一种水下自适应调节式流速仪的制作方法

1.本发明涉及流速仪技术领域，尤其涉及一种水下自适应调节式流速仪。


背景技术：

2.流速仪普遍应用于水域内特定位置的流速检测，通常分为手持式的雷达流速仪和浸入式的多普勒流速仪，手持式的雷达测速仪只能测得水域表面的流速，且需要人工手持进行测量，浸入式的多普勒流速仪需要通过配置额外的驱动装置来推动自身前往对应的目标水深进行流速检测，成本较高且无法精准到达目标水深，导致流速与水深不对应存在误差，影响了测量准确性。


技术实现要素：

3.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水下自适应调节式流速仪，包括：
4.一固定支架，所述固定支架的底部设有一容纳腔，所述容纳腔的底部开设有一进水口，所述容纳腔的侧面分别开设有一出水口和一加压装置；
5.一凸块，设置于所述固定支架的侧面，所述凸块内开设有一第一凹槽，所述凸块的顶部设有一第一压力传感器，所述凸块的底部设有一第二压力传感器，所述凸块的背向所述固定支架的一侧设有一组刻度线，各所述刻度线按照顺序对应设有一刻度序号；
6.一高度调节结构，设置于所述第一凹槽的底部，所述高度调节结构顶部的侧面设有一流速仪，所述流速仪的侧面设置有一倾角传感器，所述流速仪的顶部设有一摄像机；
7.一控制器，设置于所述固定支架内，分别连接所述第一压力传感器、所述高度调节结构、所述第二压力传感器、所述流速仪、所述倾角传感器和所述摄像机，包括：
8.一第一控制模块，用于根据外部输入的一目标水深、预设的一进水流速和所述水下自适应调节式流速仪的整体结构数据处理得到一进水时间，随后控制打开所述进水口使得所述容纳腔进水下沉，并在所述进水时间结束后关闭所述进水口；
9.一第二控制模块，连接所述第一控制模块，用于在所述进水口关闭后，控制所述第一压力传感器和所述第二压力传感器分别持续采集第一水压值和第二水压值，并控制所述摄像机持续拍摄包含各所述刻度线的所述刻度序号的一实时图像，以及控制所述倾角传感器持续测量所述固定支架相对竖直方向的一实时倾角；
10.一第三控制模块，连接所述第二控制模块，用于根据所述实时图像、所述第一水压值和所述第二水压值处理得到所述流速仪所在的实时水深，随后根据所述实时水深、所述实时倾角和所述目标水深控制所述高度调节结构带动所述流速仪移动至所述目标水深，并控制开启所述流速仪持续检测当前流速；
11.一第四控制模块，用于根据外部输入的一结束指令控制打开所述加压装置和所述出水口使所述容纳腔浮出水面。
12.优选的，所述进水口和所述出水口上分别设有一单向控制阀，各所述单向控制阀分别连接所述控制器，所述控制器通过控制所述单向控制阀的启闭分别控制所述进水口和
所述出水口的启闭。
13.优选的，所述控制器还包括一通信模块，分别连接所述第一控制模块、所述第三控制模块和所述第四控制模块，用于接收外部的控制中心输入的所述目标水深和所述结束指令，以及实时传输所述当前流速至所述控制中心。
14.优选的，所述固定支架的底部设有一可拆卸结构，所述容纳腔的顶部通过所述可拆卸结构与所述固定支架的底部固定连接。
15.优选的，所述可拆卸结构包括：
16.多个第一环形凸块，分别设置于所述容纳腔的顶部；
17.多个第二环形凸块，分别对应设置于所述第一环形凸块的顶部；
18.所述固定支架的底部开设有多个第二凹槽，所述第二凹槽与所述第二环形凸块的横截面大小适配；
19.多个第三凹槽，分别设置于所述第二凹槽的背离所述容纳腔的一端的侧面，所述第三凹槽的与所述第二环形凸块的横截面大小适配；
20.各所述第二环形凸块卡入对应的所述第二凹槽内并进行旋转以卡入所述第三凹槽内进行固定。
21.优选的，所述高度调节结构包括：
22.一气泵，设置于所述第一凹槽的底部；
23.一伸缩杆，所述伸缩杆的不可伸缩的一端固定于所述气泵的顶部；
24.一固定块，所述固定块固定连接所述伸缩杆的可伸缩的一端，所述倾角传感器设于所述固定块的侧面，所述流速仪设于所述固定块的顶部；
25.所述第三控制模块根据所述实时水深和所述目标水深控制所述气泵带动所述伸缩杆伸出或缩进，以带动所述流速仪移动至所述目标水深。
26.优选的，所述固定支架为圆柱体，所述整体结构数据包括所述水下自适应调节式流速仪的整体外轮廓的体积参数和重量参数，以及所述圆柱体的周长，则所述第一控制模块包括：
27.第一处理单元，用于根据所述目标水深、预设的所述进水流速、所述圆柱体的周长、所述水下自适应调节式流速仪的所述体积参数和所述重量参数处理得到所述进水时间；
28.第一控制单元，连接所述第一处理单元，用于控制打开所述进水口使得所述容纳腔进水下沉，并在所述进水时间结束后关闭所述进水口。
29.优选的，通过以下计算公式处理得到所述进水时间：
[0030][0031]
其中，
[0032]
t表示所述进水时间；
[0033]
ρ表示水密度；
[0034]
g表示重力加速度；
[0035]
c表示所述圆柱体的周长；
[0036]
m表示所述水下自适应调节式流速仪的所述重量参数；
[0037]v1
表示所述水下自适应调节式流速仪的所述体积参数；
[0038]v2
表示所述进水流速；
[0039]
h1表示所述目标水深；
[0040]
α表示一预设参数，且h2为所述固定支架的长度。
[0041]
优选的，所述第三控制模块包括：
[0042]
第二处理单元，用于对所述实时图像进行图像识别以提取得到表征所述流速仪位置的所述刻度序号；
[0043]
第三处理单元，用于根据所述第一水压值和所述第二水压值分别处理得到对应的第一水深和第二水深；
[0044]
第四处理单元，分别连接所述第二处理单元和所述第三处理单元，用于根据所述第一水深、所述第二水深、所述刻度序号和预先获取的所述刻度线的序号总数处理得到所述实时水深；
[0045]
第五处理单元，连接所述第四处理单元，用于根据所述实时水深和所述目标水深处理得到一水深差值，并在所述实时水深大于所述目标水深且所述流速仪的一向上可调节高度小于所述水深差值时输出一第一信号；以及
[0046]
在所述实时水深小于所述目标水深且所述流速仪的一向下可调节高度小于所述水深差值时输出一第二信号；以及
[0047]
在所述水深差值不大于所述向上可调节高度和所述向下可调节高度时输出一第三信号；
[0048]
一第二控制单元，连接所述第五处理单元，用于在接收到所述第一信号时控制打开所述进水口进水至所述流速仪的所述实时水深与所述目标水深一致，随后控制开启所述流速仪持续检测所述当前流速；以及
[0049]
在接收到所述第二信号时控制打开所述加压装置和所述出水口出水至所述流速仪的所述实时水深与所述目标水深一致，随后控制开启所述流速仪持续检测所述当前流速；以及
[0050]
在接收到所述第三信号时根据所述水深差值和所述实时倾角控制所述高度调节结构带动所述流速仪移动至所述目标水深，随后控制开启所述流速仪持续检测所述当前流速。
[0051]
优选的，通过以下计算公式处理得到所述实时水深：
[0052][0053]
其中，
[0054]
h3表示所述实时水深；
[0055]
h5表示所述第二水深；
[0056]
h4表示所述第一水深；
[0057]
s表示所述刻度序号；
[0058]
l表示所述刻度线的序号总数。
[0059]
上述技术方案具有如下优点或有益效果：本发明中的水下自适应调节式流速仪能
够根据外部输入的目标水深自动调整进水和出水，并通过高度调节结构精确调节流速仪的实时水深使得流速仪能够自适应到达目标水深，无需人工参与，也不需要额外设置驱动装置。
附图说明
[0060]
图1为本发明的较佳的实施例中，水下自适应调节式流速仪的整体示意图；
[0061]
图2为本发明的较佳的实施例中，水下自适应调节式流速仪的后视图；
[0062]
图3为本发明的较佳的实施例中，控制器的结构原理图；
[0063]
图4为本发明的较佳的实施例中，可拆卸结构的示意图；
[0064]
图5为本发明的较佳的实施例中，固定支架的底部示意图。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。
[0066]
本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种水下自适应调节式流速仪，如图1-3所示，包括：
[0067]
一固定支架1，固定支架1的底部设有一容纳腔2，容纳腔2的底部开设有一进水口3，容纳腔2的侧面分别开设有一出水口4和一加压装置5；
[0068]
一凸块6，设置于固定支架1的侧面，凸块6内开设有一第一凹槽7，凸块6的顶部设有一第一压力传感器8，凸块6的底部设有一第二压力传感器9，凸块6的背向固定支架1的一侧设有一组刻度线10，各刻度线10按照顺序对应设有一刻度序号；
[0069]
一高度调节结构11，设置于第一凹槽7的底部，高度调节结构11顶部的侧面设有一流速仪12，流速仪12的侧面设置有一倾角传感器13，流速仪12的顶部设有一摄像机14；
[0070]
一控制器15，设置于固定支架1内，分别连接第一压力传感器8、高度调节结构11、第二压力传感器9、流速仪12、倾角传感器13和摄像机14，包括：
[0071]
一第一控制模块151，用于根据外部输入的一目标水深、预设的一进水流速和水下自适应调节式流速仪的整体结构数据处理得到一进水时间，随后控制打开进水口3使得容纳腔2进水下沉，并在进水时间结束后关闭进水口3；
[0072]
一第二控制模块152，连接第一控制模块151，用于在进水口3关闭后，控制第一压力传感器8和第二压力传感器9分别持续采集第一水压值和第二水压值，并控制摄像机14持续拍摄包含各刻度线10的刻度序号的一实时图像，以及控制倾角传感器13持续测量固定支架1相对竖直方向的一实时倾角；
[0073]
一第三控制模块153，连接第二控制模块152，用于根据实时图像、第一水压值和第二水压值处理得到流速仪12所在的实时水深，随后根据实时水深、实时倾角和目标水深控制高度调节结构11带动流速仪12移动至目标水深，并控制开启流速仪12持续检测当前流速；
[0074]
一第四控制模块154，用于根据外部输入的一结束指令控制打开加压装置5和出水口4使容纳腔2浮出水面。
[0075]
具体地，本实施例中，固定支架1采用小直径、高度长的圆柱体，容纳腔2采用大直
径、高度短的圆柱体，使得在容纳腔2进水后，水下自适应调节式流速仪呈现下重上轻的重量分布情况，增加整体稳定性，且容纳腔2随着重量的持续加大逐渐向下移动至整个水下自适应调节式流速仪与水流平面趋于垂直，由于容纳腔2的重量较大，受到的水流推动作用较小，不易发生波动。
[0076]
优选的，固定支架1的顶部设有一长方体固定件，一般情况下，长方体固定件处于水流平面的上方不与水流接触，而当目标水深较大使得长方体固定件没入水流表面时，水下自适应调节式流速仪与水流的接触面积增大，导致受到的浮力增大，容纳腔2内的进水总量也就增大，因此流速仪12可以移动至更深的目标水深进行水流测速。
[0077]
优选的，容纳腔2的大小可以根据流速仪12需要到达的目标水深来进行设计，并且容纳腔2与固定支架1为可拆卸连接，可以根据具体操作时的目标水深来安装对应大小的容纳腔2，增加目标水深的可测量范围。
[0078]
优选的，固定支架1和容纳腔2的大小比例并非如图1中所示，固定支架1和容纳腔2可以根据实际需求进行设计调整。
[0079]
具体的，本实施例中，考虑到现有的浸入水面的流速仪12大多需要额外的驱动装置来带动流速仪12移动至目标水深，驱动装置的成本较高且受到电量的限制，无法长时间进行工作，因此本实施例中的流速仪12设置于高度调节结构11的顶部，通过高度调节结构11代替驱动装置来带动流速仪12移动至目标水深，且由于水下自适应调节式流速仪整体主要依靠容纳腔2的进水和出水进行上下移动，高度调节结构11只是对流速仪12的实时水深进行微调，不需要消耗过多的电量，可以有效延长工作时间。
[0080]
优选的，考虑到固定支架1或是容纳腔2存在由于鱼群或是外力影响发生位移的情况，因此水下自适应调节式流速仪与水流平面并不一定趋于垂直，可能存在一定的倾角，而倾角会影响到高度调节结构11对流速仪12的位置调整，因此在流速仪12的侧面设置倾角传感器13，通过实时水深、目标水深和倾角传感器13测得的实时倾角来控制高度调节结构11移动流速仪12，既能消除实时倾角的影响，又能增加高度调节结构11调节的准确度。
[0081]
优选的，可以根据第一压力传感器8测得的第一水压值处理得到第一水深，根据第二压力传感器9测得的第二水压值处理得到第二水深，而高度调节结构11控制流速仪12移动的距离应为第二水深与第一水深的差值乘以实时倾角的余弦值。
[0082]
具体地，本实施例中，考虑到根据目标水深能够计算得到水下自适应调节式流速仪与水流的接触体积，而根据接触体积、水密度和重力加速度可以直接计算得到流速仪12处于目标水深时水下自适应调节式流速仪受到的浮力，在水下自适应调节式流速仪静止的情况下，水下自适应调节式流速仪的重力与浮力相等，则只需要测得水下自适应调节式流速仪的重量参数便可得到容纳腔2内的进水总量，因此只要控制容纳腔2的进水总量便可使得流速仪12到达目标水深。
[0083]
优选的，考虑到不同流域的水密度和重力加速度可能存在不同，导致流速仪12到达的实时水深和目标水深之间存在误差，因此通过摄像头拍摄包含刻度线的刻度序号的实时图像，再根据实时图像、第一水压值和第二水压值处理得到流速仪所在的实时水深，此时计算得到的实时水深较为精确，则高度调节结构11根据实时水深和目标水深调节流速仪12移动后的位置与目标水深之间的误差也较小。
[0084]
本发明的较佳的实施例中，进水口3和出水口4上分别设有一单向控制阀16，各单
向控制阀16分别连接控制器15，控制器15通过控制单向控制阀16的启闭分别控制进水口3和出水口4的启闭。
[0085]
具体地，本实施例中，在实际操作时可以通过控制单向控制阀16的开度来将进入容纳腔2的水流速度限制到预设的进水流速，以保证进水时间结束后容纳腔2内的水量与预先计算得到的进水总量误差较小。
[0086]
优选的，为了保证容纳腔2进水的最后阶段处于较为平稳的状态，可以将进水阶段分为三个过程，第一个过程为控制单向控制阀16处于最大开度进行进水，第二个过程为单向控制阀16处于中间开度进行进水，第三个过程为单向控制阀16处于较小开度进行进水，三个过程的持续时间根据进水总量进行调整，但仍需要保证三个过程结束后容纳腔2内的水量与预先计算得到的进水总量相等。
[0087]
本发明的较佳的实施例中，控制器还包括一通信模块155，分别连接第一控制模块151、第三控制模块153和第四控制模块154，用于接收外部的控制中心输入的目标水深和结束指令，以及实时传输当前流速至控制中心。
[0088]
具体地，本实施例中，水下自适应调节式流速仪具备实时通信功能，通过通信模块155可以将实时测得的当前流速传输至外部的控制中心，保证当前流速传输的实时性。
[0089]
本发明的较佳的实施例中，固定支架1的底部设有一可拆卸结构17，容纳腔2的顶部通过可拆卸结构17与固定支架1的底部固定连接。
[0090]
具体地，本实施例中，可拆卸结构17由不锈钢材质制备得到，具备优异的防水性和防腐蚀性，可以保证可拆卸结构17在长时间的水下环境不受腐蚀，增加使用寿命。
[0091]
本发明的较佳的实施例中，如图4、5所示，可拆卸结构17包括：
[0092]
多个第一环形凸块171，分别设置于容纳腔2的顶部；
[0093]
多个第二环形凸块172，分别对应设置于第一环形凸块171的顶部；
[0094]
固定支架1的底部开设有多个第二凹槽173，第二凹槽173与第二环形凸块172的横截面大小适配；
[0095]
多个第三凹槽174，分别设置于第二凹槽173的背离容纳腔2的一端的侧面，第三凹槽174与第二环形凸块172的横截面大小适配；
[0096]
各第二环形凸块172卡入对应的第二凹槽173内并进行旋转以卡入第三凹槽174内进行固定。
[0097]
具体地，本实施例中，为了实现固定支架1和容纳腔2的可拆卸功能，在容纳腔2的顶部设置层叠的多个第一环形凸块171和第二环形凸块172，在固定支架1的底部开设相同数量的第二凹槽173和第三凹槽174，具体操作时，先将第二环形凸块172完全卡入对应的第二凹槽173内，然后进行旋转卡入第三凹槽174内，由于水下自适应调节式流速仪在水下通常只会受到水平力，不会受到旋转力，因此可拆卸结构17能够保证稳定性。
[0098]
优选的，第二环形凸块172卡入第三凹槽174内时，第一环形凸块171的外环与固定支架1底部的内壁抵接，能够增加稳定性。
[0099]
本发明的较佳的实施例中，高度调节结构11包括：
[0100]
一气泵111，设置于第一凹槽7的底部；
[0101]
一伸缩杆112，伸缩杆112的不可伸缩的一端固定于气泵111的顶部；
[0102]
一固定块113，固定块113固定连接伸缩杆112的可伸缩的一端，倾角传感器13设于
固定块113的侧面，流速仪12设于固定块113的顶部；
[0103]
第三控制模块153根据实时水深和目标水深控制气泵111带动伸缩杆112伸出或缩进，以带动流速仪12移动至目标水深。
[0104]
具体地，本实施例中，考虑到气泵111相比于电泵的工作时间更长，因此选用气泵111驱动伸缩杆112进行伸缩，进而带动流速仪12进行移动。
[0105]
本发明的较佳的实施例中，固定支架1为圆柱体，整体结构数据包括水下自适应调节式流速仪的整体外轮廓的体积参数和重量参数，以及圆柱体的周长，则第一控制模块151包括：
[0106]
第一处理单元1511，用于根据目标水深、预设的进水流速、圆柱体的周长、圆柱体的周长、水下自适应调节式流速仪的体积参数和重量参数处理得到进水时间；
[0107]
第一控制单元1512，连接第一处理单元1511，用于控制打开进水口3使得容纳腔2进水下沉，并在进水时间结束后关闭进水口3。
[0108]
本发明的较佳的实施例中，通过以下计算公式处理得到进水时间：
[0109][0110]
其中，
[0111]
t表示进水时间；
[0112]
ρ表示水密度；
[0113]
g表示重力加速度；
[0114]
c表示圆柱体的周长；
[0115]
m表示水下自适应调节式流速仪的重量参数；
[0116]v1
表示水下自适应调节式流速仪的体积参数；
[0117]v2
表示进水流速；
[0118]
h1表示目标水深；
[0119]
α表示一预设参数，且h2为固定支架1的长度。
[0120]
具体地，本实施例中，通过调整预设参数的大小可以使得流速仪12尽量处于固定支架1的中间位置，而非偏向第一水压传感器8或第二水压传感器9，固定支架1上相同位置测得的当前流速更具有合理性和参考价值。
[0121]
优选的，预设参数的范围可以根据固定支架1的长度和容纳腔2的长度进行调整。
[0122]
本发明的较佳的实施例中，第三控制模块153包括：
[0123]
第二处理单元1531，用于对实时图像进行图像识别以提取得到表征流速仪12位置的刻度序号；
[0124]
第三处理单元1532，用于根据第一水压值和第二水压值分别处理得到对应的第一水深和第二水深；
[0125]
第四处理单元1533，分别连接第二处理单元1531和第三处理单元1532，用于根据第一水深、第二水深、刻度序号和预先获取的刻度线10的序号总数处理得到实时水深；
[0126]
第五处理单元1534，连接第四处理单元1533，用于根据实时水深和目标水深处理得到一水深差值，并在实时水深大于目标水深且流速仪12的一向上可调节高度小于水深差
值时输出一第一信号；以及
[0127]
在实时水深小于目标水深且流速仪12的一向下可调节高度小于水深差值时输出一第二信号；以及
[0128]
在水深差值不大于向上可调节高度和向下可调节高度时输出一第三信号；
[0129]
一第二控制单元1535，连接第五处理单元1534，用于在接收到第一信号时控制打开进水口3进水至流速仪13的实时水深与目标水深一致，随后控制开启流速仪12持续检测当前流速；以及
[0130]
在接收到第二信号时控制打开加压装置5和出水口4出水至流速仪12的实时水深与目标水深一致，随后控制开启流速仪12持续检测当前流速；以及
[0131]
在接收到第三信号时根据水深差值和实时倾角控制高度调节结构11带动流速仪12移动至目标水深，随后控制开启流速仪12持续检测当前流速。
[0132]
具体地，本实施例中，考虑到可能存在仅靠高度调节结构11无法将流速仪12移动至目标水深，即实时水深和目标水深之间的水深差值已经超过了高度调节结构11的可调节高度范围，此时需要分两种情况来控制流速仪12移动至高度调节结构11的可调节高度范围内，第一种情况为流速仪12的实时水深处于目标水深的上方且向上可调节高度小于水深差值，需要控制进水口3进水来使得流速仪12下降增大实时水深；第二种情况为流速仪12的实时水深处于目标水深的下方且向上可调节高度小于水深差值，需要控制放水口4放水来使得流速仪13上升减小实时水深。
[0133]
本发明的较佳的实施例中，通过以下计算公式处理得到实时水深：
[0134][0135]
其中，
[0136]
h3表示实时水深；
[0137]
h5表示第二水深；
[0138]
h4表示第一水深；
[0139]
s表示刻度序号；
[0140]
l表示刻度线10的序号总数。
[0141]
具体地，本实施例中，刻度线10上刻度序号的最小值与第一压力传感器8对齐，刻度线10上刻度序号的最大值与第二压力传感器9对齐，以保证后续可以直接根据实时图像、第一压力值和第二压力值处理得到流速仪12于刻度线10上所在的实时水深。
[0142]
优选的，若是刻度线10上刻度序号的最小值未与第一压力传感器8对齐，刻度序号的最大值未与第二压力传感器9对齐，则第一水深需要加上第一水压传感器8与刻度序号的最小值所对应的刻度线10之间的距离，第二水深需要加上第二水压传感器9与刻度序号的最大值所对应的刻度线10之间的距离。
[0143]
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。