一種基于壓力傳感器的薄層水流滾波測量系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于壓力傳感器的薄層水流滾波測量系統(tǒng)與方法，是一種實驗系 統(tǒng)和方法，是一種用于水力學(xué)測量的系統(tǒng)和方法，是一種用于測量薄層水流流動過程中水 深，滾波的波高、周期、頻率與波速，以及滾波動量、動能等參數(shù)的自動測量系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 坡面水流，明渠水流等在一定臨界條件下，其表面常常會失穩(wěn)而發(fā)育一系列的波 動過程。這些波動可能是周期性的，波速和波形都保持不變，并且波速始終大于水流質(zhì)點的 運動速度；另一方面，波動也可能是非周期性的，波形和波速在傳播的過程中不斷發(fā)生演 化，最終發(fā)生破碎。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為滾波。滾波常見于自然坡面、城市路面、水電站的泄水陡 槽和大壩的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滾波的出現(xiàn)會帶來一系列不利的后果，例如 水流從恒定流變?yōu)榉呛愣?增強水流對坡面土壤的侵蝕能力使土壤顆粒發(fā)生剝離及輸移 泥沙的能力;波峰處的水深超過河(渠）道的設(shè)計水深，造成溢流;強烈的水流摻氣作用，造 成霧化現(xiàn)象；同時對河(渠）道上的水工建筑物造成超負(fù)荷的壓力或者應(yīng)力等等。因此，研 究滾波形成的臨界條件及其演化規(guī)律，對于土壤侵蝕過程及水土保持措施配置，以及工程 實踐中如何消除滾波以及相關(guān)學(xué)科的理論研究，例如動床阻力和水流輸沙等都有著重要意 義。
[0003] 現(xiàn)有的觀測則是利用水文測針直接觀測，該方法主要由人工確定測針與滾波的相 對位置，由于是人工目視測量，而滾波的變化極快，人眼目測往往不能達到應(yīng)有的效果，測 量難以保證精度，由于人為的測量，其穩(wěn)定性較差，每次的測量結(jié)果均不相同，只能增加測 量次數(shù)，使用統(tǒng)計的方法近似的獲得測量。這種方式使?jié)L波測量變成了一種需要重復(fù)多次 的繁復(fù)體力勞動，隨著人的體力下降，其精度也變得越來越差。因此，需要一種精確的系統(tǒng) 代替這種繁重的體力測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種基于壓力傳感器的薄層水流滾波測 量系統(tǒng)與方法。所述的系統(tǒng)和方法利用壓力滾波傳感器，通過系統(tǒng)集成和自動化方法，實現(xiàn) 薄層水流水位，及至滾波的實時動態(tài)測量，從而有效提高測量的精度和穩(wěn)定性，提高觀測效 率。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種基于壓力傳感器的薄層水流滾波測量系統(tǒng)，包 括:設(shè)置在平坦的坡面上的多個壓力滾波傳感器，所述的壓力滾波傳感器是這樣排列的:將 多個壓力滾波傳感器分為多個組，每組兩個壓力滾波傳感器，各組壓力滾波傳感器沿水流 方向一字型排列，各組壓力滾波傳感器之間的距離小于被測滾波的間距，大于被測滾波的 寬度;各組中的兩個壓力滾波傳感器沿水流方向一字排列，兩個壓力滾波傳感器之間的距 離大于被測滾波的波峰和波谷之間的距離，所述的各個壓力滾波傳感器依次與數(shù)據(jù)采集控 制器、控制電腦連接。
[0006] 進一步的，所述的壓力滾波傳感器是:金屬電阻應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片。
[0007] 進一步的，所述的坡面是實驗水槽的槽底，所述的試驗水槽包括:兩側(cè)槽幫和與所 述的槽幫連接的槽底，所述的槽幫和槽底設(shè)置在鋼結(jié)構(gòu)架上，所述的水槽一端設(shè)置進水口， 另一端設(shè)置出水口，所述的出水口與循環(huán)水池管道連接，所述的進水口通過水栗與所述的 循環(huán)水池管道連接，所述的鋼結(jié)構(gòu)架出水口 一側(cè)設(shè)置鉸鏈，另一側(cè)設(shè)置升降機構(gòu)。
[0008] 進一步的，所述的坡面是野外坡面，所述的壓力滾波傳感器貼在野外坡面上。
[0009] 進一步的，所述的坡面是水壩泄洪槽坡面，所述的壓力滾波傳感器貼在水壩泄洪 槽坡面上。
[0010] 進一步的，所述的坡面是水渠坡面，所述的壓力滾波傳感器貼在水渠坡面上。
[0011] -種使用上述系統(tǒng)進行基于壓力傳感器的薄層水流滾波測量方法，所述方法的步 驟如下： 設(shè)定采集頻率的步驟:用于通過電腦設(shè)定壓力滾波傳感器的采樣頻率； 采集的步驟:用于在帶有滾波的水流來臨時，所有傳感器同步采集水位數(shù)據(jù)，并將采集 的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中，對數(shù)據(jù)進行分析處理直接計算滾波周期、頻率、波高、沿程波速與平均 水深； 計算滾波動能的步驟:用于利用滾波水深、時間間隔和沿程波速數(shù)據(jù)估算滾波動能。
[0012] 進一步的，所述的滾波平均水深、波高、波速、周期與頻率的計算方法如下： 平均水深的計算：當(dāng)坡面有水流流過時，壓力滾波傳感器測量水面的高度lu，經(jīng)過η次 采集，對η個水深進行平均，得到斷面的平均水深石； 滾波的判定及波高的計算:將采集到的每一個水位值與平均水位值作比較，連續(xù)3次監(jiān) 測水位值大于平均水位值即為滾波，記錄該期間的最大水位值，最大水位值hmax與平均水位 值瓦的差值即為波高； 滾波波速計算:每組壓力滾波傳感器之間的間距1除以每組壓力滾波傳感器出現(xiàn)最大 水位值的時間差t即為滾波波速v; 滾波周期和頻率:單個傳感器出現(xiàn)兩次滾波的時間差就是滾波的周期T，周期的倒數(shù)則 是滾波的頻率f。
[0013] 進一步的，所述的滾波動能的計算步驟如下： 以滾波波速與壓力滾波傳感器連續(xù)兩次記錄之間的時長之積為橫坐標(biāo)，以連續(xù)記錄且 大于平均水位的水位值與平均水位值之差為縱坐標(biāo)作圖，描繪出滾波的橫斷面； 計算滾波的橫斷面的面積； 用滾波的橫斷面的面積乘以水的密度得到滾波的單寬質(zhì)量； 將單寬質(zhì)量乘以波速得到滾波的動量； 將單寬質(zhì)量乘以波速的1 /2次方得到滾波的動能。
[0014] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用在產(chǎn)生薄層水流滾波的位置，如水渠、水壩 溢洪道或?qū)嶒炇抑械乃凵习惭b壓力滾波傳感器，利用靈敏的壓力滾波傳感器檢測水流的 厚度變化，實現(xiàn)對滾波的觀測，以及精確的數(shù)據(jù)采集，完全排除了人為檢測的因素，全自動 的完成了各種數(shù)據(jù)的采集，既精確又快捷，節(jié)約了人力、物力，提高了觀測效率。
【附圖說明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0016]圖1是本發(fā)明的實施例一所述系統(tǒng)的原理不意圖； 圖2是滾波的寬度和兩個滾波之間的距離示意圖，是圖1中E點的放大圖； 圖3是本發(fā)明的實施例三所述水槽和壓力滾波傳感器在水槽中的位置的結(jié)構(gòu)示意圖， 是圖4中B-B的剖視圖； 圖4是本發(fā)明的實施例三所述水槽的結(jié)構(gòu)示意圖，是圖3中A-A的剖視圖。
【具體實施方式】
[0017] 實施例一： 本實施例是一種基于壓力傳感器的薄層水流滾波測量系統(tǒng)，如圖1所示。本實施例包 括:設(shè)置在平坦的坡面1上的多個壓力滾波傳感器2,所述的壓力滾波傳感器是這樣排列的： 將多個壓力滾波傳感器分為多個組，每組兩個壓力滾波傳感器，各組壓力滾波傳感器沿水 流方向一字型排列，各組壓力滾波傳感器之間的距離小于被測滾波的間距，大于被測滾波 的寬度;各組中的兩個壓力滾波傳感器沿水流方向一字排列，兩個壓力滾波傳感器之間的 距離大于被測滾波的波峰和波谷之間的距離，所述的各個壓力滾波傳感器依次與數(shù)據(jù)采集 控制器4、控制電腦3連接。
[0018] 本實施例所述的薄層水流是指水流的厚度在30厘米以下的水流，這種"薄層水流" 的說法是一種業(yè)內(nèi)的習(xí)慣稱謂，并不相對于"厚層水流"，因為，在業(yè)內(nèi)并沒有"厚層水流"這 樣的稱謂。
[0019] 本實施例所述的平坦坡面可以是在實驗室中帶有一定坡度的模擬渠道底面，也可 以是帶有一定坡度的真實渠道底面，或者是傾斜的水壩泄洪道的底面，或者是在野外選中 一片平坦的坡面。
[0020] 坡面的平坦是相對的，要求兩個要點，一個是坡面上沒有明顯的大小突出物，一個 是坡面應(yīng)當(dāng)基本上是平面，沒有明顯的拱起和凹陷，即沿水流方向和垂直水流方向的剖面 的坡面線都應(yīng)當(dāng)是直線或接近直線。坡面可以是十分平整的平面，如在實驗室中利用玻璃、 塑料等板材模擬的渠道底面，或者是真實渠道或水壩泄洪道的底面。真實渠道或水壩泄洪 道的底面是人工建造的，基本是平坦的，沒明顯的大小突起物。野外選取的一片坡面則要求 沒有明顯的大小突出物，以及避免坡面的整體曲面拱起和凹陷。當(dāng)然如果專門研究帶有整 體拱起或凹陷的坡面的滾波則當(dāng)別論。
[0021] 本實施例所述的壓力滾波傳感器可使用金屬電阻應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片。金屬電 阻應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片一種貼片式的傳感器，其體型為薄片型，可以直接貼在坡面上。由 于是薄片故對水流的特性影響很小，可以忽略不計。金屬電阻應(yīng)變片或半導(dǎo)體應(yīng)變片的工 作原理是由于水流水深的變化使傳感器發(fā)生變形，從而使傳感器電阻變化導(dǎo)致輸出電流變 化，通過電流的變化值與水流水深值進行率定而研究水流的動力學(xué)特性及滾波的特征參 數(shù)。
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