一种基于液压传感器的越浪量测量装置及方法与流程

本发明涉及试验仪器和数据分析技术领域，具体地说是涉及一种基于液压传感器的越浪量测量装置及方法。

背景技术：

越浪量是海堤、护岸、防波堤等海岸建筑物的重要设计参数。为获得相对于某种特定设计堤型和波要素的越浪量，往往需进行物理模型试验。平均越浪量、单波越浪量及越浪率通常是这类试验中考察的主要对象，其中，平均越浪量一般是指整个波列在单位时间内越过单位堤长的平均水量，单位为m³/(m·s)或L/(m·s)，单波越浪量一般是指单个波浪越过单位堤长的越浪体积，单位为m³/m或L/m，越浪率是用于确定单波越浪量概率分布的必要条件。

目前主要存在两类测量越浪量的方法：称重法和图像法。称重法是基于测量越浪水体累积重量随时间的变化过程来计算越浪量，主要存在以下不足：(1)由于测量越浪量的电子秤遇水通常会损坏或失效，必须设置围墙等隔离设施，因此设备维护成本较高；(2)由于测量越浪量的专用电子秤很少在越浪量以外的试验中使用，一般需高价格专门订做，因此设备通用性较低；(3)测量越浪量的设备敏感度较低；(4)测量越浪量的专用电子秤体积和重量较大，搬运、挪位费力耗时，试验操作不便。图像法的基本原理是通过浪高仪或激光扫描仪等设备，对经过堤顶的越浪水面形成图像，然后借助图像分析技术得到越浪量，其缺点是：要求越浪水体在堤顶必须保持连续的单一液面结构，但具有冲击模式特征的越浪水体完全不满足该要求，从而产生严重误差。

此外，近来亦有推荐采用双浪高仪测量单波越浪量的装置，例如申请号为CN201620185338.3的中国专利申请公开的一种单波越浪量测量装置，该装置的问题在于：(1)浪高仪测杆在水箱入水位置极易受越浪高速水流作用而晃动失稳，导致测量误差严重；(2)浪高仪探头电路板遇水极易失效，而这种情况在水箱入水口会大概率发生，从而将严重降低该装置的实验稳定性；(3)该装置未提供从水箱水面波动数据确定水箱入水时间和静水面位置的可行方法；(4)该装置由于采用一种固定的时间差来确定匹配两个浪高仪信号，但是单波越浪经过这两个浪高仪所需的时间普遍存在较大差异，因此这将导致严重的测量结果误判。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全新的基于液压传感器的越浪量测量装置及方法，能够克服现有越浪量测量装置及方法在适用范围、单波越浪量的识别能力、稳定性、设备维护成本、设备通用性、试验操作简单性等方面的不足。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于液压传感器的越浪量测量装置，包括抽水泵、集水箱、多个膨胀螺丝、后置液压传感器、裙板、引水板、堤体、前置液压传感器和计算机；其中，所述堤体面向越浪水体的下端设有堤前斜坡；所述集水箱设置在所述堤体背向越浪水体的一侧，所述集水箱的底部以所述多个膨胀螺丝固定在水平地面上，所述集水箱的面向所述堤体的一侧为顶部低于所述堤体的堤顶的入口立板，而除所述入口立板以外的侧面立板的顶部均高于所述堤体的堤顶，其中平行于所述堤体纵轴的两个侧面立板的上部焊接所述裙板，所述集水箱与所述堤体后壁的距离以所述裙板的前端接触所述堤体的后壁为准；所述引水板搭接在所述堤体与所述集水箱之间，且一端与所述堤体的顶端后沿相连，另一端穿过所述裙板搭接在所述入口立板的顶部；所述前置液压传感器嵌入在所述堤体中并靠近所述堤体与所述堤前斜坡的交线，且所述前置液压传感器的探头突出于所述堤体的堤面并朝向越浪水体；所述后置液压传感器置于所述集水箱的底部；所述前置液压传感器和后置液压传感器分别与计算机相连；所述抽水泵设置于所述集水箱外侧。

进一步的，所述集水箱的底面为矩形，底面四角通过膨胀螺丝固定在水平地面上并充分调平。

进一步的，所述集水箱的入口立板的顶部比所述堤体的堤顶低不少于5cm，所述集水箱除所述入口立板以外的侧面立板的顶部比所述堤体的堤顶高不少于10cm。

进一步的，所述裙板与所述引水板、所述引水板与所述入口立板间的接触线以橡皮泥密封。

进一步的，所述后置液压传感器和所述前置液压传感器的采样频率均为100Hz，量程均为2m水压，精度均为0.5mm水压。

进一步的，所述后置液压传感器和所述前置液压传感器通过数据线和信号转换器与计算机相连。

进一步的，所述后置液压传感器上绑有配重片，所述集水箱的初始水深为10cm以上。

进一步的，所述堤体为模型直立堤，所述越浪量测量装置还包括水槽以及造波机，所述集水箱和所述堤体均设置在所述水槽内，所述造波机产生所述越浪水体；所述堤体为建造于海岸线或者江河中的实际堤体。

本发明还提供根据上述的越浪量测量装置的越浪量测量方法，包括以下步骤：

从所述后置液压传感器提供的波动压力数据确定所述集水箱入水的时间和相应水深；

从所述前置液压传感器得到越浪水体的入射波到达所述堤体堤面位置的时间，并将所述时间作为识别单波越浪的时间界限；

根据所述集水箱入水的时间和相应水深以及所述时间界限确定每次越浪的发生时间T和对应水深H，进而获得单波越浪量、平均越浪量及越浪率。

进一步的，所述集水箱的入水时间T′的计算公式为

所述集水箱的相应水深H′的计算公式为：H′_k+1-H′_k>△h，且

或

第i次越浪的发生时间T_i＝min(T′)，且当i>1时，T′>t_j+τ；

第i次越浪的对应水深T_i≤t<t_j+1+τ,i≥1；

第i次越浪量

平均越浪量

越浪率r＝m/n；

其中，T_k′为一组试验中第k次入水时间，△h为最小识别高度，H′_k+1为与T_k′相对应的水深，H_k′为与T_k′前一个T相对应的水深，ρ为水体密度，g为重力加速度，P_j,top为堤体堤前入射波列中第j个入射波的最高点，P_j,bot为堤体堤前入射波列中第j个入射波的最低点，P_j-1,top为堤体堤前入射波列中第j-1个入射波的最高点，P_j-1,bot为堤体堤前入射波列中第j个入射波的最低点，为P_j,top对应的时间，B和E分别为间歇期内稳定波动开始和结束的编号，且P_j为压力序列值，b和e分别为间歇期内压力开始和结束的编号，t_j为越浪水体第j个入射波的波峰到达所述堤体堤面的时间，τ为单次越浪从越浪到开始进入集水箱的时间下限，第i-1次越浪完全进入集水箱的时间下限为t_j+τ，S为集水箱的水平截面的截面积，W和L分别为矩形的集水箱的宽度和长度，T_n-T₁为第一次越浪之后和最后一次越浪之前的时间，△H_i＝H_i-H_i-1为第i次越浪引起的水深变化，H₀为第一次越浪之前的集水箱的初始水深，m为一组越浪测量试验中入射波个数，n为越浪次数，等于T的个数。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明的越浪量测量装置，相较于现有测量越浪量的装置，在适用范围、单波越浪量的识别能力、稳定性、设备维护成本、设备通用性、试验操作简单性方面均具有明显优势，可被应用于各种以越浪量测量为主要目的模型试验或者实际测量。

2、应用本发明的越浪量测量装置的越浪量测量方法，能够准确获得单波越浪量、平均越浪量及越浪率，测量误差情况总体上完全能够满足海岸工程试验的精度要求。

附图说明

图1是本发明具体实施例的越浪量测量装置的结构示意图；

图2是本发明具体实施例的集水箱内压力变化过程曲线图；

图3是本发明具体实施例的识别入水时间的结果曲线图；

图4是本发明具体实施例的识别入水时间及其对应的水深图；

图5是本发明具体实施例的识别单波越浪的时间及其对应的水深图；

图6A至6D是本发明具体实施例的用于误差评估时的试验测量结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细说明。应当说明该实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围不局限于所述实施例。

请参考图1，本发明提供一种基于液压传感器的越浪量测量装置，其以液压传感器为测量工具，并基于集水箱内水深变化来测量越浪量。该装置由以下部分组成：抽水泵1、集水箱2、膨胀螺丝3、后置液压传感器4、裙板6、引水板7、堤体8、前置液压传感器9和计算机11。

其中，计算机11的信号输入端分别通过数据线和信号转换器(例如为集线器或者专用接口)与后置液压传感器4的信号输出端和前置液压传感器9的信号输出端相连，计算机11中分别装有与后置液压传感器4和前置液压传感器9配套的数据存储及图形即时显示软件，可同时接收和存储不超过10只传感器的数据。

本实施例的基于液压传感器的越浪量测量装置中，堤体8为模型直立堤，并处于一实验用的水槽12中，用于实验模拟实际建造的直立堤，而堤体8前设有造波机，用于制造波浪(即越浪水体)，以模拟直立堤所处的环境，越浪量测量装置中的其他部分的尺寸规格和布置均设计为匹配模型直立堤规格和布置，进而实现越浪量测量试验。但在本发明的其他实施例中，堤体8的断面形式和所处环境也可以是其他形成，越浪量测量装置中的其他部分的尺寸规格和布置均设计为堤体8规格和布置，例如堤体8为建造于海岸线或者江河中的实际堤体，越浪量测量装置中的其他部分可按照本实施例的实验模拟布置作类似布置。

本实施例的基于液压传感器的越浪量测量装置，各部分的具体布置如下：(1)堤体8面向越浪水体的下端设有堤前斜坡10，所述集水,2设置在所述堤体8背向越浪水体13的一侧，集水箱2的水平截面和竖直截面为矩形(即集水箱为长方体水箱)，其底面须以膨胀螺丝3于四角固定在水槽12地面122上，以防止其晃动，并充分调平，以保证集水箱2内水面表面积等于集水箱2的内底面积。(2)集水箱2的入口立板5的高程须比堤体8堤顶的高程低不少于5cm，即入口立板5的顶部与堤体8的堤顶的高度差D1大于5cm，集水箱2除入口立板5外的侧面立板的高程须比堤体8顶的高程高不少于10cm(例如进一步的，不少于20cm)，即三侧立板的顶部与堤体8顶的高度差D2大于10cm，以保证越浪水体13可顺利进入集水箱2并阻止越浪水体13外溢。(3)集水箱2平行于水槽12纵轴(即平行于所述堤体8纵轴)的两个侧面立板上部焊接5cm宽的裙板6，集水箱2与堤体8后壁的距离以裙板6前端接触堤体8的堤壁为准。在堤体8与集水箱2之间搭接表面光滑的引水板7，板宽稍小于集水箱2的箱宽。引水板7一端与堤体8顶端后沿相连，另一端穿过裙板6，搭接于集水箱2的入口立板5上。裙板6与引水板7、引水板7与入口立板5间的接触线以橡皮泥密封，以防止集水箱2周围水槽12内的动水从集水箱2入口的侧边缘及下边缘进入箱内。(4)将前置液压传感器9嵌入并固定在堤体8的堤体内，其探头突出于堤体8堤面并朝向造波机13侧，位置靠近堤体8堤体与堤前底坡10的交线，以保证前置液压传感器9的探头始终在水槽12波动的水面121(即静水位)以下。(5)将后置液压传感器4置于在集水箱2底部且平放，测试表明，后置液压传感器4在集水箱2底部的具体放置位置对测量结果没有影响。为避免后置液压传感器4可能的移动，可在其上绑定配重片再放入集水箱2中，例如可将后置液压传感器4先固定在一块稍重的薄板(即配重片)上，再放入集水箱2中。每次试验之前集水箱2内水位(即基础水位)须预留不少于10cm，保证后置液压传感器4始终在波动的水面以下。所述抽水泵1设置于所述集水箱2外侧，每组试验过后，须将抽水泵1吸管放入集水箱2内抽水，将集水箱2内的水位降到初始位置。(6)本实施例中后置液压传感器4和前置液压传感器9的选型相同，采样频率均为100Hz，量程均为2m水压，精度均为0.5mm水压。

根据本实施例的越浪量测量装置可以从所述后置液压传感器4提供的波动压力数据确定所述集水箱2的入水时间和相应水深，并从所述前置液压传感器9得到越浪水体的入射波到达所述堤体8堤面位置的时间，并将所述时间作为识别单波越浪的时间界限，从而根据确定的集水箱2的入水时间和相应水深来确定每次越浪所对应的时间和集水箱2内的水深，进而获得单波越浪量、平均越浪量及越浪率，具体测量过程如下：

(I)集水箱2入水的时间T′和集水箱2入水的深度H′的确定。

(i)集水箱2入水的时间T′的确定。从后置液压传感器4测得的数据可以获知集水箱2内水深表现为“间歇性”持续增加，即“入水”引起水深增加，而在相邻两次“入水”之间水深保持不变。由于集水箱2内水面一直处于波动状态，所以后置液压传感器4提供的压力数据具有波动特性，见图2。这种信号具有如下两个特征：1、集水箱2入水的瞬间，压力值及其波动幅度较之前陡然升高，且周期极短，该特征为集水箱2入水提供了一个可供识别的信号，而且由于入水时具有一定速度，使得量值很小的水体进入也能被后置液压传感器4察觉；2、入水引起的短周期大幅值波动很快会转化为周期较大、振幅较小且相对稳定的波动，波动的中心位置较入水前的稳定位置出现一定的升高，反映出入水后集水箱3内水深的变化。利用以上两个特征，可识别和确定集水箱3的入水发生的时间T′，方法如下：采用某种极值算法(如移动时窗)由计算机11自动识别后置液压传感器4采集的数据中每个主要波动的最高点和最低点，然后依次将相邻波动进行比较，当同时满足以下两个条件时，即可确认集水箱2入水，并确定其发生的时间，即集水箱2入水的时间T′：

其中，T_k′为一组试验中第k次入水时间，P_j,top为堤体8堤前入射波列中第j个入射波的最高点，P_j,bot为堤体8堤前入射波列中第j个入射波的最低点，P_j-1,top为堤体8堤前入射波列中第j-1个入射波的最高点，P_j-1,bot为堤体8堤前入射波列中第j个入射波的最低点，为P_j,top对应的时间。

式1、式2分别为入水信号的绝对和相对升高依据。实验表明，取ε＝0.005kpa(对应0.51mm水位升高)、λ＝0.1，即可获得与视觉判断及堤前波高变化相当一致的识别效果。图3为采用上述方法识别和确定的集水箱2的入水时间的示例，图3中水平短线代表有效压力波动的极值，竖直长线代表入水的时间位置，从图3中可以看出：除了直观上十分明显的那些压力位置“突变”特征都被准确地自动识别到以外，期间还有一些升高幅度较小的变化也被灵敏地识别出来，它们或者由量值较小的越浪引起，或者由同一次越浪的较小部分所引起。

(ii)集水箱2入水的深度H′的确定。在确定入水时间T′之后，可通过分析其后间歇期的压力数据来得到该次入水的深度。通过对间歇期的观察(见图3)，可以得到如下经验判断(其有效性在下文介绍的试验中被确认)：波动压力的中心位置在静水压力附近做幅值较小的波动，该幅值随着间歇期的延长而逐渐减小(速度较慢)。据该判断，可考虑波动围绕中心位置做对称运动，将间歇期内所有稳定波动中心位置的均值作为静水深度H′：

其中H′_k+1为与T_k′相对应的水深，B和E分别为间歇期内稳定波动开始和结束的编号。试验表明当间歇期大于1s时，式3一般可给出精度较高的结果，而对于时间很短的间歇期(见图3中143s附近的间歇期)，建议采用如下方法计算：

其中p为压力序列值，b和e分别为间歇期内压力开始和结束的编号。在实际应用中，应根据间歇期的长度在程序中自动切换所宜采用的水深计算公式。同时，考虑到由于计算结果的误差(由设备测量误差和计算方法引起)所可能引起的误判，需设置一个最小识别高度△h，规定如果不满足以下条件：

H′_k+1-H′_k>△h (式5)

则视第k次入水的判断无效。图4为根据式3～5得到的静水深度变化过程，从图4中可以看到：代表静水深度的水平线都从每个间歇期的波动平均位置穿过，阶梯状升高过程合理形象地反映出试验过程中随着越浪的发生，集水箱2内水位的变化过程；此外，分析结果显示，图3中根据小量值波动变化识别出的入水信号确实产生了相应的水位升高变化，由此可见，该方法在识别小量值越浪方面具有较高的灵敏性。

(II)单波越浪发生时间T和对应水深H的测量。在确定集水箱2入水的时间T′和集水箱2入水的深度H′后，可以进行单波越浪发生时间T和对应水深H的测量。具体如下：

从后置液压传感器4测得的数据可以获知集水箱2内水深表现为“间歇性”持续增加，即“入水”引起水深增加，而在相邻两次“入水”之间水深保持不变。由此可得到两类信息：入水的时间T′和该次入水对应的水深H′，即间歇期内的水深，且T′和H′出现的次数大于越浪的次数，即入水次数大于越浪次数。这是因为：越浪水体不同部分的运动速度不同，导致一次越浪产生的水体往往会分成两个以上的部分而先后进入集水箱2，这种现象在冲击模式越浪情况下很常见，如果用某次越浪最先进入水箱的时间代表该次越浪的时间T，可知T′中包含T，并且如果已知上一次越浪所持续时间的下限，则该下限之后出现的第一个T′，即为该次越浪的时间T，此时每组试验的第一个T′即为第一次越浪的时间。

设定水体从越浪到开始进入集水箱2的时间不小于τ，根据试验观察，如果第i-1次越浪是由堤体8堤前入射波列中第j-1个波产生，而且该次越浪的水体完全进入集水箱2的时间一般不会晚于第j个入射波的波峰到达堤体8堤面的时间t_j，则得到了第i-1次越浪完全进入集水箱2的时间下限为t_j+τ，那么第i次越浪时间T_i就等于其后出现的第一个入水时间T′，由此得到单波越浪发生时间T和对应水深H：

T_i＝min(T′),如果i>1,T′>t_j+τ (式6)

H_i＝∑H′,T_i≤t<t_j+1+τ,i≥1 (式7)

显然，后置液压传感器4只能为单波越浪量的计算提供可能的水深依据H′和可能的时间依据T′，即由式1～2和式3～5得到的T′和H′只是“入水”的时间和水深，而得到每次越浪的时间和水深还需要结合前置液压传感器9提供的堤前入射波的时间信息。根据式6可为每个波可能发生的越浪在水箱中所持续的时间设置下限，从而可由式6～7计算每次越浪(即单波越浪)的时间T和深度H。据试验观察，式6中的τ可取为0.1s。依据该方法，位于相邻时间下限之间区域内的水深升高将被合并，即合并为同一次越浪产生的升高，如图5所示。图5中竖直点划长线为根据入射波确定的单波越浪在集水箱2中持续时间的下限位置，水平实线代表H，而水平点划线则代表H′。可以看出：位于长竖线之间的△H′被合并成一个△H，且T的位置与区间内第一个T′相同；越浪从接触堤体8堤面到进入集水箱2的耗时，在不同波浪之间变化范围约在0.3～1s之间。

(III)单波越浪量V的测量。假设集水箱2的水平截面为矩形且截面积为常数S，第i次越浪对应的集水箱2内的水深为记为H_i，则单波越浪量可通过如下公式计算：

其中，W和L分别为矩形的集水箱2的宽度和长度，△H_i＝H_i-H_i-1为第i次越浪引起的水深变化，H₀为第一次越浪之前的集水箱2的初始水深，V_i为第i次越浪量。一旦由式7得到了一组试验中每次越浪的水深H，即可代入式8计算单波越浪量V。

(IV)平均越浪量q的测量。为获得稳定结果，计算平均越浪量的时间范围应尽量取大些，同时需把数据首尾受试验操作影响较大的部分排除。假设某组试验共有n次(T的个数)越浪，这里简单地取第一次越浪之后和最后一次越浪之前的时间作为计算时间范围,即T_n-T₁；在此期间，水深变化幅度△H＝H_n-1-H₁。根据平均越浪量的定义，可得：

一旦由式6和式7得到了一组试验中第一次越浪之后和最后一次越浪之间的时间范围T_n-T₁以及水深变化△H＝H_n-1-H₁，即可代入式9计算平均越浪量q。

(V)越浪率(即越浪比例)r的测量。越浪率(即越浪比例)的定义式为r＝m/n，其中m为一组试验中入射波个数，n为越浪个数。入射波个数m可由对前置液压传感器9提供的数据分析，越浪个数n则为T的个数，可由式6得到。

(VI)本发明装置的实验测量误差评估(实施例)。为评估装置的测量误差情况，特别是采用式3～5计算水深的准确性，设计了如下试验：借助量筒准备不同体积的水，试验时将水倒入集水箱2，由于水的体积和集水箱2水平截面积已知，所以可得到水深的实际增加值；另一方面，根据后置液压传感器4提供的数据计算水深增加值，并与实际增加值进行对比，从而得出测量分析值的误差。其中，集水箱2为矩形截面，截面的长和宽分别为50mm和50.4mm,试验分为两组：一次倒入和二次倒入。下表给出了两组试验的水量安排和误差分析结果，具体如下：

上述试验中的一次倒入用于考察在水面平静的情况下，装置测量深度变化的准确性；二次倒入则重点考察在水面已经波动的情况下(模拟试验过程中的实际情况)，装置测量结果的可靠性。二次倒入的时间间隔约为1～3s。从上表中可看出：装置的测量误差情况总体上完全能够满足海岸工程试验的精度要求。水深增加值的绝对误差在0.003～0.217mm之间，绝大部分小于0.1mm，相对误差普遍在0.1％～6.8％之间，绝大部分小于5％；误差值与倒入的水量之间没有明显的相关性，呈现出一定的随机特征，这表明该方法即使对较小的越浪也能给出相对准确的测量结果；一次倒入和二次倒入的测量误差没有表现出明显的区别，即集水箱内原有水体是否波动对分析结果没有影响，这表明对于越浪量试验过程中集水箱连续入水的情况，采用本装置可以得到准确合理的测量结果。图6A至图6D所示为该试验部分组次的测量结果，其中图6A和图6B对应一次倒入试验的测量结果，图6C和图6D对应两次倒入试验的测量结果。

在将本发明的越浪量测量装置及其测量方法，应用于实际环境时，调整上述实施例的基于液压传感器的越浪量测量装置的其他部分以配合实际建造的堤体，并按照上述实施例中的各个部分的布置做类似布置，即可按照上述各物理量的测量及计算公式来对建造于海岸线或者江河中的实际堤体的越浪量进行相关监测。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。