一种水下微地形变化的时空相关测控系统

摘要

本发明提供了一种水下微地形变化的时空相关测控系统，上部固定支架的斜向杆的两端分别与一个横向杆固定连接，纵向杆的两端分别与一个横向杆固定连接并且游标深度尺设置在纵向杆上；游标深度尺从传感器固定平板上穿过，在传感器固定平板下部设置有支撑杆，游标深度尺通过支撑杆上的U型卡子固定；每个传感器固定杆的螺杆均穿过传感器固定平板与一个不锈钢管的第一端固定连接，每个超声波传感器均设置在一个不锈钢管的第二端上。本发明解决了水槽试验及河工模型试验中水下微地形动态持续测量的难题，具有结构简单、传感器排列方式合理的特点，为深入研究水沙相互作用、床面形态发展、变化及运动提供了一种简单易行的测量方法，具有较高的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下微地形变化的时空相关测控系统，属于水下地形勘探技术领域。

背景技术

河流动力学是研究水沙相互作用的科学，一般河流床面的泥沙在水流的作用下会形成 丰富多样的床面形态。床面形态会对流经其上的水流造成影响，而近底床面又是水流的紊 动发生和发展的主要区域，床面形态的横向、纵向尺度及其动态变形都会导致水流紊动结 构的改变。

鉴于问题的复杂性，且直接测量天然河道的床面形态与水流相互作用还存在困难，现 阶段对床面形态与水流相互作用研究还集中在实验室中，研究方式一般采用水槽试验或河 工模型试验进行。床面形态的运动是泥沙颗粒群体运动的体现，一般呈三维形态，床面形 态在水流的持续作用下，其形状、高度不断发生变化，不同部位高度不同，表现为床面形 态局部变形和总体形态的推移变形。对水下床面形态的尺度大小、随时间变化的动态过程 进行准确测量是研究其对水流作用的基础。

目前在实验室中一般采用人工测量方法：当水流中形成床面形态之后，将水槽或河工 模型试验中的水放掉，然后采用人工测针测量每个点的高度，移动测针的平面位置，对多 个点测量后可得到床面微地形的量化数据。

由于动水条件下测针会对床面造成影响，人工测量必须先将水排干在后进行，无法测 量床面形态的动态发展过程；且不同点的测量通过移动测针的平面位置实现，费时费力。

发明内容

本发明为解决现有的水下床面形态的测量技术中存在的无法测量床面形态的动态发 展过程，且不同点的测量需要通过移动测针的平面位置实现、耗费较多人力和时间的问题， 进而提供了一种水下微地形变化的时空相关测控系统。为此，本发明提供了如下的技术方 案：

一种水下微地形变化的时空相关测控系统，包括：上部固定支架、游标深度尺、传感 器固定平板、若干个传感器固定杆和超声波传感器阵列；

所述上部固定支架由纵向杆、斜向杆和两个横向杆组成，所述斜向杆的两端分别与一 个所述横向杆固定连接，所述纵向杆的两端分别与一个所述横向杆固定连接并且所述游标 深度尺设置在所述纵向杆上；

所述游标深度尺从所述传感器固定平板上穿过，在所述传感器固定平板下部设置有支 撑杆，所述游标深度尺通过所述支撑杆上的U型卡子固定；

每个所述传感器固定杆均由一个螺杆和一个不锈钢管组成，所述超声波阵列包括与所 述传感器固定杆数量相同的传感器，每个所述螺杆均穿过所述传感器固定平板与一个所述 不锈钢管的第一端固定连接，每个所述超声波传感器均设置在一个所述不锈钢管的第二端 上。

本发明采用能够移动的上部固定支架，通过游标深度尺和传感器阵列对水下床面形态 进行测量，解决了水槽试验及河工模型试验中水下微地形动态持续测量的难题，具有结构 简单、传感器排列方式合理的特点，为深入研究水沙相互作用、床面形态发展、变化及运 动提供了一种简单易行的测量方法，具有较高的应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的上部固定支架的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的上部固定支架与游标深度尺固定连接的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的游标深度尺与传感器固定平板固定连接的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的传感器固定杆与传感器固定平板和超声波传感器固定连接 的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的超声波传感器的布置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显 然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都 属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供了一种水下微地形变化的时空相关测控系统，如图1至5所 示，包括：上部固定支架、游标深度尺2、传感器固定平板3、若干个传感器固定杆和超声 波传感器阵列；

上部固定支架由纵向杆11、斜向杆12和两个横向杆13组成，斜向杆12的两端分别与一 个横向杆13固定连接，纵向杆11的两端分别与一个横向杆13固定连接并且游标深度尺2设 置在纵向杆11上；

游标深度尺2从传感器固定平板3上穿过，在传感器固定平板3下部设置有支撑杆31， 游标深度尺2通过支撑杆31上的U型卡子32固定；

每个传感器固定杆均由一个螺杆41和一个不锈钢管42组成，超声波阵列包括与传感器 固定杆数量相同的传感器5，每个螺杆41均穿过传感器固定平板3与一个不锈钢管42的第一 端固定连接，每个超声波传感器5均设置在一个不锈钢管42的第二端上。

本具体实施方式提供的水下微地形变化的时空相关测控系统的基本原理是利用超声 波传感器测量床面位置至传感器之间的距离，多个超声波传感器采用优化方式组合，可同 步、实时测量不同部位的床面高程，是非接触式的、可以持续测量水下床面形态发展、运 动的技术方案。

具体的，如图1所示，上部固定支架用于超声波传感器阵列5的固定，可由3×3cm角钢 制作，由纵向杆11、斜向杆12和两个横向杆13组成。分别在纵向杆11、斜向杆12和两个 横向杆13的适当位置打孔，斜向杆12的两端分别与一个横向杆13固定连接，纵向杆11的两 端分别与一个横向杆13固定连接。横向杆13可将系统放置于水槽边壁或河工模型试验的测 架之上，横向杆13还用于固定游标深度尺2，斜向杆12主要起支撑作用，使整个上部固定 支架的结构稳定。

游标深度尺2用于控制和测量超声波传感器阵列5的垂向高度，游标深度尺2的长度根 据上部固定支架至所测床面距离的实际需求选择。游标深度尺2的固定方式如图2所示：在 上部固定支架的纵向杆11和游标深度尺2的基座两侧分别开孔，用固定螺栓将纵向杆11和 游标深度尺2固定。

传感器固定平板3可以预定厚度(0.5-2cm)的有机玻璃板，以确保平板有一定的刚度和 强度，大小可根据所布置的传感器确定。如图3所示，先在传感器固定平板3的中央打孔， 在该孔一侧的有传感器固定平板3下部固定一个角钢的支撑杆31；将游标深度尺2穿过中央 的孔，并通过支撑杆31上的U型卡子32固定。

每个传感器固定杆均可由一个直径8mm的螺杆41和直径8mm的不锈钢管42组成，如 图4所示，螺杆41穿过有传感器固定平板3，并分别用上下两个螺母，使螺杆41固定在传感 器固定平板3上，不锈钢管42的第一端可通过用防水胶带固定在螺杆41上。在不锈钢管42 的第二端开有预定长度(可以为2cm)的缺口，超声波传感器5嵌入所述缺口中，并通过防水 胶带固定。

优选的，超声波传感器阵列可以包括十个超声波传感器5，布置方式如图5所示。十个 超声波传感器5总体呈三角形排列，其中六个超声波传感器5呈T字形排列，间距3厘米，另 外四个超声波传感器5呈一字型排列，间距5cm。

十个超声波传感器5所测床面高程数据可由计算机实时采集，可同步得到十个不同部 位的床面微地形高程数据。单个超声波传感器5所测序列可对单点床面高程随时间变化进 行分析；不同超声波传感器5的数据可用以分析动床床面不同部位的空间相关性。本具体 实施方式所采用的排列方式最大限度利用了十个超声波传感器5，可得到水流方向3cm、 6cm、9cm等不同间距以及横向间距3cm、5cm、6cm、10cm、15cm不同间距的床面连续 变形动态过程，为深入研究水流作用下床面动态变形及其对水流的影响分析提供丰富的基 础数据。

超声波传感器5一般可将距离数值直接以数字方式通过485/232方式输出，以某品牌超 声波传感器为例，直接向传感器发送其地址码，即可收到床面高程数值。将传感器串口线 与计算机串口Com1相连接。计算机软件以VB为例说明，利用VB自带的MSComm控件， 具体过程包括：

初始化串口：

MSComml.CommPort=1′设定Com1

If MSComml.PortOpen=False Then

MSComm1.Settings=”9600,n,8,1″′9600波特率，无校验，8位数据位，1位停止位

MSComm1.PortOpen=True′打开串口

End if

向传感器发送地址：

MSComm1.Output=”1”  ‘发送地址码，本例中传感器地址码为1

接收数据：

Buffer=MSComm1.Input    ′接传感器测量数据

传感器输出格式为：

“#1.00T0.1151C20.32”，”#1.00”为传感器地址码；”T0.1151”为测量值，即 传感器超声波发射面与床面之间的距离，单位为m；”C20.32”为温度测量值，单位为度。

将测量值从输出字符串中提取，结合根据游标深度尺上的读数可得到床面高程数据。

十个超声波传感器5分别设置不同的地址码，可通过同一RS485进入计算机，如前所 述，依次发送十个超声波传感器5的地址即可得到不同部位的床面高程。

利用VB自带的Timer函数，间隔时间取500ms，循环上述步骤，即可不断对当前床面 地形进行测量并采集。

采用本具体实施方式提供的技术方案，通过游标深度尺和传感器阵列对水下床面形态 进行测量，解决了水槽试验及河工模型试验中水下微地形动态持续测量的难题，具有结构 简单、传感器排列方式合理的特点，为深入研究水沙相互作用、床面形态发展、变化及运 动提供了一种简单易行的测量方法，具有较高的应用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护 范围为准。