确快捷、实用廉价、搬运方便的侵蚀沟测量仪器。
发明内容
本发明的目的是提供一种侵蚀沟测量仪，该测量仪器应能克服上述背景技术的不足，具有测量精度高、测量效率高、可自动测量无线发送数据的特点，并且搬运方便、成本较低，以满足现场对土壤侵蚀现状进行监测的需要。
本发明提供了以下技术方案 便携式侵蚀沟测量仪，包括一控制电路和电池；其特征在于该测量仪还包括设置在侵蚀沟地面上的机架、定位在机架上且可沿机架运动的小车、安装在小车上垂直对地面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输的方式发送给终端设备的激光测距仪。
所述机架包括一水平悬空布置的横梁以及支撑横梁两端的支脚；横梁是薄壁金属材料制成的矩形体，其底端中央开制有贯通整个长度方向的长槽；支脚的下部竖直插入地面，而支脚顶端则固定所述的横梁。 所述的小车包括用于悬挂小车轮架的承重结构、与机架作用产生驱动力使小车运动的动力机构。 所述的横梁上制有作为导轨使用的两个托边；所述的承重结构包括由托边支撑的位于横梁内腔的若干对滚轮，两托边之间隔开一定距离形成所述的长槽；每对滚轮的两个滚轮均通过轴承安装在轮架的两侧且分别搁置在左侧和右侧的托边上；另配置有若干对顶轮，每对顶轮的两个轮子均可转动地定位在一悬架上且两个轮子分别位于左右托边的下边；另有至少两个调节螺钉由下而上依次竖直穿越过悬架上的滑孔、长槽后与轮架进行螺纹连接，穿套在调节螺钉上的弹簧对所述悬架以及调节螺钉分别施加向上和向下的压力，以使滚轮和顶轮夹紧所述的托边。 所述的动力机构包括由直流电机及直流电机输出轴上的驱动齿轮、设置在横梁上
的与前述齿轮啮合的齿条；该齿条直接制作在横梁的侧面，并伸展至整个横梁。
所述的小车上还设置一离合器；该离合器中直流电机位于横梁的制有齿条的一
侧，直流电机支撑架两侧的滑孔可滑动地穿套在两根从悬架上水平伸出且垂直于横梁的滑
杆上，每根滑杆上分别设置一对支撑架施加往齿条方向压力的弹簧；与支撑架相对应的横
梁另一侧，有一可转动地铰接在小车悬架上的拨杆，一可滑动地定位在悬架上且横向水平
穿越过所述横梁的顶杆，顶杆的前端触碰着所述的支撑架，顶杆的后端则伸展至悬架外部，
以待所述的拨杆转动时对其顶压，从而抵压支撑架使驱动齿轮脱开与齿条的啮合。 所述的两个托边分别从横梁两侧面的底端向中间延伸若干距离。
本发明使用时只需安置在需要测量的现场，并在地面上插入支脚后将横梁架平，用多向水平仪调好水平，即可启动小车运行；该测量仪就能在外界无线控制信号引导下自动测量、自动将所测数据发送到接收设备。 采用本发明，除在测量现场安置架设和测量小车归起始位需要由操作人员手工操作外，其余包括恒速运动、停车、数据检测、数据发送等操作步骤都能按照预先设定的程序自动进行，在测量过程完全消除了人为因素的影响，不但明显提高了测量精度，保证了测量数据的准确和完整，而且显著降低了测量人员的工作强度和工作量，大幅度提高了环境监测工作效率，为水土保持工作提供了第一手资料。此外，该测量仪的结构设计简洁实用，又能分拆成几部分进行搬运，十分有利于在侵蚀沟区域作业，还降低了制造成本。
图1是本发明的主视结构图。 图2是本发明中的支脚的主视结构图。 图3是图1中的小车与横梁配合结构的俯视结构示意图。 图4是图1的左视方向的小车的结构示意图。 图5是图4中的小车去掉车罩和测距仪固定架之后的结构示意图。 图6是图3中的小车去掉车罩和测距仪固定架之后的结构示意图。 图7是图5中离合器的工作状态示意图。 图8是离合器拨杆与顶杆的配合结构示意图。 图9是控制电路方框图。 图10是控制电路原理图。
具体实施例方式
具体设计完成的便携式侵蚀沟测量仪，包括一控制电路和电池，还包括设置在侵蚀沟地面上的机架1、定位在机架上且可沿机架运动的小车2、安装在小车上垂直对地面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输的方式发送给终端设备的激光测距仪40。其中，所述的电池(图中省略)是可充电锂电池，它是监测仪中所有用电器的电源。电池采用12.6V5.5AH的容量，保障系统在不充电的状态下，连续工作5小时以上。充电采用交流220V电源定时充电，充电电流为2A。 所述的机架机构中二根支脚3的底端用于竖直插入地面固定，二根支脚顶端的连接头3-3分别横向插入横梁1-1的二端(连接头3-3的形状与横梁1-1的内腔相适合)后，再将支脚锁紧螺母3-1拧紧(与支脚顶部3-4的外螺纹配合)，二根支脚3就与横梁1-1连接形成"n"形机架。横梁的顶部中间还安装一多向水平仪5(可外购的成熟产品)，以使横梁1-1安装时定位在水平状态(包括横梁纵向和横向的水平)，防止产生监测误差。横梁1-1的一个侧面加工有齿条6，当小车2中的驱动齿轮12与其啮合时，就可驱动小车在横梁上行走。在横梁1-1的一端还装有停车碰块4，用于触碰小车侧面的停车按钮(小车行走接近时即自然触碰)。此外，支脚3的下部装有踏脚3-2，以借助脚力将支脚插入地面进行定位。 横梁l-l(横梁宽度约为3-4cm左右)两侧面的底端向中间延伸若干距离( 一般是1cm左右)；后分别形成两个托边l-ll(该托边作为滚轮运动的导轨；图中可知成呈下凹的圆弧面)；所述的承重结构包括由托边支撑的位于横梁内腔的若干对滚轮17 ;每对滚轮的两个滚轮均通过轴承可转动地定位在轮架19的两侧(图中可知一横轴水平横跨过轮架19且与轮架固定，两个滚轮分别安装在同一根横轴的两端)且分别搁置在左右托边1-11上；每对滚轮分别对应配置一对顶轮15，每对顶轮的两个轮子分别铰接(通过销轴30铰接)在一悬架16上，且两个轮子分别位于左侧托边或右侧托边1-11的下边(最好与所述的两个滚轮分别上下对正)，另有至少两个调节螺钉13由下而上竖直穿越过悬架上的通孔、横梁的长槽( 一般宽度lcm左右即可)后旋入轮架19的螺孔中进行定位；穿套在调节螺钉上的弹簧14对所述悬架以及调节螺钉分别施加向上和向下的压力，使得滚轮17和顶轮15夹紧所述的托边(旋动调节螺钉13可调节对所述托边夹压的松紧程度)，以确保小车运动时稳定，避免可能产生的跳动。 所述的小车上还设置一离合器；该离合器中直流电机M位于横梁的制有齿条的一侧，直流电机支撑架26两侧的滑孔可滑动地穿套在两根从悬架16上水平伸出且垂直于横梁的滑杆25上，每根滑杆上分别设置一对支撑架施加往齿条方向压力的弹簧IO(弹簧10穿套在滑杆25上分别对支撑架及封盖螺母11施加顶压力)；与支撑架相对应的横梁另一侧设置一可转动地铰接(通过销钉18-1铰接)在小车悬架上的拨杆18， 一可滑动地定位在悬架上且横向水平穿越过所述横梁的顶杆21，顶杆的前端触碰着所述的支撑架，顶杆的后端则伸展至悬架外部(图5、图7中的右侧)；所述的拨杆18转动时，拨杆18的顶端就对顶杆顶压使其向左滑动(图5、图7所示方向)，进而对支撑架顶压使直流电机M连同驱动齿轮12 —齐同时向左运动脱开与齿条的啮合，传动链即切断使得小车停止运动。小车外壳7内安装着电源恒压控制器和可充电电源(即锂电池；图中电源恒压控制器和锂电池均省略)；外壳上还装有安装架8，用于安装激光测距测量仪40。该激光测距测量仪可外购后直接安装使用。 根据测量要求和精度，并考虑到需要数据传送，选择外购瑞士侵蚀坡面产莱卡侵
蚀坡面激光测距仪Leica DISTO A6。其主要技术指标和功能如下 测量精度1. 5mm/100m 测量范围0. 05—200M 测量时间0. 4—4秒/次 *蓝牙无线数据传输 内置2倍望远镜瞄准器， 可测量远距无反射板(约为100m) 计算功能(+， _， x) IP54级防溅水和防尘 该设备附带有数据接收软件，数据接收软件中可用鼠标点击按钮远程控制测量功能。 所述的控制电路包括控制主板(见图10)、蓝牙通信模块、启动按钮、停车按钮、工作/充电转换开关、充电接口。其中通信采用笔记本电脑连接蓝牙通信模块与激光测距仪蓝牙通信，互传控制命令和数据。 根据坡面微地貌形态的测量的技术要求和实际工作环境，本发明确定的功能和指
6标是 水平测量距离^ 1. 8m ;
水平测量最小间距5mm
水平位移控制精度为《0. 5mm ;
垂直测量精度为《2mm ;
整机重量《10kg ;
工作环境温度-5 50°C ;
环境相对湿度《85% ;
测量数据采用无线传输方式；
所测试和发送的数据是
1、每一检测点的时间；
2、每一检测点的距离。
本发明的工作过程是 ①在测量的侵蚀沟断面，选定架设位置，在断面边缘插入一根支脚； ②将支脚顶端连接头插入横梁轨道滚轮槽，并用锁紧螺母锁紧； ③将小车离合器拨至分离状态，将小车滚轮组从横梁的另一端装入； ④将另一支脚顶端连接头插入横梁滚轮槽，并用锁紧螺母锁紧，然后插入地面； ⑤检查横梁水平状态，调整支脚高度和横杆歪斜状态，使多向水平仪的三个气泡
均落于中间线框内； ⑥将小车推至测量起始端并将小车离合器拨至啮合状态；
⑦将激光测距仪安装在小车测量安装板上，将螺丝拧住； ⑧打开激光测距仪的电源按钮，并按下蓝牙通信按钮，看到液晶屏上蓝牙通信标记闪烁为正常； ⑨将蓝牙通讯模块插入便携式计算机USB接口 ，启动便携式计算机； ⑩启动激光测距仪测量软件"DISTO transfer pc"中BlueSoleil功能，搜索和连
接蓝牙通信器； (11)启动激光测距仪测量软件"DISTO transfer pc"中Messprotokoll功能，准备接收显示数据； (12)启动鼠标控制软件，将鼠标箭头放至激光测距仪测量软件的测量控制按钮上，开始自动检测，检测间隔时间0. 5 1秒可调； (13)按下测量小车工作按钮，小车开始匀速运行，此时数据通过蓝牙通信模块传送至便携式计算机； (14)在测量小车运行至停车碰块停车后，移开鼠标箭头，检测停止； (15)启动激光测距仪测量软件"DISTO transfer pc"中点击"Exceldatei
erstellen"按钮，即可将测量结果导入到Excel表格中，只要将表格另存，以便以后进行数
据处理； (16)按下小车离合器，使小车齿轮与横梁齿条处于分离状态，将小车推回测量起始位置，完成一次测量工作。 锂电池、DC/DC模块、工作电机设备集成安装在测距车外壳内。锂电池是工作的动力源，容量选择5. 5AH，最大电压DC12. 6V，可充电次数〉500次，可连续运行5小时以上。
电源开关关闭时方可进入充电状态。充电器与锂电池电压和容量配套，充电电压 为DC13. 4V，电流为2A。 当切换到供电时，锂电池的电源通过转换开关向DC/DC模块供电。DC/DC模块以调 整好的稳定的电压向控制电路供电。 当切换到充电时，切断向DC/DC模块供电，接通充电设备充电。
控制电路工作过程 当按下工作按钮AN时，干簧管继电器J线圈接通，同时干簧管继电器J-l触点接 通，直流电机M开始工作。 当放开按钮AN时，干簧管继电器J线圈由于干簧管继电器J触点接通而自保，因 此直流电机M将继续工作。 当限位开关XW被触碰按下时，切断了电路，直流电机停止运行，所有电路恢复起 始状态。 行走控制工作过程如下
将电源开关打开。
当按下工作按钮时，直流电机开始工作。
当放开按钮时，由于电器自保，因此直流电机将继续工作。
当限位开关按钮被触碰按下时，切断了电路，直流电机停止运行，所有电路恢复 起始状态。 图中还有驱动齿轮固定螺钉29，顶轮轴30。
权利要求
便携式侵蚀沟测量仪，包括一控制电路和电池；其特征在于该测量仪还包括设置在侵蚀沟地面上的机架(1)、定位在机架上且可沿机架运动的小车(2)、安装在小车轮架上垂直对地面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输的方式发送给终端设备的激光测距仪(40)。
2. 根据权利要求l所述的便携式侵蚀沟测量仪，其特征在于所述机架(1)包括一水平悬空布置的横梁(1-1)以及支撑横梁两端的支脚(3);横梁(1-1)是薄壁金属材料制成的矩形体，其底端中央开制有贯通整个长度方向的长槽；支脚(3)的下部竖直插入地面，而支脚顶端则固定所述的横梁(1-1)。
3. 根据权利要求1或2所述的便携式侵蚀沟测量仪，其特征在于所述的小车包括用于悬挂小车轮架(19)的承重结构、与机架作用产生驱动力使小车运动的动力机构。
4. 根据权利要求3所述的便携式侵蚀沟测量仪，其特征在于所述的横梁上制有作为导轨使用的两个托边(1-11)，所述的承重结构包括由托边支撑的位于横梁内腔的若干对滚轮(17);两托边之间隔开一定距离形成所述的长槽；每对滚轮(17)的两个滚轮均通过轴承安装在轮架的两侧且分别搁置在左侧和右侧的托边上；另配置有若干对顶轮(15)，每对顶轮的两个轮子均可转动地定位在一悬架(16)上且两个轮子分别位于左侧托边和右侧托边的下边；另有至少两个调节螺钉(13)由下而上依次竖直穿越过悬架上的滑孔、长槽后与轮架(19)进行螺纹连接，穿套在调节螺钉上的弹簧(14)对悬架以及调节螺钉分别施加使滚轮和顶轮夹紧所述托边的压力。
5. 根据权利要求4所述的便携式侵蚀沟测量仪，其特征在于所述的动力机构包括由直流电机(M)、直流电机输出轴上的驱动齿轮(12)以及设置在横梁(1-1)上的与前述齿轮啮合的齿条(6);该齿条直接制作在横梁(1-1)的侧面，并伸展至整个横梁(1-1)。
6. 根据权利要求5所述的便携式侵蚀沟测量仪，其特征在于所述的小车上还设置一离合器；该离合器中直流电机(M)位于横梁的制有齿条的一侧，直流电机支撑架(26)两侧的滑孔可滑动地穿套在两根从悬架(16)上水平伸出且垂直于横梁的滑杆(25)上，每根滑杆上分别设置一对支撑架施加往齿条方向压力的弹簧(10);与支撑架相对应的横梁另一侧，有一可转动地铰接在小车悬架(16)上的拨杆(18)，一可滑动地定位在悬架上且横向水平穿越过所述横梁的顶杆(21)，顶杆的前端触碰着所述的支撑架(26)，顶杆的后端则伸展至悬架外部，以便于所述的拨杆转动时对其顶压。
7. 根据权利要求6所述的便携式侵蚀沟测量仪，其特征在于所述的两个托边(1-11)分别从横梁两侧面的底端向中间延伸若干距离。
全文摘要
本发明涉及一种测量土壤侵蚀沟的仪器。目的是提供的测量仪器应具有测量精度高、测量效率高、可自动测量无线发送数据的特点，并且搬运方便、成本较低。技术方案是便携式侵蚀沟测量仪，包括一控制电路和电池；该测量仪还包括设置在侵蚀沟地面上的机架、定位在机架上且可沿机架运动的小车、安装在小车轮架上垂直对地面土壤的高度进行测量并将测得的数据通过无线传输的方式发送给终端设备的激光测距仪。所述机架包括一水平悬空布置的横梁以及支撑横梁两端的支脚。所述小车包括用于悬挂小车轮架的承重结构、与机架作用产生驱动力使小车运动的动力机构。所述横梁上制有作为导轨的两个托边；所述承重结构包括由托边支撑的位于横梁内腔的若干对滚轮。
文档编号G01C7/04GK101718545SQ20091015517
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者叶永棋, 叶碎高, 张锦娟, 杨轩, 王帅, 聂国辉, 邵明 申请人:浙江省水利河口研究院;浙江广川工程咨询有限公司