CN109186587A - 一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置 - Google Patents

一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置 Download PDF

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丁兆亮
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张治昊
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关见朝
王玉海
朱毕生
赵慧明
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Abstract

本发明涉及一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，包括中空的卵石壳，卵石壳内设有芯片部分和配重部分，芯片部分和配重部分与卵石壳之间设有减震密封层，芯片部分设有三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块、无线传输模块、无线充电模块和电源模块，无线充电模块与电源模块相连，电源模块分别与三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块和无线传输模块相连。本发明所中的卵石推移质在水流作用下运动时可以实时记录三轴加速度、磁方位角、角加速度等运动信息，可以通过这些运动信息获取卵石推移质运动的速度、轨迹等运动参数。

Description

一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置
技术领域
本发明涉及水工实验技术领域，具体涉及一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置。
背景技术
推移质又可分为沙质推移质和卵石推移质，卵石推移质一般指粒径大于5mm的推移质。天然河道中的卵石推移质最大粒径可达1m以上，采用卵石推移质取样器采集到的卵石推移质粒径可达30cm以上。
准确获取和跟踪特定推移质颗粒的运动轨迹，对于研究推移质颗粒在水流作用下的运动规律具有重要意义。目前常用的轨迹观测方法为人工观测并记录推移质颗粒的位置，并进行记录，但记录误差大，不够精确。另一种方法为采用高速相机拍摄颗粒运动，利用图像处理的方法获取颗粒运动轨迹，当水槽中只有一个颗粒时这种方法效果较好，但当大量颗粒聚集时，被观察的颗粒可能会被其他颗粒所遮挡，导致相机无法拍摄其图像，从而无法获取其运动轨迹。此外，在泥沙运动研究中常常会用到比密度大于或小于天然沙的泥沙颗粒运动特征，需对选择不同比重的颗粒进行试验，比如比泥沙颗粒较轻的煤颗粒，比泥沙颗粒较重的金属颗粒等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，解决获取推移质运动轨迹不准确的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，包括中空的卵石壳，所述卵石壳内设有芯片部分和配重部分，所述芯片部分和配重部分与卵石壳之间设有减震密封层，所述芯片部分上设有三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块、无线传输模块、无线充电模块和电源模块，所述无线充电模块与电源模块相连，所述电源模块分别与三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块和无线传输模块相连，所述三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器均分别与存储模块和无线传输模块相连，所述配重部分用于调节卵石推移质的质量和密度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述卵石推移质的密度计算公式为：
ρ新＝(m0+ρ4v4)/v (1)
在公式(1)中，ρ新为卵石推移质的密度，m0为颗粒的基础质量，m0＝m1+M2+m3，m1为卵石壳的质量，m2为密封减震层的质量，m3为芯片部分的质量，ρ4为配重部分的材料密度，v4为配重部分的体积，v为卵石的原始体积，m为卵石掏空做成卵石壳前的原始质量；当m0+ρ4v4＝M时，卵石推移质的密度与原卵石的密度相同；当m0+ρ4v4<m时，卵石推移质的密度小于原卵石的密度；当m0+ρ4v4>m时，卵石推移质的密度大于原卵石的密度。
进一步，所述三轴加速度传感器的型号为ADXL345。
进一步，所述三轴磁方位传感器的型号为HMC5883L。
进一步，所述三轴角加速度传感器的型号为L3G4200D。
进一步，所述存储模块型号为S29GL01GP12TFI010。
进一步，所述无线传输模块型号为nRF51822。
进一步，所述无线充电模块型号为IDTP9221－R。
进一步，所述电源模块为IDTP9145。
进一步，所述卵石壳的厚度为5mm。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所中的卵石推移质在水流作用下运动时可以实时记录三轴加速度、磁方位角、角加速度等运动信息，可以通过这些运动信息获取卵石推移质运动的速度、轨迹等运动参数。
(2)所有运动信息可以存储在卵石推移质内部，数据可以通过无线传输的方式传出；卵石推移质内部供电系统也采用无线充电的方式充电，从而当卵石推移质制作完成后可以不用打开内部而完成多次提取数据、充电，从而完成多次试验。
(3)卵石推移质内部具备配重模块，可以通过改变配重材料类型，改变卵石推移质的密度，满足不同密度运动卵石推移质研究的需要。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明中芯片部分的连接关系图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、卵石壳，2、减震密封层，3、芯片部分，4、配重部分。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和图2共同所示，一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，包括中空的卵石壳1，卵石壳1内设有芯片部分3和配重部分4，芯片部分3和配重部分4与卵石壳1之间设有减震密封层2，芯片部分3上设有三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块、无线传输模块、无线充电模块和电源模块，无线充电模块与电源模块相连，电源模块分别与三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块和无线传输模块相连，三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器均分别与存储模块和无线传输模块相连，配重部分4用于调节卵石推移质的质量和密度。
在本发明实施例中，卵石推移质的密度计算公式为：
ρ新＝(m0+ρ4v4)/v (1)
在公式(1)中，ρ新为卵石推移质的密度，m0为颗粒的基础质量，m0＝m1+m2+m3，m1为卵石壳的质量，m2为密封减震层的质量，m3为芯片部分的质量，ρ4为配重部分的材料密度，v4为配重部分的体积，v为卵石的原始体积，m为卵石掏空做成卵石壳前的原始质量；当m0+ρ4v4＝m时，卵石推移质的密度与原卵石的密度相同；当m0+ρ4v4<m时，卵石推移质的密度小于原卵石的密度；当m0+ρ4v4>m时，卵石推移质的密度大于原卵石的密度。
在本发明实施例中，三轴加速度传感器的型号为ADXL345。
在本发明实施例中，三轴磁方位传感器的型号为HMC5883L。
在本发明实施例中，三轴角加速度传感器的型号为L3G4200D。
在本发明实施例中，存储模块型号为S29GL01GP12TFI010。
在本发明实施例中，无线传输模块型号为nRF51822。
在本发明实施例中，无线充电模块型号为IDTP9221－R。
在本发明实施例中，电源模块为IDTP9145。
在本发明实施例中，所述卵石壳的厚度为5mm。
将本发明中的卵石推移质放入水槽中，在水流的作用下开始运动，位于芯片部分的各个传感器开始工作，可实时测量卵石xyz三个方向上的加速度、xyz三个方向上的磁方位夹角，xyz三个方向上的角加速度，并将上述数据存储在存储模块中。试验结束后，可通过无线传输模块将数据传输至外部，利用上述数据可得出卵石推移质的运动轨迹。
本发明能够应用于较大的卵石，便于将传感器内置，现阶段可内置传感器的卵石直径在50mm左右；未来随着传感器制作工艺提高，越来越小的传感器面世，则本发明可采用的卵石粒径也会越来越小，甚至应用到沙质推移质上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，包括中空的卵石壳(1)，所述卵石壳(1)内设有芯片部分(3)和配重部分(4)，所述芯片部分(3)和配重部分(4)与卵石壳(1)之间设有减震密封层(2)，所述芯片部分(3)上设有三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块、无线传输模块、无线充电模块和电源模块，所述无线充电模块与电源模块相连，所述电源模块分别与三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器、存储模块和无线传输模块相连，所述三轴加速度传感器、三轴磁方位传感器、三轴角加速度传感器均分别与存储模块和无线传输模块相连，所述配重部分(4)用于调节卵石推移质的质量和密度。
2.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述卵石推移质的密度计算公式为：
ρ新＝(m0+ρ4v4)/v (1)
在公式(1)中，ρ新为卵石推移质的密度，m0为颗粒的基础质量，m0＝m1+m2+m3，m1为卵石壳的质量，m2为密封减震层的质量，m3为芯片部分的质量，ρ4为配重部分的材料密度，v4为配重部分的体积，v为卵石的原始体积，m为卵石掏空做成卵石壳前的原始质量；当m0+ρ4v4＝m时，卵石推移质的密度与原卵石的密度相同；当m0+ρ4v4＜m时，卵石推移质的密度小于原卵石的密度；当m0+ρ4v4＞m时，卵石推移质的密度大于原卵石的密度。
3.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器的型号为ADXL345。
4.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述三轴磁方位传感器的型号为HMC5883L。
5.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述三轴角加速度传感器的型号为L3G4200D。
6.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述存储模块的型号为S29GL01GP12TFI010。
7.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述无线传输模块的型号为nRF51822。
8.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述无线充电模块的型号为IDTP9221-R。
9.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述电源模块的型号为IDTP9145。
10.根据权利要求1所述的比重可变和轨迹自计的卵石推移质运动研究装置，其特征在于，所述卵石壳(1)的厚度为5mm。
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