專利名稱：利用超聲波測量砂土床面沖刷形貌的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水利、海岸、海洋工程中砂床表面變形的探測技術(shù)。
背景技術(shù)：
在水利、海岸、海洋工程中，砂土地基是結(jié)構(gòu)物周圍常見的地基類型。在水流作用 下，當(dāng)床面剪應(yīng)力達到一定值時砂土地基表面砂粒將由靜止轉(zhuǎn)化為運動狀態(tài)，即為泥砂起 動。床面泥砂的運動將引起砂土地基表面形態(tài)的變化，此現(xiàn)象就是所謂的沖刷。由于沖刷的 出現(xiàn)，安裝于砂土地基中的結(jié)構(gòu)物可能傾斜或松動，從而給結(jié)構(gòu)物的安全帶來一定隱患。合 理地預(yù)測結(jié)構(gòu)物周圍砂土地基的沖刷形態(tài)、為結(jié)構(gòu)物抗沖刷的工程設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)是當(dāng) 前科研工作者面臨的一大緊迫問題。由于此問題涉及流體力學(xué)和泥沙運動力學(xué)的相關(guān)理論 知識，屬于多學(xué)科交叉問題，到目前為止，模型實驗仍然是解決此類問題的最有效手段。而 目前在實驗室測量沖刷形態(tài)的手段主要還是探針法，這種方法測試速度慢、效率低，對流場 有干擾，很難實現(xiàn)自動化測量。而現(xiàn)有的其它方法測試精度低、很難實現(xiàn)實時在線測量。鑒 于以上情況，需要找到一種高精度、實時在線、非接觸式的測量方法對沖刷形貌進行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種，可高精度，實時在線，非接觸地測量砂床沖刷形貌的方法和裝 置，具體如下 —種利用超聲波測量砂土床面沖刷形貌的方法在所測試的砂床上方一定距離 處，設(shè)置若干個排列成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭之 間間隔一定距離；排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭在其正下方和沿垂直于其排列方向 上的若干個設(shè)定點處采集數(shù)據(jù)，并通過中央控制器將超聲波探頭采集到的數(shù)據(jù)輸送至計算 機，通過計算機處理后，在每列的設(shè)定點上采集到的數(shù)據(jù)通過計算機合成為砂床沖刷剖面 結(jié)構(gòu)，將所有設(shè)定列的剖面連接起來形成整個待測砂床三維沖刷地形。 —種利用超聲波測量砂土床面沖刷形貌的試驗裝置，包括測量裝置、滑動裝置、 滑動裝置驅(qū)動裝置、中央控制器和計算機；所述測量裝置由支架和在支架上排列成一列的 若干個超聲波發(fā)射和接收探頭組成，所述滑動裝置可在所述滑動裝置的驅(qū)動裝置的驅(qū)動下 沿垂直于超聲波發(fā)射和接收探頭排列方向移動；使用時，將測量裝置固定到距砂床一定高 度的滑動裝置上，通過中央控制器可控制滑動裝置的運動以及在各個設(shè)定點處開啟超聲波 發(fā)射和接收探頭采集該點數(shù)據(jù)，并通過中央控制器放大超聲波發(fā)射和接收探頭所采集的數(shù) 據(jù)并將放大后的數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，通過計算機的合成，形成砂床的三維沖刷形貌。
進一步，所述滑動裝置為滑動小車及其軌道。


圖1超聲波測距原理示意圖； 圖2多個超聲波傳感器探頭沿直線布置示意 圖3傳感器陣列移動示意圖。
具體實施例方式
圖1所示為超聲波測距原理，根據(jù)超聲波測距原理，公式為h = Ct，其中C :為波 速；t為傳播時間。在實驗用砂床上方一定距離布置超聲波發(fā)射和接收探頭，通過超聲波從 超聲波發(fā)射和接收探頭表面發(fā)射到反射回來的時間和超聲波傳播速度可得到探頭表面與 砂床表面間的距離，從而可獲得砂床測點處的高程，最后可得到該測點處的沖刷深度。圖1 中101為超聲波發(fā)射和接收，102為砂床表面，103為超聲波，其中103a為入射波，103b為反 射波。根據(jù)超聲波測距原理，本發(fā)明提供了一種測試砂床三維形貌或某些設(shè)定點剖面形貌 的方法，如圖2所示，將若干個超聲波發(fā)射和接收探頭101沿一條直線布置，并將所有超聲 波發(fā)射和接收探頭101通過數(shù)據(jù)線203與中央控制器201相連接，由中央控制器201統(tǒng)一 控制每個超聲波發(fā)射和接收探頭101的開關(guān)操作。如圖3所示，通過驅(qū)動裝置使排列成一 列的若干個超聲波發(fā)射和接收探頭101可沿垂直于超聲波發(fā)射和接收探頭101排列方向的 方向移動，并在移動方向上預(yù)先設(shè)定多個測量點，測量點之間的距離可根據(jù)實際情況具體 設(shè)定。通過中央控制器201的控制，超聲波發(fā)射和接收探頭101在測定點處測定該處砂床 與探頭101之間的距離，并通過中央控制器201將數(shù)據(jù)傳輸至計算機內(nèi)存儲，每個測量點所 測量到的數(shù)據(jù)可通過計算機202合成為該處的砂床剖面形狀。待所有測量點的數(shù)據(jù)全部采 集完畢后，則可把各剖面連接起來形成砂床三維沖刷地形。 如圖2所示，測定砂床形貌的裝置具體包括，測量裝置、滑動裝置、滑動裝置驅(qū)動 裝置、中央控制器201和計算機；在本實施例中，測試儀器包括剛性支架和設(shè)置在支架上的 超聲波探頭。剛性支架為一根長lm、寬5cm、厚5mm的支架，該支架可由不銹鋼板或其他剛性 材料制成，沿支架的中心線上根據(jù)測量具體需要鉆若干個直徑5. 5mm的孔，孔間距為3cm。 將每個超聲波發(fā)射和接收探頭101用螺栓固定于支架的孔中，這樣若干個超聲波發(fā)射和接 收探頭101(編號為hl-hn)便可沿著不銹鋼支架的中心線排成一列。 設(shè)計并制作一臺中央控制器201，該中央控制器201上配備有與每一個超聲波發(fā) 射和接收探頭101的數(shù)據(jù)線203連接的端子。在中央控制器201中配置一塊芯片，在此芯 片中寫入程序指令，該芯片負責(zé)控制每個超聲波發(fā)射和接收探頭101的開與關(guān)，并負責(zé)將 每個超聲波發(fā)射和接收探頭101獲得的數(shù)據(jù)放大到適于一般數(shù)據(jù)采集卡可采集的范圍內(nèi)。
將中央控制器201輸出的數(shù)據(jù)采集到計算機202，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和顯示，存儲和顯 示可使用編制的Labview程序或其他具有相同數(shù)據(jù)處理功能的程序。 將測試裝置設(shè)置在一個滑裝置上，本實施例中滑動裝置為滑動小車105及其軌 道，該可滑動小車105可在其滑軌中自由滑動，每次運動的距離采用激光位移傳感器(圖中 未顯示)進行測量，通過步進電機104控制小車的運動，通過小車的滑動帶動測量裝置在預(yù) 先設(shè)定的測量點107處測量沖刷剖面。這樣通過測試裝置測量，并通過中央控制器201的 采集、放大，通過計算機202程序處理，則可以測定各種不同間距的沖刷剖面，并可根據(jù)測 定的各沖刷剖面數(shù)據(jù)合成三維沖刷形貌。 通常，測試裝置上設(shè)置的超聲波探頭101的數(shù)量為20-60個，則從第一個超聲波發(fā) 射和接收探頭101開始工作到最后一個超聲波發(fā)射和接收探頭101停止工作的時間不大于 2秒，這樣沿直線布置的每個超聲波發(fā)射和接收探頭101在2秒內(nèi)均工作了一次，因此一個測量剖面在2秒內(nèi)便可以得到。 如滑動小車的運行長度小于或等于1米，則通過步進電機的控制，從開始測量第 一個剖面到最后一個剖面的完成，耗時不超過2分鐘。 以上僅描述了本申請的一個具體實施例，本申請并不局限于此，凡是本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員在不脫離本申請的精神下，作出任何改進和/或變形，均屬于本申請的保護范圍。
權(quán)利要求
一種利用超聲波測量砂土床面沖刷形貌的方法其特征為，在所測試的砂床上方一定距離處，設(shè)置若干個排列成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭之間間隔一定距離；排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干個設(shè)定點處采集數(shù)據(jù)，并通過中央控制器將超聲波探頭采集到的數(shù)據(jù)輸送至計算機，通過計算機處理后，在每列的設(shè)定點上采集到的數(shù)據(jù)通過計算機合成為砂床沖刷剖面結(jié)構(gòu)，將所有設(shè)定點的剖面連接起來形成整個待測砂床三維沖刷地形。
2. —種利用超聲波測量砂土床面沖刷形貌的試驗裝置，包括測量裝置、滑動裝置、滑 動裝置驅(qū)動裝置、中央控制器和計算機；所述測量裝置由支架和在支架上排列成一列的若 干個超聲波發(fā)射和接收探頭組成，所述滑動裝置可在所述滑動裝置的驅(qū)動裝置的驅(qū)動下沿 垂直于超聲波發(fā)射和接收探頭排列方向移動；使用時，將測量裝置固定到距砂床一定高度 的滑動裝置上，通過中央控制器可控制滑動裝置的運動以及在各個設(shè)定點處開啟超聲波發(fā) 射和接收探頭采集該點數(shù)據(jù)，并通過中央控制器放大超聲波發(fā)射和接收探頭所采集的數(shù)據(jù) 并將放大后的數(shù)據(jù)輸入計算機內(nèi)，通過計算機的合成，形成砂床的三維沖刷形貌。
3. 如權(quán)利要求2所述的實驗裝置，其特征為，所述滑動裝置為滑動小車及其軌道。
全文摘要
本發(fā)明限定了一種利用超聲波測量砂土床面沖刷形貌的方法和裝置，具體在所測試的砂床上方一定距離處，設(shè)置若干個排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭，排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭之間間隔一定距離；排成一列的超聲波發(fā)射和接收探頭在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干個設(shè)定點處采集數(shù)據(jù)，并通過中央控制器將超聲波探頭采集到的數(shù)據(jù)輸送至計算機，通過計算機處理后，在每列的設(shè)定點上采集到的數(shù)據(jù)通過計算機合成為該列下方砂床剖面結(jié)構(gòu)，將所有設(shè)定點的剖面連接起來形成整個待測砂床三維沖刷地形。通過將若干個超聲波探頭排列好后設(shè)置在可控滑動小車上完成砂床沖刷形貌的測定。
文檔編號G01C7/02GK101776449SQ20101003407
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者唐馳, 崔金聲, 楊兵, 高福平 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所