用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法与流程

本公开涉及地形测量领域，尤其涉及一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法。

背景技术：

当前地形测量的方式主要有超声多普勒型、红外型、视觉成像型等，在这些技术基础之上，演变出了一些适用于实验室水下地形测量的装置与方法。但目前这些类型的装置存在各种各样的问题和局限，如需要在无水情况下进行测量工作、开发成本较高或者精度不够等。

因此，还亟待研发出适用范围更广，测量精度更高的适用于实验室水下地形测量的装置，以满足多种水工实验的要求。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置，包括：

水动力及海床模拟系统，用于生成水流和/或波浪并模拟海床变化；所述水动力及海床模拟系统包括：

波流水槽，所述波流水槽内填充有水体；

海床模型，设置于波流水槽底部；所述海床模型内部填充沙样；

测针系统，用于采集海床变化的测试数据；所述测针系统嵌设于所述海床模型上；所述测针系统包括：

多个测针组，每个测针组包括两根测针，两根所述测针分别与电源电性相连；

固定座，所述测针第一端嵌设于所述固定座内，所述固定座嵌设于所述海床模型上；

可变电阻，电性连接于所述测针组与所述电源间；

数据采集系统，用于测试数据的传输和记录，所述数据采集系统分别与所述可变电阻和所述电源电性相连。

在本公开的一些实施例中，所述固定座为中空箱体结构，所述固定座内部填充有绝缘的固化剂，且所述测针第一端嵌设于所述固定座内的固化剂中。

在本公开的一些实施例中，所述水动力及海床模拟系统还包括：缓坡地形，设置于波流水槽底部，所述缓坡地形与所述海床模型边缘相连。

在本公开的一些实施例中，所述测针直径为d，其中，d＜1.0mm。

在本公开的一些实施例中，所述测针直径为d，每个测针组中的两个测针间的距离为l，其中，l≈5d。

在本公开的一些实施例中，多个所述测针组中每个所述测针第二端伸出所述固定座的长度相同。

在本公开的一些实施例中，多个所述测针组呈矩阵分布。

在本公开的一些实施例中，所述数据采集系统还包括：

数据采集卡，分别与所述可变电阻和所述电源电性相连；

计算机终端，与所述数据采集卡相连；

所述数据采集卡将采集到数据传输至所述计算机终端。

根据本公开的一个方面，还提供了一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量方法，其中，包括：

步骤a：在如权利要求1-8所述的用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置中充入水体；

步骤b：调节可调电阻，使测针第一端全部埋入泥沙时的电压输出标定值为0.0，使测针第二端在水中的电压标定值为+5.0；

步骤c：重复步骤b，对多个测针组中每根测针进行标定，得到每根测针的标定系数；

步骤d：在波流水槽中生产水流和/或波浪，模拟海床变化；

步骤e：通过计算机终端控制数据采集卡，记录每根测针的电压数据；

步骤f：将数据采集卡得到的电压数据乘以该测针对应的标定系数，得到该测针所在位置水沙界面的变化数据。

在本公开的一些实施例中，在所述步骤f后还包括：

步骤g：将每根测针的所在位置水沙界面的变化数据同时呈现，得到测量区域的海床地形高度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本公开提供的测量装置，在实验过程中能实时显示当前水沙界面轮廓，更好地观察实验过程中地形的变化过程，节省实验时间，加快实验进程。

(2)本公开中各个实验装置通过电路相连，测量结果受外界因素的影响较小，适用于小比尺的实验，能够有效减小实验误差。

(3)本公开中通过调节探针组中两根探针的间距，调节地形图的成像精度，精度的可控性适用于具有不同精度要求的实验。

(4)本公开测针直径的选择，使得测针对于整个流场的干扰很小，不会对最终结果产生影响。

(5)本公开提供的接触是电阻型测量，不易受外界水体环境影响，适用于浑浊水体的试验测量。

(6)本公开能够有效降低实验成本，控制实验经费，提高试验效率。

附图说明

图1为本公开实施例用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置的示意图。

图2为本公开实施例中单个冲刷针工作原理示意图。

图3a为本公开实施例中测针底座支座示意图。

图3b为本公开实施例中测针底座支座示意图。

图4为本公开实施例用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量方法的方框图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

11-波流水槽；

12-水体；

13-缓坡地形；

14-海床模型；

21-测针组；

22-固定座；

23-导线；

24-电源；

25-可变电阻；

31-数据采集卡；

32-计算机终端。

具体实施方式

在河流与海洋环境中，在波流等因素作用下，床面泥沙地形的演变时刻在进行着，这对于建立在床面之上的建筑稳定性影响重大，例如海洋平台、海底管道等。物模实验是一直以来都是一种更直观更能让人信服的研究手段，在实验室内对模型进行冲刷实验，能够帮助我们认识冲刷规律，而冲刷地形的测量则是实验过程中相当重要的一环。

本公开提供了一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法，其测量装置包括：水动力及海床模拟系统、测针系统和数据采集系统；水动力及海床模拟系统，用于生成水流和/或波浪并模拟海床变化，所述水动力及海床模拟系统包括：波流水槽和海床模型；测针系统，用于采集海床变化的测试数据，所述测针系统嵌设于所述海床模型上；所述测针系统包括：多个测针组、固定座和可变电阻；数据采集系统，用于测试数据的传输和记录，所述数据采集系统与所述可变电阻和所述电源电性相连。本公开在实验过程中能实时显示当前水沙界面轮廓，更好地观察实验过程中地形的变化过程，节省实验时间，加快实验进程。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置。图1为本公开实施例用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置的示意图。如图1所示，本公开用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置包括：水动力及海床模拟系统、测针系统和数据采集系统；水动力及海床模拟系统包括：波流水槽11、缓坡地形13和海床模型14；所述测针系统包括：多个测针组21、固定座22和可变电阻25；所述数据采集系统包括数据采集卡31和计算机终端32。

水动力及海床模拟系统用于生成水流和/或波浪并模拟海床变化。以下对水动力及海床模拟系统中各个组成部分进行详细描述。

波流水槽11，所述波流水槽11内填充有水体12，在实验中生成水流和/或波浪。

海床模型14，设置于波流水槽11底部，所述海床模型14内部填充沙样。

缓坡地形13，设置于波流水槽11底部，所述缓坡地形13与所述海床模型14边缘相连，缓坡地形13主要用于定位并卡固海床模型14。缓坡地形可以选择设置两个。

测针系统嵌设于所述海床模型14上，用于采集海床变化的测试数据。以下对测针系统进行详细描述。

每个测针组21包括两根测针，两根所述测针分别与电源24电性相连。在具体实施中每组测针由两根靠近的平行金属丝组成，金属丝下端固定在一个固定座22上并连接导线23，并对固定座22进行绝缘密封。引出的导线23与外部直流电源24通过一个可变电阻25连接，形成一个电流回路。这里进一步说明一下，单个测针的工作原理，如图2所示，由于两根金属丝在水中和饱和沙中的电阻各不相同，测针的总电阻由金属丝在水中和沙中两部分的长度共同决定，即1/r＝1/rw+1/rs，r为测针总电阻，rw为水中电阻，rs为沙中电阻。当外部对测针施加一个电流以后，可以利用数据采集卡31检测到该测针的电压值v＝ri。实际上由于饱和沙的电阻远大于水的电阻(rw＜＜rs)，则整个测针的电压值主要由测针在水中的部分决定(即1/r≈1/rw)，且电压值近似与测针在水中的长度呈正比关系，则有v＝rwi。这样测针在水中的长度就可以以电压的形式表示出来即x＝cv，其中x为水中的长度，c为标定系数，v为实测电压。如果事先通过率定实验得到输出电压和测针在水中长度的线性关系系数c，试验中即可通过电压值的变化来确定水沙界面的变化。

测针系统的固定座22为一个密封的中空箱体结构，一般可采用有机玻璃板加工制作。根据测量范围需求(即二维断面地形测量或者三维空间地形测量)，相应的在固定座22上布置若干测针组21。在固定座22上板钻孔并安装硬质的细金属丝(本试验中采用的钨电极，直径0.8mm，长度120mm)，将细金属丝插入固定座22内部，测针第一端位于固定座22的空腔内，并且端部连接一根导线23，每两根细金属丝组成一测针组21，每个测针组中的两个测针间的距离为l，测针直径为d，优选l≈5d(本试验中两根金属丝的间距为10mm)，使所有导线23之间保持隔离状态，并引出到固定座22外部。通过调节探针组中两根探针的间距，调节地形图的成像精度，精度的可控性适用于具有不同精度要求的实验。调整金属丝的位置，使所有金属丝第二端伸出所述固定座22的长度一致。测针直径为d，其中，d＜1.0mm，使得测针对于整个流场的干扰很小，不会对最终结果产生影响。向固定座22内部灌入固化剂，优选环氧树脂胶，使各测针组21及其连接的导线23与其他组之间保持绝缘状态，并将整个固定座22密封起来，与外部水体隔离，等到环氧树脂硬化之后，即可进行率定及实验。

数据采集系统与所述可变电阻25和所述电源24电性相连，用于测试数据的传输和记录。每一测针组21的两根导线23分别与数据采集卡31一个通道的正负极相连接；同时每一测针组21的两根导线23通过可变电阻25与低压直流电源相连接。保证所有测针组正负极的方向一致，数据采集卡31与计算机终端32相连。

在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量方法，包括：

步骤a：在如上所述的用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置中充入水体；

步骤b：调节可调电阻，使测针第一端全部埋入泥沙时的电压输出标定值为0.0，使测针第二端在水中的电压标定值为+5.0；

步骤c：重复步骤b，对多个测针组中每根测针进行标定，得到每根测针的标定系数；

步骤d：在波流水槽中生产水流和/或波浪，模拟海床变化；

步骤e：通过计算机终端控制数据采集卡，记录每根测针的电压数据；

步骤f：将数据采集卡得到的电压数据乘以该测针对应的标定系数，得到该测针所在位置水沙界面的变化数据。

步骤g：将每根测针的所在位置水沙界面的变化数据同时呈现，得到测量区域的海床地形高度。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种用于实验水槽内模拟床面地形变化的测量装置及方法，在实验过程中能实时显示当前水沙界面轮廓，更好地观察实验过程中地形的变化过程，节省实验时间，加快实验进程。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。