在試驗?zāi)Ｐ突蛱烊缓恿髦性粚崟r測量卵石運動的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利量測的技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在試驗?zāi)Ｐ突蛱烊缓恿髦性粚崟r測量卵石運動的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]卵石運動規(guī)律是泥沙運動、河床演變研宄中最重要的內(nèi)容之一。
[0003]卵石運動參數(shù)的測量主要為量測卵石的級配和輸沙率，最常用的方法是采用推移質(zhì)采樣器直接在水流中取樣測量，在河床上挖坑和在模型尾部設(shè)置集沙坑的坑測法亦有采用。
[0004]卵石運動與水流強度的高次方成正比，一般在強度較大的水流條件下發(fā)生，SP卵石運動對水流條件的變化極為敏感。圖1為常用的卵石推移質(zhì)采樣器結(jié)構(gòu)，由剛性框架01、軟網(wǎng)底02、口門03、吊環(huán)04、卵石網(wǎng)兜05和尾翼06等部件組成一個整體。在卵石推移質(zhì)的采樣過程中，用纜繩將其沉放到河床床面，軟網(wǎng)底02與床面相貼，隨水流方向07運動的卵石在水流的作用下進(jìn)入采樣器，收集在卵石網(wǎng)兜05中，水流則從網(wǎng)孔流出。當(dāng)采樣器沉放到河底時，會影響局部的水流條件，軟網(wǎng)底02也很難貼緊床面，使卵石不易進(jìn)入網(wǎng)兜05，即采樣效率較低，早期的采樣器效率一般在8%?25%之間，且級配代表性較差；長江上游水文局研制的AYT型采樣器口門寬300mm、高240mm，采樣效率可達(dá)48.5%。該類型的采樣器隨卵石網(wǎng)兜05中收集卵石的增加而堵塞部分網(wǎng)孔，逐漸降低口門03的流速，使行進(jìn)中的卵石顆粒減速而更難進(jìn)入網(wǎng)兜05，即采樣過程中卵石進(jìn)入網(wǎng)兜05的比例會逐漸減少，特別是采樣時間較長時影響更為明顯，嚴(yán)格說來采樣效率只是在有限的時間內(nèi)的一個平均參數(shù)。
[0005]現(xiàn)階段，還少有原位實時觀測卵石推移質(zhì)運動的儀器設(shè)備，特別是研制不影響水流和卵石運動的裝置更具技術(shù)難度，因而發(fā)明一種原位實時測量卵石運動速度、輸沙率和卵石級配的裝置具有重要的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種在試驗?zāi)Ｐ突蛱烊缓恿髦性粚崟r測量卵石運動的裝置。本發(fā)明提出的一種在試驗?zāi)Ｐ突蛱烊缓恿髦性粚崟r測量卵石運動的裝置，其特征在于，該裝置包括測架、安裝在測架上的儀器倉、兩個攝像機倉，安裝在該儀器倉內(nèi)的供電模塊，以及分別與供電模塊相連的陀螺儀、超聲水深儀、LED燈和激光燈；安裝在每個攝像機倉內(nèi)的一臺攝像機；其中，測架為一個由橫梁框和支撐柱體組成的門字形框架，儀器倉設(shè)置在測架橫梁框內(nèi)，兩個攝像機倉安裝在測架橫梁框的兩端。
[0007]本裝置的特點及有益效果
[0008]本發(fā)明的在試驗?zāi)Ｐ突蛱烊缓恿髦性粚崟r測量卵石運動的裝置，采用兩臺攝像機同步高頻拍攝床面運動的卵石顆粒，經(jīng)過圖像解譯得出卵石顆粒的運動速度、粒徑分布和輸沙率。該裝置包括測架、安裝在測架上的儀器倉、兩個攝像機倉，安裝在該儀器倉內(nèi)的供電模塊，以及分別與供電模塊相連的陀螺儀、超聲水深儀、LED燈和激光燈；安裝在每個攝像機倉的一臺攝像機；其中，測架為一個由橫梁框和支撐柱體組成的門字形框架，儀器倉設(shè)置在測架的橫梁框內(nèi)，兩個攝像機倉安裝在測架橫梁框的兩端。測架的外形為門字形框架，迎水面均為流線型，對水流的影響很小，運動卵石穿過上下游都開敞的門字形框架，不受任何阻礙，可保持原有的運動特性，從而獲得真實的卵石運動參數(shù)。本裝置具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用和推廣價值，特別適用于水文站卵石推移質(zhì)的實時原位測量。
【附圖說明】
[0009]圖1為已有的一種卵石推移質(zhì)采樣器示意圖。
[0010]圖2為本發(fā)明的裝置整體結(jié)構(gòu)及布置示意圖。
【具體實施方式】
[0011]以下結(jié)合圖2及實施例對本發(fā)明做詳細(xì)說明。
[0012]本發(fā)明的一種在試驗?zāi)Ｐ突蛱烊缓恿髦性粚崟r測量卵石運動的裝置，該裝置包括測架、安裝在測架上的儀器倉、兩個攝像機倉，安裝在該儀器倉內(nèi)的供電模塊，以及分別與供電模塊相連的陀螺儀、超聲水深儀、LED燈和激光燈；安裝在每個攝像機倉內(nèi)的一臺攝像機；其中，測架為一個由橫梁框和支撐柱體組成的門字形框架，儀器倉設(shè)置在測架橫梁框內(nèi)，兩個攝像機倉安裝在測架橫梁框的兩端。
[0013]本發(fā)明的測量原理:
[0014]將本裝置沉放到河床上調(diào)平，兩臺攝像機同步拍攝測架單元下方的圖像。將兩個序列的同步圖像按激光燈閃光的間隔分段，以存在激光標(biāo)志點的圖像為起點幀，精確匹配兩幀圖像中標(biāo)志點的圖像坐標(biāo)。在起點幀后面無標(biāo)志點的圖像中，以確定的標(biāo)志點為中心，在局部區(qū)域內(nèi)搜尋兩幀圖像的匹配角點，根據(jù)已標(biāo)定好的攝像機參數(shù)，可以計算每個角點的三維坐標(biāo)，內(nèi)插得出床面的三維形態(tài)。對每段圖像逐幀處理，即可得出床面卵石的形態(tài)，計算卵石的特征參數(shù)，如長短軸、代表粒徑、圓度、球度等。
[0015]將一臺攝像機的連續(xù)圖像進(jìn)行PIV和PTV計算，得出卵石運動的速度。
[0016]攝像機長軸與水流方向垂直，設(shè)測量寬度400mm，則1280/400 ^ 3Pixel/mm,水文測驗的卵石粒徑大于2_，即一顆卵石大約有30個像素，能較好地分析卵石的形態(tài)。統(tǒng)計單位時間內(nèi)運動卵石的數(shù)量，根據(jù)其直徑可以計算卵石推移質(zhì)的級配和輸沙率。
[0017]本裝置的實施例各部件結(jié)合圖2進(jìn)一步說明如下:
[0018]1、測架主要包括橫梁框2、縱梁4和支撐柱體，整體外形為一個門字形框架。橫梁2的橫截面為長條形，沿水流方向長、高度方向短，上、下游側(cè)面最好為流線型，以減少對水流的影響。支撐柱體包括三個中空支撐腿6-1、6-2、6-3，設(shè)置在每個腿內(nèi)的調(diào)節(jié)桿7-1、7-2、7-3和水下電機5-5、5-2、5-3(可選用采規(guī)產(chǎn)品組成)；支撐腿的橫截面為順?biāo)鞣较虻拈L條形，上、下游面呈流線型；調(diào)節(jié)桿上部插入支撐腿內(nèi)，水下電機設(shè)置在調(diào)節(jié)桿上部與調(diào)節(jié)桿相連，以驅(qū)動調(diào)節(jié)支撐腿的高度，保證測架單元水平。其中，支撐腿6-1和6-2垂直于水流方向布置，上部承載橫梁2，三者形成一個門形框架；支撐腿6-2和6-3順?biāo)鞣较虿贾?，支撐縱梁4，縱梁尾部還可加尾翼10，以保持門形框架垂直于水流方向。3個支撐腿的上部還設(shè)置安裝與懸掛鋼纜連接的吊環(huán)1-1、1_2、1-3，在測量船上用懸掛鋼纜將測架沉放至設(shè)定的觀測位置，電源電纜和信號傳輸線沿懸掛鋼纜引至儀器倉2和攝像機倉3-1、3-2。本實施例的懸掛鋼纜采用不銹鋼航空鋼絲繩，直徑6mm，6股X 19絲，破斷拉力20KN ；電源電纜和信號傳輸線根據(jù)需要在市場購買。
[0019]測架的橫梁框的內(nèi)空間尺寸為寬600mm、高540mm，大于推移質(zhì)采樣器的內(nèi)空尺寸，推移質(zhì)顆粒穿測架的門形框架而過，上下游開敞，采樣不受空間的影響、不受時間的控制，能真實地觀測到推移質(zhì)顆粒的運動狀態(tài)；支撐腿和調(diào)節(jié)桿迎水流面的寬度可控制在30mm以內(nèi)，基本不會影響順?biāo)鬏斠频穆咽w粒的運動特性且有足夠的支撐力。整體測架的自重能保證抗擊水流的沖擊力，保持整體裝置穩(wěn)定?？v梁4用不銹鋼加工，其作用為順流延伸連接支撐腿7-3，與門形框架形成三角形支撐而保持整體裝置的穩(wěn)定。
[0020]2、儀器倉固定在橫梁框2內(nèi)，儀器倉體為具有良好的密封性的封閉殼體，在大水壓條件下保證各電子器件干燥。儀器倉內(nèi)安裝陀螺儀BE、超聲水深儀AW、LED燈和激光燈LA、供電模塊DV，供電模塊DV通過電源電纜與測量船上的電源相連，為各儀器供電。
[0021]本實施例的陀螺儀BE采用“IMU AHRS電子羅盤陀指南針九軸傳感器陀螺儀”，附帶溫度傳感器，可自動測量測架的姿態(tài)，陀螺儀的USB 口通過信號傳輸線與測量船上的計算機通訊，如果測架沉放到床面后不水平，則用計算機控制水下電機驅(qū)動調(diào)節(jié)桿升降，保證測架處于水平狀態(tài)。
[0022]本實施例的超聲水深儀AW選用安布雷拉自動化科技有限公司的DYA-15-50D產(chǎn)品，通過信號傳輸線與測量船上的計算機通訊，用于測量測架至水面的深度，可以從水面水位推求河床表面的高程。
[0023]本發(fā)明裝置用電源電纜供電至儀器倉內(nèi)的供電模塊DV，本實施例的供電模塊DV按照需要采用常規(guī)電子元器件組裝而成，輸出直流電壓6?48伏多路可調(diào)，根據(jù)各種儀器的電壓和功率由該模塊分別供電