专利名称：一种测量土样的渗透液位的光控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光控装置，尤其涉及一种测量土样的渗透液位的光控装置。
背景技术：
在工程建设过程中，为提供分析地基固结沉降的时间因素，估计天然地基、土坝、 高填土的渗流量和渗流稳定性，以及给排水设计，施工选料，人工降低水位与地基加固设计等，土样的渗透性测量数据一直是比较重要的基本参数。土样的渗透性的测量一般是通过测量插入土样中的透明玻璃管内透明液体液面的高度来完成，目前，大部分场合都是通过人肉眼观察透明玻璃管内液位高度，利用人工来读取透明玻璃管上的参考刻度。这种测量方式所不可避免的存在视觉的误差，测量结果会因人而异；也无法准确的完成动态适时的测量；遇到耗时的任务测量人员根本不可能时时刻刻蹲守。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种全自动化的测量土样的渗透液位的光控直ο
实用新型内容有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的是提供一种全自动化的测量土样的渗透液位的光控装置。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种测量土样的渗透液位的光控装置，包括开口容器、透明玻璃管、T型导管、光源组件、传感器�？�、信号处理机和计算机； 所述透明玻璃管两端开口 ；所述T型导管具有第一端、第二端和第三端，所述第一端开口并与透明玻璃管连接，所述第二端开口并垂直插入所述开口容器中盛放的被测土样中，所述第三端上设有一个阀门；所述透明玻璃管和T型导管中盛有透明液体； 所述光源组件包括调制信号发生器和线型光源，所述调制信号发生器与线型光源相连； 所述传感器�？榘ü馓讲馄�、前置放大器、检波器和数字信号处理器，所述光探测器通过前置放大器与检波器相连，所述检波器和数字信号处理器相连； 所述线型光源与所述光探测器配合，相互面对的置于所述透明玻璃管的横向两侧，用于测量所述透明液体的液位； 所述信号处理机包括数据输入端和数据输出端，所述数据输入端与所述数字信号处理器相连，所述数据输出端与所述计算机相连。
在本实用新型的较佳实施方式中，其中所述透明液体为水。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述调制信号发生器包括高速混合信号处理器、正弦波发生电路和相位协调部件；所述高速混合信号处理器通过正弦波发生电路与相位协调部件相连，所述相位协调部件与所述线型光源相连。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述线型光源为冷阴极荧光灯管，所述调制信号发生器还包括高压激发电路，所述高速混合信号处理器通过高压激发电路与冷阴极荧光灯管相连。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述光源组件还包括自动功率控制电路，所述自动功率控制电路包括平均光电流测量电路，所述自动功率控制电路与所述调制信号发生器相连。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述光源组件还包括单色环和狭缝光栏。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述光探测器为半导体光电阵列，所述半导体光电阵列的像元采用硅光探测器，所述传感器�？榛拱ㄆ蛊鳎衅髂？榈缭词淙攵送ü蛊饔氚氲继骞獾缯罅邢嗔�。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述检波器为相敏检波器，所述相敏检波器置于复杂可编程逻辑控制器中。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述光探测器还包括带通滤光片，所述带通滤光片与所述狭缝光栏配合，相互面对的置于所述透明玻璃管的横向两侧。
在本实用新型的另一较佳实施方式中，其中所述计算机包括通讯�？�、主控�？椤� 存储模块、交互�？楹屯獠可璞福鐾ㄑ赌？橥ü骺啬？橛氪娲⒛？楹徒换ツ？橄嗔� 所述交互�？橛胪獠可璞赶嗔�。
本实用新型的测量土样的渗透液位的光控装置采用光电非接触式测量，以无损的方式完成准确高效的测量；克服了人肉眼观测液位读数的不精确性和无法实时测量的缺陷，是一种全自动化的测量土样的渗透液位的电子测量装置，能够完成全自动化高效率的测量任务。
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
图1是本实用新型的一个较佳实施例的系统结构示意图； 图2是本实用新型的一个较佳实施例的光源组件的结构示意图； 图3是本实用新型的一个较佳实施例的传感器�？榈慕峁故疽馔迹� 图4是本实用新型的一个较佳实施例的计算机的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，在本实用新型的较佳实施例中，一种测量土样的渗透液位的光控装置包括T型导管7、透明玻璃管1、开口容器2、光源组件3、传感器�？�4、信号处理机5和计算机6。光源组件3包括调制信号发生器31和线型光源32，调制信号发生器31和线型光源32相连。传感器�？�4包括光探测器41、前置放大器42、检波器43和数字信号处理器 44，光探测器41通过前置放大器42与检波器43相连，检波器43和数字信号处理器44相连。
另如图1中所示，透明玻璃管1两端开口。T型导管7具有第一端71、第二端72 和第三端73 ；第一端71开口并与透明玻璃管1连接，第二端72开口并垂直插入开口容器2 中盛放的被测土样中，第三端73上设有一个阀门8。透明玻璃管1和T型导管7中盛有透明液体。线型光源32与光探测器41配合，相互面对的置于透明玻璃管1的横向两侧，用于测量透明液体的液位；数字信号处理器44与信号处理机5的数据输入端相连；信号处理机 5的数据输出端与计算机6相连。
本实用新型的测量土样的渗透液位的光控装置通过测量与插入到开口容器中的被测土样中的T型导管相连的透明玻璃管上的透明液体的渗透液位来计算出被测土样的渗透性。如图1中箭头所示，当需将液体注入到透明玻璃管中时，阀门8打开，液体经T型导管7的第三端73进入T型导管7和透明玻璃管1中。当透明液体到达所需的液位刻度时，关闭阀门8，此时，由于T型导管7和透明玻璃管1相连的整体的两端开口，并垂直插入到被测土样中，在大气压力和自身重力的影响下，T型导管和透明玻璃管中的透明液体会向下移动；因此会导致开口容器中的被测土样对透明液体产生一个向上的阻力，影响透明液体向下移动，并会在透明玻璃管上产生一个逐渐下降的液位。该液位会随着时间和不同土样的渗透性而产生不同幅度的下降。本实用新型因而可以通过读取该液位的下降幅度的测量数据并进而计算出土样的渗透性。
本实用新型应用置于透明玻璃管横向两侧的光源组件等光控装置的部件完成全自动的测量数据的读取。如图1中所示，当本实施例中的光源组件3接通供给电源后会启动内部的调制信号发生器31和线型光源32，产生所需的线型光；被测的透明玻璃管被线型光照亮后，有液体的区域和没液体的区域的交界处会出现能量的分界线，这个分界线的信号传到传感器�？�4的光探测器41，并经传感器�？�4的前置放大器42、检波器43和数字信号处理器44的调理和解调后得到有用的液位数据信号。这些液位数据信号经信号处理机5排序和中继后传输到计算机6，并最终由计算机6显示、保存和打印出测量数据。本实用新型利用光控技术读取透明玻璃管上的液体液位，提高了读数精确性，并且能够动态实时的测量，从而能够完成全自动化高效率的测量任务。
如图1中所示，本实用新型采用了 T型导管7与透明玻璃管1连接的形式，并采用如图1中箭头所示的方向将透明液体注入到透明玻璃管1中。本实施例中阀门8用于控制 T型导管7的第三端73的开合，便于将透明液体注入到透明玻璃管和T型导管中，在其他实施例中，也可省略T型导管7和阀门8，直接采用T型的透明玻璃管。并如上所述，在本实用新型中，透明玻璃管的作用是盛放液体并提供逐渐渗透到土样中的透明液体的液位刻度，因此在其他实施例中，也可不是T型，比如，而是制成直接盛放液体的直线型，只要能盛放透明液体并具有刻度可以读取即可；此外，为了能准确和方便的测量，本实施例中透明玻璃管的外径为8毫米，在其他实施例中亦可采用其他形状和外径的透明玻璃管，本实施例对此不作限制。
此外，本较佳实施例中的透明液体为水，在其他实施例中，透明液体也可为其他液体，比如加了颜色的水等，只要其能渗透到土样中并可允许光线透过即可，本实施例对此不作限制。
本实用新型的光源组件3中包括调制信号发生器31和线型光源32。调制信号发生器31用于产生线型光源32发出线型光所需的调制信号。如图2所示，调制信号发生器 31中包括高速混合信号处理器33、正弦波发生电路34和相位协调部件35 ；高速混合信号处理器31通过正弦波发生电路34与相位协调部件35相连，相位协调部件35与线型光源 32相连。
本实施例中高速混合信号处理器33选用新一代8051核的高速混合信号处理器， 如图2中所示，该处理器产生的调制脉冲激发外部的正弦波发生电路34，产生的正弦波信号经过相位协调部件35后，产生频率和相位都非常纯净的调制信号。当然在其他实施例中，也可以采取其他方法、其他处理器和电路等，只要能产生线型光源32发出线型光所需的调制信号即可，本实施例对此不作限制。
本较佳实施例中的线型光源32选用在高压条件下工作的冷阴极荧光灯管(CCFL 线型灯)，因此需要一个接近500V的高压驱动。如图2所示，在本实施例中，为了给CCFL线型灯提供一个高压，在调制信号处理器33中还包括高压激发电路36。高速混合信号处理器 33产生的脉冲宽度调制(PWM)信号配同高压激发电路36产生高压驱动信号传递至CCFL线型灯，驱动CCFL线型灯工作。
在本实施例中，如上所述的调制信号处理器31所产生的调制信号和高压驱动信号经过合理的配比连接到CCFL线型灯，CCFL线型灯会发出具有调制特征的光信号。当然在其他实施例中，线型光源也可采用其他的类型光源，并可因此省略高压激发电路，只要其能接受调制信号发生器31所发出的调制信号发出具有调制特征的光信号即可，本实施例对此不作限制。
如图2中所示，在本较佳实施例中，光源组件3中还包括自动功率控制电路(APC 电路)37。自动功率控制电路37中包括平均光电流测量电路(图中未示出)，平均光电流测量电路在线型光源32发出光信号后，接受线型光源32光信号并反馈给APC电路37 ；APC 电路37动态的转换平均的光功率，并根据光功率的变化适时的调节光功率，以达到光源恒功率的要求，消除了因光源老化或色温变化而带来的测量误差。当然，在其他实施例中，也可不设APC电路，本实施例对此不作限制。
此外，如图2中所示，本较佳实施例的光源组件3中还包括单色环38和狭缝光栏 30以用于调理光信号的光谱和传输方向。通过加单色环可以得到与光探测器中心波长一致的光谱，添加狭缝光栏可以限制光信号的传输路径，平衡测量光束。当然，在其他实施例中， 也可不设单色环和狭缝光栏，本实施例对此不作限制。
如图3所示，本实用新型的测量土样的渗透液位的光控装置的传感器�？�4包括光探测器41、前置放大器42、检波器43和数字信号处理器44。光探测器41采用半导体 (PIN)光电阵列，PIN光电阵列像元采用高速低噪音的硅光探测器。在本较佳实施例中， lmm*lmm的硅光探测器像元以0. Imm的光刻间隙绑定成一排，以形成本较佳实施例的测量量程。在本较佳实施例中，整个测量量程为^Omm。此外，如图3中所示，在本实施例中的传感器模块4中包括偏压器45，传感器�？榈缭词淙攵送ü蛊�45与PIN光电阵列相连， 偏压器45用于为PIN光电阵列提供偏置高压。当携带着测量信息的光信号照射到PIN光电阵列上时，每个硅光探测器会因为偏压器45所提供的偏置高压，将光能量转换为电流信号。如图3中所示，所产生的电流信号传输至与光探测器42相连的前置放大器42，经前置放大器42后被转化为电压信号。这些掺杂了各种干扰信息的电压信号需进一步经调解后才能获得有用纯净的所需测量信号。
如图3所示，本较佳实施例中的检波器43为相敏检波器。采用相敏检波器的原因是在本实施例中，光源的调制频率和相位是已知的。采用相敏检波器更易于提取测量信息。当然，在其他实施例中，也可采用其他检波器，本实施例对此不作限制。同时，在本实施例中，相敏检波器43设置于复杂可编程逻辑控制器(CPLD)46中。CPLD46可用于信号选择和采集时序，并将取得的时序信号传送至数字信号处理器(DSP)44中。当然，在其他实施例中，也可不设置CPLD，本实施例对此不作限制。
如图3中所示，前置放大器42所产生的掺杂了各种干扰信息的电压信号经相敏检波器43提取后，将得到的有用的测量信息传送到数字信号处理器(DSP)44中进行模拟到数字的转换，并完成线性的标定及线性拟合，从而得到实际的液位值。
另如图3中所示，数字信号处理器(DSP)44所得出的实际的液位值通过数字通讯的方式跟信号处理机5实现数据传输。
此外，如在图3中所示，传感器模块4中包括带通滤光片40，带通滤光片用于衰减可见光的各种成分。在本较佳实施例中的带通滤光片选用下限600mm，上限660mm的红光波段的带通滤光片，可从光学的角度滤除其他非测量强光源对测量的影响，为提高信噪比和动态范围提供前提条件。当然，在其他实施例中，也可省略或选用其他类型的滤光片，本实施例对此不作限制。
如图1至图3中所示，本较佳实施例光源组件的狭缝光栏30与传感器�？榈拇斯馄�40配合，相互面对的置于T型玻璃管1的横向两侧。如此，从狭缝光栏30中发出的光源在穿过透明玻璃管1后可顺利的穿过带通滤光片40，照射在光探测器41上。
在本较佳实施例中，采用了多个透明玻璃管来测量土样的渗透性，每个透明玻璃管配套一个光源组件和一个传感器�？椋喔龃衅髂？橥ü齅ODBUS通讯协议实现与信号处理机5的连接，以保证多通道和传输可靠性的要求。本实用新型的信号处理机5的重要工作包括完成信号中继及通讯端口的分配和控制。如图3中所示，在本较佳实施例中，传感器�？�4与信号处理机5之间采用一主机多从机模式的MODBUS协议，信号处理机5在采集到数据后进行信息格式的标准化，最后通过标准的RS232协议实现与计算机6之间的数据传输。
在本较佳实施例中，光源组件和传感器�？榈牡缭淳尚藕糯砘�5提供。如图 3中所示，为了避免同一市电网络上存在大电流负载或强干扰源的可能，信号处理机5中设置了电源处理电路51，对电源做前期的处理。这些处理主要包括电源的隔离和LC滤波，从而得到放心安全的交流电源。如图3中所示，交流电源经信号处理机5中的电源处理电路 51进行整流滤波等电源处理后，转换为相应幅度的光源组件和传感器�？樗璧牡缪剐藕牛�12V的接口电压、+5V的通讯电压及+3. 3V、+1. 8V的内核电压等等。当然在其他的实施例中，也可以省略掉电源处理电路，本实施例对此不作限制。
如图4中所示，本较佳实施例中的计算机6包括通讯�？�61、主控�？�62、存储�？�63、交互�？�64和外部设备65。
通讯�？�61与信号处理机5相连，通过通讯协议将信号处理机中的测量数据传输到通讯�？橹校诒窘霞咽凳├校ㄑ缎槲猂S232，通讯协议在读到数据的同时完成数字命令字的解码，将数据信息归类，以方便主控�？�62的快速高效的读取。在其他实施例中，亦可采用其他通讯协议，本实施例对此不作限制。
主控�？�62是计算机6的核心，为提高执行效率，减少开发周期，本较佳实施例应用LabView开发软件作为开发平台。如图4中所示，主控模块62在读到通讯传输来的相应的测量数据后，根据设定的参数和算法对数据进行处理，得到各种格式的测量数据。
如图4中所示，这些数据一方面会以数据库的形式存储于与主控�？�62相连的存储�？�63中，以备以后调用及分析；另一方面，这些数据通过交互�？�64进行流程控制，完成显示和打印。
交互模块64主要工作是显示和完成人机的信息交流。一方面，如上所述，主控�？�2传输至交互�？�64的数据信息会以各种各样的格式和方式进行显示，如动静态图像显示、动静态文字显示、特定格式图像文字显示等；另一方面，键盘。鼠标等外部设备65与交互模块64相连，通过相应的软件解读后控制交互�？�64完成相应的功能。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求1.一种测量土样的渗透液位的光控装置，其特征在于，包括开口容器、透明玻璃管、T 型导管、光源组件、传感器�？�、信号处理机和计算机；所述透明玻璃管两端开口 ；所述T型导管具有第一端、第二端和第三端，所述第一端开口并与透明玻璃管连接，所述第二端开口并垂直插入所述开口容器中盛放的被测土样中， 所述第三端上设有一个阀门；所述透明玻璃管和T型导管中盛有透明液体；所述光源组件包括调制信号发生器和线型光源，所述调制信号发生器与线型光源相连；所述传感器模块包括光探测器、前置放大器、检波器和数字信号处理器，所述光探测器通过前置放大器与检波器相连，所述检波器和数字信号处理器相连；所述线型光源与所述光探测器配合，相互面对的置于所述透明玻璃管的横向两侧；所述信号处理机包括数据输入端和数据输出端，所述数据输入端与所述数字信号处理器相连，所述数据输出端与所述计算机相连。
2.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述透明液体为水。
3.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述调制信号发生器包括高速混合信号处理器、正弦波发生电路和相位协调部件；所述高速混合信号处理器通过正弦波发生电路与相位协调部件相连，所述相位协调部件与所述线型光源相连。
4.如权利要求3所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述线型光源为冷阴极荧光灯管，所述调制信号发生器还包括高压激发电路，所述高速混合信号处理器通过高压激发电路与冷阴极荧光灯管相连。
5.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述光源组件还包括自动功率控制电路，所述自动功率控制电路包括平均光电流测量电路，所述自动功率控制电路与所述调制信号发生器相连。
6.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述光源组件还包括单色环和狭缝光栏。
7.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述光探测器为半导体光电阵列，所述半导体光电阵列的像元采用硅光探测器，所述传感器模块还包括偏压器，传感器�？榈缭词淙攵送ü蛊饔氚氲继骞獾缯罅邢嗔�。
8.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述检波器为相敏检波器，所述相敏检波器置于复杂可编程逻辑控制器中。
9.如权利要求1或6所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述光探测器还包括带通滤光片，所述带通滤光片与所述狭缝光栏配合，相互面对的置于所述透明玻璃管的横向两侧。
10.如权利要求1所述的测量土样的渗透液位的光控装置，其中所述计算机包括通讯模块、主控�？�、存储�？�、交互�？楹屯獠可璞福鐾ㄑ赌？橥ü骺啬？橛氪娲⒛？楹徒换ツ？橄嗔鼋换ツ？橛胪獠可璞赶嗔�。
专利摘要本实用新型公开了一种测量土样的渗透液位的光控装置，包括透明玻璃管、T型导管、开口容器、光源组件、传感器�？�、信号处理机和计算机；T型导管垂直插入开口容器中；光源组件包括调制信号发生器和线型光源；传感器�？榘ü馓讲馄鳌⑶爸梅糯笃�、检波器和数字信号处理器；线型光源与光探测器配合，相互面对的置于透明玻璃管的横向两侧；信号处理机包括数据输入端和数据输出端，数据输入端与数字信号处理器相连，数据输出端与计算机相连。本实用新型克服了人肉眼观测液位读数的不精确性和无法实时测量的缺陷，是一种全自动化的测量土样的渗透液位的电子测量装置。
文档编号G01N15/08GK202002869SQ201120079748
公开日2011年10月5日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者刘银宝, 郎权德 申请人:上海市城市建设设计研究院
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