CN105466401B - 一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法，包括：架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，将至少两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，超声波传感器之间的距离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距。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超声波传感器，利用灵敏的超声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。

Description

一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统与方法

技术领域

本发明涉及一种基于超声波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式，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

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。

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

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于超声波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超声水位传感器，通过系统集成和自动化方法，实现薄层水流水位等滚波特征参数的实时动态测量，从而有效提高测量的精度和稳定性，提高观测效率。

本发明的目的是这样实现的：一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量系统，包括：架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，所述的超声波传感器是这样排列的：将至少两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，各超声波传感器之间的距离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距，所述的各个超声波传感器依次与数据采集控制器、控制电脑连接。

进一步的，所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩。

进一步的，所述的超声波传感器设置在传感器支架上，所述的传感器支架包括：固定于所述坡面或构成坡面的水槽上的固定架，所述的固定架垂直于坡面，其上设置可调节超声波传感器与水面距离的上下移动架，所述的上下移动架垂直于固定架，其上设置固定两个超声波传感器的前后移动架，所述的前后移动架垂直于上下移动架。

进一步的，所述的试验水槽包括：安装所述固定架的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泵与所述的循环水池管道连接，所述的钢结构架在出水口一侧设置铰链，另一侧设置升降机构。

进一步的，所述的坡面是野外坡面，所述的固定架安装在沿坡面倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在野外坡面上。

进一步的，所述的坡面是水坝泄洪槽坡面，所述的固定架安装在沿泄洪槽倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在泄洪槽坡面上。

进一步的，所述的坡面是水渠坡面，所述的固定架安装在沿水渠倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚固定在水渠两侧。

一种使用上述系统进行基于超声波传感器的薄层水流滚波测量的方法，所述方法的步骤如下：

设定采集频率的步骤：用于通过电脑设定超声波传感器的工作频率和采样频率；

采集的步骤：用于首先采集传感器与坡面的距离，然后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。

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，超声传感器测量水面的高度，将水面的高度h ₁与超声波传感器与坡面之间距离h ₀进行比较得到水深h，经过n次采集，对n个水深进行平均，得到断面的平均水深`；

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h _max 与平均水位值`的差值即为波高；

滚波波速计算：每组超声波传感器之间的间距l除以每组超声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 。

进一步的，所述的滚波动能的计算步骤如下：

以滚波波速与超声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平方，再乘以1/2得到滚波的动能。

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超声波传感器，利用灵敏的超声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

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述系统的原理示意图；

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本发明的实施例二所述防雨滴保护罩的结构示意图；

图4是本发明的实施例三所述超声波传感器支架的结构示意图，是图5中C点的放大图；

图5是本发明的实施例四所述水槽和超声波传感器支架的结构示意图，是图6中B-B向剖视图；

图6是本发明的实施例四所述水槽的结构示意图，是图5中A-A向剖视图；

图7是本发明的实施例五所述的超声波传感器支架的结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种基于超声波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：架设在平坦坡面1上的多个超声波传感器2，所述的超声波传感器是这样排列的：将至少两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，各超声波传感器之间的距离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距，所述的各个超声波传感器依次与数据采集控制器4、控制电脑3连接。

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。

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。

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。

本实施例所述的超声波传感器是超声波水位传感器的简称。关于超声波传感器的选用，如果在水槽中或在野外，检测薄层水流（水流深度小于10 mm）中产生的滚波，可以选用灵敏度较高的超声波传感器，如可以选用超声波传感器的感应范围为20mm~200mm，分辨率小于0.3mm，声波频率为380kHz，响应时间小于30ms的高灵敏超声波传感器。如果检测水坝泄洪道的滚波，或检测渠道中的滚波，由于滚波的波峰相对较高（一般数厘米高）则可以选用灵敏度较低的超声波传感器。

由于超声波传感器的工作原理是利用声波反射，检测水面的高度，因此，应当将超声波传感器安装在水面之上，并将超声波传感器尽可能的正对水面。但是由于检测滚波是一种水面的相对高度检测，也就是波峰和波谷之间的相对高度，因此，即便是超声波传感器对水面有些倾斜，并不影响检测的精度。

超声波传感器与水面的安装高度需要根据实验的要求，以及具体实验现场的情况进行调整，通常情况下应当固定超声波传感线的设置，应当能够方便的调整超声波传感器与水面之间的距离，以便适应实验的需求。

超声波传感器的排列方式也十分讲究，必须与实验的需要和现场检测滚波的环境相适应。本实施例提出的这种排列的方式，其思路是：由于坡面上可能出现多个滚波，利用多组超声波传感器对坡面上的这些个滚波分别进行测量。每组的两个（或多个）超声波传感器则是用于对单个滚波进行判断和检测。每组中的各个传感器之间的距离应当大于单个滚波的宽度d，但小于两个滚波之间的距离L。本实施例所述的滚波的宽度是指：水流方向上单个滚波水深大于平均水深部分的长度，如图2所示，图中的虚线表示平均水深。

在较长的坡面上可以设置8-10组超声波传感器，而在较短的坡面上则少几组超声波传感器也可以，图1中仅画出了5组超声波传感器，实际还可以增加更多组。

为防止水对超声波传感器的侵蚀，可以在超声波传感器上设有防雨滴保护罩。

根据坡面环境的不同，在坡面上架设超声波传感器可以有多种方式，如直接固定在坡面上的支架，或固定在渠道两侧等方式。

数据采集控制器是控制采集频率的仪器，并将采集的信号转化为数字信号，实时的对传感器的数据进行采集。采集的通过数目应与传感器的数目相等，且每个通道之间的采集互不干扰。如设置10组共20个超声波滚波传感器，则采集控制器至少需要20个采集通道。

控制电脑中有控制采集器参数的程序与导入采集数据的程序以及处理分析采集数据的软件。其主要作用是控制采集器的采集频率并将采集卡中的数据实时的导入电脑中进行分析处理得到平均水深，滚波的波高、周期、频率与波速以及滚波的动能。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例关于超声波传感器的细化。本实施例所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩5，如图3所示。

防雨滴保护罩将整个超声波传感器盖住，超声波传感器发出和接收超声波的底部敞开，避免对超声波的发出和接收产生干扰。

实施例三：

本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于超声波传感器安装的细化。本实施例所述的超声波传感器设置在传感器支架上，所述的传感器支架包括：固定于所述坡面或构成坡面的水槽上的固定架601，所述的固定架上设置可调节超声波传感器与水面距离的上下移动架602，所述的上下移动架上设置固定两个超声波传感器的前后移动架603，如图4所示。

固定架可以是一条横梁，跨在水槽的两侧，也可以带有两条弯曲的长腿，形成门字形，长腿固定在坡面的表面。

上下移动架可以是一条长杆，并配合一个能够在长杆上下移动并方便固定的设施。比较便于调节上下，且比较容易空气位置精度的方式是，长杆上设置螺纹，使用两个相互拧紧的螺母，就可以实现上下调节，以调整超声波传感器与坡面或水面之间的距离。

前后移动架可以使用一条带状零件，超声波传感器通过两个螺母固定在带状零件上。在带状零件上设置两个固定超声波传感器的孔，其中一个孔是长孔，使超声波传感器可以在长孔中滑动，用以调整两个超声波传感器之间的距离。

实施例四：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于水槽的细化。本实施例所述的水槽包括：安装所述固定架的两侧槽帮701和与所述的槽帮连接的槽底703，所述的槽帮和槽底设置在钢结构架702上，所述的水槽一端设置进水口706，另一端设置出水口709，所述的出水口与循环水池708管道连接，所述的进水口通过水泵707与所述的循环水池管道连接，所述的钢结构架在出水口一侧设置铰链704，另一侧设置升降机构705，如图5、6所示。

本实施例是一种可以安装在实验室中的水槽，通过钢架托起水槽，钢架通过铰链和升降机构可以改变水槽的角度，进行各种坡面角度的实验。水槽可以使用玻璃或有机玻璃等材料。

水槽的两端分别设置进水口和出水口，通过水泵和循环水池使水槽中的水流循环，水泵可以使用变频泵，以便进行各种流量的水流实验。

为精确的控制流量，可以在流量控制阀和水槽之间设置电磁流量计。通过流量控制阀和电磁流量计产生精确的薄层水流。

为确保水槽中水流的稳定，减少对滚波产生的干扰，可以在设置多个进水口，在水槽顶部一字型排开（一字型与水流方向垂直），使水流可以均匀的水槽中形成薄层水流。

在多数情况下，水泵输出的水流带有一定的脉动，如果将水泵出口（水槽的进水口）直接设置在水槽顶部，所形成的水流会受到脉动干扰，使得水流过程不均匀，干扰薄层水流中滚波的形成，达不到实验的效果。因此可以在水槽的顶部水槽进水口处设置水流整流装置，稳定水流。

水流整流装置实际是一套消除供水水流不稳定性的系统，可以保证出水水流过程的稳定性和均匀性，从而消除供水对滚波产生和发展过程的影响。

水流整流装置可以是水箱，即在水槽坡面的顶部设置一个水箱，存储一定的水量，水箱的出水口（流向水槽的水出口）为溢流堰，利用水箱中水量的体积吸收水泵供水产生的冲击，利用溢流产生稳定的薄层水流。

水箱溢流供水也存在不稳定、水箱震动等问题，引起的水箱溢流过程的不稳定性。因此，还可以进一步将溢流堰改为多层整流孔板或整流管板，利用孔板或管板更进一步稳定输出的水流。整流孔板就是厚度约2mm的不锈钢板上细密的打上了直径约1mm的过水孔，通过多层叠加，放置水槽的进水口和溢流边之间，以此消除水箱供水管出流过程引起的水流波动。整流孔管是为了消除水箱溢流过程形成的不均匀涡流，放置在溢流之后水槽的上部整流管板由直径1cm，长2~3cm的PVC管紧密排列而成。

实施例五：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于固定架的细化。本实施例所述的固定架安装在沿坡面倾斜方向即水流方向的长杆802上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚801，固定在野外坡面上，如图7所示。

本实施例是一种在野外坡面进行薄层水流的检测实验装置，这种实验装置十分简单，便于携带，安装也十分方便。长杆可以使用伸缩杆，而地脚的固定可以采用门型架，跨在水流经过的坡面上。

实施例六：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于固定架的细化。本实施例所述的坡面是水坝泄洪槽坡面，所述的固定架安装在沿泄洪槽倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在泄洪槽坡面上。

本实施例与实施例五较为接近，但使用的场所不同，本实施例是在水坝的泄洪道上观测滚波时使用的。

实施例七：

本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于固定架的细化。本实施例所述的坡面是水渠坡面，所述的固定架安装在沿水渠倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚固定在水渠两侧。

本实施例所述的地脚是与水流方向垂直设置的横杆，这些横杆的两端固定在水渠的两岸，而长杆这固定在这些横杆上，再将各组超声波传感器与长杆固定，即可以进行滚波测量了。

实施例八：

本实施例是一种使用上述实施例所述系统进行基于超声波传感器的薄层水流滚波测量的方法。

所述方法的原理：

1.水深测量

平均水深的计算：由于超声波测量是一种相对测量，因此，在没有水流流过坡面的时候，要首先使用超声波传感器先对坡面的表面进行测量，获取超声波传感器对坡面的距离作为一个基准h ₀，坡面有水流经过时，水流的水深变化形成超声波水传感器达到水面距离的变化h ₁，再将h ₁减去基准h ₀，从而得到水流的水深变化。经过多次的采集后，将采集的水深数据进行平均，从而得到水流的平均水深。

2.滚波波高测量

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，自动记录该期间的最大水位值，最大水位值h _max 与平均水位值`的差值即为波高。

3.滚波波速、波频测量及沿程波速、波频测量

滚波波速计算：每组液位计间距除以每个液位计出现最大水位值的时间差即为滚波波速，即 其中v是滚波波速，l是一组液位计的间距，t是每组内每个液位计出现最大水位值的时间差。

单个磁性浮子液位计出现两次滚波的时间差就是滚波的周期T，周期的倒数就是频率f 。即，其中：f为频率，T为周期。

4.滚波动量与动能测量

滚波动能计算：以滚波波速与液位计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，即可以描绘出滚波的横断面，利用CAD软件估算横断面的面积，用面积乘以水的密度就是单宽滚波的质量。质量乘以波速就是滚的动量，质量乘以波速的1/2次方就是滚波的动能。

计算公式为：

滚波动量：p=ρAv ，其中为水的密度，A为滚波横断面的面积，用CAD软件求得，是滚波的波速。

滚波动能：其中为水的密度，A为滚波横断面的面积，用CAD软件求得，是滚波的波速。

所述方法的步骤如下：

设定采集频率的步骤：用于通过电脑设定超声波传感器的工作频率和采样频率。工作频率是超声波传感器实际采集数据的频率，在出厂时设定有默认值，一般不用调节。一般传感器工作频率低于默认值时，有利于保证测量的可靠性和稳定性，提升测量精度。采样频率是数据采集器将传感器测定信号采集到电脑中的频率，采样频率一般小于工作频率。采样频率可以根据目测滚波频率进行调节，一般应为目测滚波频率的10倍以上。

采集的步骤：用于首先采集传感器与坡面的距离h ₀，然后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。超声波传感器所采集的是水面的高度，因此，需要根据水面的高度判断滚波的出现以及滚波的各种参数。由于采用两个一组的超声波传感器，可以在滚波出现的两个位置同时进行采集，根据采集的时间、两个传感器之间的距离，以及采集到的水位高度进行比较，得出周期、频率、波高、沿程波速与平均水深等各种参数。

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。通过上一步骤得到的各种滚波参数，计算滚波的动能。滚波动能是衡量水流对下垫面作用强度和水流挟沙能力等的重要指标。

实施例九：

本实施例是实施例八的改，是实施例八关于滚波平均水深、波高、波速、周期与频率的计算的细化。本实施例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，超声传感器测量水面的高度，将水面的高度h ₁与超声波传感器与坡面之间距离h ₀进行比较得到水深h，经过n次采集，对n个水深进行平均，得到断面的平均水深。在水流实验中，超声传感器发射的超声波遇到水面进行反射，采集到的数据进行换算得到超声波传感器与水面的高度h ₁。则水深为h=h ₀-h ₁，经过n次采集，对n个水深进行平均，得到断面的平均水深。为了找到精确的平均水深，检测的次数n通常要达到数千次，或者数万次。

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h _max 与平均水位值的差值即为波高。

滚波波速计算：每组超声波传感器之间的间距l除以每组超声波传感器出现最大水位值的时间差t即为滚波波速v。即 其中v是滚波波速，l是一组传感器的间距，t是各组传感器出现最大水位值的时间差。

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 。即，其中：f为频率，T为周期。

实施例十：

本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于滚波动能的细化。本实施例所述的滚波动能的计算步骤如下：

以滚波波速与超声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。可以使用CAD之类的作图软件，进行滚波的横断面的面积计算，也可以直接使用手绘计算。

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，即：p=ρAv，其中ρ为水的密度，A为滚波横断面的面积，v是滚波的波速。

将单宽质量乘以波速的平方，再乘以1/2得到滚波的动能，即：。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如超声波传感器的固定方式、滚波采集方式、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于超声波传感器的薄层水流滚波测量方法，所述方法所使用的系统包括：架设在平坦坡面上的多个超声波传感器，所述的超声波传感器是这样排列的：将至少两个超声波传感器编为一组，将多个超声波传感器分为多个组，各组超声波传感器沿水流方向一字型排列；各组中的超声波传感器沿水流方向一字排列，超声波传感器之间的距离大于被测滚波的宽度，小于被测滚波之间的间距，所述的多个超声波传感器依次与数据采集控制器、控制电脑连接，所述的超声波传感器上设有防雨滴保护罩，所述的超声波传感器设置在传感器支架上，所述的传感器支架包括：固定于所述坡面或构成坡面的水槽上的固定架，所述的固定架垂直于坡面，其上设置可调节超声波传感器与水面距离的上下移动架，所述的上下移动架垂直于固定架，其上设置固定两个超声波传感器的前后移动架，所述的前后移动架垂直于上下移动架，所述的水槽包括：安装所述固定架的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泵与所述的循环水池管道连接，所述的钢结构架在出水口一侧设置铰链，另一侧设置升降机构，所述的坡面是野外坡面，所述的固定架安装在沿坡面倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在野外坡面上，所述的坡面是水坝泄洪槽坡面，所述的固定架安装在沿泄洪槽倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚，固定在泄洪槽坡面上，所述的坡面是水渠坡面，所述的固定架安装在沿水渠倾斜方向即水流方向的长杆上，多个固定架沿水流方向依次安装，所述的长杆通过地脚固定在水渠两侧，其特征在，所述方法的步骤如下：

设定采集频率的步骤：用于通过电脑设定超声波传感器的工作频率和采样频率；

采集的步骤：用于首先采集传感器与坡面的距离，然后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；由于每组中的各个传感器之间的距离应当大于单个滚波的宽度d，但小于两个滚波之间的距离L，因此，一组超声波传感器检测到的是对单个滚波进行判断和检测；

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。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，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，超声传感器测量水面的高度，将水面的高度h ₁与超声波传感器与坡面之间距离h ₀进行比较得到水深h，经过n次采集，对n个水深进行平均，得到断面的平均水深`；

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h _max 与平均水位值`的差值即为波高；

滚波波速计算：每组超声波传感器之间的间距l除以每组超声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 。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的滚波动能的计算步骤如下：

以滚波波速与超声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。