一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 进一步的，所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩。
[0007] 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。
[0008] 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栗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。
[0009] 进一步的，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。
[0010] 进一步的，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。
[0011] 进一步的，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。
[0012] -种使用上述系统进行基于超声波传感器的薄层水流滚波测量的方法，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； 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。
[0013] 进一步的，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hi 与超声波传感器与坡面之间距离ho进行比较得到水深h，经过η次采集，对η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hmax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1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。
[0014] 进一步的，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。
[0015] 本发明产生的有益效果是: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。
【附图说明】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0017]图1是本发明的实施例一所述系统的原理不意图； 图2是滚波的宽度和两个滚波之间的距离示意图，是图1中E点的放大图； 图3本发明的实施例二所述防雨滴保护罩的结构示意图； 图4是本发明的实施例三所述超声波传感器支架的结构示意图，是图5中C点的放大图； 图5是本发明的实施例四所述水槽和超声波传感器支架的结构示意图，是图6中B-B向 剖视图； 图6是本发明的实施例四所述水槽的结构示意图，是图5中A-A向剖视图； 图7是本发明的实施例五所