【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种测量水位和泥位的传感器，具体的为一种在下水道、地下管道、深井、隧道等中应用的实时长期精准水位和泥位传感器。
技术介绍
1、水位和泥位传感器广泛的应用于水厂、污水处理厂、城市供水排水系统、水库、河道、海洋等。在实际应用中，水位传感器的传感组件的性能优劣将直接决定采集的数据准确性和精确度。
2、目前国内外在水位检测方面采用的技术和产品不少，归纳起来为以下几种：(1)渠道与水面间隔高度测量。如专利“自适应超声波液位仪”专利号932031064，通过在远离水面的上方安装超声波传感器仪器，向水面发射和接收超声波，并测量反射波长、周期，测出水面距仪器的距离，从而测定水位。但该传感技术需要一定的测量时间不具备实时性，且不能有效区分水位和泥位高度。(2)水压测量。如专利“压差计”(公开号cn86105681a)，利用水的压强原理，在水底检测水底压强和标准大气压的压差。然而在下水道和管道内封闭环境下，水底压强和气压差容易受水流速度影响。而当发生淤泥堆积时，不能获得水底压强导致不能获取水位信号。(3)浮子式水位传感器。如专利“浮子式水位计”(公开号cn 86107944a)，利用浮球上下机械运动测量水位。它的缺点是在流动的水中，上下游水压差使浮球不规则运动，导致测量结果失真。特别是在长期使用中容易出现杂物堵塞卡壳，从而导致不可修正的累计测量误差。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是提供一种同时满足水位和泥位的实时精准测量装置及测量方法。
2、为解决
3、本专利技术首先提供一种水位泥位测量装置，包括：安装侧壁、水位泥位监测筋、挡水侧壁和锚固座；所述安装侧壁、水位泥位监测筋及挡水侧壁均锚固在所述锚固座上，所述水位泥位监测筋的内部设有多组串联的应变传感单元；在所述安装侧壁和挡水侧壁之间形成测量空腔区，所述水位泥位监测筋居中设置在所述测量空腔区内，所述测量空腔区流出水一侧的开口宽度小于水位泥位监测筋直径，所述测量空腔区流入水一侧的开口宽度大于水位泥位监测筋直径的1.5倍以上。
4、所述水位泥位监测筋位于安装侧和挡水侧壁之间的测量空腔区内；其下端与锚固座连接；水位泥位监测筋的内部植入有3-5组或以上应变传感单元，其下缘最低位置的应变传感单元不低于待测对象的最低水位或泥位高度；所述应变传感单元串联连接，其输出端从锚固座的一端引出。
5、所述测量空腔区在截面上为对称的喇叭口设计，其间隙满足且仅满足水位泥位监测筋振动变形要求；所述测量空腔区在从迎水面到水位泥位监测筋中心为进水区间，其间隙尺寸为渐变缩小；所述测量空腔区在从水位泥位监测筋中心到背水面为出水区间，其间隙尺寸为渐变放大。
6、进一步，所述水位泥位监测筋为具有优越柔性和高耐久性的碳纤维或玻璃或玄武岩等复合材料，其所述安装侧壁和挡水侧壁的刚度远大于所述水位泥位监测筋的刚度。
7、进一步，所述水位泥位监测筋的应变传感单元的标距长度和数目由待测对象的历史水位和泥位高度统计决定。
8、进一步，所述测量空腔区的进水区间在迎水面的间隙尺寸不小于允许水流通过的最小尺寸，且不大于常见的漂流杂物尺寸；该间隙尺寸与出水区间在背水面的间隙尺寸，可以相同也可以不相同。
9、进一步，所述安装侧壁为适合与混凝土灌渠粘贴的材料制作，所述挡水侧壁为表面具有足够的光滑度的材料，且满足在迎水面不堆积漂流杂物的要求。
10、进一步，所述的水位泥位测量装置，水流通过所述空腔区的流入水一侧进入再从流出水一侧流出，达到水流加速从而引起水位泥位监测筋的附加刚度满足激励水位泥位监测筋的最小振动频率的设计要求。
11、所述空腔区水流加速引起水位泥位监测筋的附加刚度可以通过以下公式来设计：
12、
13、其中，kω表示水流加速带来的引起的附加刚度；cd表示流动荷载常数，为待测灌渠常态下水流对水位泥位监测筋的作用效果；ρ表示水密度；a表示水位泥位监测筋所受到水流作用的横截面积；v表示水速。
14、所述水位泥位监测筋的刚度可以通过以下公式来设计：
15、k＝k0+kω
16、其中，k表示水流加速后水位泥位监测筋的最终刚度，k0表示水位泥位监测筋的初始刚度，kω表示水流加速带来的引起的附加刚度。
17、所述水位泥位监测筋的固有振动频率由所述水位泥位监测筋的刚度计算获得，可以通过以下公式来设计：
18、
19、其中，f表示水位泥位监测筋的振动频率，m表示水位泥位监测筋的质量。
20、本专利技术还提供一种水位泥位测试方法，包括以下步骤：
21、步骤一：当水流通过测量空腔区的进水区间后流速加速，从而引起水位泥位监测筋发生振动变形。
22、步骤二：通过水位泥位监测筋内部的应变传感单元的应变峰值和应变传感单元的位置，可获得所述的应变分布。当淹没过所述水位泥位监测筋的泥位变化时，通过所述的应变分布的拐点位置变化直接获得泥位高度。
23、步骤三：通过水位泥位监测筋内部的应变传感单元的应变时程和频谱分析方法，可获得所述的模态振型。当淹没过所述水位泥位监测筋的水位高度发生变化时，通过所述的模态振型的拐点位置变化获得水位高度。
24、水位泥位监测筋的泥位高度可以通过以下公式获得：
25、
26、其中，q1i表示泥位变化时水位泥位监测筋内第i个应变传感单元对应的曲率变化，hm表示水位泥位监测筋中和轴高度，εi表示泥位高度发生变化前水位泥位监测筋第i个应变传感单元的应变值，ε*i表示泥位高度发生变化后水位泥位监测筋第i个应变传感单元的应变值；
27、当q1i不为零时，第i个应变传感单元的位置对应当前的泥位高度。
28、水位泥位监测筋的水位高度可以通过以下公式获得：
29、
30、其中，q2i表示水位变化时水位泥位监测筋内第i个应变传感单元对应的曲率变化，hm表示水位泥位监测筋中和轴高度，r表示模态的阶数，表示水位或泥位高度发生变化前水位泥位监测筋的模态振型曲率，表示水位或泥位高度发生变化后水位泥位监测筋的模态振型曲率；
31、当q2i不为零时，第i个应变传感单元的位置对应当前的水位高度。
32、有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
33、1)本专利技术的传感原理是基于微小应变的精准测量，进而发展为对水位或泥位等边界条件变化敏感的模态振型分析，从原理上测量误差小，稳定可靠。
34、2)本专利技术的传感装置具有抗干扰能力强，不容易受漂流杂物、水温、水流速度等环境条件影响。
35、3)本专利技术的测试方法不仅仅限于水位或泥位测量，当有特殊监测需求时通过对传感元件设计，可满足水位和泥位同步测量的要求。
36、4)本专利技术无须专业技术人操作，具有良好的通用性，尤其适合于大范围监测需求的项目。
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1.一种水位泥位测量装置，其特征在于，包括：安装侧壁(1)、水位泥位监测筋(2)、挡水侧壁(3)和锚固座(4)；所述安装侧壁(1)、水位泥位监测筋(2)及挡水侧壁(3)均锚固在所述锚固座(4)上，所述水位泥位监测筋(2)的内部设有多组串联的应变传感单元(21)；在所述安装侧壁(1)和挡水侧壁(3)之间形成测量空腔区(5)，所述水位泥位监测筋(2)居中设置在所述测量空腔区(5)内，所述测量空腔区(5)流出水一侧的开口宽度小于水位泥位监测筋(2)直径，所述测量空腔区(5)流入水一侧的开口宽度大于水位泥位监测筋(2)直径的1.5倍以上。
2.根据权利要求1所述的水位泥位测量装置，其特征在于，所述安装侧壁(1)和挡水侧壁(3)位于述测量空腔区(5)的表面为以达到水流稳定通过效果的圆弧面或平滑面。
3.根据权利要求1或2所述的水位泥位测量装置，其特征在于，所述水位泥位监测筋(2)为具有优越柔性和高耐久性的复合材料；所述水位泥位监测筋(2)的刚度远小于所述安装侧壁(1)和挡水侧壁(3)的刚度。
4.根据权利要求3所述的水位泥位测量装置，其特征在于，所述复合
5.一种基于权利要求1-4所述的水位泥位测量装置的水水泥位测量方法，其特征在于，包括：
6.根据于权利要求5所述的水泥位测量方法，其特征在于，应变分布的传感单元对应的曲率变化为：
7.根据于权利要求5所述的测量方法，其特征在于，水流通过所述空腔区(5)的流入水一侧进入再从流出水一侧流出，达到水流加速从而引起水位泥位监测筋(2)的附加刚度满足激励水位泥位监测筋(2)的最小振动频率的设计要求；
...【技术特征摘要】
1.一种水位泥位测量装置，其特征在于，包括：安装侧壁(1)、水位泥位监测筋(2)、挡水侧壁(3)和锚固座(4)；所述安装侧壁(1)、水位泥位监测筋(2)及挡水侧壁(3)均锚固在所述锚固座(4)上，所述水位泥位监测筋(2)的内部设有多组串联的应变传感单元(21)；在所述安装侧壁(1)和挡水侧壁(3)之间形成测量空腔区(5)，所述水位泥位监测筋(2)居中设置在所述测量空腔区(5)内，所述测量空腔区(5)流出水一侧的开口宽度小于水位泥位监测筋(2)直径，所述测量空腔区(5)流入水一侧的开口宽度大于水位泥位监测筋(2)直径的1.5倍以上。
2.根据权利要求1所述的水位泥位测量装置，其特征在于，所述安装侧壁(1)和挡水侧壁(3)位于述测量空腔区(5)的表面为以达到水流稳定通过效果的圆弧面或平滑面。
3.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴智深，黄璜，
申请(专利权)人：南京智慧基础设施技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：
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