CN106544983B - 一种水工模型试验水面线及流速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种水工模型试验水面线及流速测量装置及方法，包括固定导轨，在两个固定导轨上设有与其垂直的且可以沿其来回移动的可移动导轨，在可移动导轨上设有一个移动测量装置，移动测量装置的外侧竖直设有能上下移动的活动测杆I和活动测杆II，在活动测杆I的底部设有轻触开关，活动测杆I外部的薄壁套筒上固定有一个激光测距仪的外伸探头；活动测杆II的底部设有螺旋桨流速仪；移动测量装置的顶部设有激光位移计的外伸探头；激光测距仪、激光位移计、螺旋桨流速仪、驱动装置以及轻触开关与所述的移动测量装置内的单片机相连，单片机通过信号接收器与一个遥控器通讯，单片机与信号接收显示器通过无线传输设备进行测量数据的显示输出。

Description

一种水工模型试验水面线及流速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体为一种水工模型试验水面线及流速测量装置及方法。

背景技术

在水工建筑物设计中，为了对设计的过流堰、闸门、溢洪道泄流的过流能力进行一个判断分析，会采用以相应比例尺缩小的模型进行试验，然后再根据水力学相关公式和规律，将试验的结果进行处理分析，得到实际设计工况的过流能力参数。因此，对于模型试验的过流能力参数进行准确快速的测量意义重大。需要说明的是，所测量的过流能力参数通常为断面水流水面线高程、流速。

现有的测量水工模型试验水面线的方法是：选取模型基准点，通过水准仪读出位于基准点的刻度尺读数，得到水准仪物镜中心线的水平线高程；然后通过水准仪和水位尺，依次测量将刻度尺末端与水流上表面齐平时，各实测点刻度尺读数，并通过与基准点的读数差，计算得到实测点的水流上表面的高程。对于测流速，需要将流速测量仪设置在实测点测量流速。由于测量时实测点较多、水工模型试验模型放水后给人为测量带来了巨大的不便、测量的误差较大。且同一铅直线上的不同水深测点处流速分布不均匀，需要对不同深度处的流速进行测量，水文学中根据水深经常会选取水流表面、0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深、水底来测量流速，进而选取不同水池深处测得流速取平均值以提高测量精度。但是人为测量流速时对于深度的控制并不精确，往往根据目测深度进行测量。

因此需要一种能够精确、快速测量水工模型试验水面线及流速的装置，来提高测量精度和效率。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种水工模型试验水面线及流速测量装置，采用自动化操作控制，可以很好地解决上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种水工模型试验水面线及流速测量装置，包括两个水平设置的固定导轨，在所述的两个固定导轨上设有一个与其垂直的且可以沿其来回移动的可移动导轨，在所述的可移动导轨上设有一个移动测量装置，移动测量装置承接在可移动导轨之上并可沿可移动导轨延伸方向移动；移动测量装置的外侧竖直设有能上下移动的活动测杆I和活动测杆II，在活动测杆I 的底部设有轻触开关；活动测杆II的底部设有螺旋桨流速仪；所述的移动测量装置内部设有激光测距仪、激光位移计，所述的激光测距仪的探头外伸到移动测量装置外，探头固定在移动测量装置侧壁，用于检测探头到水面测点的距离，所述的激光位移计的探头固定到移动测量装置顶部，探头对着活动测杆I，向活动测杆I发射信号来测量其向下运动时的位移；所述的激光测距仪、激光位移计、螺旋桨流速仪以及轻触开关与所述的移动测量装置内的单片机相连，且由位于移动测量装置内的电源为各个装置供电，所述的单片机与一个遥控器以及信号接收显示器通讯。所述的遥控器和信号接收显示器，分别用来控制装置移动和接收显示数据的作用。

进一步的，所述的固定导轨的两端设置有脚螺丝手轮和水平仪，所述的水平仪用于显示固定导轨的水平度，脚螺丝手轮用于调节固定导轨的高度以及水平度，固定导轨用来支撑整个系统装置的同时，也起到确定移动测量装置水平的作用。

进一步的，所述可移动导轨承接在固定导轨之上并可沿固定导轨延伸方向移动，其首末两端也分别设有水平仪，用来判断可移动导轨是否铺设水平。

进一步的，所述的可移动导轨上设有装配盒，在所述的装配盒内设有驱动可移动导轨移动的驱动装置、单片机以及信号接收器，所述的驱动装置由单片机控制，所述的单片机通过信号接收器与遥控器通讯，遥控器通过向单片机发送信号来控制可移动导轨运动。

进一步的，在所述的移动测量装置内部还设置有驱动装置、信号接收器；所述的驱动装置驱动移动测量装置的移动以及活动测杆I、活动测杆II的上下移动，所述的驱动装置由所述的单片机控制，所述的单片机通过信号接收器与遥控器通讯，遥控器通过向单片机发送信号来控制移动测量以及活动测杆I、活动测杆II的运动；所述的单片机通过无线传输设备与一个信号接收显示器相连。

进一步的，所述激光测距仪与单片机相连，将测得的数据信息传输到单片机处理，所述的活动测杆I的外部设有薄壁套筒，激光测距仪的外伸探头固定在活动测杆I外部的薄壁套筒上，用来测量探头到实测点垂直线上方的水面距离。

进一步的，所述薄壁套筒与可移动测量装置为一个整体，且不随活动测杆I的上下运动而运动。

进一步的，所述激光位移计与单片机相连，将测得的数据信息传输到单片机处理，激光位移计的外伸探头设置在移动测量装置的顶部，探头对着活动测杆I，向活动测杆I发射信号来测量其向下运动时的位移。

进一步的，所述轻触开关与单片机相连，将接收的信号传输到单片机处理，当活动测杆 I向水工模型底部运动触底时，与其连接的单片机接收到电路电信号的变化，立刻传出信号使得活动测杆I停止运行。

进一步的，所述螺旋桨流速仪与单片机相连，单片机通过处理激光测距仪与激光位移计测得数据，得到水深数据，通过单片机的相关程序设置及遥控器的操控下，测量实测点不同水深深度处的流速。当水深浅，在[0,m]区间时，只测量0.5倍水深处的水流流速，连续测5 次取平均值；当水深大，在[m，n]区间时，取水流表面、0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深、水底5个水深处的水流流速，取5次平均值。

进一步的，所述的移动测量装置内还设有一个无线传输设备，所述的单片机通过无线传输设备与一个数据接收显示器相连，单片机将测得的数据信息经过处理传输到数据接收显示器，实现测量数据的接收与显示。

进一步的，所述的遥控器上设置有上、下键用来控制可移动导轨的运动，左、右键用来控制移动测量装置的运行；遥控器上还设有开始键、水面线测量键、活动测杆I复位键、流速测量键、活动测杆II复位键。

具体的测量方法如下：

第一步，在测量前，将固定导轨两根导轨分别平行装设在水工模型的左右两岸，并将可移动导轨呈与固定导轨垂直的角度装设在固定导轨上，通过调节脚螺丝手轮，使得整个装置处于水平状态；然后将移动测量装置装设在可移动导轨上，通过遥控器控制移动测量装置运动；

第二步，在水工模型内部还没有放水之前，先测量激光测距仪的外伸探头的高程H；在水工模型内部有水流流过时，通过遥控器将移动式测量装置移动到实测点垂直上方；

第三步，测量该实测点的水面线

按下水面线测量键，通过激光测距仪发射信号，测量激光测距仪的外伸探头至实测点垂直线上方的水流上表面的距离a,该实测点水面线高程为(H-a)；

遥控器控制活动测杆I开始向下运动，当活动测杆I接触到水工模型的底部时，其底部的轻触开关感应并使之与单片机连接的输入信号发生变化，单片机控制活动测杆I停止向下运动；

激光位移计记录活动测杆I向下运动的距离b，在活动测杆I向下运动之前其底面轻触开关与激光测距仪的外伸探头的高程差为L，则得到该实测点水深为(b-a+L)，测量完该实测点水面线高程和水深之后，按下遥控器上的活动测杆I复位键，活动测杆I向上运动，回复到测量开始时位置并停下。完成该实测点水面线高程和水深测量后，将水面线高程及水深数据信号传递给单片机，结果通过无线传输设备将测得水面线和水深信息传递给信号接收显示器，接收显示；

第三步：测量该实测点流速；

按下流速测量键，可移动导轨首先向活动测杆I所在一侧移动一段距离至实测点垂线上并停止运动，该段距离为活动测杆I与活动测杆II直线距离；接着在单片机的控制下，活动测杆II根据水深情况测量流速；测量完该实测点流速之后，按下遥控器上的活动测杆II复位键，活动测杆II向上运动，回复到测量开始时位置并停下；完成该实测点流速测量后，将流速数据信号传递给单片机，结果通过无线传输设备将测得流速信息传递给信号接收显示器，接收显示。

具体的流速测量方法如下：

当水深浅，在[0,m]区间时，只测量0.5倍水深处的水流流速，连续测5次取平均值；当水深大，在[m,n]时，依次测量水流表面、0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深、水底5个水深处的水流流速，测流速数据信号传输给单片机处理，取5次平均值。

进一步的，激光测距仪测量的外伸探头高程的测量方法如下：

模型未通水之前，操作遥控器上开始按钮，装配盒内信号接收器接收到信号传达给可移动导轨、移动测量装置内的信号接收器接收到信号传达给移动测量装置，操作方向键，控制移动测量装置至模型基准点垂直上方；通过激光测距仪，测量激光测距仪的外伸探头至基准点的距离，由于模型基准点高程是已知的，加上激光测距仪测量的距离，即得到激光测距仪的外伸探头的高程H。

本发明的有益效果如下：

采用自动化控制操作，可以有效减小测量时的人力投入，提高了测量的效率；采用机械化操作，提高了人为测量时的精度，增加了测量结果的准确性；数据读取采用显示器方式，可以在岸边接收测量结果，不需要额外的再在水面上架设其他通行设施供测量时行走，方便测量。

附图说明

图1：一种水工模型试验水面线及流速测量装置图；

图2：装配盒的单片机控制连接示意图；

图3：移动测量装置的单片机控制连接示意图；

图4：移动测量装置驱动连接示意图；

图5：移动测量装置底部构造示意图；

图6：小车遥控器按键示意图；

图7：测量水深计算示意图。

其中：1固定导轨，2可移动导轨，3移动测量装置，4活动测杆I，5活动测杆II，6螺旋桨流速仪，7轻触开关，8激光测距仪，9激光位移计，10遥控器， 11脚螺丝手轮，12水平仪，13信号接收显示器；21水平仪，22装配盒，23驱动装置，24单片机，25信号接收器， 26电源，27滚轮；31单片机，32信号接收器，33无线传输设备，34驱动装置，35电源， 36齿轮，37滚轮，38传动轴；B0开始键，B1/B2可移动导轨2控制键，B3/B4移动测量装置 3控制键，B5水面线测量键，B6活动测杆I复位键，B7流速测量键，B8活动测杆II复位键。

具体实施方式

为使本发明达到应有的实际效果，以下结合附图进行进一步的说明。

如图1-7所示，一种水工模型试验水面线及流速测量装置，包括两个水平设置的固定导轨1，在所述的两个固定导轨1上设有一个与其垂直的且可以沿其来回移动的可移动导轨2，在所述的可移动导轨上设有一个移动测量装置3，移动测量装置3的外侧竖直设有能上下移动的活动测杆I 4和活动测杆II 5，在活动测杆I 4的底部设有轻触开关7，活动测杆II5 的底部设有螺旋桨流速仪6；所述的激光测距仪8的探头外伸到移动测量装置外，探头固定在移动测量装置侧壁，用于检测探头到水面测点的距离，所述的激光位移计9的探头固定到移动测量装置顶部，探头对着活动测杆I4，向活动测杆I4发射信号来测量其向下运动时的位移；所述的激光测距仪8、激光位移计9、螺旋桨流速仪6以及轻触开关7与所述的移动测量装置内的单片机31相连，且由位于移动测量装置内的电源35为各个装置供电，所述的单片机31与一个遥控器10以及信号接收显示器13通讯。所述的遥控器10和信号接收显示器13，分别用来控制装置移动和接收显示数据。

进一步的，在所述的固定导轨1的两端设置有地脚螺丝手轮11和水平仪12，所述的水平仪12用于显示固定导轨的水平度，脚螺丝手轮11用于调节固定导轨1的高度以及水平度。固定导轨1用来支撑整个系统装置的同时，也起到控制移动测量装置水平的作用。

进一步的，可移动导轨2承接在固定导轨1之上并可沿固定导轨延伸方向移动，其首末两端也分别设有水平仪21，用来判断可移动导轨装置是否铺设水平。

进一步的，可移动导轨上两端各设有一个装配盒22，为同步操作运动，在所述的装配盒 22内设有驱动可移动导轨移动的驱动装置23，所述的驱动装置23由单片机24控制，所述的单片机24通过信号接收器25与遥控器10通讯，遥控器10通过向单片机24发送信号来控制可移动导轨2运动，且由位于装配盒22内的电源26为各个装置供电；

这里所述的驱动装置23包括一个电机，所述的可移动装置2两端的装配盒22内电机驱动各自对应的滚轮27运动，两端的滚轮27同步运动，实现可移动装置2的移动。

进一步的，所述的移动测量装置3承接在可移动导轨2之上并可沿可移动导轨2延伸方向移动，在所述的移动测量装置3内部设置有驱动装置34、单片机31、信号接收器32、激光测距仪8、激光位移计9；所述的驱动装置34驱动移动测量装置3的移动以及活动测杆I 4和活动测杆II 5的上下移动，所述的驱动装置34由单片机31控制，所述的单片机31通过信号接收器32与遥控器通讯，遥控器10通过向单片机31发送信号来控制移动测量装置3的移动以及活动测杆I 4和活动测杆II 5的运动。

这里所述的驱动装置34包括三个电机，其中一个电机通过两个相互啮合的锥齿轮36和一个传动轴38驱动设置在移动测量装置3底部的滚轮37转动来实现移动测量装置3的整体移动；

另外两个电机通过一些传动装置驱动活动测杆I 4和活动测杆II 5上下移动；例如，电机通过传动装置驱动一个设置在移动测量装置3外侧的丝杠旋转，活动测杆I 4安装在丝杠滑块上，通过滑块的移动实现活动测杆I 4的上下移动。

进一步的，移动测量装置内还设有一个无线传输设备33，所述的单片机31通过无线传输设备33与一个数据接收显示器13相连，实现信号接收显示。

进一步的，所述的遥控器10上设置有开始键B0、可移动导轨2控制键B1/B2，移动测量装置3控制键B3/B4，水面线测量键B5、活动测杆I复位键B6，流速测量键B7，活动测杆 II复位键B8。

进一步的，活动测杆I 4的外部设有薄壁套筒，所述激光测距仪8的外伸探头固定在活动测杆I外部的薄壁套筒上，用来发射与接收测量距离的信号。

具体的工作过程如下：

在测量前，将固定导轨1两根导轨分别装设在水工模型的左右两岸且平行布置，并将可移动导轨2呈与固定导轨1垂直的角度装设在固定导轨1上，通过调节脚螺丝手轮11，使固定导轨1以及可移动导轨2上的水平仪12、21装置中的气泡全部都在圆圈中间，这样使得整个装置处于水平状态。然后将移动测量装置3装设在可移动导轨2上，通过遥控器10控制可以有效实现装置运动，从而实现不同实测点的水面线和流速测量。

在水工模型内部还没有放水之前，先测量激光测距仪8的外伸探头的高程，具体方法为：操作遥控器10上开始按钮，信号接收器32接收到信号传达给可移动导轨2及移动测量装置 3，操作方向键，控制移动测量装置3至模型基准点垂直上方。通过激光测距仪8，测量激光测距仪8的外伸探头至基准点的距离，由于模型基准点的高程是已知的，两者相加则可以得到测量激光测距仪8的外伸探头的高程H。

接着在水工模型内部有水流流过时，通过遥控操作，将移动式测量装置3移动到实测点垂直上方。按下水面线测量键，测量的第一步是通过激光测距仪8发射信号，测量激光测距仪8的外伸探头至实测点水流垂直上表面的距离a，由于激光测距仪8的外伸探头的高程为H， (H-a)即为该实测点水面线高程；接着活动测杆I 4开始向下运动，当活动测杆I 4接触到水工模型的底部时，由于其底部的轻触开关7感应并使之与单片机31连接的输入信号发生变化，此时单片机31通过程序操作，自动停止活动测杆I 4向下运动，在移动式测量装置3顶端的激光位移计9记录到活动测杆I 4向下运动的距离b，在活动测杆I 4向下运动之前其底面轻触开关7与激光测距仪的外伸探头的高程差为L，则可以通过单片机31计算得到该实测点水深为(b-a+L)，测量完该实测点水面线高程和水深之后，按下遥控器10上的水面线测量活动测杆I 4复位键，活动测杆I 4向上运动，回复到测量开始时位置并停下。完成该实测点水面线高程和水深测量后，将水面线高程及水深数据信号传递给单片机31，结果通过无线传输设备33将测得水面线和水深信息传递给信号接收显示器13，接收显示。下一步开始测量该实测点流速。

按下流速测量键，可移动导轨2首先向活动测杆I 4所在一侧移动一段距离至实测点垂线上并停止运动，该段距离为活动测杆I 4与活动测杆II 5直线距离，移动的目的是保持水面线测量与流速测量为同一实测点。接着在单片机31的程序操作控制下，活动测杆II5根据水深情况，当水深浅，在[0,m]区间时，只测量0.5倍水深处的水流流速，连续测5次取平均值；当水深大，在[m，n]时，依次测量水流表面、0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深、水底5个水深处的水流流速，测流速数据信号传输给单片机31处理，取5次平均值。测量完该实测点流速之后，按下遥控器10上的流速测量活动测杆II 5复位键，活动测杆II 5向上运动，回复到测量开始时位置并停下。完成该实测点流速测量后，将流速数据信号传递给单片机31，结果通过无线传输设备33将测得流速信息传递给信号接收显示器13，接收显示。

这样完成了该实测点的水面线及流速测量。以上为实测点的水面线及流速测量操作过程，其他需要测量的点依次按以上实测点方式进行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种水工模型试验水面线及流速测量装置，其特征在于，包括两个水平设置的固定导轨，在所述的两个固定导轨上设有一个与其垂直的且可以沿其来回移动的可移动导轨，在所述的可移动导轨上设有一个移动测量装置，移动测量装置承接在可移动导轨之上并可沿可移动导轨延伸方向移动；移动测量装置的外侧竖直设有能上下移动的活动测杆I和活动测杆II，在活动测杆I的底部设有轻触开关；活动测杆II的底部设有螺旋桨流速仪；所述的移动测量装置内部设有激光测距仪、激光位移计，所述的激光测距仪的探头外伸到移动测量装置外，探头固定在移动测量装置侧壁，用于检测探头到水面测点的距离，所述的激光位移计的探头固定到移动测量装置顶部，探头对着活动测杆I，向活动测杆I发射信号来测量其向下运动时的位移；所述的激光测距仪、激光位移计、螺旋桨流速仪以及轻触开关与所述的移动测量装置内的单片机相连，且由位于移动测量装置内的电源为各个装置供电，所述的单片机与一个遥控器以及信号接收显示器通讯；在所述的固定导轨的两端设置有脚螺丝手轮和水平仪；所述的可移动导轨的两端也分别设有水平仪。

2.如权利要求1所述的水工模型试验水面线及流速测量装置，其特征在于，所述的可移动导轨上设有装配盒，在所述的装配盒内设有驱动可移动导轨移动的驱动装置、单片机以及信号接收器，所述的驱动装置由单片机控制，所述的单片机通过信号接收器与遥控器通讯，遥控器通过向单片机发送信号来控制可移动导轨运动。

3.如权利要求1所述的水工模型试验水面线及流速测量装置，其特征在于，在所述的移动测量装置内部还设置有驱动装置、信号接收器和无线传输设备；所述的驱动装置驱动移动测量装置的移动以及活动测杆I、活动测杆II的上下移动，所述的驱动装置由所述的单片机控制，所述的单片机通过信号接收器与遥控器通讯，遥控器通过向单片机发送信号来控制移动测量以及活动测杆I、活动测杆II的运动；所述的单片机通过无线传输设备与一个信号接收显示器相连。

4.如权利要求1所述的水工模型试验水面线及流速测量装置，其特征在于，所述的遥控器上设置有上、下键用来控制可移动导轨的运动，左、右键用来控制移动测量装置的运行；遥控器上还设有开始键、水面线测量键、活动测杆I复位键、流速测量键、活动测杆II复位键。

5.如权利要求1所述的水工模型试验水面线及流速测量装置，其特征在于，所述的活动测杆I的外部设有薄壁套筒，所述激光测距仪的外伸探头固定在活动测杆I外部的薄壁套筒上，且薄壁套筒与可移动测量装置为一个整体，且不随活动测杆I的上下运动而运动。

6.利用权利要求1-5任一所述的装置进行水面线及流速的测量方法，其特征在于，如下：

第一步，在测量前，将固定导轨两根导轨分别装设在水工模型的左右两岸且平行布置，并将可移动导轨呈与固定导轨垂直的角度装设在固定导轨上，通过调节脚螺丝手轮，使得整个装置处于水平状态；然后将移动测量装置装设在可移动导轨上，通过遥控器控制移动测量装置运动；

第二步，在水工模型内部还没有放水之前，先测量激光测距仪的外伸探头的高程H；在水工模型内部有水流流过时，通过遥控器将移动测量装置移动到实测点垂直上方；

第三步，测量该实测点的水面线

按下水面线测量键，通过激光测距仪发射信号，测量激光测距仪的外伸探头至实测点垂直线上方的水流上表面的距离a, 该实测点水面线高程为H-a；

遥控器控制活动测杆I开始向下运动，当活动测杆I接触到水工模型的底部时，其底部的轻触开关感应并使之与单片机连接的输入信号发生变化，单片机控制活动测杆I停止向下运动；

激光位移计记录活动测杆I向下运动的距离b，在活动测杆I向下运动之前其底面轻触开关与激光测距仪的外伸探头的高程差为L，则得到该实测点水深为b-a+L，测量完该实测点水面线高程和水深之后，按下遥控器上的水面线测量活动测杆I复位键，活动测杆I向上运动，回复到测量开始时位置并停下；完成该实测点水面线高程和水深测量后，将水面线高程及水深数据信号传递给单片机，结果通过无线传输设备将测得水面线和水深信息传递给信号接收显示器，接收显示；

第四步：测量该实测点流速；

按下流速测量键，可移动导轨首先向活动测杆I所在一侧移动一段距离至实测点垂线上并停止运动，该段距离为活动测杆I与活动测杆II直线距离；接着在单片机的控制下，活动测杆II根据水深情况测量流速；测量完该实测点流速之后，按下遥控器上的流速测量活动测杆II复位键，活动测杆II向上运动，回复到测量开始时位置并停下；完成该实测点流速测量后，将流速数据信号传递给单片机，结果通过无线传输设备将测得流速信息传递给信号接收显示器，接收显示。

7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，具体的流速测量方法如下：

当水深浅，在[0,m]区间时，只测量0.5倍水深处的水流流速，连续测5次取平均值；当水深大，在[m，n]时，依次测量水流表面、0.2倍水深、0.6倍水深、0.8倍水深、水底5个水深处的水流流速，测流速数据信号传输给单片机处理，取5次平均值；m n分别表示水深度值。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，激光测距仪测量的外伸探头高程的测量方法如下：

模型未通水之前，操作遥控器上开始按钮，装配盒内信号接收器接收到信号传达给可移动导轨、移动测量装置内的信号接收器接收到信号传达给移动测量装置，操作方向键，控制移动测量装置至模型基准点垂直上方；通过激光测距仪，测量激光测距仪的外伸探头至基准点的距离，由于模型基准点高程是已知的，加上激光测距仪测量的距离，即得到激光测距仪的外伸探头的高程H。