本发明专利技术涉及一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法，包括：架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，将至少两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，超声波传感器之间的距离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距。本发明专利技术采用在产生薄层水流滚波的位置，如水渠、水坝溢洪道或实验室中的水槽上安装超声波传感器，利用灵敏的超声波传感器检测水流的厚度变化，实现对滚波的观测，以及精确的数据采集，完全排除了人为检测的因素，全自动的完成了各种数据的采集，既精确又快捷，节约了人力、物力，提高了观测效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，是一种实验 系统和方法，是一种用于水力学测量的系统和方式，是一种用于测量薄层水流流动过程中 水深，滚波的波高、周期、频率与波速，以及滚波动量、动能等参数的自动测量系统和方法。
技术介绍
坡面水流，明渠水流等在一定临界条件下，其表面常常会失稳而发育一系列的波 动过程。这些波动可能是周期性的，波速和波形都保持不变，并且波速始终大于水流质点的 运动速度；另一方面，波动也可能是非周期性的，波形和波速在传播的过程中不断发生演 化，最终发生破碎。这些现象统称为滚波。滚波常见于自然坡面、城市路面、水电站的泄水陡 槽和大坝的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滚波的出现会带来一系列不利的后果，例如 水流从恒定流变为非恒定流;增强水流对坡面土壤的侵蚀能力使土壤颗粒发生剥离及输移 泥沙的能力;波峰处的水深超过河(渠）道的设计水深，造成溢流;强烈的水流掺气作用，造 成雾化现象；同时对河(渠）道上的水工建筑物造成超负荷的压力或者应力等等。因此，研 究滚波形成的临界条件及其演化规律，对于土壤侵蚀过程及水土保持措施配置，以及工程 实践中如何消除滚波以及相关学科的理论研究，例如动床阻力和水流输沙等都有着重要意 义。 现有的观测则是利用水文测针直接观测，该方法主要由人工确定测针与滚波的相 对位置，由于是人工目视测量，而滚波的变化极快，人眼目测往往不能达到应有的效果，测 量难以保证精度，由于人为的测量，其稳定性较差，每次的测量结果均不相同，只能增加测 量次数，使用统计的方法近似的获得测量。这种方式使滚波测量变成了一种需要重复多次 的繁复体力劳动，随着人的体力下降，其精度也变得越来越差。因此，需要一种精确的系统 代替这种繁重的体力测量。
技术实现思路
为了克服现有技术的问题，本专利技术提出了一种基于超声波传感器的薄层水流滚波 测量系统与方法。所述的系统和方法利用超声水位传感器，通过系统集成和自动化方法，实 现薄层水流水位等滚波特征参数的实时动态测量，从而有效提高测量的精度和稳定性，提 高观测效率。 本专利技术的目的是这样实现的：一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统， 包括:架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，所述的超声波传感器是这样排列的:将至少 两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流 方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，各超声波传感器之间的距 离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距，所述的各个超声波传感器依次与数据 采集控制器、控制电脑连接。 进一步的，所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩。 进一步的，所述的超声波传感器设置在传感器支架上，所述的传感器支架包括:固 定于所述坡面或构成坡面的水槽上的固定架，所述的固定架垂直于坡面，其上设置可调节 超声波传感器与水面距离的上下移动架，所述的上下移动架垂直于固定架，其上设置固定 两个超声波传感器的前后移动架，所述的前后移动架垂直于上下移动架。 进一步的，所述的试验水槽包括:安装所述固定架的两侧槽帮和与所述的槽帮连 接的槽底，所述的槽帮和槽底设置在钢结构架上，所述的水槽一端设置进水口，另一端设置 出水口，所述的出水口与循环水池管道连接，所述的进水口通过水栗与所述的循环水池管 道连接，所述的钢结构架在出水口 一侧设置铰链，另一侧设置升降机构。 进一步的，所述的坡面是野外坡面，所述的固定架安装在沿坡面倾斜方向即水流 方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在野外坡面 上。 进一步的，所述的坡面是水坝泄洪槽坡面，所述的固定架安装在沿泄洪槽倾斜方 向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在泄 洪槽坡面上。 进一步的，所述的坡面是水渠坡面，所述的固定架安装在沿水渠倾斜方向即水流 方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚固定在水渠两侧。 -种使用上述系统进行基于超声波传感器的薄层水流滚波测量的方法，所述方法 的步骤如下： 设定采集频率的步骤:用于通过电脑设定超声波传感器的工作频率和采样频率； 采集的步骤:用于首先采集传感器与坡面的距离，然后带有滚波的水流来临时，所有传 感器同步采集水位数据，并将采集的数据导入电脑中，对数据进行分析处理直接计算滚波 周期、频率、波高、沿程波速与平均水深； 计算滚波动能的步骤:用于利用滚波水深、时间间隔和沿程波速数据估算滚波动能。 进一步的，所述的滚波平均水深、波高、波速、周期与频率的计算方法如下： 平均水深的计算：当坡面有水流流过时，超声传感器测量水面的高度，将水面的高度hi 与超声波传感器与坡面之间距离ho进行比较得到水深h，经过η次采集，对η个水深进行平 均，得到断面的平均水深 滚波的判定及波高的计算:将采集到的每一个水位值与平均水位值作比较，连续3次监 测水位值大于平均水位值即为滚波，记录该期间的最大水位值，最大水位值hmax与平均水位 值#的差值即为波高； 滚波波速计算:每组超声波传感器之间的间距1除以每组超声波传感器出现最大水位 值的时间差t 即为滚波波速v; 滚波周期和频率:单个传感器出现两次滚波的时间差就是滚波的周期T，周期的倒数则 是滚波的频率f。 进一步的，所述的滚波动能的计算步骤如下： 以滚波波速与超声波传感器连续两次记录之间的时长之积为横坐标，以连续记录且大 于平均水位的水位值与平均水位值之差为纵坐标作图，描绘出滚波的横断面； 计算滚波的横断面的面积； 用滚波的横断面的面积乘以水的密度得到滚波的单宽质量； 将单宽质量乘以波速得到滚波的动量； 将单宽质量乘以波速的1 /2次方得到滚波的动能。 本专利技术产生的有益效果是:本专利技术采用在产生薄层水流滚波的位置，如水渠、水坝 溢洪道或实验室中的水槽上安装超声波传感器，利用灵敏的超声波传感器检测水流的厚度 变化，实现对滚波的观测，以及精确的数据采集，完全排除了人为检测的因素，全自动的完 成了各种数据的采集，既精确又快捷，节约了人力、物力，提高了观测效率。【附图说明】 下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1是本专利技术的实施例一所述系统的原理不意图； 图2是滚波的宽度和两个滚波之间的距离示意图，是图1中E点的放大图； 图3本专利技术的实施例二所述防雨滴保护罩的结构示意图； 图4是本专利技术的实施例三所述超声波传感器支架的结构示意图，是图5中C点的放大图； 图5是本专利技术的实施例四所述水槽和超声波传感器支架的结构示意图，是图6中B-B向 剖视图； 图6是本专利技术的实施例四所述水槽的结构示意图，是图5中A-A向剖视图； 图7是本专利技术的实施例五所当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统，其特征在于，包括：架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，所述的超声波传感器是这样排列的：将至少两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，超声波传感器之间的距离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距，所述的各个超声波传感器依次与数据采集控制器、控制电脑连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：龚家国，赵勇，王建华，范典，杨苗，何国华，魏立峰，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
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