CN101776449A - 利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明限定了一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法和装置，具体在所测试的砂床上方一定距离处，设置若干个排成一列的超声波发射和接收探头，排成一列的超声波发射和接收探头之间间隔一定距离；排成一列的超声波发射和接收探头在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干个设定点处采集数据，并通过中央控制器将超声波探头采集到的数据输送至计算机，通过计算机处理后，在每列的设定点上采集到的数据通过计算机合成为该列下方砂床剖面结构，将所有设定点的剖面连接起来形成整个待测砂床三维冲刷地形。通过将若干个超声波探头排列好后设置在可控滑动小车上完成砂床冲刷形貌的测定。

Description

利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法及装置

技术领域

本发明涉及水利、海岸、海洋工程中砂床表面变形的探测技术。

背景技术

在水利、海岸、海洋工程中，砂土地基是结构物周围常见的地基类型。在水流作用下，当床面剪应力达到一定值时砂土地基表面砂粒将由静止转化为运动状态，即为泥砂起动。床面泥砂的运动将引起砂土地基表面形态的变化，此现象就是所谓的冲刷。由于冲刷的出现，安装于砂土地基中的结构物可能倾斜或松动，从而给结构物的安全带来一定隐患。合理地预测结构物周围砂土地基的冲刷形态、为结构物抗冲刷的工程设计提供科学依据是当前科研工作者面临的一大紧迫问题。由于此问题涉及流体力学和泥沙运动力学的相关理论知识，属于多学科交叉问题，到目前为止，模型实验仍然是解决此类问题的最有效手段。而目前在实验室测量冲刷形态的手段主要还是探针法，这种方法测试速度慢、效率低，对流场有干扰，很难实现自动化测量。而现有的其它方法测试精度低、很难实现实时在线测量。鉴于以上情况，需要找到一种高精度、实时在线、非接触式的测量方法对冲刷形貌进行测量。

发明内容

本发明提供了一种，可高精度，实时在线，非接触地测量砂床冲刷形貌的方法和装置，具体如下：

一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法：在所测试的砂床上方一定距离处，设置若干个排列成一列的超声波发射和接收探头排成一列的超声波发射和接收探头之间间隔一定距离；排成一列的超声波发射和接收探头在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干个设定点处采集数据，并通过中央控制器将超声波探头采集到的数据输送至计算机，通过计算机处理后，在每列的设定点上采集到的数据通过计算机合成为砂床冲刷剖面结构，将所有设定列的剖面连接起来形成整个待测砂床三维冲刷地形。

一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的试验装置，包括：测量装置、滑动装置、滑动装置驱动装置、中央控制器和计算机；所述测量装置由支架和在支架上排列成一列的若干个超声波发射和接收探头组成，所述滑动装置可在所述滑动装置的驱动装置的驱动下沿垂直于超声波发射和接收探头排列方向移动；使用时，将测量装置固定到距砂床一定高度的滑动装置上，通过中央控制器可控制滑动装置的运动以及在各个设定点处开启超声波发射和接收探头采集该点数据，并通过中央控制器放大超声波发射和接收探头所采集的数据并将放大后的数据输入计算机内，通过计算机的合成，形成砂床的三维冲刷形貌。

进一步，所述滑动装置为滑动小车及其轨道。

附图说明

图1超声波测距原理示意图；

图2多个超声波传感器探头沿直线布置示意图；

图3传感器阵列移动示意图。

具体实施方式

图1所示为超声波测距原理，根据超声波测距原理，公式为h＝ct，其中c：为波速；t为传播时间。在实验用砂床上方一定距离布置超声波发射和接收探头，通过超声波从超声波发射和接收探头表面发射到反射回来的时间和超声波传播速度可得到探头表面与砂床表面间的距离，从而可获得砂床测点处的高程，最后可得到该测点处的冲刷深度。图1中101为超声波发射和接收，102为砂床表面，103为超声波，其中103a为入射波，103b为反射波。根据超声波测距原理，本发明提供了一种测试砂床三维形貌或某些设定点剖面形貌的方法，如图2所示，将若干个超声波发射和接收探头101沿一条直线布置，并将所有超声波发射和接收探头101通过数据线203与中央控制器201相连接，由中央控制器201统一控制每个超声波发射和接收探头101的开关操作。如图3所示，通过驱动装置使排列成一列的若干个超声波发射和接收探头101可沿垂直于超声波发射和接收探头101排列方向的方向移动，并在移动方向上预先设定多个测量点，测量点之间的距离可根据实际情况具体设定。通过中央控制器201的控制，超声波发射和接收探头101在测定点处测定该处砂床与探头101之间的距离，并通过中央控制器201将数据传输至计算机内存储，每个测量点所测量到的数据可通过计算机202合成为该处的砂床剖面形状。待所有测量点的数据全部采集完毕后，则可把各剖面连接起来形成砂床三维冲刷地形。

如图2所示，测定砂床形貌的装置具体包括，测量装置、滑动装置、滑动装置驱动装置、中央控制器201和计算机；在本实施例中，测试仪器包括刚性支架和设置在支架上的超声波探头。刚性支架为一根长1m、宽5cm、厚5mm的支架，该支架可由不锈钢板或其他刚性材料制成，沿支架的中心线上根据测量具体需要钻若干个直径5.5mm的孔，孔间距为3cm。将每个超声波发射和接收探头101用螺栓固定于支架的孔中，这样若干个超声波发射和接收探头101(编号为h1-hn)便可沿着不锈钢支架的中心线排成一列。

设计并制作一台中央控制器201，该中央控制器201上配备有与每一个超声波发射和接收探头101的数据线203连接的端子。在中央控制器201中配置一块芯片，在此芯片中写入程序指令，该芯片负责控制每个超声波发射和接收探头101的开与关，并负责将每个超声波发射和接收探头101获得的数据放大到适于一般数据采集卡可采集的范围内。

将中央控制器201输出的数据采集到计算机202，实现数据存储和显示，存储和显示可使用编制的Labview程序或其他具有相同数据处理功能的程序。

将测试装置设置在一个滑装置上，本实施例中滑动装置为滑动小车105及其轨道，该可滑动小车105可在其滑轨中自由滑动，每次运动的距离采用激光位移传感器(图中未显示)进行测量，通过步进电机104控制小车的运动，通过小车的滑动带动测量装置在预先设定的测量点107处测量冲刷剖面。这样通过测试装置测量，并通过中央控制器201的采集、放大，通过计算机202程序处理，则可以测定各种不同间距的冲刷剖面，并可根据测定的各冲刷剖面数据合成三维冲刷形貌。

通常，测试装置上设置的超声波探头101的数量为20-60个，则从第一个超声波发射和接收探头101开始工作到最后一个超声波发射和接收探头101停止工作的时间不大于2秒，这样沿直线布置的每个超声波发射和接收探头101在2秒内均工作了一次，因此一个测量剖面在2秒内便可以得到。

如滑动小车的运行长度小于或等于1米，则通过步进电机的控制，从开始测量第一个剖面到最后一个剖面的完成，耗时不超过2分钟。

以上仅描述了本申请的一个具体实施例，本申请并不局限于此，凡是本领域普通技术人员在不脱离本申请的精神下，作出任何改进和/或变形，均属于本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法：其特征为，在所测试的砂床上方一定距离处，设置若干个排列成一列的超声波发射和接收探头排成一列的超声波发射和接收探头之间间隔一定距离；排成一列的超声波发射和接收探头在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干个设定点处采集数据，并通过中央控制器将超声波探头采集到的数据输送至计算机，通过计算机处理后，在每列的设定点上采集到的数据通过计算机合成为砂床冲刷剖面结构，将所有设定点的剖面连接起来形成整个待测砂床三维冲刷地形。

2.一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的试验装置，包括：测量装置、滑动装置、滑动装置驱动装置、中央控制器和计算机；所述测量装置由支架和在支架上排列成一列的若干个超声波发射和接收探头组成，所述滑动装置可在所述滑动装置的驱动装置的驱动下沿垂直于超声波发射和接收探头排列方向移动；使用时，将测量装置固定到距砂床一定高度的滑动装置上，通过中央控制器可控制滑动装置的运动以及在各个设定点处开启超声波发射和接收探头采集该点数据，并通过中央控制器放大超声波发射和接收探头所采集的数据并将放大后的数据输入计算机内，通过计算机的合成，形成砂床的三维冲刷形貌。

3.如权利要求2所述的实验装置，其特征为，所述滑动装置为滑动小车及其轨道。

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