挑流水舌出射角、入水角量测的装置及使用方法与流程

本发明涉及挑流水舌出射角、入水角量测的装置及使用方法，属于水利工程量测技术领域。

背景技术：

挑流消能因其结构简单、消能率高、经济实用、施工方便、水力计算简单等优点，已被国内外的众多大中型水利工程所采用。挑流消能工水舌上下缘挑距与水舌下游入水点位置和下游冲刷坑的范围密切相关，是挑流消能工设计的重要水力参数。

已有的经验公式表明，挑坎的挑角直接关系到挑流水舌的挑距。目前有一些研究表明：挑流鼻坎的挑角并不与相应的实际出射角等同。实际上，如图1，对于平底圆弧形挑坎，在一定的来流和水力条件下，射流水舌上下缘的实际出射角αu和αl均小于鼻坎挑角。因此，在挑流消能的模型试验中，射流实际出射角的精准量测，对挑流消能工上下缘挑距xu和xl的确定具有重要意义。

现有技术对挑流消能工射流水舌的三类出射角(包括：挑坎几何结构的出射角、实际上下缘出射角和从实测挑距公式反算得到的上下缘水舌出射角)的量测，多以建立坐标后拍摄照片量测和人工借助卷尺等量测工具这两类方法为主，这两种方法常常因为照片拍摄的人为因素、摄像分辨率、图片缩放，水舌本身的动态颤动等导致量测存在一定程度的误差，无法达到较为精准的效果，并且耗费人力，不能得到实时的精准数据。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种挑流水舌出射角、入水角量测的装置及使用方法，可有效避免人为量测、摄像分辨率，图片缩放以及水舌动态颤动等因素带来的误差，使量测结果更加精准的同时，实现量测自动化，即，还可实时反馈量测数据，大大节省人力，为水工模型试验的量测带来方便。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的挑流水舌出射角、入水角量测的装置，包括面光源发生器、感光板、处理器、储存器、输出设备、面光源发生器结构框架，所述面光源发生器放置于面光源发生器结构框架中，用于面光源的生成，感光板与信号线连接，将信号传输与处理器处理和存储，处理后的数据通过输出设备输出显示。

作为优选，所述面光源发生器包含激光发射器和扩束器，通过激光发射器和扩束器生成足够精度的平行面光源。

作为优选，所述感光板由感光线路板模块拼装组成，感光线路板模块上布置足够多的光电传感器，通过水舌的面光源能够在感光板上生成完整的光强度变化区域。

作为优选，所述面光源发生器结构框架和感光板均固定在可升降的支架上。

一种上述的挑流水舌出射角、入水角量测的装置的使用方法，包括以下步骤：

1)在量测前，将面光源发生器结构框架和感光板分别放置于水舌产生区域的左右两侧，根据挑流鼻坎的高程、挑角初步估计水舌产生的区域的高程，调节面光源发生器结构框架和感光板高程，使其与水舌发生区域大致处于同一高程范围；

2)布设面光源发生器，在面光源发生器结构框架上布置激光发射器和扩束器，以能够完整平行照射产生的水舌，并以此选取激光发射器和扩束器的数目及其布置位置；

3)感光板上的感光线路板模块通过信号线与处理器连接，通过处理器组合和处理的不同感光板上的信号数据，保存于储存器中并通过输出设备输出；

4)布置完成后，开通面光源发生器和各仪器，面光源直接照射感光板，检查感光板是否正常工作，对系统进行校正，感光板将光信号转换为电信号，并通过处理器处理后，在储存器中记录感光板上不同位置的光的强度信号强弱，根据光强位置和感光板强度，可得强度矩阵，记为式1：

关闭各仪器，继而进行常规的水工挑流试验，在需要量测水舌形状、出射角和入水角前，根据水舌形状、大小、位置布置激光发射器和扩束器，使激光发射器发出的激光能够完整覆盖水舌，打开面光源发生器和各仪器，面光源发生器生成的同功率的面光源，通过水舌后到达感光板后形成不同的两个区域，未通过水舌的面光源在感光板上形成的光的强度未发生变化，通过水舌的面光源在感光板上形成的光的强度发生衰减，通过处理器对感光板上光的强度进行组合和处理，根据光强位置和感光板强度，可得强度矩阵，记为式2：

根据公式(1)和公式(2)，可得不同位置前后两次激光照射感光板的光的强度差值矩阵，记为公式3：

其中，△cdij＝cdij-cdij′，cdij为第一次激光在感光板上形成的光的强度，cdij′为第二次激光在感光板上形成的光的强度；

根据前后两次激光照射，在感光板上形成的光的强度差值，可以识别出两种不同的区域：

其中，△cdij＝0为前后同一位置光的强度未发生变化的区域，△cdij≠0为为前后同一位置光的强度发生变化的区域；

在显示设备中，对数字信号进行处理、过滤、光滑，将光的强度未发生变化的区域转换为数字信号0，将光强发生变化的区域转换为数字信号1，自水流运动方向的上游至下游、自上至下，对光强差值矩阵进行过滤，如则，否则，(数字信号为1，表示所在位置有水；数字信号为0，表示所在位置无水。)，显示水舌的初步图像，对水舌上缘线、下缘线进行光滑处理，形成较为精确的水舌形状，并在输出设备(6)中输出，根据输出曲线，计算出水舌出射角、入射角。

作为优选，所述步骤(4)中，打印出水舌的示意图，打印纸具有正交网格线水印，其精度为1mm*1mm，连接水舌出射点、水舌出射点下游水舌下缘线与正交网格第一个交点，并作延长线至下游某一垂向网格线为止，通过计量正交网格横向和垂向网格数目及估算不满一个网格的长度，可以实现水舌出射角的快速精确计算；连接水舌入射点、水舌入射点上游水舌下缘线与正交网格第一个交点，并作延长线至上游某一垂向网格线为止，通过计量正交网格横向和垂向网格数目及估算不满一个网格的长度，同样可以实现水舌入射角的快速精确计算。

所述的处理器通过信号线与感光板和储存器连接，能够对接收的电信号的信息进行组合和分析处理，并将分析结果在存储器中保存，并在输出设备中输出。

在本发明中，所述输出设备包括打印机和平面显示器，打印纸和图像显示器的背景为具有1mm*1mm精度的正交网格线。进行出射角和入水角计算时，应作辅助线，辅助线分别经过出射点和入水点并与水舌上、下缘相切，其延长线至某一垂向网格线为止。置于面光源发生器结构框架上固定的激光发射器、扩束器的数目和位置可以进行比选，以节约费用并形成精确的光强度变化区域。如果采用图像处理，入射点和出射点很难捕捉，由此求得的出射角和入射角误差及正确率较低。

有益效果：本发明的挑流水舌出射角、入水角量测的装置及使用方法，可有效避免人为量测、摄像分辨率，图片缩放以及水舌动态颤动等因素带来的误差，使量测结果更加精准的同时，实现量测自动化，即，还可实时反馈量测数据，大大节省人力，为水工模型试验的量测带来方便。

附图说明

图1挑流消能工的射流轨迹示意图。

图2量测装置工作流程图。

图3量测装置示意图。

图4输出结果计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图4所示，本发明的挑流水舌出射角、入水角量测的装置，包括面光源发生器1、感光板2、处理器4、储存器5、输出设备6、面光源发生器1结构框架7，所述面光源发生器1放置于面光源发生器1结构框架7中，用于面光源的生成，感光板2与信号线3连接，将信号传输与处理器4和储存器5处理和存储，处理后的数据通过输出设备6输出显示。

在本发明中，所述面光源发生器1包含激光发射器和扩束器，通过激光发射器和扩束器生成足够精度的平行面光源。所述感光板2由感光线路板模块拼装组成，感光线路板模块上布置足够多的光电传感器，通过水舌的面光源能够在感光板2上生成完整的光强度变化区域。所述面光源发生器1结构框架7和感光板2均固定在可升降的支架上。

一种上述的挑流水舌出射角、入水角量测的装置的使用方法，包括以下步骤：

1)初步布设感光板2与面光源发生器1结构框架7。在量测前，将面光源发生器1结构框架7和感光板2分别放置于水舌产生区域的左右两侧，根据挑流鼻坎的高程、挑角等参数初步估计水舌产生的区域的高程，调节面光源发生器1结构框架7和感光板2高程，使其与水舌发生区域大致处于同一高程范围；

2)布设小型面光源发生器1。在面光源发生器1结构框架7上布置激光发射器和扩束器，以能够完整平行照射产生的水舌，并以此选取激光发射器和扩束器的数目及其布置位置；

3)仪器布置与连接。感光板2上的感光线路板模块通过信号线3与处理器4连接、通过处理器4组合和处理的不同感光板2上的信号数据，保存于储存器5并通过输出设备6输出。

4)布置完成后，开通面光源发生器1(1)和各仪器，面光源直接照射感光板2，检查感光板2是否正常工作，对系统进行校正，感光板2将光信号转换为电信号，并通过处理器4处理后，在储存器5中记录感光板2上不同位置的光的强度信号强弱，感光板由大量的光电传感器排列而成，每一个光电传感器位置特定，每一个光电传感器都能识别一个光电信号，因此能形成一个感光板光强矩阵，根据光强位置和感光板2强度，可得强度矩阵，记为式1：

关闭各仪器，继而进行常规的水工挑流试验，在需要量测水舌形状、出射角和入水角前，根据水舌形状、大小、位置布置激光发射器和扩束器，使激光发射器发出的激光能够完整覆盖水舌，打开面光源发生器1(1)和各仪器，面光源发生器1(1)生成的同功率的面光源，通过水舌后到达感光板2后形成不同的两个区域，未通过水舌的面光源在感光板2上形成的光的强度未发生变化，通过水舌的面光源在感光板2上形成的光的强度发生衰减，通过处理器4对感光板2上光的强度进行组合和处理，根据光强位置和感光板2强度，可得强度矩阵，记为式2：

根据公式(1)和公式(2)，可得不同位置前后两次激光照射感光板2的光的强度差值矩阵，记为公式3：

其中，△cdij＝cdij-cdij′，cdij为第一次激光在感光板2上形成的光的强度，cdij′为第二次激光在感光板2上形成的光的强度。

根据前后两次激光照射，在感光板2上形成的光的强度差值，可以识别出两种不同的区域：

其中，△cdij＝0为前后同一位置光的强度未发生变化的区域，△cdij≠0为为前后同一位置光的强度发生变化的区域。

在显示设备中，对数字信号进行处理、过滤、光滑。将光的强度未发生变化的区域转换为数字信号0，将光强发生变化的区域转换为数字信号1。自水流运动方向的上游至下游、自上至下，对光强差值矩阵进行过滤，如则，否则，(数字信号为1，表示所在位置有水；数字信号为0，表示所在位置无水)，显示水舌的初步图像。对水舌上缘线、下缘线进行光滑处理，形成较为精确的水舌形状，并在输出设备6中输出。

打印出水舌的示意图，打印纸的具有正交网格线水印，其精度为1mm*1mm。连接水舌出射点、水舌出射点下游水舌下缘线与正交网格第一个交点，并作延长线至下游某一垂向网格线为止，通过计量正交网格横向和垂向网格数目及估算不满一个网格的长度，可以实现水舌出射角的快速精确计算，即利用三角形原理计算出出射角的三角函数值，得出出射角的大小；连接水舌入射点、水舌入射点上游水舌下缘线与正交网格第一个交点，并作延长线至上游某一垂向网格线为止，通过计量正交网格横向和垂向网格数目及估算不满一个网格的长度，同样可以实现水舌入射角的快速精确计算(如图4所示)，即利用曲线的切线求解出射角与入射角的大小。