一種基于超聲波傳感器的薄層水流滾波測(cè)量系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于超聲波傳感器的薄層水流滾波測(cè)量系統(tǒng)與方法，是一種實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)和方法，是一種用于水力學(xué)測(cè)量的系統(tǒng)和方式，是一種用于測(cè)量薄層水流流動(dòng)過程中 水深，滾波的波高、周期、頻率與波速，以及滾波動(dòng)量、動(dòng)能等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 坡面水流，明渠水流等在一定臨界條件下，其表面常常會(huì)失穩(wěn)而發(fā)育一系列的波 動(dòng)過程。這些波動(dòng)可能是周期性的，波速和波形都保持不變，并且波速始終大于水流質(zhì)點(diǎn)的 運(yùn)動(dòng)速度；另一方面，波動(dòng)也可能是非周期性的，波形和波速在傳播的過程中不斷發(fā)生演 化，最終發(fā)生破碎。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為滾波。滾波常見于自然坡面、城市路面、水電站的泄水陡 槽和大壩的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滾波的出現(xiàn)會(huì)帶來一系列不利的后果，例如 水流從恒定流變?yōu)榉呛愣?增強(qiáng)水流對(duì)坡面土壤的侵蝕能力使土壤顆粒發(fā)生剝離及輸移 泥沙的能力;波峰處的水深超過河(渠）道的設(shè)計(jì)水深，造成溢流;強(qiáng)烈的水流摻氣作用，造 成霧化現(xiàn)象；同時(shí)對(duì)河(渠）道上的水工建筑物造成超負(fù)荷的壓力或者應(yīng)力等等。因此，研 究滾波形成的臨界條件及其演化規(guī)律，對(duì)于土壤侵蝕過程及水土保持措施配置，以及工程 實(shí)踐中如何消除滾波以及相關(guān)學(xué)科的理論研究，例如動(dòng)床阻力和水流輸沙等都有著重要意 義。
[0003] 現(xiàn)有的觀測(cè)則是利用水文測(cè)針直接觀測(cè)，該方法主要由人工確定測(cè)針與滾波的相 對(duì)位置，由于是人工目視測(cè)量，而滾波的變化極快，人眼目測(cè)往往不能達(dá)到應(yīng)有的效果，測(cè) 量難以保證精度，由于人為的測(cè)量，其穩(wěn)定性較差，每次的測(cè)量結(jié)果均不相同，只能增加測(cè) 量次數(shù)，使用統(tǒng)計(jì)的方法近似的獲得測(cè)量。這種方式使?jié)L波測(cè)量變成了一種需要重復(fù)多次 的繁復(fù)體力勞動(dòng)，隨著人的體力下降，其精度也變得越來越差。因此，需要一種精確的系統(tǒng) 代替這種繁重的體力測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種基于超聲波傳感器的薄層水流滾波 測(cè)量系統(tǒng)與方法。所述的系統(tǒng)和方法利用超聲水位傳感器，通過系統(tǒng)集成和自動(dòng)化方法，實(shí) 現(xiàn)薄層水流水位等滾波特征參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，從而有效提高測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，提 高觀測(cè)效率。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于超聲波傳感器的薄層水流滾波測(cè)量系統(tǒng)， 包括:架設(shè)在平坦坡面上的多個(gè)超聲波傳感器，所述的超聲波傳感器是這樣排列的:將至少 兩個(gè)超聲波傳感器編為一組，將多個(gè)超聲波傳感器分為多個(gè)組，各組超聲波傳感器沿水流 方向一字型排列；各組中的超聲波傳感器沿水流方向一字排列，各超聲波傳感器之間的距 離大于被測(cè)滾波的寬度，小于被測(cè)滾波之間的間距，所述的各個(gè)超聲波傳感器依次與數(shù)據(jù) 采集控制器、控制電腦連接。
[0006] 進(jìn)一步的，所述的超聲波傳感器上設(shè)有防雨滴保護(hù)罩。
[0007] 進(jìn)一步的，所述的超聲波傳感器設(shè)置在傳感器支架上，所述的傳感器支架包括:固 定于所述坡面或構(gòu)成坡面的水槽上的固定架，所述的固定架垂直于坡面，其上設(shè)置可調(diào)節(jié) 超聲波傳感器與水面距離的上下移動(dòng)架，所述的上下移動(dòng)架垂直于固定架，其上設(shè)置固定 兩個(gè)超聲波傳感器的前后移動(dòng)架，所述的前后移動(dòng)架垂直于上下移動(dòng)架。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的試驗(yàn)水槽包括:安裝所述固定架的兩側(cè)槽幫和與所述的槽幫連 接的槽底，所述的槽幫和槽底設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)架上，所述的水槽一端設(shè)置進(jìn)水口，另一端設(shè)置 出水口，所述的出水口與循環(huán)水池管道連接，所述的進(jìn)水口通過水栗與所述的循環(huán)水池管 道連接，所述的鋼結(jié)構(gòu)架在出水口 一側(cè)設(shè)置鉸鏈，另一側(cè)設(shè)置升降機(jī)構(gòu)。
[0009] 進(jìn)一步的，所述的坡面是野外坡面，所述的固定架安裝在沿坡面傾斜方向即水流 方向的長(zhǎng)桿上，多個(gè)固定架沿水流方向依次安裝，所述的長(zhǎng)桿通過地腳，固定在野外坡面 上。
[0010] 進(jìn)一步的，所述的坡面是水壩泄洪槽坡面，所述的固定架安裝在沿泄洪槽傾斜方 向即水流方向的長(zhǎng)桿上，多個(gè)固定架沿水流方向依次安裝，所述的長(zhǎng)桿通過地腳，固定在泄 洪槽坡面上。
[0011] 進(jìn)一步的，所述的坡面是水渠坡面，所述的固定架安裝在沿水渠傾斜方向即水流 方向的長(zhǎng)桿上，多個(gè)固定架沿水流方向依次安裝，所述的長(zhǎng)桿通過地腳固定在水渠兩側(cè)。
[0012] -種使用上述系統(tǒng)進(jìn)行基于超聲波傳感器的薄層水流滾波測(cè)量的方法，所述方法 的步驟如下： 設(shè)定采集頻率的步驟:用于通過電腦設(shè)定超聲波傳感器的工作頻率和采樣頻率； 采集的步驟:用于首先采集傳感器與坡面的距離，然后帶有滾波的水流來臨時(shí)，所有傳 感器同步采集水位數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理直接計(jì)算滾波 周期、頻率、波高、沿程波速與平均水深； 計(jì)算滾波動(dòng)能的步驟:用于利用滾波水深、時(shí)間間隔和沿程波速數(shù)據(jù)估算滾波動(dòng)能。
[0013] 進(jìn)一步的，所述的滾波平均水深、波高、波速、周期與頻率的計(jì)算方法如下： 平均水深的計(jì)算：當(dāng)坡面有水流流過時(shí)，超聲傳感器測(cè)量水面的高度，將水面的高度hi 與超聲波傳感器與坡面之間距離ho進(jìn)行比較得到水深h，經(jīng)過η次采集，對(duì)η個(gè)水深進(jìn)行平 均，得到斷面的平均水深 滾波的判定及波高的計(jì)算:將采集到的每一個(gè)水位值與平均水位值作比較，連續(xù)3次監(jiān) 測(cè)水位值大于平均水位值即為滾波，記錄該期間的最大水位值，最大水位值hmax與平均水位 值#的差值即為波高； 滾波波速計(jì)算:每組超聲波傳感器之間的間距1除以每組超聲波傳感器出現(xiàn)最大水位 值的時(shí)間差t 即為滾波波速v; 滾波周期和頻率:單個(gè)傳感器出現(xiàn)兩次滾波的時(shí)間差就是滾波的周期T，周期的倒數(shù)則 是滾波的頻率f。
[0014] 進(jìn)一步的，所述的滾波動(dòng)能的計(jì)算步驟如下： 以滾波波速與超聲波傳感器連續(xù)兩次記錄之間的時(shí)長(zhǎng)之積為橫坐標(biāo)，以連續(xù)記錄且大 于平均水位的水位值與平均水位值之差為縱坐標(biāo)作圖，描繪出滾波的橫斷面； 計(jì)算滾波的橫斷面的面積； 用滾波的橫斷面的面積乘以水的密度得到滾波的單寬質(zhì)量； 將單寬質(zhì)量乘以波速得到滾波的動(dòng)量； 將單寬質(zhì)量乘以波速的1 /2次方得到滾波的動(dòng)能。
[0015] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用在產(chǎn)生薄層水流滾波的位置，如水渠、水壩 溢洪道或?qū)嶒?yàn)室中的水槽上安裝超聲波傳感器，利用靈敏的超聲波傳感器檢測(cè)水流的厚度 變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾波的觀測(cè)，以及精確的數(shù)據(jù)采集，完全排除了人為檢測(cè)的因素，全自動(dòng)的完 成了各種數(shù)據(jù)的采集，既精確又快捷，節(jié)約了人力、物力，提高了觀測(cè)效率。
【附圖說明】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0017]圖1是本發(fā)明的實(shí)施例一所述系統(tǒng)的原理不意圖； 圖2是滾波的寬度和兩個(gè)滾波之間的距離示意圖，是圖1中E點(diǎn)的放大圖； 圖3本發(fā)明的實(shí)施例二所述防雨滴保護(hù)罩的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例三所述超聲波傳感器支架的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖5中C點(diǎn)的放大圖； 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例四所述水槽和超聲波傳感器支架的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖6中B-B向 剖視圖； 圖6是本發(fā)明的實(shí)施例四所述水槽的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖5中A-A向剖視圖； 圖7是本發(fā)明的實(shí)施例五所