专利名称：一种泥石流运动流速测量装置与测量系统及测量实验系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种泥石流流速测量装置与测量系统及测量实验系统，特别是涉及一种测量泥石流运动流速的装置与系统。
背景技术：
泥石流是一种由泥、砂、石块等松散碎屑物质和 水体构成的流体。其性质是能构成一相流体的粘性泥石流，二相流体的稀性泥石流，介于二者间的过渡性泥石流。泥石流运动流速，特别是泥石流运动流速的分布特征，是泥石流运动力学研究的核心内容之一，也是泥石流防治工程设计的核心参数之一。。泥石流流速的测量关系到泥石流流量、平均流速、冲击力、运动摩阻等重要工程设计参量的计算，一直是国内外泥石流研究人员和工程技术人员所渴望获取的重要基础数据。确定泥石流流速的方法除进行实测外，还可以根据泥石流水力坡度、泥石流沟床粗糙率系数、泥石流断面平均泥深、泥石流重度和黏度等指标进行计算，但这些方法都存在不同的缺陷。由于泥石流是水、粘土、砾石和空气混合在一起的多相体，高粘度，高容重，不透明，光线无法穿透；泥石流冲击力和侵蚀能力巨大，安置在泥石流流路上的测量仪器极易被泥石流破坏；以及泥石流的流态复杂多样，前部多为紊流，难以跟踪固定目标。这些特点使得通常的流体测量方法和普通的流体测量仪器无能为力等条件限制，使得目前泥石流运动流速的测量方法都存在测量误差较大，对实验或环境条件要求较高、不能全天候工作，测量中带有较多经验性和主观性，时效性差，以及只能测量泥石流流体的平均运动速度和表面速度等缺陷，造成了对泥石流运动流速及其分布特征的测量难以实现的局面。
发明内容本实用新型的目的就是针对现有技术的不足提供一种泥石流运动流速测量装置及由该装置扩展而成的测量系统。该测量装置通过对泥石流冲击力的测量实现对泥石流运动流速的测量，特别是，该系统能够实现对泥石流运动运动流速垂向分布或水平分布特征的测量。为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下一种泥石流运动流速测量装置，其特征在于所述测量装置包括基架，基架固定在泥石流沟内，包含与泥石流流向垂直的迎水面、与泥石流流向平行的侧水面；所述迎水面上安装至少一个冲击力传感器，冲击力传感器受力面与迎水面平行，侧水面上安装至少一个静水压力传感器，静水压力传感器受力面与侧水面平行；位于同一水平高度的一个冲击力传感器与一个静水压力传感器构成一个传感器组。使用时，将上述测量装置安装在泥石流观测沟内或者模拟泥石流发生的实验水槽中，冲击力传感器的受力面与泥石流流向垂直；静水压力传感器的受力面与泥石流流向平行。根据测量目的将传感器与传感器组成对固定在基架的两个垂直面上，并将基架固定在泥石流观测沟内，保证冲击力传感器的受力面与泥石流流向垂直，静水压力传感器的受力面与泥石流流向平行。运动泥石流运动流速测量装置的工作原理在于当具有一定初速度V0的泥石流浆体正面碰撞上刚体时，与刚体表面部位接触的浆体速度降为O，其动能全部转化为冲击压能。测量系统安装时，将冲击力传感器安装在泥石流流向的迎水面，传感器受力面与泥石流流向垂直；在与迎水面垂直的侧面，并且与冲击力传感器同一水平高度的位置安装静水压力传感器，传感器受力面与泥石流流向平行。一个冲击力传感器与一个静水压力传感器为一个传感器组。当泥石流经过时，泥石流浆体撞击到冲击力传感器受力面，传感器能测量得到泥石流浆体的原始的冲击力；同时，泥石流浆体经过静水压力传感器受力面，传感器测量得到泥石流的静水压力Po。利用泥石流原始的冲击力信号滤波后就得到泥石流浆体冲压力P1，再由冲击压力P1减去泥石流浆体的静水压力P。就得到浆体的动压力P。然后根据不可压缩流体的Bernoulli方程，经过一定程度的修正，就可以由泥石流浆体的动压力得到泥石流的运动流速。上述测量装置可以根据测量目的的需要安装多个传感器与传感器组。当基架上沿垂向不同水平高度安装多个传感器组，可用于测量泥石流运动流速的垂向分布特征；当基架上在同一水平高度并列安装多个传感器组，则可用于测量泥石流运动流速的水平分布特征运动。为了测量表面泥石流流速，可以至少将一个传感器组安装在测量泥石流浆体表面 流速的水平高度处。本实用新型还提供一种以上述泥石流运动流速测量装置为基本结构扩展而成的泥石流运动流速测量系统，其技术方案如下一种泥石流运动流速测量系统，其特征在于包括上述泥石流运动流速测量装置，所述测量装置的传感器与数据采集装置连接，数据采集装置是一个数据采集器或者是配套安装有同步器的多个数据采集器；所述数据采集装置与数据处理装置连接。上述泥石流流速测量系统中，在泥石流沟内沿泥石流流向布置有多个泥石流运动流速测量装置，则可测量泥石流流动行程中的流速变化特征。基于上述泥石流运动流速测量装置与系统，本实用新型还提供一种泥石流运动流速测量实验系统，其技术方案如下一种泥石流运动流速测量实验系统，其特征在于包括实验水槽以及泥石流运动流速测量系统，所述测量系统包括测量装置以及与测量装置依次连接数据采集装置与数据处理装置；所述测量装置包括传感器与传感器基架，基架安装在实验水槽中，是长方体立柱；基架正面与实验水槽侧壁垂直，其上安装有冲击力传感器，冲击力传感器受力面与基架正面平行；基架侧面与实验水槽侧壁平行，其上安装有静水压力传感器，静水压力传感器受力面与基架侧面平行。上述实验系统在优先条件下，可做如下优化实验水槽长5. 5 6. 5m，横截面为长方形，横截面宽20 40cm，横截面高30 50cm，传感器基架安装在距离实验水槽尾部约I. 7m I. 9m处；基架上安装有多个传感器组，传感器组距离实验水槽底板的高度分别是1cm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm、13cm和15cm ;传感器是微型应变式土压传感器，灵敏度
0.41±10%mV/V，非线性度彡0. 5%。为便于观察，水槽底板为钢板，侧壁为玻璃。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是所述泥石流运动流速测量装置与系统突破了现有测量泥石流流速的技术无法测量泥石流运动流速的局限性，并且能够测量到泥石流流体运动流速的垂直或水平分布。测量系统原理可靠、装置简单、材料造价经济，易于操作，既能适用于野外条件也能适用于与实验室条件下的泥石流运动流速测量。
图I是泥石流运动流速测量装置示意图。图2是泥石流运动流速测量实验系统示意图。图3是测量实验系统基架结构不意图。图中标号如下I测量装置11基架 111迎水面 112侧水面12冲击力传感器 13静水压力传感器 2数据采集装置3数据处理装置 4实验水槽·
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型优选实施例作进一步的描述。实施例一如图I所示，制备一种泥石流运动流速流量装置。图I是泥石流运动流速测量装置示意图。测量装置包括基架11，基架11固定在泥石流沟内，包含与泥石流流向垂直的迎水面111、与泥石流流向平行的侧水面112 ;所述迎水面111上安装至少一个冲击力传感器12，冲击力传感器12受力面与迎水面111平行，侧水面112上安装至少一个静水压力传感器13，静水压力传感器13受力面与侧水面112平行；位于同一水平高度的一个冲击力传感器12与一个静水压力传感器13构成一个传感器组。本测量装置中，为了测量不同方向上的泥石流运动流速分布特征，基架11上沿垂向不同水平高度安装多个传感器组，也可以是基架11上在同一水平高度并列安装多个传感器组。实施例二如图2、图3所示，制备一种泥石流运动流速测量实验系统。图2是泥石流运动流速测量实验系统示意图。泥石流运动流速测量实验系统包括实验水槽4以及泥石流运动流速测量系统，测量系统包括测量装置I以及与测量装置I依次连接数据采集装置2与数据处理装置3。图3是测量实验系统基架结构示意图。所述测量装置I包括传感器与传感器基架
11。基架11安装在实验水槽4中，是长方体立柱；基架11正面与实验水槽4侧壁垂直，其上安装有冲击力传感器12，冲击力传感器12受力面与基架11正面平行；基架11侧面与实验水槽4侧壁平行，其上安装有静水压力传感器13，静水压力传感器13受力面与基架11侧面平行。实验水槽4长5. 5 6. 5m,横截面为长方形，横截面宽20 40cm，横截面高30 50cm，所述传感器基架11安装在距离实验水槽4尾部约I. 7m I. 9m处。述基架11上安装有多个传感器组，传感器组距离实验水槽4底板的高度分别是lcm、3cm、5cm、7cm、9cm、I lcm、13cm和15cm。实验水槽4底板为钢板，侧壁为玻璃。本测量实验系统中，传感器采用微型应变式土压传感器，灵敏度0. 41±10%mV/V，非线性度≤0. 5%。本测量实验系统中，考虑每次测试时泥石流的组成特征及动力学特征略有不同， 因此传感器基架11在实验水槽4中的位置设计不是一个不能变动的数值。试验验证，传感器基架11布置在距离水槽尾部约I. Sm的区域内，可以很好地配合多种试验。
权利要求1.一种泥石流运动流速测量装置，其特征在于所述测量装置包括基架(11)，基架(11)固定在泥石流沟内，包含与泥石流流向垂直的迎水面(111)、与泥石流流向平行的侧水面(112);所述迎水面(111)上安装至少一个冲击力传感器(12)，冲击力传感器(12)受力面与迎水面(111)平行，侧水面(112)上安装至少一个静水压力传感器(13)，静水压力传感器(13)受力面与侧水面(112)平行；位于同一水平高度的一个冲击力传感器(12)与一个静水压力传感器(13)构成一个传感器组。
2.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于所述基架(11)上沿垂向不同水平高度安装多个传感器组。
3.根据权利要求I所述的测量装置，其特征在于所述基架(11)上在同一水平高度并列安装多个传感器组。
4.一种利用权利要求I 3任一所述的泥石流运动流速测量装置实现的泥石流运动流速测量系统，其特征在于包括泥石流运动流速测量装置(I)，所述测量装置(I)的传感器与数据采集装置(2)连接，数据采集装置(2)是一个数据采集器或者是配套安装有同步器的多个数据采集器；所述数据采集装置(2)与数据处理装置(3)连接。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于多个泥石流运动流速测量装置(I)沿泥石流流向布置在泥石流沟内。
6.一种泥石流运动流速测量实验系统，其特征在于包括实验水槽(4)以及泥石流运动流速测量系统，所述测量系统包括测量装置(I)以及与测量装置(I)依次连接数据采集装置(2)与数据处理装置(3);所述测量装置(I)包括传感器与传感器基架(11)，基架(11)安装在实验水槽(4)中，是长方体立柱；基架(11)正面与实验水槽(4)侧壁垂直，其上安装有冲击力传感器(12)，冲击力传感器(12)受力面与基架(11)正面平行；基架(11)侧面与实验水槽(4)侧壁平行，其上安装有静水压力传感器(13)，静水压力传感器(13)受力面与基架(11)侧面平行。
7.根据权利要求6所述的测量实验系统，其特征在于所述实验水槽(4)长5.5 6. 5m，横截面为长方形，横截面宽20 40cm，横截面高30 50cm，所述传感器基架(11)安装在距离实验水槽(4)尾部约I. 7m I. 9m处。
8.根据权利要求7所述的测量实验系统，其特征在于所述基架(11)上安装有多个传感器组，传感器组距离实验水槽(4)底板的高度分别是lcm、3cm、5cm、7cm、9cm、11cm、13cm和 15cm。
9.根据权利要求8所述的测量实验系统，其特征在于所述传感器是微型应变式土压传感器，灵敏度0. 41 + 10% mV/V，非线性度彡0.5%o
10.根据权利要求6 9任一所述的测量实验系统，其特征在于所述实验水槽(4)底板为钢板，侧壁为玻璃。
专利摘要本实用新型公开了一种泥石流运动流速的测量装置与系统。针对现有技术无法有效测量泥石流运动流速的问题，本实用新型提供的测量装置包括基架，基架固定在泥石流沟内，包含相互垂直的迎水面与侧水面，迎水面与泥石流流向垂直，侧水面与泥石流流向平行；迎水面上安装有至少一个冲击力传感器，侧水面上安装有至少一个静水压力传感器，位于同一水平高度的一个冲击力传感器与一个静水压力传感器构成一个传感器组。本实用新型还提供由该测量装置扩展而成的泥石流运动流速系统以及测量实验系统。本产品原理可靠、装置简单、材料造价经济，易于操作，能够用于泥石流流体运动流速测量，特别是能够用于对泥石流运动流速的垂直分布或水平分布特征的测量。
文档编号G01M10/00GK202502109SQ20122008821
公开日2012年10月24日 申请日期2012年3月10日 优先权日2012年3月10日
发明者杨红娟, 洪勇, 胡凯衡, 韦方强, 黎晓宇 申请人:中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所