水流速流向测定装置及方法与流程

本发明涉及地下水测量技术领域，具体而言，涉及一种水流速流向测定装置及方法。

背景技术：

地下水渗流作用对水文地质条件、工程地质条件以及环境地质条件等有着极其重大的影响，例如在滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害过程中地下水渗流扮演着重要角色；此外，地下水是重要的水资源，占地球上淡水资源的22.1％左右，对地下水资源的开采也是非常重要的任务；并且地下水的渗流将引起土壤溶质(无机盐、养分、污染物等)的运移，因此地下水的流速流向的测定的意义十分重大。

地下水流速流向的测得方法较多，传统方法主要分为抽水试验法和示踪法。传统的抽水试验法，不适用于单井监测，且耗时费力。示踪法又有放射性同位素示踪法、电位差法、热示踪法等。电位差法是通过注入盐溶液或蒸馏水等改变地下水电位，以传感器测得电位场在时间空间上的变化进而获得地下水流速流向。放射性同位素示踪法所需放射性物质可能对人体及环境造成危害。基于示踪剂的示踪法，所使用示踪剂可与地下水及岩土体发生离子交换、吸附、沉淀等理化反应，影响测量结果；同时，示踪剂投源机制亦不利于实现长期自动化监测。热示踪法对热敏元件的精度要求较高。另外，还有显微照相技术应用于地下水流速流向的测定。但是在较为清澈的水中，悬浮物颗粒直径小于1微米，用于参考的颗粒物不易寻得或识别，因此无法达到来对地下水流速的检测的成像要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种水流速流向测定装置及方法，在水流速流向测定装置中设置悬浮物发生器以及电子罗盘，并使悬浮物发生器与光学引擎相对设置且两者之间形成通道，悬浮物发生器发射悬浮物进入通道，使光学引擎能对悬浮物进行成像并分析得到悬浮物的位移状态，从而根据悬浮物位移状态以及电子罗盘检测的光学引擎方向确定出水流的流速以及流向。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水流速流向测定装置，所述装置包括：悬浮物发生器、电子罗盘、光学引擎以及控制器，所述光学引擎与所述悬浮物发生器相对设置，所述光学引擎与所述悬浮物发生器形成通道，所述通道用于水流通过，所述悬浮物发生器、所述电子罗盘以及所述光学引擎与所述控制器电性连接，所述悬浮物发生器用于发射悬浮物，所述电子罗盘用于检测所述光学引擎方向，当水流通过所述通道时，所述悬浮物发生器发射的悬浮物悬浮于所述通道中且随所述通道内水流通过而移动，所述光学引擎用于检测所述悬浮物的位移状态，所述控制器用于根据所述电子罗盘检测的方向、所述光学引擎检测的所述悬浮物的位移状态以及所述悬浮物的位移状态对应的时间确定所述悬浮物的移动速度大小和方向，并根据确定的所述悬浮物的移动速度大小和方向确定水流的流速大小以及流向。

一种水流速流向测定方法，应用于上述的水流速流向测定装置，所述方法包括：控制器控制悬浮物发生器发射悬浮物至通道内；控制器控制光学引擎检测所述悬浮物位移状态，所述悬浮物位移状态包括悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y以及所述悬浮物的实际位移距离l，并且控制器在光学引擎检测到所述悬浮物移动第一个分辨率单位时，得到所述悬浮物的实际位移距离l对应的时间t；控制器根据读取到的电子罗盘检测的光学引擎方向，得到光学引擎的Y轴方向与预设方向的夹角Φ，并根据所述悬浮物的实际位移距离l以及时间t确定出所述悬浮物的移动速度大小，根据所述悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y，时间t以及所述光学引擎的Y轴方向与预设方向的夹角Φ确定出所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α；根据确定出的所述悬浮物的移动速度大小以及所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α确定水流的流速大小以及流向。

本发明实施例提供的水流速流向测定装置及方法，包括悬浮物发生器、电子罗盘、光学引擎以及控制器。光学引擎与悬浮物发生器相对设置，光学引擎与悬浮物发生器形成通道，悬浮物发生器、电子罗盘以及光学引擎与控制器电性连接，悬浮物发生器用于发射悬浮物，电子罗盘用于检测光学引擎方向，光学引擎用于检测通道中悬浮物的位移状态，控制器根据电子罗盘检测的方向、光学引擎检测的悬浮物的位移状态以及悬浮物的位移状态对应的时间确定悬浮物的移动速度大小和方向，从而根据悬浮物的移动速度大小和方向确定出水流的流速大小以及流向。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明第一实施例提供的水流速流向测定装置的结构示意图；

图2示出了本发明第一实施例提供的水流速流向测定装置功能模块图；

图3示出了本发明第一实施例提供的水流速流向测定装置的使用状态下的结构示意图；

图4示出了本发明第一实施例提供的水流速流向测定装置的悬浮物发生器的结构示意图；

图5示出了本发明第一实施例提供的水流速流向测定装置的光学引擎的结构示意图；

图6示出了本发明第二实施例提供的水流速流向测定方法的流程示意图。

图标：100-水流速流向测定装置；110-悬浮物发生器；111-电磁控制阀；112-悬浮物储存室；120-电子罗盘；130-光学引擎；131-成像传感器；132-数字信号处理器；133-第一透镜组件；134-第二透镜组件；135-激光发射器；140-控制器；150-通道；160-连接件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

本发明第一实施例提供了一种水流速流向测定装置100，如图1所示，该水流速流向测定装置100包括：悬浮物发生器110、电子罗盘120、光学引擎130以及控制器140。光学引擎130与悬浮物发生器110相对设置，光学引擎130与悬浮物发生器110形成通道150。请参见图2，悬浮物发生器110、电子罗盘120以及光学引擎130与控制器140电性连接。

在本发明实施例中，该水流速流向测定装置100还包括封闭体。封闭体与悬浮物发生器110相对设置，电子罗盘120、光学引擎130以及控制器140设置于封闭体内。如图3所示，封闭体与悬浮物发生器110采用连接件160连接，并且封闭体与悬浮物发生器110之间为光学引擎130与悬浮物发生器110形成的通道150。封闭体可以对电子罗盘120、光学引擎130以及控制器140进行保护，避免在使用过程中因浸入水而损坏。

具体的，封闭体与悬浮物发生器110连接采用的连接件160可以为螺栓，当然在本发明实施例中，封闭体与悬浮物发生器110连接采用的连接件160不作为限定，也可以为其他。

请参见图4，在本发明实施例中，悬浮物发生器110包括电磁控制阀111以及悬浮物储存室112，悬浮物储存室112靠近光学引擎130的一面设置有开口，电磁控制阀111设置于开口处。

具体的，悬浮物发生器110用于发射悬浮物。悬浮物储存与悬浮物储存室112中，控制器140控制电磁控制阀111的开关，从而可以控制悬浮物储存室112的打开或者关闭，以使悬浮物通过打开的电磁阀进入通道150。当电磁控制阀111开关为关闭状态时，悬浮物发生器110处于密闭的状态。悬浮物储存室112中的悬浮物的密度小于待检测液体密度，并且悬浮物的大小为便于光学引擎130检测的大小范围。具体的，可以取悬浮物的直径为0.8-0.9毫米，当然悬浮物的直径在本实施例中并不作为限定，也可为其他便于光学引擎130检测的直径大小。

当该水流速流向测定装置100放置于水流中且使悬浮物储存室位于光学引擎下方，使电磁控制阀111开关为打开状态，水流通过通道150时，悬浮物发生器110发射的悬浮物会由于浮力作用会悬浮于通道150中，并且悬浮物会随通道150内水流通多而移动。例如，悬浮物可以是密度小于待检测液体密度的块状物体，该块状物体可以采用泡沫板材料以及铷磁铁的复合型物体。可以在封闭体内靠近光学引擎130处设置电磁铁，当悬浮物进入通道150，电磁铁将悬浮物吸引到光学引擎130斜下方，然后电磁铁断电，悬浮物即可随水流移动。

请参见图5，在本发明实施例中，光学引擎130包括成像传感器131、数字信号处理器132、第一透镜组件133、第二透镜组件134以及激光发射器135。其中，成像传感器131为CMOS图像感应器。成像传感器131用于成像，数字信号处理器132用于对成像结果进行分析，根据前后的成像结果得出物体的位移状态。

光学引擎130用于检测通道150中悬浮物的位移状态。激光发射器135发射激光至第一透镜组件133，第一透镜组件133将激光反射到通道150，从通道150内的悬浮物的表面发射回的激光通过第二透镜进入成像传感器131。成像传感器131接收从第二透镜通过的激光并进行成像，数字信号处理器132根据成像结果进行分析获得悬浮物的位移状态。

在本发明实施例中，封闭体正对悬浮物发生器110的一面为透明状态。具体的，该面可以采用透明玻璃，当然也可以采用其他透明的材料，在发明实施例中并不作为限制。封闭体正对悬浮物发生器110的一面为透明状态以保证光学引擎130的激光器发射的激光能进入通道150内并且能接收从通道150内悬浮物表面反射回的激光。

在本发明实施例中，电子罗盘120用于检测光学引擎130的方向。控制器140用于控制悬浮物发生器110、电子罗盘120以及光学引擎130，还用于数据采集与处理。具体的，控制器140可以是处理器。

在本发明实施例中，该水流速流向测定装置100还包括无线模块以及远程终端。无线模块可以设置于封闭体中，无线模块与控制器140电性连接。远程终端与控制器140处于无线对接的状态，远程终端用于发送指令至控制器140，无线模块发送数据至远程终端，还用于接收远程终端发送的控制指令。从而在水流速流向测定装置100使用过程中，可以在地表上通过远程终端与处于地表下的控制器140进行交互，实现远程控制与数据的接收。

在测定水流速流向时，将该水流速流向测定装置100置入水流中，水流从通道150中流过，悬浮物发生器110发射悬浮物，悬浮物会悬浮于通道150中。光学引擎130对通道150中悬浮物进行多次成像，并根据成像结果进行分析得到悬浮物位移状态。控制器140根据悬浮物位移状态、悬浮物位移对应的时间确定悬浮物的移动速度大小以及相对于光学引擎130的移动速度方向。测定水流的流速还需要确定出该水流速流向测定装置100的光学引擎130在水流中所处的方向。作为一种实施方式，可以是采用电子罗盘120得到光学引擎130的方向，再与悬浮物相对于光学引擎130的移动速度方向确定出悬浮物的移动速度方向，从而根据悬浮物移动速度大小以及方向确定出水流的流速和流向。作为另一种实施方式，按照预设方向将水流速流向测定装置100置入水流中，从而光学引擎130方向即为预设方向，再根据悬浮物相对于光学引擎130的移动速度方向确定出悬浮物的移动速度方向，从而根据悬浮物移动速度大小以及方向确定出水流的流速和流向。

第二实施例

本发明第二实施例提供了一种水流速流向探测方法，应用于本发明第一实施例提供的水流速流向探测装置，请参见图6，该方法包括：

步骤S100：控制器控制悬浮物发生器发射悬浮物至通道内。

步骤S100之前还包括：将水流速流向装置置入水流中，从而有水流通过通道150。

步骤S120：控制器控制光学引擎检测所述悬浮物位移状态，所述悬浮物位移状态包括悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y以及所述悬浮物的实际位移距离l，并且控制器在光学引擎检测到所述悬浮物移动第一个分辨率单位时开始计时，得到所述悬浮物的实际位移距离l对应的时间t。

具体的，光学引擎检测所述悬浮物位移状态包括：

光学引擎对通道内悬浮物进行多次成像，得到成像结果；根据成像结果进行分析，得到悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y以及悬浮物的实际位移距离l。

光学引擎的成像结果中包括X轴和Y轴，且每次的成像结果中X轴和Y轴方向固定。因此在成像结果中，悬浮物位于X轴和Y轴的坐标系中。从而，对成像结果分析，可以得到悬浮物沿X轴的位移距离x以及沿Y轴的位移距离y。根据悬浮物沿X轴的位移距离x以及沿Y轴的位移距离y可以得到悬浮物的实际位移距离

步骤S130：控制器根据读取到的电子罗盘检测的光学引擎方向，得到光学引擎的Y轴方向与预设方向的夹角Φ，并根据所述悬浮物的实际位移距离l以及时间t确定出所述悬浮物的移动速度大小，根据所述悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y，时间t以及所述光学引擎的Y轴方向与预设方向的夹角Φ确定出所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α。

根据悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y以及速度计算公式得到悬浮物的移动速度大小。

具体的，根据所述悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y，时间t以及所述光学引擎的Y轴方向与预设方向的夹角Φ确定出所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α包括：

根据所述悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x，沿光学引擎的Y轴的位移距离y以及时间t确定出所述悬浮物移动速度方向与光学引擎的Y轴方向的夹角θ。

根据悬浮物沿光学引擎的X轴的位移距离x以及时间t得到悬浮物沿X轴方向移动速度根据光学引擎的Y轴的位移距离y以及时间t得到悬浮物沿Y轴方向移动速度

当v_x>0,v_y>0，

当v_x>0,v_y<0，

当v_x<0,v_y<0，

当v_x<0,v_y>0，

根据所述悬浮物移动速度方向与光学引擎的Y轴方向的夹角θ以及所述光学引擎的Y轴方向与预设方向的夹角Φ确定出所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α。

具体的，将所述夹角θ以及所述夹角Φ代入得到α大小，确定出所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α。

步骤S140：根据确定出的所述悬浮物的移动速度大小以及所述悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α确定水流的流速大小以及流向。

具体的，以悬浮物的移动速度大小v以及悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角α作为水流的流速大小以及流向。并且在实际测定中，可以取多个悬浮物的移动速度大小的平均值作为水流的流速大小，可以取多个悬浮物的移动速度方向与预设方向的夹角的平均值作为流向，以提高测定结果的准确度。

综上所述，本发明实施例提供了一种水流速流向测定装置及方法，包括悬浮物发生器、电子罗盘、光学引擎以及控制器。光学引擎与悬浮物发生器相对设置，光学引擎与悬浮物发生器形成通道，悬浮物发生器、电子罗盘以及光学引擎与控制器电性连接，悬浮物发生器用于发射悬浮物，电子罗盘用于检测光学引擎方向，光学引擎用于检测通道中悬浮物的位移状态，控制器根据电子罗盘检测的方向、光学引擎检测的悬浮物的位移状态以及悬浮物的位移状态对应的时间确定悬浮物的移动速度大小和方向，从而根据悬浮物的移动速度大小和方向确定出水流的流速大小以及流向。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，上面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以上对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。