一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪

1.本发明涉及积雪强度测量技术领域，具体涉及一种可以连续、匀速测量积雪硬度并有较强机动性的的电控式贯入仪。


背景技术：

2.积雪硬度是积雪强度的重要指标之一，目前，国外测量积雪硬度主要是通过各种款式的贯入设备。这些贯入设备按照驱动方式，可简单分为三类：夯击式、手动插入式和电控式。其中，以rammsonde为代表的夯击式贯入仪，最大优势在于方便、坚实、可靠，目前仍广泛用于极地地区，但限于其原理和构造，不能获取连续的积雪硬度剖面图，且分辨率过于粗糙的缺点同样明显。手动插入式贯入仪虽然携带方便，易于使用，但不稳定的贯入速率和有限的贯入深度意味着其只能用于浅层雪地环境，应用范围十分有限。相比前两类贯入仪，电控式贯入仪最大的优点在于其均匀的贯入速度和精准的阻力测量，目前比较成熟的有微型雪贯入仪和液压cpt设备。其中微型雪贯入仪的探头尺寸小，可以识别薄弱雪层以及粒间键的断裂，但小尺寸同时也意味着其整体结构相对脆弱，刚度较低，贯入能力相对不足，同时过于昂贵的价格也限制了其推广；液压cpt设备的贯入能力最强，最大贯入深度可达10m，非常适用于坚硬的极地雪，但其重量过大，只能通过车辆移动和运输，且未能做成产品。


技术实现要素：

3.针对微型雪贯入仪贯入能力不足且过于昂贵的缺点以及液压cpt设备重量过大、运输不便的不足，本发明提供一种可以连续、匀速测量积雪硬度并有较强机动性的贯入设备。
4.为实现上述目的，本技术提出一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，包括贯入设备、采集设备及控制设备；所述贯入设备包括一纵向导轨滑台，所述纵向导轨滑台顶部连接有电机固定板，电机输出轴穿过电机固定板的通孔向下伸出与滚珠丝杆顶部相连，所述滚珠丝杆位于纵向导轨滑台中，与滚珠丝杆配合连接的丝母固定在方形滑块上，该方形滑块通过两侧的滑道与纵向导轨滑台相连，在方形滑块上设有夹具，所述夹具与连接管顶部相连通，该连接管下部连接带有锥形尖端的贯入杆；所述采集设备包括微型拉压力传感器、激光位移传感器、柱状套筒摩擦传感器，所述微型拉压力传感器的上螺杆与连接管固定连接，下螺杆与贯入杆顶部固定连接，所述激光位移传感器位于方形滑块一侧，所述柱状套筒摩擦传感器固定在贯入杆下部且与锥形尖端紧密贴合；所述控制设备为带有触摸式显示屏的一体结构控制箱，其与电机相连，所述控制箱位于纵向导轨滑台后侧的固定板上。
5.进一步的，所述微型拉压力传感器内嵌于贯入杆与方形滑块上的连接管之间，用于测量贯入阻力；所述激光位移传感器与方形滑块同时移动，用以记录贯入过程中的位移和获取速度性能；所述柱状套筒摩擦传感器呈中空套筒状，导线从其顶端开口伸出连接桥盒，该柱状套筒摩擦传感器底部紧贴锥形尖端，顶部通过可拆卸的套锁卡扣与微型螺母固定于贯入杆下部，用于测量贯入过程中的雪颗粒带来的侧壁摩擦阻力。
6.进一步的，所述纵向导轨滑台的顶板一侧设有上限位开关，纵向导轨滑台的底板一侧设有下限位开关，所述上限位开关与下限位开关均与控制箱电连接。限位开关的作用在于贯入杆随纵向导轨滑台上下移动至极限量程时，滑台上的方形滑块首先触碰开关，自动结束一次行程，保护设备避免超量程而受损。
7.进一步的，所述贯入杆采用空心高速钢贯入杆，上端部内壁加工有内螺纹，用于连接微型拉压力传感器。
8.进一步的，所述贯入杆的贯入速率范围为1mm/s-90mm/s，通过电机匀速调整。
9.进一步的，所测积雪硬度值按雪晶类型进行分类，得到适配于本贯入仪的雪硬度-密度关系式：
10.p1＝0.034ρ
2-20.54ρ+3245.8-30℃＜t＜-5℃
11.p2＝0.01ρ
2-6.4ρ+1101.5-30℃＜t＜-5℃
12.p3＝2.5ρ-685.2-30℃＜t＜-5℃
13.其中，p1为六角形枝状雪晶雪样硬度值，单位kpa；p2为破碎枝状雪晶雪样硬度值，单位kpa；p3为板状雪晶雪样硬度值，单位kpa；ρ为密度，单位kg/m3；t为适用温度范围，单位℃。
14.本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：本技术贯入仪简易便携，适宜在野外积雪现场测量使用，可实现随测随走，无需对积雪制备试样，不会对现场积雪造成大规模的原状破坏；贯入杆匀速贯入，信号采集稳定，配套传感器可实时反映原位雪贯入深度，同时记录不同深度处的积雪硬度值曲线；相较于重力式或手动驱动式贯入仪，本发明避免了非匀速贯入带来的雪晶颗粒间迅速崩塌，从而克服常规贯入仪所测硬度值不能精准反应积雪的力学性质这一难题，另一方面相对于传统贯入仪随机间断式的测量结果，本发明可得到与雪深一一对应的连续硬度值指标，有助于对不同层位雪进行精准的力学分析。
附图说明
15.图1是本发明电控式贯入仪的主视图；
16.图2是本发明电控式贯入仪的侧视图；
17.图3是本发明电控式贯入仪的俯视图；
18.图中序号说明：1.电机；2.方形滑块；3.夹具；4.连接管；5.上限位开关；6.激光位移传感器；7.微型拉压力传感器；8.纵向导轨滑台；9.滚珠丝杆；10.控制箱；11.触摸式显示屏；12.固定螺栓；13.固定板；14.贯入杆；15.套索卡扣；16.下限位开关；17.微型螺母；18.柱状套筒摩擦传感器；19.下板；20.雪橇支撑板；21.锥形尖端。
具体实施方式
19.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术，即所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.在本发明的描述中，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。
21.实施例1
22.如图1-3所示，本实施例提供一种用于测量积雪硬度的电控式贯入仪，其选用电动步进电机提供驱动力，机身尺寸小，重量轻；材质为高硬度航空铝的纵向导轨滑台，配有直径可以为16mm的滚珠丝杆和方形滑块，行程可以设为600mm；控制箱通过固定螺栓连接在固定板上，所述控制箱内置变压器、编码器和开关电源，试验时通过触摸式显示屏操作，可直接输入贯入速度(1-90mm/s可调)，使贯入杆向上或向下匀速运动，并可指定行程(0-600mm)；贯入杆下端部可以配有锥角60
°
、投影面积为7.1cm2的锥形尖端，用于贯入雪层内部，已有试验数据表明不同锥角下积雪的破坏形式存在差异，该尺寸的锥角可使读数误差最小，保证数据测量的稳定性；纵向导轨滑台的顶板和底板处各装有一个限位开关，当方形滑块行至上下极限行程处接触到限位开关时，限位开关会直接切断控制电路，电机将停止运行，从而保护贯入仪不受损坏；量程为500kg的微型拉压力传感器固定在连接管与贯入杆之间，用于测量锥尖阻力；量程为100kg的柱状套筒摩擦传感器索套于贯入杆下部，其内径可以为14.2mm，外径可以为30mm，用于测量贯入雪过程中的侧壁摩阻力；使用高精度微型激光位移传感器测量方形滑块位移，监测贯入速度；雪橇支撑板用于支撑整个贯入仪平衡，并可实现每次贯入后随测随走，保证贯入仪良好的机动性。
23.优选的，电机1采用110系列电动步进电机，通电工作后驱动滚珠丝杆9旋转，带动方形滑块2向上或向下移动；贯入杆14可以采用直径为16mm的空心高速钢贯入杆，长70cm，上端部内壁加工有内螺纹，下端部配有锥形尖端15，为减少侧壁摩擦，锥部的直径略大于贯入杆；使用微型拉压力传感器7测量贯入杆行进过程中受到的阻力，信号线穿过方形滑块上固定的夹具3及空心连接管，微型拉压力传感器7通过其上螺杆与连接管4连接在一起，贯入杆14与微型拉压力传感器7的下螺杆固定在一起；柱状套筒摩擦传感器18通过套锁卡扣15和微型螺母17紧固在贯入杆14下端；激光位移传感器6固定在方形滑块2上，用于测量方形滑块2的位移，监测贯入杆14的贯入速度。
24.上述电控式贯入仪连续测量积雪硬度的方法具体为：
25.1)将激光位移传感器6与采集卡一端连接，采集卡另一端依次通过动态电阻应变仪、接线桥盒与微型拉压力传感器7相连，计算机(为了移动方便，可以为笔记本电脑)通过采集卡进行试验数据的采集和处理；2)通过触摸式显示屏11操作，使方形滑块2上升至最高位置，从而贯入杆14提升至最高处；3)将盛装雪样的可拆卸无盖实验箱置于下板中心处，测试点对准贯入杆；4)通过触摸式显示屏11操作，设定贯入速度及贯入深度；5)设置信息采集参数(如采集频率，采集通道)并开始采集；6)通过触摸式显示屏11操作，使电机工作，贯入杆开始贯入；7)观察计算机中不同深度处的积雪硬度值曲线；8)测量结束后，移除连接导线，断开设备与计算机之间的连接。
26.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应
用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。