CN108318103B - 一种可用于实际海域的波高测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于实际海域的波高测量装置及方法，该装置包括钢铁支架、钽丝波高传感器、航标灯，以及连接螺栓和螺母；所述的钢铁支架为三脚支架，包括三个支脚和支架平台，支架平台设置在支脚顶部，支脚之间设置有固定作用的加强肋；钽丝波高传感器固定安装于钢铁支架上，其中钽丝波高传感器应保证垂直于水平面安装，且置于水面之上的钽丝长度应大于当地海况的最大波高；钢铁支架顶端安装有航标灯，用于标记测量装置的位置以及提醒海上船只避让。本发明将钽丝波高传感器应用于实际海域的液面测量，为高精度的测量大幅波高提供了一种全新的可行方法；钢铁支架具有拆卸、装配简单方便，能够循环使用的优点。

Description

一种可用于实际海域的波高测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量近岸流域波浪高度的方法，具体涉及一种可用于实际海域的波高测量装置及方法，属于海洋工程领域。

背景技术

在港口及近海工程实验研究技术领域中，对实际海域海况的测量与观测是海洋工程中重要的研究方法之一，波高描述海浪性质的重要参数之一。对于液位变化平缓、液面平整的波面，雷达、超声波浮子等液位计均可以满足要求。对于液面变化迅速，液面非常不平整的波面，波高测量仅可以选择电容或电阻测量方式。

目前，电容和电阻式波高传感器大多用于实验室内小量程波高的测量，对于实际海域或者大尺度水工试验中，如何高精度的测量大波高成为本领域技术人员面临的一个难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术难题，提供一种适用于实际海域和大尺度水工试验波高测量的装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可用于实际海域的波高测量装置，包括钢铁支架、钽丝波高传感器、航标灯，以及连接螺栓和螺母；所述的钢铁支架为三脚支架，包括三个支脚和支架平台，支架平台设置在支脚顶部，支脚之间设置有固定作用的加强肋；

钽丝波高传感器固定安装于钢铁支架上，其中钽丝波高传感器应保证垂直于水平面安装，且置于水面之上的钽丝长度应大于当地海况的最大波高；

钢铁支架顶端安装有航标灯，用于标记测量装置的位置以及提醒海上船只避让。

进一步地，所述的钽丝波高传感器包括测量部分和信号发射部分；

测量部分包括钽丝支架、钽丝张紧台和钽丝；钽丝支架通过螺纹固定连接在钽丝张紧台上，所述钽丝张紧台的边角制有螺纹孔，所述钽丝支架两端有螺纹，两者通过螺纹螺孔连接，并通过螺母固定；同时钽丝张紧台上设置两排相互平行的钽丝通孔，钽丝依次穿过钽丝张紧台的第一排通孔，随后将钽丝依次反方向穿过钽丝张紧台上的第二排通孔，钽丝两端焊接于钽丝张紧台上，形成一个U型的钽丝电极；钽丝外围包有一氧化膜绝缘层，钽丝的松紧可由钽丝支架末端的螺母调节，所述的钽丝电极必须保持张紧和平行；

信号发射器作为传感器信号发射部分，安装在钢铁支架顶部的支架平台上，并与传感器测量部分的钽丝电极通过插头、插口连接，连接的接口处包有防水胶。

进一步地，所述的钽丝波高传感器的测量部分，通过螺栓和螺母固定在钢铁支架支脚之间的加强肋上，且钽丝波高传感器测量部分应保证垂直于水平面安装，置于水面之上和之下的钽丝长度应大于当地海况的最大波高。

进一步地，所述的钽丝波高传感器的信号发射器安装在钢铁支架顶部的支架平台上，支架平台上设置侧部挡板，侧部挡板制有插销孔，信号发射器通过插销与侧部挡板上的插销孔固定在侧部挡板上。

进一步地，所述的信号发射器内部设置有存储介质，用于备存数据。

利用上述可用于实际海域的波高测量装置进行的波高测量的方法，其步骤如下：

(1)钽丝波高传感器标定

将测量装置放置于预定测量区域之前，为保证采集数据的准确性，需要对钽丝波高传感器进行标定；

(2)测量装置安装

测量装置安装包括钢铁支架安装和钽丝波高传感器安装，具体安装步骤如下：

①钢铁支架的安装

将钢铁支架投放于预定海域，将航标灯固定安装在钢铁支架顶部的支架平台上；

②钽丝波高传感器的安装

将标定后的钽丝波高传感器的测量部分通过螺栓和螺母固定安装在钢铁支架的加强肋上，保证钽丝波高传感器的测量部分垂直于水平面安装，且置于水面之上的钽丝长度应大于当地海况的最大波高；

将信号发射器安装在钢铁支架顶部的支架平台的侧部挡板上，侧部挡板制有插销孔，信号发射器通过插销与侧部挡板上的插销孔固定在侧部挡板上；将测量部分的钽丝电极的插头与信号发射器的插口相连接，接口处包有防水胶；

(3)液面高度历时曲线的测量

打开信号发射器中的电源开关，打开航标灯的开关，当水面沿钽丝上下移动时，由钽丝和水形成的电容的电容量会发生变化，电容量的变化将引起相应电压降的变化，相应的钽丝电极测得的电压值经过信号发射器的处理变成所需的水位信息，发送到岸上布置的信号接收系统，同时会在信号发射器内部的存储介质中备存相同的数据；信号发射器及信号接收系统均会记录当地时间，并根据设定的时间，按组存储水位信息数据，从而获得液面高度历时曲线；

(4)波高计算

对获得的液面高度时历曲线进行傅里叶变换得到波浪谱信息，其中傅里叶变换过程由[方程式1]所确定：

式中：E(f)为谱能量密度，f为频率，e为无理数2.7182，为积分符号，R(τ)为自相关函数，由[方程式2]确定：

R(τ)＝M[ξ(t)*ξ(t+τ)] [方程式2]

式中：M为数学期望，τ为时间间隔，ξ(t)为钽丝波高传感器测量的液面高度时历曲线；

经傅里叶变换得到的波浪谱信息，滤去高频噪声后得到海浪的实测谱，使用实测谱计算有义波高及平均跨零周期，其中有义波高以及平均跨零周期分别由[方程式3]和[方程式4]确定：

在[方程式3]和[方程式4]中：Hs为有义波高，零阶谱距m₀和二阶谱距m₂由[方程式5]确定：

m_n＝∫E(f)·fⁿdf (n＝0,2) [方程式5]

式中：E(f)为谱能量密度，f为频率，∫df为积分符号。

进一步地，所述的钽丝波高传感器的标定方法，步骤如下：

(1)将钽丝波高传感器垂直于水平面置于静水中，记录此时浸入静水中的钽丝长度，并记录此时测量到的U型的钽丝电极间的电压；

(2)调整钽丝波高传感器浸入水中的钽丝长度，再次记录测量到的U型的钽丝电极间的电压，重复上述过程，调整钽丝浸入水中的长度，采集7～8组数据；

(3)绘制钽丝浸水长度与电压关系的曲线图，两者线性相关度达到0.9999以上，则表明钽丝波高传感器满足测量精度的要求；反之若不满足线性关系，则需要检查钽丝波高传感器的安装，并重新标定钽丝波高传感器。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

将钽丝波高传感器应用于实际海域的液面测量，为高精度的测量大幅波高提供了一种全新的可行方法；钢铁支架具有拆卸、装配简单方便，能够循环使用的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中波高测量装置的结构示意图；

图2为图1中的钢铁支架结构示意图；

图3为图1中钽丝波高传感器示意图；

图4为本发明实施例1中的液面高度历时曲线图；

图5为本发明实施例1中的实测海浪谱图；

图6为本发明实施例1中有义波高时历曲线图；

图7为本发明实施例1中平均跨零周期图；

图中：101、钢铁支架，102、钽丝波高传感器，103、信号发射器，104、航标灯，201、支脚，202、加强肋，203、支架平台，301、钽丝，302、钽丝支架，303、钽丝张紧台。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例作进一步具体说明。

实施例1

如图1所示，一种可用于实际海域的波高测量装置，包括钢铁支架101、钽丝波高传感器102、航标灯104，以及连接螺栓和螺母。

如图2所示，所述的钢铁支架101为三脚支架，包括三个支脚201和支架平台203，支架平台203焊接于支脚201顶端，支脚201之间设置有固定作用的加强肋202，其中支脚201和加强肋202上设置有连接通孔，螺栓和螺母通过通孔将两者连接固定；钽丝波高传感器102固定于钢铁支架101上，应保证钽丝波高传感器102垂直于水平面安装，且置于水面之上的钽丝长度应大于当地海况的最大波高；钢铁支架101顶端通过螺栓螺母固定安装航标灯104，用于标记测量装置的位置以及提醒周围船只避让。

如图3所示，所述的钽丝波高传感器102包括测量部分和信号发射部分；测量部分包括钽丝301、钽丝张紧台303和钽丝支架302，钽丝支架302通过螺纹固定连接在钽丝张紧台303上，所述钽丝张紧台303边角制有螺纹孔，所述钽丝支架302两端有螺纹，两者通过螺纹螺孔连接，并通过螺母固定；同时钽丝张紧台303上设置两排相互平行的钽丝通孔，钽丝301依次穿过钽丝张紧台303的一排通孔，随后将钽丝301依次反方向穿过钽丝张紧台303上的第二排通孔，钽丝301两端焊接于钽丝张紧台303上，形成一个U型的钽丝电极；钽丝301外围包有一氧化膜绝缘层，钽丝301的松紧可由钽丝支架302末端的螺母调节，所述的钽丝电极必须保持张紧和平行。

信号发射器103作为传感器信号发射部分，安装在钢铁支架101顶部的支架平台203上，并与传感器测量部分的钽丝电极通过插头、插口连接，连接的接口处包有防水胶。

如图1所示，钽丝波高传感器102测量部分，通过螺栓和螺母固定在钢铁支架101支脚201之间的加强肋202上，注意要保证钽丝垂直测量水平面，置于水面之上和之下的钽丝长度应大于当地海况的最大波高；信号发射器103安装在钢铁支架101顶部的支架平台203上，支架平台203上设置侧部挡板，侧部挡板设置有插销孔，信号发射器103通过插销与侧部挡板上的插销孔固定在侧部挡板上；信号发射器103内部设置有存储盘，用于备存数据。

利用上述可用于实际海域的波高测量装置进行的波高测量的方法，其步骤如下：

(1)钽丝波高传感器标定

将测量装置放置于预定测量区域之前，为保证采集数据的准确性，需要对钽丝波高传感器102进行标定，钽丝波高传感器102的标定过程如下：

①将钽丝波高传感器102垂直于水平面置于静水中，记录此时浸入静水中的钽丝301长度，并记录此时测量到的U型的钽丝电极间的电压；

②调整钽丝波高传感器102浸入水中的钽丝301长度，再次记录测量到的U型的钽丝电极间的电压，重复上述过程，调整钽丝301浸入水中的长度，采集7～8组数据；

③绘制钽丝301浸水长度与电压关系的曲线图，两者线性相关度达到0.9999以上，则表明钽丝波高传感器102满足测量精度的要求；反之若不满足线性关系，则需要检查钽丝波高传感器102的安装，并重新标定；

(2)测量装置安装

测量装置安装包括钢铁支架101安装和钽丝波高传感器102安装，具体安装步骤如下：

①钢铁支架的安装

将钢铁支架101投放于预定海域，将航标灯104固定安装在钢铁支架101顶部的支架平台203上；

②钽丝波高传感器的安装

将标定后的钽丝波高传感器102的测量部分通过螺栓和螺母固定安装在钢铁支架101的加强肋202上，保证钽丝波高传感器102的测量部分垂直于水平面安装，且置于水面之上的钽丝301长度应大于当地海况的最大波高；

将信号发射器103安装在钢铁支架101顶部的支架平台203的侧部挡板上，侧部挡板制有插销孔，信号发射器103通过插销与侧部挡板上的插销孔固定在侧部挡板上；将测量部分的钽丝电极的插头与信号发射器103的插口相连接，接口处包有防水胶；

(3)液面高度历时曲线的测量

打开信号发射器103中的电源开关，打开航标灯104的开关，当水面沿钽丝301上下移动时，由钽丝301和水形成的电容的电容量会发生变化，电容量的变化将引起相应电压降的变化，相应的钽丝电极测得的电压值经过信号发射器103的处理变成所需的水位信息，发送到岸上布置的信号接收系统，同时会在信号发射器103内部的存储介质中备存相同的数据；信号发射器103及信号接收系统均会记录当地时间，并根据设定的时间，按组存储水位信息按0.05s(20Hz)数据，从而获得液面高度历时曲线，见图4；

(4)波高计算

对获得的液面高度时历曲线进行傅里叶变换得到波浪谱信息，其中傅里叶变换过程由[方程式1]所确定：

式中：E(f)为谱能量密度，f为频率，∫df为积分符号，R(τ)为自相关函数，由[方程式2]确定：

R(τ)＝M[ξ(t)*ξ(t+τ)] [方程式2]

式中：M为数学期望，τ为时间间隔，ξ(t)为钽丝波高传感器测量的液面高度时历曲线；

经傅里叶变换得到的波浪谱信息，滤去高频噪声后得到海浪的实测谱，见图5，使用实测谱计算有义波高及平均跨零周期，其中有义波高以及平均跨零周期分别由[方程式3]和[方程式4]确定：

在[方程式3]和[方程式4]中：Hs为有义波高，零阶谱距m₀和二阶谱距m₂由[方程式5]确定：

m_n＝∫E(f)·fⁿdf (n＝0,2) [方程式5]

式中：E(f)为谱能量密度，f为频率，∫df为积分符号。

所计算的有义波高和平均跨零周期分别见图6和图7。

本实施例利用一种可用于实际海域的波高测量装置与方法成功的测量了目标海域的有义波高和平均跨零周期，本发明成功的将钽丝波高传感器应用于实际海域的测量，其测量结果与现场观测结果吻合度高。相比现有的测量技术，本发明所采用的的钽丝波高传感器具有精度高的优点；同时，本发明中自主设计的钢铁支架结构简单，具有组装、拆卸快速方便等优点，并且为测量装置提供了一个相对安全的测量环境，避免了测量装置的损坏与遗失。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，其中各部件的结构、连接方式，以及测量参数等均可以有所变化，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可用于实际海域的波高测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)钽丝波高传感器标定

将测量装置放置于预定测量区域之前，为保证采集数据的准确性，需要对钽丝波高传感器进行标定；

(2)测量装置安装

测量装置安装包括钢铁支架安装和钽丝波高传感器安装，具体安装步骤如下：

①钢铁支架的安装

将钢铁支架投放于预定海域，将航标灯固定安装在钢铁支架顶部的支架平台上；

②钽丝波高传感器的安装

将标定后的钽丝波高传感器的测量部分通过螺栓和螺母固定安装在钢铁支架的加强肋上，保证钽丝波高传感器的测量部分垂直于水平面安装，且置于水面之上的钽丝长度应大于当地海况的最大波高；

将信号发射器安装在钢铁支架顶部的支架平台的侧部挡板上，侧部挡板制有插销孔，信号发射器通过插销与侧部挡板上的插销孔固定在侧部挡板上；将测量部分的钽丝电极的插头与信号发射器的插口相连接，接口处包有防水胶；

(3)液面高度历时曲线的测量

打开信号发射器中的电源开关，打开航标灯的开关，当水面沿钽丝上下移动时，由钽丝和水形成的电容的电容量会发生变化，电容量的变化将引起相应电压降的变化，相应的钽丝电极测得的电压值经过信号发射器的处理变成所需的水位信息，发送到岸上布置的信号接收系统，同时会在信号发射器内部的存储介质中备存相同的数据；信号发射器及信号接收系统均会记录当地时间，并根据设定的时间，按组存储水位信息数据，从而获得液面高度历时曲线；

(4)波高计算

对获得的液面高度时历曲线进行傅里叶变换得到波浪谱信息，其中傅里叶变换过程由[方程式1]所确定：

式中：E(f)为谱能量密度，f为频率，e为无理数2.71828，为积分符号，R(τ)为自相关函数，由[方程式2]确定：

R(τ)＝M[ξ(t)*ξ(t+τ)] [方程式2]

式中：M为数学期望，τ为时间间隔，ξ(t)为钽丝波高传感器测量的液面高度时历曲线；

经傅里叶变换得到的波浪谱信息，滤去高频噪声后得到海浪的实测谱，使用实测谱计算有义波高及平均跨零周期，其中有义波高以及平均跨零周期分别由[方程式3]和[方程式4]确定：

在[方程式3]和[方程式4]中：Hs为有义波高，零阶谱距m₀和二阶谱距m₂由[方程式5]确定：

m_n＝∫E(f)·fⁿdf (n＝0,2) [方程式5]

式中：E(f)为谱能量密度，f为频率，∫df为积分符号。

2.根据权利要求1所述的可用于实际海域的波高测量方法，其特征在于，所述的钽丝波高传感器的标定步骤如下：

(1)将钽丝波高传感器垂直于水平面置于静水中，记录此时浸入静水中的钽丝长度，并记录此时测量到的U型的钽丝电极间的电压；

(2)调整钽丝波高传感器浸入水中的钽丝长度，再次记录测量到的U型的钽丝电极间的电压，重复上述过程，调整钽丝浸入水中的长度，采集7～8组数据；

(3)绘制钽丝浸水长度与电压关系的曲线图，两者线性相关度达到0.9999以上，则表明钽丝波高传感器满足测量精度的要求；反之若不满足线性关系，则需要检查钽丝波高传感器的安装，并重新标定钽丝波高传感器。

3.根据权利要求1所述的可用于实际海域的波高测量方法，其特征在于，所述的钢铁支架为三脚支架，包括三个支脚和支架平台，支架平台设置在支脚顶部，支脚之间设置有固定作用的加强肋。

4.根据权利要求1所述的可用于实际海域的波高测量方法，其特征在于，所述航标灯用于标记测量装置的位置以及提醒海上船只避让。

5.根据权利要求1所述的可用于实际海域的波高测量方法，其特征在于，所述的钽丝波高传感器包括测量部分和信号发射部分；

测量部分包括钽丝支架、钽丝张紧台和钽丝；钽丝支架通过螺纹固定连接在钽丝张紧台上，所述钽丝张紧台的边角制有螺纹孔，所述钽丝支架两端有螺纹，两者通过螺纹螺孔连接，并通过螺母固定；同时钽丝张紧台上设置两排相互平行的钽丝通孔，钽丝依次穿过钽丝张紧台的一排通孔，随后将钽丝依次反方向穿过钽丝张紧台上的第二排通孔，钽丝两端焊接于钽丝张紧台上，形成一个U型的钽丝电极；钽丝外围包有一氧化膜绝缘层，钽丝的松紧可由钽丝支架末端的螺母调节，所述的钽丝电极必须保持张紧和平行。