[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

说明书

本发明涉及一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法，包括：架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，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。本发明采用在产生薄层水流滚波的位置，如水渠、水坝溢洪道或实验室中的水槽上安装超声波传感器，利用灵敏的超声波传感器检测水流的厚度变化，实现对滚波的观测，以及精确的数据采集，完全排除了人为检测的因素，全自动的完成了各种数据的采集，既精确又快捷，节约了人力、物力，提高了观测效率。

技术领域

本发明涉及一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法，是一种实验系统和方法，是一种用于水力学测量的系统和方式，是一种用于测量薄层水流流动过程中水深，滚波的波高、周期、频率与波速，以及滚波动量、动能等参数的自动测量系统和方法。

背景技术

坡面水流，明渠水流等在一定临界条件下，其表面常常会失稳而发育一系列的波动过程。这些波动可能是周期性的，波速和波形都保持不变，并且波速始终大于水流质点的运动速度；另一方面，波动也可能是非周期性的，波形和波速在传播的过程中不断发生演化，最终发生破碎。这些现象统称为滚波。滚波常见于自然坡面、城市路面、水电站的泄水陡槽和大坝的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滚波的出现会带来一系列不利的后果，例如水流从恒定流变为非恒定流；增强水流对坡面土壤的侵蚀能力使土壤颗粒发生剥离及输移泥沙的能力；波峰处的水深超过河(渠) 道的设计水深，造成溢流；强烈的水流掺气作用，造成雾化现象；同时对河(渠) 道上的水工建筑物造成超负荷的压力或者应力等等。因此，研究滚波形成的临界条件及其演化规律，对于土壤侵蚀过程及水土保持措施配置，以及工程实践中如何消除滚波以及相关学科的理论研究，例如动床阻力和水流输沙等都有着重要意义。

现有的观测则是利用水文测针直接观测，该方法主要由人工确定测针与滚波的相对位置，由于是人工目视测量，而滚波的变化极快，人眼目测往往不能达到应有的效果，测量难以保证精度，由于人为的测量，其稳定性较差，每次的测量结果均不相同，只能增加测量次数，使用统计的方法近似的获得测量。这种方式使滚波测量变成了一种需要重复多次的繁复体力劳动，随着人的体力下降，其精度也变得越来越差。因此，需要一种精确的系统代替这种繁重的体力测量。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法。所述的系统和方法利用超声水位传感器，通过系统集成和自动化方法，实现薄层水流水位等滚波特征参数的实时动态测量，从而有效提高测量的精度和稳定性，提高观测效率。

本发明的目的是这样实现的：一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统，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，各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，所述的各个超声波传感器依次与数据采集控制器、控制电脑连接。

进一步的，所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩。

进一步的，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。

进一步的，所述的试验水槽包括：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。