一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统的制作方法
【专利摘要】一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统，多节管状冻土传感器包括若干个单节管状冻土传感器组成，还包括传感器盖体、航空插头接口、连接件、堵头；所述单节管状冻土传感器包括线路控制板、上螺纹、下螺纹、黄铜电极；冻土检测系统包括多节管状冻土传感器、采集器、后台PC机、数据库，本发明一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统有效实现了对冻土的温度、水分等数据的检测，从而为认识和研究冻土，掌握冻土的融沉和冻胀特性奠定基础。
【专利说明】一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统
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[0013]【技术领域】
[0014]本发明涉及一种传感器及检测系统，特别是涉及一种冻土传感器以及应用该传感器的检测系统。
【背景技术】
[0015]在我国东北和西北有一百多万平方公里的多年冻土，南部边缘的冻土厚度较薄，区内大部分冻土是属于不稳定的。对铁路、道路、桥梁以及房屋的修建造成了一些危害，究其原因，除气候条件严寒之外，主要是对冻土的特性缺乏认识，因此这些地区建筑物修建工作一直是在边修建、边冻害、边摸索的情况下进行的。许多铁路工程冻害不仅在铁路运营之前就很严重，在交付运营之后，时隔几年或十几年仍在陆续出现新的冻害，其冻害程度在我国铁路史上也是罕见的，引起国内外工程界人士的关注。土壤对温度的极其敏感，导致多年冻土表层的冬季冻结夏季融化与季节性冻土周期性冻融。同时，在冻融过程中土体内部的水、热、溶质、矿物颗粒发生了迁移。伴随这种周期性变化而产生的工程病害类型主要有冻胀、盐胀、寒冻裂缝、热融滑塌、地基的大幅沉降变形等。
[0016]因此，认识和研究冻土，掌握冻土的融沉和冻胀特性，是减轻高寒地区铁路、公路冻害的必由之路，研究冻融信息的获取方法，监测冻土变化的规律是研究冻土融沉和冻胀特性主要内容。
【发明内容】
[0017]本发明的目的是提供一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统，用于获得冻土的变化规律以研究冻土融沉和冻胀特性。
[0018]一种多节管状冻土传感器，由若干个单节管状冻土传感器组成，还包括传感器盖体、航空插头接口、连接件、堵头；所述单节管状冻土传感器包括线路控制板、上螺纹、下螺纹、黄铜电极；连接件的内壁上开有与上螺纹和下螺纹相对应的螺纹，传感器盖体与单节管状冻土管状传感器之间通过连接件相互旋接，若干个单节管状冻土传感器之间也通过连接件相互旋接，堵头与单节管状冻土传感器的下螺纹之间相互旋接，线路控制板中嵌入了各种功能模块，上螺纹和下螺纹用于实现单节管状冻土传感器之间的连接。
[0019]各个单节管状冻土传感器之间内部数据通讯与供电采用连接器4P插头进行连接，节与节之间相互独立，并且各个单节管状冻土传感器通过CAN总线与采集器连接。
[0020]各个单节管状冻土传感器外部套接的圆管采用的时PVC材料。
[0021]单节管状冻土传感器的线路控制板包括从控单片机、冻土水分检测控制单元、冻土水分检测单元、温度检测单元、串口下载单元、CAN地址配置单元、外部直流5V电源、CAN总线接口收发控制单元、CAN总线接口 ；
[0022]外部直流5V电源连接从控单片机的电源输入端，冻土水分检测单元连接从控单片机的Pl.0引脚，温度检测单元连接从控单片机的Pl.1引脚，串口下载单元连接从控单片机的串口引脚，CAN地址配置单元连接从控单片机的地址配置端口，CAN总线接口收发控制单元的第一信号输入输出端连接从控单片机的输入输出端口 PO，CAN总线接口收发控制单元的第二信号输入输出端口连接CAN总线接口的信号输入输出端口，冻土水分检测控制单元连接冻土水分检测单元的控制信号输入端；
[0023]外部直流5V电源用于给单节管状冻土传感器供电，冻土水分检测控制单元用于控制冻土水分检测单元检测水分，冻土水分检测单元用于检测冻土中的含水量，温度检测单元用于检测冻土温度，串口下载单元用于下载相应的程序到从控单片机，CAN地址配置单元用于配置每个单节管状冻土传感器的通讯地址，CAN总线接口收发控制单元用于控制从控单片机与CAN之间的通信，CAN总线接口用于接入CAN总线。
[0024]本发明一种冻土检测系统，包括多节管状冻土传感器、采集器、后台PC机、数据库，多节管状冻土传感器与采集器之间通过CAN总线连接，采集器与后台PC机之间通过USB接口连接；多节管状冻土传感器用于采集冻土中的温度以及水分数据，并将采集值传送给采集器；采集器用于接收多节管状冻土传感器采集的冻土的温度以及水分数据，并且将接收的数据上传到后台PC机；后台PC机接收并处理采集器传来的数据后，做出相应的分析处理，并且将分析结果上传到数据库。
[0025]所述采集器包括主控单片机、存储单元、实时时钟、USB接口单元、LED指示灯、CAN总线单元；
[0026]主控单片机的信号输入输出端连接存储单元的数据输入输出端，主控单片机的时钟信号输入端连接实时时钟的信号输出端，主控单片机的信号输入输出端连接LED指示灯的控制信号输入端，主控单片机的数据输入输出端连接CAN总线单元和USB接口单元；
[0027]主控单片机用于控制从控单片机进行相应的数据采集上传，存储单元用于存储多节管状冻土传感器的各种检测数据和信息，CAN总线单元用于实现各个单节管状冻土传感器的通信连接，USB接口单元用于实现和上位机之间的通信和数据传输，LED指示灯用于指示通讯状态和上电状态，实时时钟用于标示发送数据的具体时间。
[0028]所述采集器采集数据时，每次只采集其中一个单节管状冻土传感器的数据，较佳的，采集器采集土壤水分含量和温度时，控制对应的单节管状冻土传感器上电，采集完毕后断电，依此防止节与节之间的信号干扰，同时达到节能的目的。
[0029]本发明的多节管状冻土传感器及冻土检测系统有效实现了对冻土的温度、水分等数据的采集和动态检测，从而为认识和研究冻土，掌握冻土的融沉和冻胀特性奠定基础。
[0030]下面结合附图对本发明的一种多节管状冻土传感器及冻土检测系统作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]图1为本发明冻土检测系统结构图；
[0032]图2为本发明单节管状冻土传感器结构示意图；
[0033]图3为本发明多节管状冻土传感器结构示意图；
[0034]图4为本发明单节管状冻土传感器的线路控制板原理框图；
[0035]图5为本发明冻土检测系统中采集器原理框图。
【具体实施方式】
[0036]如图1所示，本发明冻土检测系统包括多节管状冻土传感器1-1、采集器1-2、后台PC机1-3、数据库1-4，多节管状冻土传感器1-1与采集器1-2之间通过CAN总线连接，采集器1-2与后台PC机1-3之间通过USB接口连接；多节管状冻土传感器1-1用于采集冻土中的温度以及水分数据，并将采集值传送给采集器1-2 ;采集器1-2用于接收多节管状冻土传感器1-1采集的冻土的温度以及水分数据，并且将接收的数据上传到后台PC机1-3 ;后台PC机接收并处理采集器1-2传来的数据后，做出相应的分析处理，并且将分析结果上传到数据库1-4。
[0037]如图2所示，本发明单节管状冻土传感器的结构包括主体管2、线路控制板2-1、上螺纹2-2、下螺纹2-4、黄铜电极2-3、绝缘环2-5 ;主体管2的上下两端分别开有上螺纹2_2和下螺纹2-4，两黄铜电极2-3和绝缘环2-5套接在主体管2上，并且两黄铜电极2_3由绝缘环2-5隔开，主体管2的上下两端分别露出上螺纹2-2、下螺纹2-4 ；
[0038]线路控制板2-1中嵌入了各种功能模块(如图4所示)，上螺纹2-2和下螺纹2_4用于实现单节管状冻土传感器之间的连接，此外单节管状冻土传感器的外部还套接有圆管，圆管的长度等于两个黄铜电极2-3和绝缘环2-5的长度之和，安装后圆管的两端刚好与上部黄铜电极2-3的上部和下部的黄铜电极2-3的下部相齐平。
[0039]如图3所示，本发明多节管状冻土传感器由若干个单节管状冻土传感器组成，包括传感器盖体3-1、航空插头接口 3-2、连接件3-3、单节管状冻土传感器3-4、堵头3_5 ;连接件3-3的内壁上开有与上螺纹2-2和下螺纹2-3相对应的螺纹，传感器盖体3-1开有与连接件3-3相对应的螺纹。
[0040]本发明多节管状冻土传感器的若干个单节管状冻土传感器3-4之间通过连接件
3-3相互旋接，最上方的单节管状冻土管状传感器3-4与传感器盖体3-1之间通过连接件
3-3相互旋接，最下方的单节管状冻土管状传感器3-4与堵头3-5之间通过连接件3-3相互旋接。
[0041]如图4所示，单节管状冻土传感器的线路控制板2-1包括从控单片机4-1、冻土水分检测控制单元4-3、冻土水分检测单元4-2、温度检测单元4-4、串口下载单元4-8、CAN地址配置单元4-9、外部直流5V电源4-7、CAN总线接口收发控制单元4-5、CAN总线接口 4_6 ；
[0042]外部直流5V电源4-7连接从控单片机4-1的电源输入端，冻土水分检测单元4_2连接从控单片机4-1的Pl.0引脚，温度检测单元4-4连接从控单片机4-1的Pl.1引脚，串口下载单元4-8连接从控单片机4-1的串口引脚，CAN地址配置单元4-9连接从控单片机4-1的地址配置端口，CAN总线接口收发控制单元4-5的第一信号输入输出端连接从控单片机4-1的输入输出端口 PO，CAN总线接口收发控制单元4-5的第二信号输入输出端口连接CAN总线接口 4-6的信号输入输出端口，冻土水分检测控制单元4-3连接冻土水分检测单元4-2的控制信号输入端；
[0043]外部直流5V电源4-7用于给单节管状冻土传感器供电，冻土水分检测控制单元
4-3在接收到从控单片机4-1的冻土水分检测信号后，触发冻土水分检测单元4-2检测冻土水分，冻土水分检测单元4-2用于检测冻土中的含水量，温度检测单元4-4用于检测冻土温度，串口下载单元4-8用于下载相应的温度、水分数据采集程序到从控单片机4-l，CAN地址配置单元4-9用于配置每个单节管状冻土传感器的通讯地址，CAN总线接口收发控制单元
4-5用于控制从控单片机4-1与CAN总线接口 4-6之间的通信，CAN总线接口 4_6用于接入CAN总线。
[0044]如图5所示，本发明冻土检测系统中采集器包括主控单片机5-1、存储单元5-2、实时时钟5-3、USB接口单元5-4、LED指示灯5_5、CAN总线单元5_6 ；
[0045]主控单片机5-1的信号输入输出引脚Pl连接存储单元5-2的数据输入输出端，主控单片机5-1的时钟信号输入端连接实时时钟5-3的信号输出端，主控单片机5-1引脚P2.1连接LED指示灯5-6的控制信号输入端，主控单片机5_1的数据输入输出引脚P3连接CAN总线单元5-5，主控单片机5-1的串行端口连接USB接口单元5-4 ；
[0046]主控单片机5-1用于控制从控单片机4-1进行相应的数据采集上传，存储单元5-1用于存储多节管状冻土传感器的各种检测数据和信息，CAN总线单元5-5用于实现与各个单节管状冻土传感器的通信连接，USB接口单元5-4用于实现和上位机之间的通信和数据传输，LED指示灯5-6用于指示通讯状态和上电状态，实时时钟5-3的作用在于提供多节管状冻土传感器采集数据的时间，并且该时间随同采集的数据同时上传存储到存储单元5-2中，当访问调用多节管状冻土传感器采集的数据时所述时间一同被读出，用于标示发送数据的具体时间。
[0047]本实施例中单节管状冻土传感器的外部套接的圆管，采用的材料为PVC材料，这种PVC材料用于防止各个单节管状冻土传感器之间的信号干扰，增大单节管状冻土传感器本身的测量稳定性，保证实验数据的可靠性。
[0048]本实施例中各个单节管状冻土传感器之间内部数据通讯与供电采用连接器4P插头进行连接，节与节之间相互独立，并且各个单节管状冻土传感器通过CAN总线接口接入CAN总线，从而实现各个单节管状冻土传感器与采集器之间的连接。
[0049]本实施例中采集器采集数据时，每次只采集其中一个单节管状冻土传感器的数据，较佳的，采集器采集土壤水分含量和温度时，控制对应的单节管状冻土传感器上电(同时其它单节管状冻土传感器不上电)，采集完毕后断电(同时给下一个相应的单节管状冻土传感器上电)，以此防止节与节之间的信号干扰，同时达到节能的目的。
[0050]以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种多节管状冻土传感器，其特征在于由若干个单节管状冻土传感器(3-4)组成，还包括传感器盖体(3-1)、航空插头接口(3-2)、连接件(3-3)、堵头(3-5);所述单节管状冻土传感器(3-4)包括线路控制板(2-1)、上螺纹(2-2)、下螺纹(2-4)、黄铜电极(2_3);连接件(3-3)的内壁上开有与上螺纹(2-2)和下螺纹(2-3)相对应的螺纹，传感器盖体(3-1)与单节管状冻土管状传感器(3-4)之间通过连接件(3-3)相互旋接，若干个单节管状冻土传感器(3-4)之间也通过连接件(3-3)相互旋接，堵头(3-5)与单节管状冻土传感器(3-4)的下螺纹(2-4)之间相互旋接，线路控制板(2-1)中嵌入了各种功能模块，上螺纹(2-2)和下螺纹(2-4)用于实现单节管状冻土传感器之间的连接。
2.根据权利要求1所述的多节管状冻土传感器，其特征在于，各个单节管状冻土传感器之间内部数据通讯与供电采用连接器4P插头进行连接，节与节之间相互独立，并且各个单节管状冻土传感器通过CAN总线与采集器连接。
3.根据权利要求2所述的多节管状冻土传感器，其特征在于，各个单节管状冻土传感器外部套接的圆管采用是PVC材料。
4.根据权利要求1至3任一所述的多节管状冻土传感器，其特征在于，单节管状冻土传感器的线路控制板(2-1)包括从控单片机(4-1)、冻土水分检测控制单元(4-3)、冻土水分检测单元(4-2)、温度检测单元(4-4)、串口下载单元(4-8)、CAN地址配置单元(4_9)、外部直流5V电源(4-7)、CAN总线接口收发控制单元(4-5)、CAN总线接口(4_6)； 外部直流5V电源(4-7)连接从控单片机(4-1)的电源输入端，冻土水分检测单元(4-1)、温度检测单元(4-4)、串口下载单元(4-8)、CAN地址配置单元(4_9)、CAN总线接口收发控制单元(4-5)连接从控单片机(4-1)的信号输入输出端，CAN总线接口收发控制单元(4-5)连接CAN总线接口(4-6)，冻土水分检测控制单元(4-3)连接冻土水分检测单元(4-2)的控制信号输入端； 外部直流5V电源(4-7)用于给单节管状冻土传感器供电，冻土水分检测控制单元(4-3)用于控制冻土水分检测单元(4-2)检测水分，冻土水分检测单元(4-2)用于检测冻土中的含水量，温度检测单元(4-4)用于检测冻土温度，串口下载单元(4-8)用于下载相应的程序到从控单片机(4-1)，CAN地址配置单元(4-9)用于配置每个单节管状冻土传感器的通讯地址，CAN总线接口收发控制单元(4-5)用于控制从控单片机(4-1)与CAN总线接口(4-6)之间的通信，CAN总线接口(4-6)用于接入CAN总线。
5.一种应用权利要求1至4任一所述的多节管状冻土传感器的冻土检测系统，其特征在于，包括多节管状冻土传感器(1-1)、采集器(1-2)、后台PC机(1-3)、数据库(1-4)，多节管状冻土传感器(1-1)与采集器(1-2)之间通过CAN总线连接，采集器(1-2)与后台PC机(1-3)之间通过USB接口连接；多节管状冻土传感器(1-1)用于采集冻土中的温度以及水分数据，并将采集值传送给采集器(1-2);采集器(1-2)用于接收多节管状冻土传感器(1-1)采集的冻土的温度以及水分数据，并且将接收的数据上传到后台PC机(1-3);后台PC机接收并处理采集器(1-2)传来的数据后，做出相应的分析处理，并且将分析结果上传到数据库(1-4)。
6.根据权利要求5所述的一种冻土检测系统，其特征在于，所述采集器(1-2)包括主控单片机(5-1)、存储单 元(5-2)、实时时钟(5-3)、USB接口单元(5_4)、LED指示灯(5_5)、CAN总线单元(5-6)；主控单片机(5-1)的信号输入输出引脚Pl连接存储单元(5-2)的数据输入输出端，主控单片机(5-1)的时钟信号输入端连接实时时钟(5-3)的信号输出端，主控单片机(5-1)引脚P2.1连接LED指示灯(5-6)的控制信号输入端，主控单片机(5_1)的数据输入输出引脚P3连接CAN总线单元(5-5)，主控单片机(5-1)的串行端口连接USB接口单元(5_4)；主控单片机(5-1)用于控制从控单片机(4-1)进行相应的数据采集上传，存储单元(5-2)用于存储多节管状冻土传感器的各种检测数据和信息，CAN总线单元(5-6)用于实现各个单节管状冻土传感器的通信连接，USB接口单元(5-4)用于实现和上位机之间的通信和数据传输，LED指示灯(5-5)用于指示通讯状态和上电状态，实时时钟(5-3)用于标示发送数据的具体时间。
7.根据权利要求5所述的一种冻土检测系统，其特征在于，所述采集器(1-2)采集数据时，每次只采集其中一个单节管状冻土传感器的数据，较佳的，采集器采集土壤水分含量和温度时，控制对应的单节管状冻土传感器上电，采集完毕后断电。
【文档编号】G08C19/00GK103901182SQ201410176037
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月29日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】赵燕东, 刘卫平, 高志涛, 聂明君, 李宁 申请人:北京林业大学