[发明专利]一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法

权利要求书

1.一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量方法，所述方法所使用的系统包括：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，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，所述的多个超声波传感器依次与数据采集控制器、控制电脑连接，所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩，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，所述的水槽包括：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泵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，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，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，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，其特征在，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；由于每组中的各个传感器之间的距离应当大于单个滚波的宽度d，但小于两个滚波之间的距离L，因此，一组超声波传感器检测到的是对单个滚波进行判断和检测；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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h₁与超声波传感器与坡面之间距离h₀进行比较得到水深h，经过n次采集，对n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h_max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l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 。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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。