一种基于电磁传感器的薄层水流滚波测量系统与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于电磁传感器的薄层水流滚波测量系统与方法，是一种实验系 统和方法，是一种用于水力学测量的系统和方法，是一种用于测量薄层水流流动过程中水 深，滚波的波高、周期、频率与波速，以及滚波动量、动能等参数的自动测量系统和方法。
【背景技术】
[0002] 坡面水流，明渠水流等在一定临界条件下，其表面常常会失稳而发育一系列的波 动过程。这些波动可能是周期性的，波速和波形都保持不变，并且波速始终大于水流质点的 运动速度；另一方面，波动也可能是非周期性的，波形和波速在传播的过程中不断发生演 化，最终发生破碎。这些现象统称为滚波。滚波常见于自然坡面、城市路面、水电站的泄水陡 槽和大坝的溢洪道，河流的行洪道，引水渠等。滚波的出现会带来一系列不利的后果，例如 水流从恒定流变为非恒定流;增强水流对坡面土壤的侵蚀能力使土壤颗粒发生剥离及输移 泥沙的能力;波峰处的水深超过河(渠）道的设计水深，造成溢流;强烈的水流掺气作用，造 成雾化现象；同时对河(渠）道上的水工建筑物造成超负荷的压力或者应力等等。因此，研 究滚波形成的临界条件及其演化规律，对于土壤侵蚀过程及水土保持措施配置，以及工程 实践中如何消除滚波以及相关学科的理论研究，例如动床阻力和水流输沙等都有着重要意 义。
[0003] 现有的观测则是利用水文测针直接观测，该方法主要由人工确定测针与滚波的相 对位置，由于是人工目视测量，而滚波的变化极快，人眼目测往往不能达到应有的效果，测 量难以保证精度，由于人为的测量，其稳定性较差，每次的测量结果均不相同，只能增加测 量次数，使用统计的方法近似的获得测量。这种方式使滚波测量变成了一种需要重复多次 的繁复体力劳动，随着人的体力下降，其精度也变得越来越差。因此，需要一种精确的系统 代替这种繁重的体力测量。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于电磁传感器的薄层水流滚波测 量系统与方法。所述的系统和方法利用电磁滚波传感器，通过系统集成和自动化方法，实现 薄层水流水位，及至滚波的实时动态测量，从而有效提高测量的精度和稳定性，提高观测效 率。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种基于电磁传感器的薄层水流滚波测量系统，包 括:设置在平坦的坡面上的多个电磁滚波传感器，所述的电磁滚波传感器是这样排列的:将 多个电磁滚波传感器分为多个组，每组两个电磁滚波传感器，各组电磁滚波传感器沿水流 方向一字型排列，各组电磁滚波传感器之间的距离小于被测滚波的间距，大于被测滚波的 宽度;各组中的两个电磁滚波传感器沿水流方向一字排列，两个电磁滚波传感器之间的距 离大于被测滚波的波峰和波谷之间的距离，所述的各个电磁滚波传感器依次与数据采集控 制器、控制电脑连接。
[0006] 进一步的，所述的电磁滚波传感器包括:U形联通管，所述的U形联通管的一端设置 在坡面的底部，所述U形联通管的另一端向大气敞开，U形联通管向大气敞开一侧设置导杆， 所述的导杆中设有电磁感元件，所述的导杆上套有环形浮子。
[0007] 进一步的，所述的电磁感元件是铁磁材料的浮子和霍尔元件或感应线圈。
[0008] 进一步的，所述的坡面是实验水槽的槽底，所述的试验水槽包括:两侧槽帮和与所 述的槽帮连接的槽底，所述的槽帮和槽底设置在钢结构架上，所述的水槽一端设置进水口， 另一端设置出水口，所述的出水口与循环水池管道连接，所述的进水口通过水栗与所述的 循环水池管道连接，所述的钢结构架出水口 一侧设置铰链，另一侧设置升降机构。
[0009] -种使用上述系统进行基于电磁传感器的薄层水流滚波测量方法，所述方法的步 骤如下： 设定采集频率的步骤:用于通过电脑设定电磁滚波传感器的采样频率； 采集的步骤:用于在带有滚波的水流来临时，所有传感器同步采集水位数据，并将采集 的数据导入电脑中，对数据进行分析处理直接计算滚波周期、频率、波高、沿程波速与平均 水深； 计算滚波动能的步骤:用于利用滚波水深、时间间隔和沿程波速数据估算滚波动能。
[0010] 进一步的，所述的滚波平均水深、波高、波速、周期与频率的计算方法如下： 平均水深的计算：当坡面有水流流过时，电磁滚波传感器测量水面的高度hi，经过η次 采集，对η个水深进行平均，得到断面的平均水深石； 滚波的判定及波高的计算:将采集到的每一个水位值与平均水位值作比较，连续3次监 测水位值大于平均水位值即为滚波，记录该期间的最大水位值，最大水位值hmax与平均水位 值€的差值即为波高； 滚波波速计算:每组电磁滚波传感器之间的间距1除以每组电磁滚波传感器出现最大 水位值的时间差t即为滚波波速V ; 滚波周期和频率:单个传感器出现两次滚波的时间差就是滚波的周期T，周期的倒数则 是滚波的频率f。
[0011] 进一步的，所述的滚波动能的计算步骤如下： 以滚波波速与电磁滚波传感器连续两次记录之间的时长之积为横坐标，以连续记录且 大于平均水位的水位值与平均水位值之差为纵坐标作图，描绘出滚波的横断面； 计算滚波的横断面的面积； 用滚波的横断面的面积乘以水的密度得到滚波的单宽质量； 将单宽质量乘以波速得到滚波的动量； 将单宽质量乘以波速的1 /2次方得到滚波的动能。
[0012] 本发明产生的有益效果是:本发明采用在产生薄层水流滚波的位置，如水渠、水坝 溢洪道或实验室中的水槽上安装电磁滚波传感器，利用灵敏的电磁滚波传感器检测水流的 厚度变化，实现对滚波的观测，以及精确的数据采集，完全排除了人为检测的因素，全自动 的完成了各种数据的采集，既精确又快捷，节约了人力、物力，提高了观测效率。
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0014]图1是本发明的实施例一所述系统的原理不意图； 图2是滚波的宽度和两个滚波之间的距离示意图，是图1中E点的放大图； 图3是本发明的实施例二、四所述电磁滚波传感器和水槽的结构示意图，是图4中A-A的 剖面图； 图4是本发明的实施例四所述水槽的结构示意图。
【具体实施方式】
[0015] 实施例一： 本实施例是一种基于电磁传感器的薄层水流滚波测量系统，如图1所示。本实施例包 括:设置在平坦的坡面1上的多个电磁滚波传感器2,所述的电磁滚波传感器是这样排列的： 将多个电磁滚波传感器分为多个组，每组两个电磁滚波传感器，各组电磁滚波传感器沿水 流方向一字型排列，各组电磁滚波传感器之间的距离小于被测滚波的间距，大于被测滚波 的宽度;各组中的两个电磁滚波传感器沿水流方向一字排列，两个电磁滚波传感器之间的 距离大于被测滚波的波峰和波谷之间的距离，所述的各个电磁滚波传感器依次与数据采集 控制器3、控制电脑4连接。
[0016] 本实施例所述的薄层水流是指水流的厚度在30厘米以下的水流，这种"薄层水流" 的说法是一种业内的习惯称谓，并不相对于"厚层水流"，因为，在业内并没有"厚层水流"这 样的称谓。
[0017] 本实施例所述的平坦坡面可以是在实验室中带有一定坡度的模拟渠道底面，也可 以是带有一定坡度的真实渠道底面，或者是倾斜的水坝泄洪道的底面，或者是在野外选中 一片平坦的坡面。
[0018] 坡面的平坦是相对的，要求两个要点，一个是坡面上没有明显的大小突出物，一个 是坡面应当基本上是平面，没有明显的拱起和凹陷，即沿水流方向和垂直水流方向的剖面 的坡面线都应当是直线或接近直线。坡面可以是十分平整的平面，如在实验室中利用玻璃、 塑料等板材模拟的渠道底面，或者是真实渠道或水坝泄洪道的底面。真实渠道或水坝泄洪 道的底面是人工建造的，基本是平坦的，没明显的大小突起物。野外选取的一片坡面则要求 没有明显的大小突出物，以及避免坡面的整体曲面拱起和凹陷。当然如果专门研究带有整 体拱起或凹陷的坡面的滚波则当别论。
[0019] 本实施例所述的电磁滚波传感器可使用导杆式磁性浮子液位计，或专门设计的电 磁滚波传感器。电磁滚波传感器的基本原理是将磁性材料构成的浮子放在水面上，当浮子 随水位上下浮动时，磁场发生位移等变化，用电磁感应元件，如霍尔元件或电磁感应线圈， 检测磁场的位移变化，将磁场的变化转换为电信号，最终由采集器采集为水位变化数据。
[0020] 导杆式磁性浮子液位计的结构为将浮子做成环形套在一根导杆上，浮子随液位变 化沿导杆做上下运动。在浮子内设置一永久磁性物体，同时在导杆内部设置磁敏元件，由磁 敏元件检出浮子位置并转为与其相对应的代表液位高低的电信