波浪作用下柔性网衣时空运动光学无接触式试验量测系统的制作方法

本发明涉及河口海岸水动力学、流体力学等基础理论的试验研究领域，特别涉及一种波浪作用下柔性网衣时空运动光学无接触式试验量测系统。

背景技术：

在当前的海工结构物的模型试验技术中，多数关注刚性结构物的受力和局部流态问题，然而，随海洋养殖业的长足发展，养殖箱体多采用浮式结构，常见的形式有网衣、网箱等。此外，对滨海电厂而言，为避免由于海水富营养化导致的大规模藻类爆发对取水安全的影响，常在取水明渠口门附近设置柔性拦污网，柔性网衣结构在海浪作用下将发生反复震荡，形成惯性力，拉扯网衣内部结构，使网衣存在被撕裂的风险。网衣绳索间的内力与网衣的运动自由度和运动冲量直接相关。因此，欲准确获取网衣材料的内力，选取合适的网衣材料，就必须首先了解网衣柔性结构在波浪作用下的运动响应特征。对其准确的测量是开展研究的前提条件。

一般来说，在对运动物体位移的测量方面，最为常用的测量方案为布置位移传感器。然而，位移传感器需安装在测量对象之上，较适合于刚性物体。对于试验室内模型柔性网衣结构而言，由于受限于自身的柔性和较轻的质量，传感器的自重便会给柔性网衣带来很大变形，导致网衣的运动形态失真。因此，常规的接触式测量难以满足柔性网衣这一特殊对象的量测要求，而解决这一问题的唯一途径是无接触式测量。目前，在水下无接触测量领域，声学式、热力学式、光学式等三种测量手段比较常用，但声学式测量仪一般适用于流速测量，热力学式测量由于测量对象不存在热交换，从而不适用于对网衣的研究。对比而言，光学式测量，特别是摄像式测量具备“可见即所得”的优势，且测量面积较大，测量资料可存档，更加适用于波浪作用下柔性网衣运动轨迹的测量。

摄像型光学式测量的原理在于通过固定帧速的高速摄像获取一系列高分辨率照片，并通过配准照片的坐标来实时捕捉拍摄对象的运动轨迹，并通过对所拍摄照片中的物体位置坐标和像素网格坐标之间的转换关系精确获取拍摄对象的时空运动过程，但常规摄像式测量的主要缺陷在于易受试验室光线和水体浑浊度的影响，当环境光线和水色变化时，常将导致背景色与拍摄对象的“像素重叠”，进而引起像素数据提取的误差。经大量查阅现有公开发表的资料得知，当前还没有采用光学无接触式量测系统对波浪作用下柔性网衣时空运动进行测量的报道。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种波浪作用下柔性网衣时空运动光学无接触式试验量测系统，该系统具有高度的自动化特征，测量精度高。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种波浪作用下柔性网衣时空运动光学无接触式试验量测系统，包括波浪试验水槽、柔性网衣、定位刻度板和摄像机；所述波浪试验水槽的侧壁是采用透明有机玻璃制成的；所述柔性网衣沿所述波浪试验水槽的宽度方向设置，并采用两个座底支架支撑固定在所述波浪试验水槽中央，在所述柔性网衣的节点上分布有多个有色轻质浮子，所述摄像机设置在所述波浪试验水槽的外侧，正对所述柔性网衣的一侧中部，所述定位刻度板设置在所述柔性网衣的另一侧并固定在所述波浪试验水槽的侧壁内侧，所述定位刻度板包括由可变色发光板制成的刻度板面板，在所述刻度板面板上设有网格型等间距的刻度线，所述刻度线是采用遥控式可变色发光电线制成的，所述摄像机采用所述定位刻度板作为坐标系追踪所述有色轻质浮子的位置随时间变化的运动轨迹。

在所述刻度板面板上设有光线感应器。

在所述刻度板面板的顶部安装有水准气泡。

所述摄像机正对所述刻度板面板的中央。

两个所述座底支架分别设置在所述柔性网衣的两侧，所述柔性网衣与所述座底支架采用捆绑绳连接。

在所述波浪试验水槽的一端设有推板式造波机，另一端设有消波箱。

本发明具有的优点和积极效果是：用有色轻质浮子将柔性网衣的各关键节点直接在物理结构上“像素化”，并通过后方的定位刻度板精确配准网衣节点处浮子在运动中的动态坐标位置。定位刻度板采用光感型，即面板颜色可随试验室光线变化，加强了刻度板和试验室背景色彩的对比度，同时刻度线采用遥控式可变色光缆，可手动实时改变刻度线色彩，从而保障了网衣节点上有色轻质浮子与刻度板面板、刻度线均有对比度强烈的色差，避免了试验室光线、背景杂色等对照片像素对比度的干扰，使得对摄像照片的像素信息提取、配准和分析有很高的精度。

综上所述，本发明填补当前水工力学物理模型中难以精确实时测量柔性网衣运动轨迹的测量实践空白，能够实时测量波浪作用下柔性网衣的瞬时运动过程，避免了接触式测量引起的附加质量误差，同时避免了普通光学量测系统中试验室光线对拍摄照片像素的干扰，该系统自动化、智能性强、实施方便，精度高，可为提升柔性体运动力学的相关试验研究提供支撑，促进海岸动力学和结构运动力学的发展。

附图说明

图1是本发明的纵向立面示意图；

图2是本发明的横向立面示意图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的定位刻度板示意图。

图中：1、波浪试验水槽；2、推板式造波机；3、消波箱；4、水准气泡；5、座底支架；6、柔性网衣；7、有色轻质浮子；8、捆绑绳；9、摄像机；10、刻度线；11、定位刻度板；12、光线感应器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1～图4，一种波浪作用下柔性网衣时空运动光学无接触式试验量测系统，包括波浪试验水槽1、柔性网衣6、定位刻度板11和摄像机9。

所述波浪试验水槽1的侧壁是采用透明有机玻璃制成的。

所述柔性网衣6沿所述波浪试验水槽1的宽度方向设置，并采用两个座底支架5支撑固定在所述波浪试验水槽1的中央，在所述柔性网衣6的节点上分布有多个有色轻质浮子7，所述摄像机9设置在所述波浪试验水槽1的外侧，正对所述柔性网衣6的一侧中部，所述定位刻度板11设置在所述柔性网衣6的另一侧并固定在所述波浪试验水槽1的侧壁内侧，所述定位刻度板11包括由可变色发光板制成的刻度板面板，在所述刻度板面板上设有网格型等间距的刻度线10，所述刻度线10是采用遥控式可变色发光电线制成的，所述摄像机9采用所述定位刻度板11作为坐标系追踪所述有色轻质浮子7的位置随时间变化的运动轨迹。

在本实施例中，在所述刻度板面板上设有光线感应器12。

在所述刻度板面板的顶部安装有水准气泡4，可通过观察水准气泡4，使所述定位刻度板11保持铅直状态。

所述摄像机9正对所述定位刻度板11的中央，

两个所述座底支架5分别设置在所述柔性网衣6的两侧，所述柔性网衣6与所述座底支架5采用捆绑绳8连接。

在所述波浪试验水槽1的一端设有推板式造波机2，另一端设有消波箱3。

本发明的工作原理：

开启推板式造波机2构造试验环境。

开启定位刻度板11，根据试验室内光线情况，调节刻度线10的颜色，使之与柔性网衣6上的有色轻质浮子7以及定位刻度板11刻度板面板的颜色具备较大色差。

当多个颜色不同的有色轻质浮子7与定位刻度板11的刻度板面板和刻度线10的色差对比明显后，开启摄像机9，并以50Hz的帧速拍照，追踪柔性网衣6不同位置的有色轻质浮子7随时间的变化过程，进而通过定位刻度板11上的坐标监控有色轻质浮子7的位置，最终分析得到柔性网衣6的运动轨迹。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。