CN106895953B - 溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法，本发明将高速相机、波高仪和流速仪连接到同一台计算机上，使得三台仪器同时启动，在水槽中实施溃坝实验时，高速相机记录水流形态，波高仪和流速仪分别记录闸门下游测量点的水位和流速随时间的变化。通过高速视频确定溃坝水流到达测量点的时间，找出对应的水位和流速开始变大的瞬间，从而得出不同仪器之间的时间差，在后续数据处理中实现时间的同步，提高溃坝实验的时间精度。本发明适用范围广，既可用于溃坝物理模型实验中，也可用于类似的水利工程或海岸工程物理模型实验中实现设备间的时间同步；本发明操作简单，具有很强的重复性和转移性；测量仪器间的时间同步误差小于0.05秒。
Description
技术领域
本发明涉及多种测量仪器的时间同步方法，尤其涉及一种溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法。
背景技术
溃坝通常指由自然灾害或人为因素引起的蓄水库围堰突然坍塌进而在水库下游形成溃决洪水造成人类生命、生态环境和生产经济巨大损失的灾害性事件。然而溃坝问题的研究并不局限于内陆区域，在海岸工程方面也存在十分重要的研究意义，例如：海啸、涌潮等向岸的传播过程与溃坝水流动力学在物理机理上是一致的。因此，对溃坝问题的探索具有显著的科学研究意义和工程应用价值。由于实地监测的困难，目前对溃坝问题的研究往往依赖于室内实验，即通过瞬间开启闸门来模拟溃坝过程，采用波高仪、流速仪等测量设备来研究溃坝流的水动力特性。通常室内实验的整个溃坝过程历时很短，往往在几秒钟内就可以完成。在这个过程中，尤其在闸门开启的瞬间，溃坝波的水动力特性急剧变化，这对实验在时间精度方面的控制提出了非常高的要求。目前在多种测量仪器同时工作的情况下，进行溃坝实验存在以下问题和困难：(1)测量仪器采样频率过低，不能捕捉到溃坝波水位或流速的瞬时变化；(2)不同仪器存在各自的时间延迟，即便可以通过计算机使得多种仪器同时启动，但因为时间差的存在，各台仪器真正开始工作的时间不尽相同，即各自的数据时间零点并不一致；(3)溃坝时间零点，即闸门开始向上移动的时间很难确定，需借助高速相机记录开门过程。解决溃坝实验中多种测量仪器的时间同步问题，获得更为精确时间控制下的水位和流速的变化，对研究溃坝波的水动力特性具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法。在溃坝实验中应用本发明可以实现多种高采样频率仪器时间同步，且提高时间同步的精度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法，包括以下步骤：
(1)进行溃坝实验；该步骤具体为：
(1.1)安装波高仪、流速仪和采样频率大于100f/s的高速相机，其中，波高仪和流速仪在溃坝水槽同一横断面，之后将各仪器接入计算机；
(1.2)设置溃坝水槽中相应的上下游水深等实验条件；
(1.3)计算机控制波高仪、流速仪和高速相机同时开始运行；
(1.4)移除溃坝水槽中的闸门，进行溃坝实验；
(1.5)计算机控制波高仪、流速仪和高速相机同时结束采集；
(2)进行数据处理；该步骤包括以下子步骤：
(2.1)在高速相机采集到的视频信息中，找出溃坝波到达测量点的时刻，记为t1；
(2.2)找出t1时刻对应的波高仪采集的数据中水位开始增大的时刻，记为t2，以及流速仪采集的数据中流速开始增大的时刻，记为t3；即可认为t1、t2和t3是同一时刻；
(2.3)在视频中找出闸门开始向上运动的时刻，记为t4，定义该闸门开始向上运动的时刻t4为时间零点；
(2.4)对应水位数据的时间零点为时刻t2-(t1-t4)，流速数据的时间零点为时刻t3-(t1-t4)；从而实现溃坝实验中多种测量仪器的时间同步。
本发明的有益效果是：对于敏感性很强的溃坝模型实验来说，解决实验过程中多种测量仪器的时间同步问题，获得更为精确时间控制下的水位和流速的变化数据，对研究溃坝波的水动力特性具有十分重要的意义。本发明采用的设备均为进行溃坝实验研究必须的采样设备，具有通用性，无需额外安装设备即可实现时间同步性；本发明适用范围广，既可用于溃坝物理模型实验中，也可用于类似的水利工程或海岸工程物理模型实验中实现设备间的时间同步；相较于复杂的编程方法，本发明操作简单，具有很强的重复性和转移性；采用本发明的方法，测量仪器间的时间同步误差小于0.05秒。
附图说明
图1是溃坝实验水槽的侧视图；
图2是溃坝实验水槽的俯视图；
图3是本发明的实现流程图；
图4是实施例中水位随时间的变化图；
图5是实施例中流速随时间的变化图；
图中，闸门1、波高仪2、流速仪3、高速相机4、计算机5。
具体实施方式
如图3所示，本发明溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法，包括以下步骤：
1、配备采样仪器
溃坝实验中时间同步的实现首先应配备可进行高频率采样的仪器，包括分别实时记录测量点水位变化和流速变化的波高仪和流速仪，以及可记录溃坝水流波形变化的高速相机。其中，波高仪和流速仪的采样频率均为100Hz，高速相机的拍摄频率为150f/s。波高仪和流速仪分别安装在水槽闸门下游的相应位置，处于同一横断面。
2、进行溃坝实验
首先在计算机上同时启动各仪器，各种仪器存在各自的反应时间，即时间延迟，实际并没有同时开始工作。然后实施溃坝实验，即将水槽的闸门瞬间打开，则上游水在重力作用下形成溃坝波向下游运动，在水槽下游末端流出。之后同时结束仪器，保存采集到的各项数据，完成一次溃坝实验的记录。
3、实现时间同步
将波高仪和流速仪的采集数据转化为excel存储格式，可以发现即使是在计算机上“同时”开始并“同时”结束，波高仪和流速仪采集的数据量是不同的，这也说明它们内部并没有同时开始采集数据，即时间存在不同步性，并且各自记录的时间零点也不是同一时刻。利用高速相机图像观察水流到达测量点的时间，即此时间也为波高仪和流速仪测量数据开始变大的时间，设定为同一时间。通过找出高速相机记录的闸门开启时间与此时间的差值，即可找出波高仪和流速仪各自对应的闸门开启时间，实现仪器间的时间同步。在此基础上才能处理实验所得数据，进而分析溃坝波水动力特性。
4、处理实验数据
为了消除仪器内的时间差，实现高采样频率仪器间的时间同步，在后期数据处理中采取以下步骤：①在高速相机采集到的视频信息中，找出溃坝波到达测量点的时刻，记为t1；②找出对应的波高仪采集的数据中水位开始增大的时刻，记为t2，以及流速仪采集的数据中流速开始增大的时刻，记为t3；③即可认为t1、t2和t3是同一时刻；④在视频中找出闸门开始向上运动的时刻，记为t4(定义闸门开始向上运动的时刻为时间零点)；⑤则对应水位数据的时间零点为时刻t2-(t1-t4)，流速数据的时间零点为时刻t3-(t1-t4)。
以下实例用于对本发明作进一步说明，但不能理解为对本发明保护范围的限制。根据本发明的内容和设计思想所做出的非本质的改进和调整也应属于本发明的保护范围。
图1和图2显示了一套可实现本发明所述同步方法的溃坝水槽和测量设备，其中溃坝水槽由闸门1分为上游和下游两部分，测量设备由波高仪2、流速仪3、高速相机4和计算机5组成。
如图3所示，本发明“溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法”，主要包括两大步骤，即前期进行溃坝实验和后期进行数据处理，具体步骤如下：
(1)进行溃坝实验：
(1.1)按照图1和图2所示位置，安装波高仪2、流速仪3和高速相机4，其中，波高仪2和流速仪3在水槽同一横断面，之后将各仪器接入计算机5；
(1.2)设置水槽中相应的上下游水深等实验条件，例如，本次实验中，上游初始水深为20cm，下游初始水深为4cm；
(1.3)计算机4控制波高仪2、流速仪3和高速相机4同时开始运行；
(1.4)移除溃坝水槽中的闸门，进行溃坝实验；
(1.5)计算机4控制波高仪2、流速仪3和高速相机4同时结束采集；
(2)进行数据处理：
(2.1)在高速相机记录的视频中，找出溃坝波到达波高仪2和流速仪3安装位置，即水位和流速测量点的时刻。在本次实验中，第852帧照片显示溃坝波到达相应位置，即对应为视频序列中的5.68秒；
(2.2)在波高仪2采集的水位数据中，找出水位开始增大的时刻，即对应为水位序列中的5.07秒；
(2.3)同理，在流速仪3采集的流速数据中，找出流速开始增大的时刻，即对应为流速序列中的5.78秒；
(2.4)视频序列中的5.68秒、水位序列中的5.07秒和流速序列中的5.78秒，实际为同一时刻；
(2.5)定义闸门1开始向上运动的时刻为时间零点。在高速相机记录的视频中，找出闸门开始向上运动的时刻，即为视频序列中的5.55秒；
(2.6)则对应水位数据的时间零点为水位序列中的5.07-(5.68-5.55)＝4.94秒；
(2.7)同理，流速数据的时间零点为流速序列中的5.78-(5.68-5.55)＝5.65秒。
为了避免实验的偶然性，增强实验的可信度，进行五次重复性实验，采取同样的步骤处理得到各自的时间零点后，实验结果中，水位随时间的变化如图4所示，流速随时间的变化如图5所示。由图4和5可见，实验数据具有很高的同步性和重复性。
本发明以水位和流速的同步为例，不局限于水位和流速数据的时间同步，对其他测量仪器和测量数据采用类似的同步方法都在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种溃坝实验中多种测量仪器的时间同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)进行溃坝实验；该步骤具体为：
(1.1)安装波高仪、流速仪和采样频率大于100f/s的高速相机，其中，波高仪和流速仪在溃坝水槽同一横断面，之后将各仪器接入计算机；
(1.2)设置溃坝水槽中相应的上下游水深实验条件；
(1.3)计算机控制波高仪、流速仪和高速相机同时开始运行；
(1.4)移除溃坝水槽中的闸门，进行溃坝实验；
(1.5)计算机控制波高仪、流速仪和高速相机同时结束采集；
(2)进行数据处理；该步骤包括以下子步骤：
(2.1)在高速相机采集到的视频信息中，找出溃坝波到达测量点的时刻，可记为t1；
(2.2)找出t1时刻对应的波高仪采集的数据中水位开始增大的时刻，记为t2，以及流速仪采集的数据中流速开始增大的时刻，记为t3；即可认为t1、t2和t3是同一时刻；
(2.3)在视频中找出闸门开始向上运动的时刻，记为t4，定义该闸门开始向上运动的时刻t4为时间零点；
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