CN103162615A - 一种室内水沙模型试验微地形量测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内水沙模型试验微地形量测装置，包括转向角控制装置、第一指针、第二指针、圆形电阻丝、直流电源、第一激光测距器和第二激光测距器，所述转向角控制装置包括电动机、减速齿轮、轴向杆和轴向外管。本发明将待测沙面空间点坐标与安置在转向角控制装置内的第一指针和第二指针与圆形电阻丝之间的电压值有效地联系起来，通过圆形电阻丝在双指针间分配的电压值获得指针夹角，进而获得空间点坐标值。避免了传统钢尺测量地形时所需进行的人工逐点测量坐标工作，大大降低试验人员的工作强度。本发明装置可以根据试验水槽的大小尺寸，调节转向角控制装置的安装高度，满足多种尺度的地形测量，适用性强。

Description

一种室内水沙模型试验微地形量测装置

技术领域

本发明属于水利工程和农业工程技术领域，具体涉及一种室内水沙模型试验微地形量测装置。

背景技术

在水利工程、农业工程相关领域，研究河道地表水动力学特征与河床交互作用的问题中，泥沙颗粒的启动与沉降、床面冲淤变化等都会对河床床面形态产生影响。采用室内水槽试验通常是分析这类问题的最直观也是极为有效的方法。对不同时刻水槽内沙面微地形的测量可以量化水沙运动对冲淤的影响，但是，对水槽内沙面地形的测量与重构往往是该类试验的难点，所采用的测量方法和手段精准度也直接影响着结果分析的可靠性。一般而言，由于水流条件限制与模型尺寸局限，室内水槽内沙面形态的变化幅度相比真实河流河床床面形态的变化幅度要小，甚至在沙面局部，冲淤变化量十分微小。早期的钢尺逐点测量再勾勒方法显然精度不够且工作量较大；遥感遥测系统则由于分辨率不够而仅适用于大尺度的地形测量，且成本较高；图像成像法则过度依赖于成像光照环境、镜头分辨率及后期的数字处理，因此，室内沙面地形需要寻求便捷经济，对测试环境依赖程度较低的自动测量手段。并且，对微地形变化的刻画要有足够的测量精度。

因此，需要一种室内沙面地形测量装置以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中室内水槽内沙面地形量测的缺陷，提供一种可对微地形变化进行精细测量的室内水沙模型试验微地形量测装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的室内水沙模型试验微地形量测装置采用如下技术方案：

一种室内水沙模型试验微地形量测装置，包括转向角控制装置、第一指针、第二指针、圆形电阻丝、直流电源、第一激光测距器和第二激光测距器，所述转向角控制装置包括电动机、减速齿轮、轴向杆和轴向外管，所述轴向杆的一端通过所述减速齿轮连接所述电动机的输出轴，所述轴向外管套在所述轴向杆上，所述轴向杆相对所述轴向外管旋转，所述轴向外管上设置有第一槽口和第二槽口，所述第一指针和所述第二指针分别连接所述直流电源的两极，所述第一指针的一端通过所述第一槽口固定连接所述轴向杆，所述第一指针和所述轴向杆之间设置有绝缘层，所述第一指针的另一端连接所述圆形电阻丝，所述第二指针的一端固定连接所述轴向外管并设置在所述第一槽口的一侧，所述第二指针与所述轴向外管之间设置有绝缘层，所述第二指针的另一端连接所述圆形电阻丝，所述圆形电阻丝上设置有开口，所述圆形电阻丝所在平面垂直于所述轴向杆，所述圆形电阻丝与所述轴向外管固定连接，所述直流电源、第一指针、第二指针和圆形电阻丝形成闭合回路；所述第一激光测距器通过所述第二槽口固定连接所述轴向杆，所述第二激光测距器固定连接所述轴向外管并设置在所述第二槽口的一侧。

更进一步的，还包括基础电阻，所述直流电源、第一指针、第二指针和圆形电阻丝形成的闭合回路中串联所述基础电阻。

更进一步的，所述圆形电阻丝为四分之一圆弧电阻丝。

更进一步的，所述第一激光测距器和第二激光测距器之间的夹角与所述第一指针和第二指针之间的夹角相等。

更进一步的，所述轴向杆和轴向外管之间设置有固态润滑剂。

更进一步的，还包括数据处理分析装置，所述数据处理分析装置包括数据采集装置和数据处理装置，所述数据采集装置采集所述第一指针和第二指针与所述圆形电阻丝的两个接触点之间的电压值、所述第一激光测距器输出的电压值和所述第二激光测距器输出的电压值；所述数据处理装置将所述第一指针和第二指针与所述圆形电阻丝的两个接触点之间的电压值转换为所述第一指针和第二指针之间的夹角，利用所述第一指针和第二指针之间的夹角得到所述第一激光测距器和第二激光测距器之间的夹角，所述数据处理装置将所述第一激光测距器输出的电压值和所述第二激光测距器输出的电压值转化为发射端到激光投射点间的空间距离值。本发明装置中的数据采集分析装置，可实现对采集的数据进行有效运算和处理，通过计算机程序进行地形数字化重构，获得三维的空间数据。

更进一步的，所述数据采集装置为巡检仪。

更进一步的，所述第一指针和第二指针之间的夹角θ通过下式计算得到：

式中，R_Z为所述圆形电阻丝的电阻，R₀为所述基础电阻的电阻，U为所述直流电源的电压，U_t为所述第一指针和第二指针与所述圆形电阻丝的两个接触点之间的电压值，θ_Z为所述第一指针和第二指针与所述圆形电阻丝的两端接触时所述第一指针和第二指针之间的夹角。

有益效果：本发明的室内水沙模型试验微地形量测装置将待测沙面空间点坐标与安置在转向角控制装置内的第一指针和第二指针与圆形电阻丝之间的电压值有效地联系起来，通过圆行电阻丝在双指针间分配的电压值获得指针夹角，进而获得空间点坐标值。避免了传统钢尺测量地形时所需进行的人工逐点测量坐标工作，大大降低试验人员的工作强度。使用时，第一激光测距器、第二激光测距器和转向角控制装置一起固定于试验水槽上方，使得激光测距器不需要随着水槽延伸而运动，这样减少了随机因素（如激光测距器的摆动、运动速度不均匀、连接在激光测距器上的导线或数据线的拖拽影响等）对测量的干扰，提高了测量精度。本发明装置可以根据试验水槽的大小尺寸，调节转向角控制装置的安装高度，满足多种尺度的地形测量，适用性强。

附图说明

图1为沙面空间点相对坐标计算几何简图；

图2为本发明的室内水沙模型试验微地形量测装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图2所示，本发明的室内水沙模型试验微地形量测装置，包括转向角控制装置、第一指针71、第二指针72、圆形电阻丝8、直流电源10、第一激光测距器91和第二激光测距器92。其中，转向角控制装置包括电动机1、减速齿轮2、轴向杆3和轴向外管4，轴向杆3的一端通过减速齿轮2连接电动机1的输出轴，轴向杆3的自转角速度稳定在每秒0.5度。其中，电动机1选用额定功率不小于300W的微型交流感应电动机。轴向杆3采用半径6mm，长度为80cm的不锈钢杆，轴向外管4采用内径为6.5mm，外径为10mm的不锈钢管，长度为50cm。

轴向外管4套在轴向杆3上，轴向杆3相对轴向外管4旋转。轴向外管4上设置有第一槽口12和第二槽口13。其中，轴向杆3和轴向外管4之间设置有固态润滑剂。第一槽口12和第二槽口13可分别在轴向外管4的三分之一和三分之二处，两个槽口对应角度为180度，槽口宽度分别为1cm和3cm；将轴向杆3均匀抹上石蜡润滑剂，缓慢将之套入轴向外管4内。在紧邻轴向外管4两端的轴向杆3上，分别设置两个销栓5，使轴向杆3与轴向外管4不产生轴向上的相对移动。

第一指针71和第二指针72分别连接直流电源10的两极。直流电源10、第一指针71、第二指针72和圆形电阻丝8形成闭合回路，其中，优选的还包括基础电阻11，直流电源10、第一指针71、第二指针72和圆形电阻丝8形成的闭合回路中串联基础电阻11，回路中串联一基础电阻，以避免因双指针针尖重合于环形电阻丝上同一点而短路。第一指针71和第二指针72均采用细长薄铜片制作，经打磨形成狭长锲型状，要求具备一定的刚度，使其在环形电阻丝8上滑动时不发生弯曲或折断。其中第一指针71通过金属箍穿过第一槽口12锚固在轴向杆3上，第二指针72则紧邻槽口同方向锚固在轴向外管4上，第一指针71和第二指针72的有效半径控制在20cm以内。第一指针71的一端通过第一槽口12固定连接轴向杆3，第一指针71和轴向杆3之间设置有绝缘层，第一指针71的另一端连接圆形电阻丝8。第二指针72的一端固定连接轴向外管4并设置在第一槽口12的一侧，第二指针72与轴向外管4之间设置有绝缘层，第二指针72的另一端连接圆形电阻丝8。

圆形电阻丝8上设置有开口，圆形电阻丝8所在平面垂直于轴向杆3，圆形电阻丝8与轴向外管4固定连接。其中，圆形电阻丝8为四分之一圆弧电阻丝。圆形电阻丝8采用一定长度的灵敏电阻丝定型，形成四分之一圆弧，全电阻大小控制在800Ω。圆心应落在轴向杆3轴线上，第一指针71和第二指针72的有效半径，圆形电阻丝8所在平面与双指针所处平面一致，保证锚固于轴向杆3上的指针7b针尖能够在轴向杆的转动下缓慢匀速划过圆形电阻丝8。圆形电阻丝8通过多根硬质塑钢支撑杆6固定于轴向外管4上，使固定于轴向杆上的第一指针71与之形成良好的接触。第一指针71和第二指针72尾端分别用铜线引出，连接到12V的直流电源10上，在电路中串联一个电阻值与环形电阻丝全电阻大小相当的基础电阻11，以避免因双指针针尖重合于环形电阻丝上同一点而短路。

第一激光测距器91通过第二槽口13固定连接轴向杆3，第二激光测距器92固定连接轴向外管4并设置在第二槽口13的一侧。其中，第一激光测距器91和第二激光测距器92之间的夹角与第一指针71和第二指针72之间的夹角相等。第一激光测距器91穿过轴向外管上的第二槽口13锚固于轴向杆3上，其方向与锚固于轴向杆3上的第一指针71方向一致；紧邻第一激光测距器91，在轴向外管4上锚固第二激光测距器92，其方向与锚固于轴向外管4上的第二指针72方向一致。根据测量精度的要求和实验室空间尺寸，第一激光测距器91和第二激光测距器92选用精度为1mm，采样频率大于5赫兹，量程为0～5m的激光测距器。

还包括数据处理分析装置，数据处理分析装置包括数据采集装置和数据处理装置，数据采集装置采集第一指针71和第二指针72与圆形电阻丝8的两个接触点之间的电压值、第一激光测距器91输出的电压值和第二激光测距器92输出的电压值，其中，本发明的数据采集装置为巡检仪。采用组合式巡检仪采集第一指针71和第二指针72间的圆形电阻丝分配的电压值、第一激光测距器91和第二激光测距器92传来的电压，经RS485信号转换器导入到计算机。在开始测量之前，将本发明装置水平安装在水槽上方的钢梁上，地形量测时，锚固于轴向外管4上的第二激光测距器92激光投射方向为铅垂向下，第一激光测距器91则随轴向杆3的转动逐点线性扫描沙床面，在完成一次线性扫描后，通过调整电动机1的工作电流方向，使其反向旋转，带动锚固于轴向杆3上的第一激光测距器91还原至初始位置，然后沿轴向杆3轴线方向调整安装在水平钢梁上的整体装置位置，进行下一个剖面的扫描，如此反复，直至扫描完成整个水槽沙面，剖面的间距可根据试验人员的实际精度要求调整。三路电压信号分别建立独立的数据文本，通过计算机程序读取三个文本数值，按照上文推求空间点坐标的思路进行自动运算，获得空间点坐标阵列，最后通过常见的表面绘图工具如SURFER进行可视化处理。

数据处理装置将第一指针71和第二指针72与圆形电阻丝8的两个接触点之间的电压值转换为第一指针71和第二指针72之间的夹角，并利用第一指针71和第二指针72之间的夹角得到第一激光测距器91和第二激光测距器92之间的夹角。数据处理装置将第一激光测距器91输出的电压值和第二激光测距器92输出的电压值转化为发射端到激光投射点间的空间距离值。本发明装置中的数据采集分析装置，可实现对采集的数据进行有效运算和处理，通过计算机程序进行地形数字化重构，获得三维的空间数据。

其中，第一指针71和第二指针72之间的夹角θ通过下式计算得到：

式中，R_Z为圆形电阻丝8的电阻，R₀为基础电阻11的电阻，U为直流电源10的电压，U_t为第一指针71和第二指针72与圆形电阻丝8的两个接触点之间的电压值，θ_Z为第一指针71和第二指针72与圆形电阻丝8的两端接触时第一指针71和第二指针72之间的夹角。

沙面空间点相对坐标推求：请参阅图1所示，在T=0和T=Δt时刻两种不同的沙面形态下，由A点推断B点的相对空间坐标。在T=0和T=Δt时间点，固定于轴向外管的激光测距器投射点分别为A点和A’点，对应的激光投射距离分别为l_a和l_a’；B点为旋转角为θ_B时，固定于轴向杆上的激光测距器的投射线与初始床面形态的交点，对应的投射距离为l_b；C点为轴向杆上的激光器投射点到达B点前与沙面的交点且距离B点最近的点，对应的投射距离为l_c，此时对应的旋转角为θ_C，可见θ_B-θ_C为激光器的单位旋转角，其大小只与转向角控制装置内的微型电动机转数和变速齿轮参数相关。假设T=Δt时间点，A点处于淤积状态，激光投射点由A点变为A’点，B点处于被冲刷状态，下沉至B_Δt点（注意该假设只是为了阐述数据处理分析系统的计算原理，由此假设所推导出的计算公式并不影响其普适性）。此时，在旋转角分别为θ_B，θ_C时，激光投射线实际所对应的投射点分别为B’和C’，对应的投射距离分别为l_b+Δb和l_c+Δc。由于B_Δt并非激光投射点，其垂向坐标需要通过B’和C’点的坐标进行样条插值获得。

以A点为参考点建立全局坐标系，根据图1所示的空间几何关系，

T=0时刻，B点的相对坐标为：[(l_b+e)sinθ_B,0,(l_a+e)–(l_b+e)cosθ_B)]；此处e为激光测距器自身有效长度。

T=Δt时刻，B_Δt点的相对坐标为：

[(lb+e)sinθ_B,0,(l_a+e)-spline{((l_b+Δb+e)sinθ_B,(l_b+Δb+e)cosθ_B),((l_c+Δc+e)sinθ_C,(l_c+Δc+e)cosθ_C),(l_b+e)sinθ_B}]；此处B_Δt点的x,y向值与B点一致，z向值则由spline函数插值给出。

按照对B点相对坐标的计算方法，即可获得整个沙面空间三维坐标值。

本发明的室内水沙模型试验微地形量测装置将待测沙面空间点坐标与安置在转向角控制装置内的第一指针和第二指针与圆形电阻丝之间的电压值有效地联系起来，通过圆行电阻丝在双指针间分配的电压值获得指针夹角，进而获得空间点坐标值。避免了传统钢尺测量地形时所需进行的人工逐点测量坐标工作，大大降低试验人员的工作强度。使用时，第一激光测距器、第二激光测距器和转向角控制装置一起固定于试验水槽上方，使得激光测距器不需要随着水槽延伸而运动，这样减少了随机因素如激光测距器的摆动、运动速度不均匀、连接在激光测距器上的导线或数据线的拖拽影响等对测量的干扰，提高了测量精度。本发明装置可以根据试验水槽的大小尺寸，调节转向角控制装置的安装高度，满足多种尺度的地形测量，适用性强。

Claims (8)

1.一种室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，包括转向角控制装置、第一指针（71）、第二指针（72）、圆形电阻丝（8）、直流电源（10）、第一激光测距器（91）和第二激光测距器（92），所述转向角控制装置包括电动机（1）、减速齿轮（2）、轴向杆（3）和轴向外管（4），所述轴向杆（3）的一端通过所述减速齿轮（2）连接所述电动机（1）的输出轴，所述轴向外管（4）套在所述轴向杆（3）上，所述轴向杆（3）相对所述轴向外管（4）旋转，所述轴向外管（4）上设置有第一槽口（12）和第二槽口（13），所述第一指针（71）和所述第二指针（72）分别连接所述直流电源（10）的两极，所述第一指针（71）的一端通过所述第一槽口（12）固定连接所述轴向杆（3），所述第一指针（71）和所述轴向杆（3）之间设置有绝缘层，所述第一指针（71）的另一端连接所述圆形电阻丝（8），所述第二指针（72）的一端固定连接所述轴向外管（4）并设置在所述第一槽口（12）的一侧，所述第二指针（72）与所述轴向外管（4）之间设置有绝缘层，所述第二指针（72）的另一端连接所述圆形电阻丝（8），所述圆形电阻丝（8）上设置有开口，所述圆形电阻丝（8）所在平面垂直于所述轴向杆（3），所述圆形电阻丝（8）与所述轴向外管（4）固定连接，所述直流电源（10）、第一指针（71）、第二指针（72）和圆形电阻丝（8）形成闭合回路；所述第一激光测距器（91）通过所述第二槽口（13）固定连接所述轴向杆（3），所述第二激光测距器（92）固定连接所述轴向外管（4）并设置在所述第二槽口（13）的一侧。

2.如权利要求1所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，还包括基础电阻（11），所述直流电源（10）、第一指针（71）、第二指针（72）和圆形电阻丝（8）形成的闭合回路中串联所述基础电阻（11）。

3.如权利要求1所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，所述圆形电阻丝（8）为四分之一圆弧电阻丝。

4.如权利要求1所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，所述第一激光测距器（91）和第二激光测距器（92）之间的夹角与所述第一指针（71）和第二指针（72）之间的夹角相等。

5.如权利要求1所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，所述轴向杆（3）和轴向外管（4）之间设置有固态润滑剂。

6.如权利要求1所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，还包括数据处理分析装置，所述数据处理分析装置包括数据采集装置和数据处理装置，所述数据采集装置采集所述第一指针（71）和第二指针（72）与所述圆形电阻丝（8）的两个接触点之间的电压值、所述第一激光测距器（91）输出的电压值和所述第二激光测距器（92）输出的电压值；所述数据处理装置将所述第一指针（71）和第二指针（72）与所述圆形电阻丝（8）的两个接触点之间的电压值转换为所述第一指针（71）和第二指针（72）之间的夹角，利用所述第一指针（71）和第二指针（72）之间的夹角得到所述第一激光测距器（91）和第二激光测距器（92）之间的夹角，所述数据处理装置将所述第一激光测距器（91）输出的电压值和所述第二激光测距器（92）输出的电压值转化为发射端到激光投射点间的空间距离值。

7.如权利要求1所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，所述数据采集装置为巡检仪。

8.如权利要求2所述的室内水沙模型试验微地形量测装置，其特征在于，所述第一指针（71）和第二指针（72）之间的夹角θ通过下式计算得到：

式中，R_Z为所述圆形电阻丝（8）的电阻，R₀为所述基础电阻（11）的电阻，U为所述直流电源（10）的电压，U_t为所述第一指针（71）和第二指针（72）与所述圆形电阻丝（8）的两个接触点之间的电压值，θ_Z为所述第一指针（71）和第二指针（72）与所述圆形电阻丝（8）的两端接触时所述第一指针（71）和第二指针（72）之间的夹角。

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