專利名稱：一種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)，屬于水下地形勘探技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
河流動力學(xué)是研究水沙相互作用的科學(xué)，一般河流床面的泥沙在水流的作用下會形成豐富多樣的床面形態(tài)。床面形態(tài)會對流經(jīng)其上的水流造成影響，而近底床面又是水流的紊動發(fā)生和發(fā)展的主要區(qū)域，床面形態(tài)的橫向、縱向尺度及其動態(tài)變形都會導(dǎo)致水流紊動結(jié)構(gòu)的改變。鑒于問題的復(fù)雜性，且直接測量天然河道的床面形態(tài)與水流相互作用還存在困難，現(xiàn)階段對床面形態(tài)與水流相互作用研究還集中在實(shí)驗(yàn)室中，研究方式一般采用水槽試驗(yàn)或河工模型試驗(yàn)進(jìn)行。床面形態(tài)的運(yùn)動是泥沙顆粒群體運(yùn)動的體現(xiàn)，一般呈三維形態(tài)，床面形態(tài)在水流的持續(xù)作用下，其形狀、高度不斷發(fā)生變化，不同部位高度不同，表現(xiàn)為床面形態(tài)局部變形和總體形態(tài)的推移變形。對水下床面形態(tài)的尺度大小、隨時間變化的動態(tài)過程進(jìn)行準(zhǔn)確測量是研究其對水流作用的基礎(chǔ)。目前在實(shí)驗(yàn)室中一般采用人工測量方法當(dāng)水流中形成床面形態(tài)之后，將水槽或河工模型試驗(yàn)中的水放掉，然后采用人工測針測量每個點(diǎn)的高度，移動測針的平面位置，對多個點(diǎn)測量后可得到床面微地形的量化數(shù)據(jù)。由于動水條件下測針會對床面造成影響，人工測量必須先將水排干在后進(jìn)行，無法測量床面形態(tài)的動態(tài)發(fā)展過程；且不同點(diǎn)的測量通過移動測針的平面位置實(shí)現(xiàn)，費(fèi)時費(fèi)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有的水下床面形態(tài)的測量技術(shù)中存在的無法測量床面形態(tài)的動態(tài)發(fā)展過程，且不同點(diǎn)的測量需要通過移動測針的平面位置實(shí)現(xiàn)、耗費(fèi)較多人力和時間的問題，進(jìn)而提供了一種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)。為此，本發(fā)明提供了如下的技術(shù)方案—種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)，包括上部固定支架、游標(biāo)深度尺、傳感器固定平板、若干個傳感器固定桿和超聲波傳感器陣列；所述上部固定支架由縱向桿、斜向桿和兩個橫向桿組成，所述斜向桿的兩端分別與一個所述橫向桿固定連接，所述縱向桿的兩端分別與一個所述橫向桿固定連接并且所述游標(biāo)深度尺設(shè)置在所述縱向桿上；所述游標(biāo)深度尺從所述傳感器固定平板上穿過，在所述傳感器固定平板下部設(shè)置有支撐桿，所述游標(biāo)深度尺通過所述支撐桿上的U型卡子固定；每個所述傳感器固定桿均由一個螺桿和一個不銹鋼管組成，所述超聲波陣列包括與所述傳感器固定桿數(shù)量相同的傳感器，每個所述螺桿均穿過所述傳感器固定平板與一個所述不銹鋼管的第一端固定連接，每個所述超聲波傳感器均設(shè)置在一個所述不銹鋼管的第
二端上。本發(fā)明采用能夠移動的上部固定支架，通過游標(biāo)深度尺和傳感器陣列對水下床面形態(tài)進(jìn)行測量，解決了水槽試驗(yàn)及河工模型試驗(yàn)中水下微地形動態(tài)持續(xù)測量的難題，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳感器排列方式合理的特點(diǎn)，為深入研究水沙相互作用、床面形態(tài)發(fā)展、變化及運(yùn)動提供了一種簡單易行的測量方法，具有較高的應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的上部固定支架的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的上部固定支架與游標(biāo)深度尺固定連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的游標(biāo)深度尺與傳感器固定平板固定連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳感器固定桿與傳感器固定平板和超聲波傳感器固定連接的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲波傳感器的布置示意圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
提供了一種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)，如圖1至5所示，包括上部固定支架、游標(biāo)深度尺2、傳感器固定平板3、若干個傳感器固定桿和超聲波傳感器陣列；上部固定支架由縱向桿11、斜向桿12和兩個橫向桿13組成，斜向桿12的兩端分別與一個橫向桿13固定連接，縱向桿11的兩端分別與一個橫向桿13固定連接并且游標(biāo)深度尺2設(shè)置在縱向桿11上；游標(biāo)深度尺2從傳感器固定平板3上穿過，在傳感器固定平板3下部設(shè)置有支撐桿31，游標(biāo)深度尺2通過支撐桿31上的U型卡子32固定；每個傳感器固定桿均由一個螺桿41和一個不銹鋼管42組成，超聲波陣列包括與傳感器固定桿數(shù)量相同的傳感器5，每個螺桿41均穿過傳感器固定平板3與一個不銹鋼管42的第一端固定連接，每個超聲波傳感器5均設(shè)置在一個不銹鋼管42的第二端上。本具體實(shí)施方式
提供的水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)的基本原理是利用超聲波傳感器測量床面位置至傳感器之間的距離，多個超聲波傳感器采用優(yōu)化方式組合，可同步、實(shí)時測量不同部位的床面高程，是非接觸式的、可以持續(xù)測量水下床面形態(tài)發(fā)展、運(yùn)動的技術(shù)方案。具體的，如圖1所示，上部固定支架用于超聲波傳感器陣列5的固定，可由3X3cm角鋼制作，由縱向桿11、斜向桿12和兩個橫向桿13組成。分別在縱向桿11、斜向桿12和兩個橫向桿13的適當(dāng)位置打孔，斜向桿12的兩端分別與一個橫向桿13固定連接,縱向桿11的兩端分別與一個橫向桿13固定連接。橫向桿13可將系統(tǒng)放置于水槽邊壁或河工模型試驗(yàn)的測架之上，橫向桿13還用于固定游標(biāo)深度尺2，斜向桿12主要起支撐作用，使整個上部固定支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。游標(biāo)深度尺2用于控制和測量超聲波傳感器陣列5的垂向高度，游標(biāo)深度尺2的長度根據(jù)上部固定支架至所測床面距離的實(shí)際需求選擇。游標(biāo)深度尺2的固定方式如圖2所示在上部固定支架的縱向桿11和游標(biāo)深度尺2的基座兩側(cè)分別開孔，用固定螺栓將縱向桿11和游標(biāo)深度尺2固定。傳感器固定平板3可以預(yù)定厚度(O. 5_2cm)的有機(jī)玻璃板，以確保平板有一定的剛度和強(qiáng)度，大小可根據(jù)所布置的傳感器確定。如圖3所示，先在傳感器固定平板3的中央打孔，在該孔一側(cè)的有傳感器固定平板3下部固定一個角鋼的支撐桿31 ;將游標(biāo)深度尺2穿過中央的孔，并通過支撐桿31上的U型卡子32固定。每個傳感器固定桿均可由一個直徑8mm的螺桿41和直徑8mm的不銹鋼管42組成，如圖4所示，螺桿41穿過有傳感器固定平板3，并分別用上下兩個螺母，使螺桿41固定在傳感器固定平板3上，不銹鋼管42的第一端可通過用防水膠帶固定在螺桿41上。在不銹鋼管42的第二端開有預(yù)定長度(可以為2cm)的缺口，超聲波傳感器5嵌入所述缺口中，并通過防水膠帶固定。優(yōu)選的，超聲波傳感器陣列可以包括十個超聲波傳感器5，布置方式如圖5所示。十個超聲波傳感器5總體呈三角形排列，其中六個超聲波傳感器5呈T字形排列，間距3厘米，另外四個超聲波傳感器5呈一字型排列，間距5cm。十個超聲波傳感器5所測床面高程數(shù)據(jù)可由計算機(jī)實(shí)時采集，可同步得到十個不同部位的床面微地形高程數(shù)據(jù)。單個超聲波傳感器5所測序列可對單點(diǎn)床面高程隨時間變化進(jìn)行分析；不同超聲波傳感器5的數(shù)據(jù)可用以分析動床床面不同部位的空間相關(guān)性。本具體實(shí)施方式
所采用的排列方式最大限度利用了十個超聲波傳感器5，可得到水流方向3cm、6cm、9cm等不同 間距以及橫向間距3cm、5cm、6cm、10cm、15cm不同間距的床面連續(xù)變形動態(tài)過程，為深入研究水流作用下床面動態(tài)變形及其對水流的影響分析提供豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。超聲波傳感器5 —般可將距離數(shù)值直接以數(shù)字方式通過485/232方式輸出，以某品牌超聲波傳感器為例，直接向傳感器發(fā)送其地址碼，即可收到床面高程數(shù)值。將傳感器串口線與計算機(jī)串口 Coml相連接。計算機(jī)軟件以VB為例說明，利用VB自帶的MSComm控件，具體過程包括初始化串口MSComml. CommPort=I'設(shè)定 ComlIf MSComml. PortOpen=False ThenMSComml. Settings=” 9600, η, 8, I " ' 9600 波特率,無校驗(yàn)，8 位數(shù)據(jù)位，I 位停止位MSComml. PortOpen=True;打開串口End if向傳感器發(fā)送地址MSComml. Output=” I” ‘發(fā)送地址碼,本例中傳感器地址碼為I
接收數(shù)據(jù)Buffer=MSComml.1nput '接傳感器測量數(shù)據(jù)傳感器輸出格式為u#l. 00T0. 1151C20. 32”，”#1. 00” 為傳感器地址碼;” T0. 1151” 為測量值，即傳感器超聲波發(fā)射面與床面之間的距離，單位為m ； ” C20. 32”為溫度測量值，單位為度。將測量值從輸出字符串中提取，結(jié)合根據(jù)游標(biāo)深度尺上的讀數(shù)可得到床面高程數(shù)據(jù)。十個超聲波傳感器5分別設(shè)置不同的地址碼，可通過同一 RS485進(jìn)入計算機(jī)，如前所述，依次發(fā)送十個超聲波傳感器5的地址即可得到不同部位的床面高程。利用VB自帶的Timer函數(shù)，間隔時間取500ms,循環(huán)上述步驟，即可不斷對當(dāng)前床面地形進(jìn)行測量并采集。采用本具體實(shí)施方式
提供的技術(shù)方案，通過游標(biāo)深度尺和傳感器陣列對水下床面形態(tài)進(jìn)行測量，解決了水槽試驗(yàn)及河工模型試驗(yàn)中水下微地形動態(tài)持續(xù)測量的難題，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳感器排列方式合理的特點(diǎn)，為深入研究水沙相互作用、床面形態(tài)發(fā)展、變化及運(yùn)動提供了一種簡單易行的測量方法，具有較高的應(yīng)用價值。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實(shí)施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)，其特征在于，包括上部固定支架、游標(biāo)深度尺、傳感器固定平板、若干個傳感器固定桿和超聲波傳感器陣列； 所述上部固定支架由縱向桿、斜向桿和兩個橫向桿組成，所述斜向桿的兩端分別與一個所述橫向桿固定連接，所述縱向桿的兩端分別與一個所述橫向桿固定連接并且所述游標(biāo)深度尺設(shè)置在所述縱向桿上； 所述游標(biāo)深度尺從所述傳感器固定平板上穿過，在所述傳感器固定平板下部設(shè)置有支撐桿，所述游標(biāo)深度尺通過所述支撐桿上的U型卡子固定； 每個所述傳感器固定桿均由一個螺桿和一個不銹鋼管組成，所述超聲波陣列包括與所述傳感器固定桿數(shù)量相同的傳感器，每個所述螺桿均穿過所述傳感器固定平板與一個所述不銹鋼管的第一端固定連接，每個所述超聲波傳感器均設(shè)置在一個所述不銹鋼管的第二端上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳感器固定平板為預(yù)定厚度的有機(jī)玻璃板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述螺桿通過上下兩個螺母固定在所述傳感器固定平板上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述縱向桿和所述游標(biāo)深度尺上分別開有孔，并通過螺栓將所述縱向桿和所述游標(biāo)深度尺固定連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述不銹鋼管的第二端開有預(yù)定長度的缺口，所述超聲波傳感器嵌入所述缺口中，并通過防水膠帶固定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述超聲波傳感器陣列包括十個超聲波傳感器，其中的六個所述超聲波傳感器呈T字形排列，另外的四個所述超聲波傳感器呈一字型排列。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水下微地形變化的時空相關(guān)測控系統(tǒng)，上部固定支架的斜向桿的兩端分別與一個橫向桿固定連接，縱向桿的兩端分別與一個橫向桿固定連接并且游標(biāo)深度尺設(shè)置在縱向桿上；游標(biāo)深度尺從傳感器固定平板上穿過，在傳感器固定平板下部設(shè)置有支撐桿，游標(biāo)深度尺通過支撐桿上的U型卡子固定；每個傳感器固定桿的螺桿均穿過傳感器固定平板與一個不銹鋼管的第一端固定連接，每個超聲波傳感器均設(shè)置在一個不銹鋼管的第二端上。本發(fā)明解決了水槽試驗(yàn)及河工模型試驗(yàn)中水下微地形動態(tài)持續(xù)測量的難題，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳感器排列方式合理的特點(diǎn)，為深入研究水沙相互作用、床面形態(tài)發(fā)展、變化及運(yùn)動提供了一種簡單易行的測量方法，具有較高的應(yīng)用價值。
文檔編號G01C9/02GK103063198SQ20121058736
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者曹文洪, 劉春晶, 張曉明 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院