浅水湖泊风生波浪湖底脉动压力响应的测量装置和方法

摘要

本发明公开一种浅水湖泊风生波浪湖底脉动压力响应的测量装置和方法，所述装置包括：压力传感器，导气电缆，固定支架，可移动支架，带刻度的立杆，采集卡以及稳压直流电源；其中压力传感器固定在可移动支架一端上，可移动支架的另一端通过套筒固定在固定支架上，固定支架通过底板固定在需测定的床面；在竖直方向能上下移动的带刻度的立杆的底部固定在可移动支架上，压力传感器通过导气电缆分别与稳压直流电源和采集卡连接，采集卡连接到电脑。本发明在一秒钟采集的压力数据最高可以达到64000个，可以精确的采集到风生波浪的脉动压力。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种水利与水环境工程技术领域的测量技术，具体是一种浅水湖 泊风生波浪湖底脉动压力响应的测量装置和方法。

背景技术

风浪是风引起的波浪，风吹到水面，与湖水摩擦，湖水受到风的作用，随风飘荡， 水面开始起伏，形成波浪。在浅水湖泊中，由于水深较浅，风浪对于底部床面会产生 很大的影响。从形式上表现为在水底会存在脉动压力的响应，该脉动压力对于水底泥 沙的悬扬起动有非常大的影响，压力的脉动变化造成水体浑浊，水质下降。因此，准 确的测量出该脉动压力对于研究湖泊泥沙运动，改善湖泊水质都有很重要的意义。

对于压力的测量，一般采用压力传感器，其工作时将压力转换为电信号输出。压 力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件(或应变计)组成。弹性敏感元件的作 用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变 计转换为与压力成一定关系的电信号。

经对现有技术文献的检索发现：中国专利公开号CN1537222，公开日：2004.10.13， 记载了一种“压力变换器”，其特征是不易受到水压导入位置的误差或放置水深的干扰， 能够得到与有效土压准确对应的信号，在夹持在承受土压的两块刚性板之间的空隙中 安装有过滤器，使水压发生作用，而砂压不起作用。但其缺点是，该设备无法用于测 量浅水湖泊风生波浪所造成的湖底脉动压力，而且结构较为复杂，体积较大，不方便 携带。

另外一个与本发明相关的专利是，中国专利公开号CN101718605A，公开日： 2010.06.02，记载了一种“测量大坝、河流湖泊底部土壤中水压力传感器及测量方法”， 其特征是土壤中的水从渗透口经过天然火山石渗透膜进入压力腔室中，经过渗透的水 压力作用在硅压力芯体的316L不锈钢膜片上，硅压力芯体感受压力并将其转换为电信 号输出；硅压力芯体输出的电信号传输到电信号放大处理板上，经电信号放大及电压 转换成电流4～20mA信号；4～20mA电流信号经输出电缆传输到控制采样室。该专利 所述的技术虽然可以测量土体内部的渗透压力，但由于缺乏内置抗射频、抗电磁干扰 电路等关键部件，无法测量浅水湖泊风生波浪所造成的湖底脉动压力，而且无法准确 的确定测量处的水深。

发明内容

本发明针对现有压力测量方法存在的上述不足，提供一种浅水湖泊风生波浪湖底 脉动压力响应的测量装置和方法，可以精确的采集到风生波浪的脉动压力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明所述的浅水湖泊风生波浪湖底脉动压力响应的测量装置，包括：压力传感 器，导气电缆，固定支架，可移动支架，带刻度的立杆，采集卡，稳压直流电源。其 中压力传感器固定在可移动支架一端上，可移动支架的另一端通过套筒固定在固定支 架上，固定支架通过底板固定在需测定的床面。带刻度的立杆的底部固定在可移动支 架上，带刻度的立杆在竖直方向可上下移动，压力传感器通过导气电缆分别与稳压直 流电源和采集卡连接，采集卡连接到电脑。

所述的压力传感器采用压力敏感原件，带微处理器的数字补偿放大电路，不锈钢 外壳激光焊，内置抗射频、抗电磁干扰电路。

所述固定支架的底板中间设置一带螺纹的开孔，刚好使固定支架的底部通过。带 孔的底板设置在测量水底上，用于安装测量的立杆，且在底板下沉安放过程中由于带 有小孔，对水体浓度分布和水底底泥的扰动很小。

所述固定支架上部设置一开孔，刚好使带刻度的立杆通过。

所述可移动支架中间设置一带螺纹的开孔，刚好使带刻度的立杆通过。

所述的采集卡为iUSBDAQ采集卡，其作用是采集压力传感器上电压变化情况。

所述的稳压直流电源输出电压为0-30V，其作用是为压力传感器提供5V直流电。

基于上述装置，本发明所述的浅水湖泊风生波浪湖底脉动压力响应的测量方法， 包括如下步骤：

首先，确定研究区域的水深，调整可移动支架的位置，使其位于所需测量水深的 位置；

其次，将压力传感器固定在可移动支架上，该压力传感器通过导气电缆分别与稳 压直流电源(提供5伏直流电)和采集卡连接，该采集卡与电脑连接。

然后，可移动支架通过套筒固定在固定支架上，固定支架通过底板固定在床面上。

最后，分别开启稳压直流电源，电脑，分析软件，进行数据采集，完成压力测量 结束。

本发明上述的压力传感器采用压力敏感原件，带微处理器的数字补偿放大电路， 不锈钢外壳激光焊，内置抗射频、抗电磁干扰电路，具有高精度、高可靠性、体积小、 耐振动、抗干扰能力强特点。其原理是硅应变式，它是利用半导体的压阻效应和微机 械加工技术，在单晶硅片的特定晶向上，用光刻、扩散等半导体工艺制做一惠斯登电 桥，形成敏感膜片，当受到外力作用时产生微应变，电阻率发生微小变化，使桥臂电 阻发生变化(一对变大、一对变小)在激励电压信号输出，经过计算机温度补偿、激 光调阻、信号放大等处理手段和严格的装配检测、标定等工艺，生产出具有标准输出 信号的压力变送器。本发明中，电压U(V)与压力P(KPa)的转化关系为：

P＝12.25U-6.125。

与现有的脉动压力测量方法相比，本发明的优点在于：目前对于湖底压力的测量 一般是30秒到几分钟不等的频率采集一次，无法捕捉到湖底脉动压力，本发明在一秒 钟采集的压力数据最高可以达到64000个，可以精确的采集到风生波浪的脉动压力。

附图说明

图1是本发明底部剖视图。

图2是本发明连接示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-2所示，本实施例用于测量位于2.5米水深的湖泊的底床处脉动压力，采用 的装置包括：水准仪1、固定支架2、可移动支架3、带刻度的立杆5、导气电缆6、压 力传感器7、采集卡、稳压直流电源。压力传感器7固定在可移动支架3一端上，可移 动支架3的另一端通过套筒固定在固定支架2上，固定支架2通过底板4固定在需测 定的床面。带刻度的立杆5的底部固定在可移动支架3上，带刻度的立杆5在竖直方 向可上下移动，压力传感器7通过导气电缆6分别与稳压直流电源和采集卡连接，采 集卡连接到电脑。

本实施例中，所述的固定支架2由不锈钢或其它高强度且不易生锈的材料做成， 设置在底板上，其作用是用于安装带孔的底板4。

本实施例中，所述的固定支架2可以设有水准仪1，所述的水准仪1由一个密闭而 透明的内部充满黄色液体且带有一个小气泡的柱体，垂首设置在带刻度的立杆5上， 其作用是用于判别测量时带刻度的立杆5是否垂直。

本实施例中，所述的可移动支架3由不锈钢或其它高强度且不易生锈的材料做成， 中间设置一带螺纹的开孔，刚好使带刻度的立杆5通过。

本实施例中，所述的带孔的底板4由不锈钢或其它高强度且不易生锈的材料做成， 设置在测量水底上，其作用是用于安装测量的带刻度的立杆5，且在底板下沉安放过程 中由于带有小孔，对水体浓度分布和水底底泥的扰动很小。

本实施例中，所述的带刻度的立杆5由不锈钢或其它高强度且不易生锈的材料做 成，设置在可移动支架3上。

本实施例中，所述的导气电缆6由护套和导线组成，外部护套防水，绝缘。其作 用是连接压力传感器7与采集卡、直流电源。

本实施例中，所述的压力传感器7采用压力敏感原件，带微处理器的数字补偿放 大电路，不锈钢外壳激光焊，内置抗射频、抗电磁干扰电路。

本实施例中，所述的采集卡为iUSBDAQ采集卡，其作用是采集压力传感器上电 压变化情况。

本实施例中，所述的稳压直流电源输出电压为0-30V，其作用是为压力传感器提供 5V直流电。

本实施例中，所述的电脑带有USB接口，系统为Windows XP或Windows 7。

采用上述所述的装置，测量位于2.5米水深的湖泊的底床处脉动压力的方法，具体 如下：

(1)带刻度的立杆5的底部固定在可移动支架3上，上部通过固定支架2，调整 可移动支3的位置，使带刻度的立杆读数为2.4米；

(2)将压力传感器7固定在可移动支架3上，压力传感器7通过导气电缆6分别 与稳压直流电源(提供5伏直流电)和采集卡连接，其中导气电缆6中绿色导线接稳 压直流电源正，黑色导线接稳压直流电源负，蓝色导线接采集卡上USDDAQ的A10口， 黑色导线同时也接到采集卡USBDAQ的AGND口，该采集卡通过专用传输线与电脑 连接；

(3)将可移动支架3的另一端通过套筒固定在固定支架2上。将固定支架2连接 到底板4上插入床面，观察水准仪1，使其保持竖直；

(4)分别开启稳压直流电源，电脑，iDAQ Test&Log Software 3.1软件，进行数 据采集，压力测量结束。

上述方法采集卡可以为iUSBDAQ采集卡等，其采集频率可自由设置，在连续 STREAMING模式下能实时将数据不间断的采集到PC，总通过率可达到64000次每秒， 单通道的通过率可达到64000每秒。将数据采集卡连接到电脑上，采用免费的国外软 件iDAQ Test&Log Software 3.1进行数据的采集和处理。

本发明该装置操作简单，便于携带，成本较低，适合于野外采样工作的特点，能 够适应各种野外采样条件。同时，能够准确的采集到湖底由于风生波浪所产生的脉动 压力。