CN103308001A - 基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置及其测量方法，包括测量仓、托盘、支架、丝杠、步进电机、导轨、光源模块、电荷耦合元件、连接杆以及计算机终端；测量仓两侧分别布置丝杆和导轨，丝杆上安装光源模块和电机，导轨上安装电荷耦合元件，光源模块与电荷耦合元件由连接杆连接；光源模块经透光线槽后形成片光，片光经泥沙圆锥体后投影至电荷耦合元件，由计算机处理得到第一投影宽度；电机转动，光源模块和电荷耦合元件同步下移或上移，光源模块再次发光经同样处理得到第二投影宽度，依据两次投影宽度和丝杆运动距离即可计算出泥沙水下休止角。本装置利用光学成像测量水下休止角，解决了传统方法引起泥沙扰动误差等问题。

Description

基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置及其测量方法

技术领域

本发明公开了一种对泥沙水下休止角的测量技术领域，具体涉及一种基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置及其测量方法。

背景技术

泥沙在静水中自然堆积成丘时，其斜坡面所能达到的最大坡角，称为泥沙水下休止角。其是泥沙一个重要的特性参数，与泥沙颗粒的形状、大小、密度等因素密切相关。水下休止角对于深入探讨床面沙波形态、分析水库的淤积形态、研究河床的局部冲刷地形及河渠护岸等都具有重要的指导意义。常规泥沙水下休止角测量多采用人工测尺进行测量，由于需要将测尺放置于静止水体中，产生了水体扰动，影响了泥沙堆积，导致测量误差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置。

本发明还提供了基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置的测量方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置，包括测量仓、固定设置在测量仓底部的支架、与支架相连的托盘、安装在测量仓一侧的丝杠、安装在测量仓另一侧的导轨、步进电机、光源模块、电荷耦合元件、连接杆以及计算机终端，所述测量仓上表层、托盘的正上方设有一泥沙入口装置，所述丝杠与步进电机相连，光源模块安装于丝杠上，所述电荷耦合元件安装于导轨上，光源模块与电荷耦合元件通过连接杆相连；所述光源模块与电荷耦合元件的水平位置保持在同一条水平线上；光源模块经过线槽口后形成片光，片光经过泥沙圆锥体后投影到电荷耦合元件；电荷耦合元件和步进电机分别与计算机终端连接。

作为优选，所述泥沙入口装置呈筒状，且下端开口处呈锥形。

本发明中，测量仓两侧分别布置丝杆和导轨，丝杆上安装光源模块，导轨上安装电荷耦合元件，光源模块与电荷耦合元件由连接杆连接，丝杆与电机相连，电机转动带动光源模块和电荷耦合元件同步运动；泥沙经泥沙入口装置沉积在托盘上形成泥沙圆锥体，光源模块经透光线槽后形成片光，片光经泥沙圆锥体后投影至电荷耦合元件，由计算机处理得到投影宽度；步进电机带动丝杠转动，丝杠带动光源模块上下运动，通过连接杆带动电荷耦合元件在导轨做相应运动，保持光源模块电荷耦合元件同步运动。

基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置的测量方法，当泥沙从泥沙入口装置进入自由落体至托盘堆积成圆锥体泥沙堆后，启动光源模块，光源模块从透光线槽口后形成片光，经泥沙圆锥体投影到电荷耦合元件，经计算机终端采集和处理，得到泥沙圆锥体截面投影宽度为B1，关闭光源模块；电机转动，带动光源模块下移运动距离h，通过连接杆的作用带动电荷耦合元件在导轨上同步下移距离h；再次启动光源模块，光源模块从透光线槽口后形成片光，经泥沙圆锥体投影到电荷耦合元件，经计算机终端采集和处理，得到泥沙圆锥体截面投影宽度为B2，则水下休止角为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{h}{(B2-B1)/2}.$

有益效果：本发明相对于现有技术而言，具有以下优点：

（1）本发明采用光学成像技术，通过光学成像方式，实现了非接触式测量，大幅提高了泥沙水下休止角测量精度，解决了传统的需要将测尺放置于静止水体中从而引起水体波动带来的测量误差。

（2）本发明通过调节光源和电荷耦合元件上下移动，实现了测量不同水下休止角研究需要，提高了测量系统通用性。

（3）本发明提供的测量方法实现了全自动测量，减小了人为操作，提高了测量重复性。

附图说明

图1是本发明的测量装置结构示意图；

图2是本发明中测量方法中泥沙截面示意图。

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和图2所示，本发明提供的基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置，包括测量仓1、固定设置在测量仓1底部的支架3、与支架3相连的托盘2、安装在测量仓1一侧的丝杠4、安装在测量仓1另一侧的导轨6、步进电机5、光源模块7、电荷耦合元件8、连接杆9以及计算机终端10，所述测量仓1上表层、托盘2的正上方设有一泥沙入口装置11，所述丝杠4与步进电机5相连，光源模块7安装于丝杠4上，所述电荷耦合元件8安装于导轨6上，光源模块7与电荷耦合元件8通过连接杆9相连；所述光源模块7与电荷耦合元件8的水平位置保持在同一条水平线上；光源模块7经过线槽口后形成片光，片光经过泥沙圆锥体后投影到电荷耦合元件8；电荷耦合元件8和步进电机5分别与计算机终端10连接，所述泥沙入口装置11呈筒状，且下端开口处呈锥形。

本发明中，测量仓1两侧分别布置丝杆4和导轨6，丝杆4上安装光源模块7，导轨6上安装电荷耦合元件8，光源模块7与电荷耦合元件8由连接杆9连接，丝杆4与步进电机5相连，步进电机5转动带动光源模块7和电荷耦合元件8同步运动；泥沙经泥沙入口装置11沉积在托盘2上形成泥沙圆锥体，光源模块经透光线槽后形成片光，片光经泥沙圆锥体后投影至电荷耦合元件8，由计算机终端10处理得到投影宽度；步进电机带动丝杠4转动，丝杠4带动光源模块7上下运动，通过连接杆9带动电荷耦合元件8在导轨6做相应运动，保持光源模块7和电荷耦合元件8同步运动。

基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置的测量方法，当泥沙从泥沙入口装置11进入自由落体至托盘2堆积成圆锥体泥沙堆后，启动光源模块7，光源模块从透光线槽口后形成片光，经泥沙圆锥体投影到电荷耦合元件8，经计算机终端10采集和处理，得到泥沙圆锥体截面投影宽度为B1，关闭光源模块7；步进电机5转动，带动光源模块7下移运动距离h，通过连接杆9的作用带动电荷耦合元件8在导轨6上同步下移距离h；再次启动光源模块7，光源模块7从透光线槽口后形成片光，经泥沙圆锥体投影到电荷耦合元件8，经计算机终端10采集和处理，得到泥沙圆锥体截面投影宽度为B2，根据等腰梯形得出则水下休止角为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{h}{(B2-B1)/2}.$

本发明经过多次试验，丝杆控制精度可达0.01mm，电荷耦合元件分辨率可达0.001mm，测得的水下休止角误差控制在0.012°，相对于传统方法而言，大幅提高了测量精度。

以上所述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.基于光学成像的泥沙水下休止角的测量装置，其特征在于：包括测量仓（1）、固定设置在测量仓（1）底部的支架（3）、与支架（3）相连的托盘（2）、安装在测量仓（1）一侧的丝杠（4）、安装在测量仓（1）另一侧的导轨（6）、步进电机（5）、光源模块（7）、电荷耦合元件（8）、连接杆（9）以及计算机终端（10），所述测量仓（1）的上表层、托盘（2）的正上方设有一泥沙入口装置（11），所述丝杠（4）与步进电机（5）相连，光源模块（7）安装于丝杠（4）上，所述电荷耦合元件（8）安装于导轨（6）上，光源模块（7）与电荷耦合元件（8）通过连接杆（9）相连；所述光源模块（7）与电荷耦合元件（8）的水平位置保持在同一条水平线上；光源模块（7）经过线槽口后形成片光，片光经过泥沙圆锥体后投影到电荷耦合元件（8）；电荷耦合元件（8）和步进电机（5）分别与计算机终端（10）连接。

2.根据权利要求1所述的泥沙水下休止角的测量装置，其特征在于：所述泥沙入口装置（11）呈筒状，且下端开口处呈锥形。

3.基于权利要求1所述的泥沙水下休止角测量装置的测量方法，其特征在于：当泥沙从泥沙入口装置（11）进入自由落体至托盘（2）堆积成圆锥体泥沙堆后，启动光源模块（7），光源模块（7）从透光线槽口后形成片光，经泥沙圆锥体投影到电荷耦合元件（8），经计算机终端（10）采集和处理，得到泥沙圆锥体截面投影宽度为B1，关闭光源模块（7）；步进电机（5）转动，带动光源模块（7）下移运动距离h，通过连接杆（9）的作用带动电荷耦合元件（8）在导轨（6）上同步下移距离h；再次启动光源模块（7），光源模块（7）从透光线槽口后形成片光，经泥沙圆锥体投影到电荷耦合元件（9），经计算机终端（10）采集和处理，得到泥沙圆锥体截面投影宽度为为B2，根据等腰梯形模型得出则水下休止角为：

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{h}{(B2-B1)/2}.$

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