CN102928617A - 一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法，该装置包括多组超声波发射接收探头、信号处理器和测量架，测量架包括横杆和用于支撑横杆的支架；横杆由多段横杆单元组成，一组超声波探头和横杆单元组合成一个测量模块，超声波波探头固定在横杆单元上，实体模型实验时，根据断面形态和实验需要，灵活组配多个测量模块，实现流速分布、地形及水位等多参量测量。支架和横杆单元中都含有丝杠，在步进电机带动下，实现垂直和水平方向的移动，调节超声波探头位置，精确实现断面流速分布测量。本发明的实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法将显著提高实体模型实验的自动化程度。

Description

一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种河工模型实验中的测量装置及其方法，具体涉及一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法。
背景技术
实体模型实验时，为获取实体模型中的水流结构，研究河流演变，需要进行流速、水位、水深及水下地形等多参量测量，目前未有一种方法能同时进行上述参量测量，需要依靠多种仪器组合测量，仪器多，而且相互干扰，不能同时测量，工作量大，又浪费了大量时间，为此，迫切需要一种能同时完成多种参量测量的仪器，提高模型试验仪器的集成度和自动化程度，实现快速、多参量测量。
其中断面流速是实体模型实验中重要的测量参量，布置流速断面时受模拟河段、研究目的、模型比尺、测量仪器等因素影响，断面大小都存在明显差异，目前一般采用测桥进行断面流速分布测量，测桥长度比较固定，难以满足复杂的断面形态测量需要，当实验工况变化时，需要改变测量仪器水平位置和垂直位置，而目前多依赖于人工调节，自动化程度低，而且还增加了实验成本。因此，能根据断面形态灵活调节测量测桥长度对提高实体模型自动化水平至关重要。
另外，在实体模型断面流速分布测量时，由于超声波多普勒流速仪具有测量精度高、采样频率高等显著优点，广泛应用于实体模型实验。断面流速测量时，每个流速断面需要布置多台超声波流速仪，一台超声波流速仪价值近十万元，如布置十台超声波流速仪，则价格近百万元，成本非常高。超声波流速仪主要有信号处理器和超声波探头（发射/接收超声波）组成，超声波探头价格只占超声波流速仪总价的10%，超声波探头与信号处理器分离，测量断面上的超声波探头共用信号处理器，将大幅降低实验成本。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法，高度集成各参量测量，实现一体化测量，大幅提高测量效率，减小实验成本。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种实体模型断面多参量模块化测量装置，包括若干组超声波发射接收探头、信号处理器和测量架，所述发射接收探头与信号处理器是分离的，同一流速测量断面上的超声波发射接收探头共用一台信号处理器；所述测量架包括横杆和用于支撑横杆的支架，横杆的布置高度由支架调节；横杆包括若干组连接在一起的横杆单元，横杆单元刚性组合成所需长度的横杆，超声波发射接收探头固定在横杆单元上，每组超声波发射接收探头和横杆单元组合成一个流速测量模块，断面流速分布测量时，根据断面形态和实际实验需要，灵活组配多个测量模块，实现流速分布测量。
所述支架上设有主丝杠和步进电机，步进电机驱动主丝杠运动从而带动横杆在竖直方向运动；每个横杆单元设有丝杠，丝杠通过滑动块与超声波发射接收探头连接，丝杠带动滑动块水平方向运动，从而实现发射接收探头的位置调节，精确实现断面流速分布测量。
一种基于上述测量装置的测量方法，包括以下步骤：
信号处理器将超声波激发电信号传输至各个超声波发射接收探头，所述超声波发射接收探头将接收电信号传输至信号处理器；每组超声波发射接收探头的底部均设有超声波换能器和压力传感器，所述超声波换能器测量出流速和距离模型床面底部距离h1，压力传感器测量出水深h2，横杆中心线初始高程为H0，超声波发射接收探头距离横杆中心线距离L1，则各个超声波发射接收探头布置处
水位为：H=H0-L1*α+h1*α
水下地形高程为：P=H0-L1*α-h2*α
其中α为模型垂直比尺，各个超声波发射接收探头完成水位和流速测量后，根据超声波发射接收探头的水平位置，得到测量断面流速分布和地形分布。
有益效果：本发明的一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法，具有以下优点：
1、本发明的测量装置易于搭建，对于超声波流速仪，其发射和接收超声波的信号处理器是相同的，本发明使一组超声波发射接收探头共用一个信号处理器，完成一个流速断面测量的成本大大降低；
2、本发明的测量方法，采用模块化布置方式，将超声波探头和一定长度的横杆单元组合成一组测量模块，断面流速测量时，可根据实体模型实验需要灵活布置测量仪器，实现高效的断面流速分布测量，同时也将大幅提高模型实验自动化；
3、本发明的测量方法，每个模块可独立实现断面流速、水位、水深和水下地形高程等多个参量的测量，多模块组合能满足实体模型测量需要，提高模型测量仪器的集成度，简化模型实验过程。
附图说明
图1为本发明的实体模型多参量模块化测量装置示意图；
图2为图1中超声波发射接收探头的结构示意图；
图3为横杆单元丝杠和滑动块的安装结构示意图；
图4为测量模块的结构示意图。
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，本发明的一种实体模型断面多参量模块化测量装置，包括若干组超声波发射接收探头1、信号处理器2和测量架，发射接收探头1与信号处理器2是分离的，同一流速测量断面上的超声波发射接收探头1共用一台信号处理器2；测量架包括横杆4和用于支撑横杆4的支架3，横杆4的布置高度由支架3调节；横杆4包括若干组连接在一起的横杆单元，横杆单元刚性组合成不同长度的横杆4，超声波发射接收探头1固定在横杆单元上，每组超声波发射接收探头1和横杆单元组合成一个流速测量模块，断面流速分布测量时，根据断面形态和实际实验需要，灵活组配多个测量模块，实现流速分布测量。
本实施例中，支架3上设有主丝杠和步进电机，步进电机驱动主丝杠运动从而带动横杆4在竖直方向运动；每个横杆单元设有丝杠7，丝杠7通过滑动块8与超声波发射接收探头1连接，丝杠7带动滑动块8水平方向运动，从而实现发射接收探头1的位置调节，精确实现断面流速分布测量。超声波流速仪的发射接收探头1与信号处理器2是分离的，同一流速测量断面上的超声波发射接收探头1共用一台信号处理器2，每组超声波发射接收探头1的底部均设有超声波换能器5和压力传感器6。
本发明的测量方法包括以下步骤：
信号处理器2将超声波激发电信号传输至各个超声波发射接收探头1，所述超声波发射接收探头1将接收电信号传输至信号处理器2；所述超声波换能器5测量流速和距离模型床面底部距离h1，压力传感器6测量出水深h2，横杆4中心线初始高程为H0，超声波发射接收探头1距离横杆4中心线距离L1，则各个超声波发射接收探头1布置处
水位为：H=H0-L1*α+h1*α
水下地形高程为：P=H0-L1*α-h2*α
其中α为模型垂直比尺，各个超声波发射接收探头1完成水位和流速测量后，根据超声波发射接收探头1的水平位置，得到测量断面流速分布和地形分布。
本发明的一种实体模型断面多参量模块化测量装置及其测量方法中，对于超声波流速仪，其发射和接收超声波的信号处理器2是相同的，本发明使多组超声波发射接收探头1共用一个信号处理器2，一台超声波发射接收探头1价格只有一万元，则完成一个流速断面测量的成本大大降低。本发明的装置及其方法主要用于河工模型实验领域，是实现断面流速分布、水位、地形、温度等参量测量所必须的步骤；本发明高度集成各参量测量，实现一体化测量，大幅提高测量效率，减小实验成本。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种实体模型断面多参量模块化测量装置，其特征在于：包括若干组超声波发射接收探头（1）、信号处理器（2）和测量架，所述发射接收探头（1）与信号处理器（2）是分离的，同一流速测量断面上的超声波发射接收探头（1）共用一台信号处理器（2）；所述测量架包括横杆（4）和用于支撑横杆（4）的支架（3），横杆（4）包括若干组连接在一起的横杆单元，横杆单元刚性组合成所需长度的横杆（4），超声波发射接收探头（1）固定在横杆单元上，每组超声波发射接收探头（1）和横杆单元组合成一个流速测量模块。
2.根据权利要求1所述的实体模型断面多参量模块化测量装置，其特征在于：所述支架（3）上设有主丝杠和步进电机，步进电机驱动主丝杠运动从而带动横杆（4）在竖直方向运动；每个横杆单元设有丝杠（7），丝杠（7）通过滑动块（8）与超声波发射接收探头（1）连接，丝杠（7）带动滑动块（8）水平方向运动，从而实现发射接收探头（1）的位置调节。
3.一种基于权利要求1或2所述的测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
信号处理器（2）将超声波激发电信号传输至各个超声波发射接收探头（1），所述超声波发射接收探头（1）将接收电信号传输至信号处理器（2）；每组超声波发射接收探头（1）的底部均设有超声波换能器（5）和压力传感器（6），所述超声波换能器（5）测量流速和距离模型床面底部距离h1，压力传感器（6）测量出水深h2，横杆（4）中心线初始高程为H0，超声波发射接收探头（1）距离横杆（4）中心线距离L1，则各个超声波发射接收探头（1）布置处
水位为：H=H0-L1*α+h1*α
水下地形高程为：P=H0-L1*α-h2*α
其中α为模型垂直比尺，各个超声波发射接收探头（1）完成水位和流速测量后，根据超声波发射接收探头（1）的水平位置，得到测量断面流速分布和地形分布。
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