CN109959802A - 一种水下探测器、地下水流速流向测量仪及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种水下探测器、地下水流速流向测量仪及方法。其中，水下探测器，包括密封外壳，其内设有红外传感模块，红外传感模块可绕主轴以固定角速度沿水平面转动；红外传感模块上设有电子罗盘；密封外壳的底部通过转轴与指示器相连，指示器可在水流作用下沿转轴在水平面上自由转动；所述指示器包括头部和尾翼，尾翼上设有光源，光源用于垂直向上发射光束，光束可被红外传感模块接收；外传感模块用于当接收到光束时触发电子罗盘记录其自身相对于主轴的实时方向并经处理器模块处理后得到水流流向；头部与尾翼之间连接有弹簧；红外传感模块还用于将接收光束的时刻直接传送至处理器模块；处理器模块用于计算出水流流速。

Description

一种水下探测器、地下水流速流向测量仪及方法

技术领域

本公开属于水文地质参数测量领域，尤其涉及一种水下探测器、地下水流速流向测量仪及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

地下水流速、流向的确定，尤其是水文地质钻探中水文观测钻孔内地下水的流速、流向，对于矿山矿井生产和地下工程建设都具有重要意义，地下水的流速流向与渗透系数关系紧密。准确的水文地质参数对于工程建设具有重要意义。发明人发现，现有的地下水流速流向测试方法中，常存在测试精度低、使用限制大及成本高的问题。

发明内容

本公开的第一方面提供了一种水下探测器，其具有成本合理、适用性好且精度高的效果。

本公开的第一方面的一种水下探测器的技术方案为：

一种水下探测器，包括：

密封外壳，其内设有主轴、红外传感模块和处理器模块；红外传感模块可绕主轴以固定角速度沿水平面转动；红外传感模块上设有电子罗盘；密封外壳的底部通过转轴与指示器相连，指示器可在水流作用下沿转轴在水平面上自由转动；

所述指示器包括头部和尾翼，尾翼上设有光源，光源用于垂直向上发射光束，光束可被红外传感模块接收；所述红外传感模块用于当接收到光束时触发电子罗盘工作，电子罗盘用于记录其自身相对于主轴的实时方向并经处理器模块处理后得到水流流向；

所述头部与尾翼之间连接有弹簧；所述红外传感模块还用于将接收光束的时刻直接传送至处理器模块；处理器模块用于根据弹簧应变与光束信号出现时间及水流流速之间的已知关系式，计算出水流流速。

本公开的第二方面提供了一种地下水流速流向测量仪，其具有成本合理、适用性好且精度高的效果。

本公开的第二方面的一种地下水流速流向测量仪的技术方案为：

一种地下水流速流向测量仪，包括：

上述所述的水下探测器；

地面操作部分，所述地面操作部分与水下探测器通过缆线连接。

进一步地，所述地面操作部分，包括绞车，所述绞车上设有操作面板，所述操作面板与处理器模块相连。

进一步地，所述操作面板还与储存器相连。

本公开的第三方面提供了一种地下水流速流向测量仪的工作方法。

本公开的第三方面的一种地下水流速流向测量仪的工作方法的技术方案为：

一种地下水流速流向测量仪的工作方法，包括：

水下探测器被下降到指定深度；

地下水流速流向测量仪静置预设时间且指示器指向正确后，利用操作面板启动水下探测器并设定红外传感模块的旋转速度，由处理器模块自动将得到的水流流向和水流流速结果显示在操作面板上，同时记录在储存器中；

某一深度地下水数据测出后，利用操作面板关闭地下水流速流向测量仪，水下探测器被放至下一待测深度，重复上一步骤。

本公开的有益效果是：

(1)本公开的水下探测器和地下水流速流向测量仪均包括红外传感器模块及光源，其利用光电效应，将光信号转化为电信号的方式识别地下水流速、流向，灵敏度和精确度高。

(2)本公开的流速流向指示器部分结构简单可靠，可根据不同的流速更换劲度系数不同的弹簧，适用范围广泛。

(3)本公开的水下探测器和地下水流速流向测量仪原理简单，操作要求低，成本低廉。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例提供的一种水下探测器结构示意图。

图2是本公开实施例提供的一种地下水流速流向测量仪结构示意图。

其中，1-红外传感模块；2-电子罗盘；3-指示器；4-光源；5-密封玻璃；6-动力组件；7-处理器模块；8-金属配重；9-主轴；10-密封外壳；11-缆线；12-绞车；13-操作面板。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

如图1所示，本实施例的水下探测器，包括：

密封外壳10，其内设有主轴9、红外传感模块1和处理器模块7；红外传感模块1可绕主轴9以固定角速度沿水平面转动；红外传感模块1上设有电子罗盘2；密封外壳10的底部通过转轴与指示器3相连，指示器3可在水流作用下沿转轴在水平面上自由转动；

所述指示器3包括头部和尾翼，尾翼上设有光源4，光源4用于垂直向上发射光束，光束可被红外传感模块1接收；所述红外传感模块1用于当接收到光束时触发电子罗盘2工作，电子罗盘2用于记录其自身相对于主轴的实时方向并经处理器模块7处理后得到水流流向；

所述头部与尾翼之间连接有弹簧；所述红外传感模块还用于将接收光束的时刻直接传送至处理器模块；处理器模块将根据弹簧应变与光束信号出现时间及水流流速之间的已知关系式，计算出水流流速。

在具体实施中，所述处理器模块用于计算光束被红外传感模块接收到时电子罗盘的第一个方向读数和最后一个方向读数的均值，作为水流流向。

例如：流向计算公式为：

θ＝(θ₁+θ₂)/2

其中，θ₁和θ₂分别为光信号被红外传感模块接收到时第一个和最后一个罗盘方向读数，取平均值θ作为流向。

处理器模块在计算水流流速的过程中，弹簧在弹性变形阶段内工作，所受拉力符合胡克定律：

F＝k·Δx

指示器上尾翼受水流作用，在金属杆上形成一个与弹簧拉力大小相等，方向相反的拉力，可表示为：

k·Δx＝0.5CρSV²

其中，k为劲度系数，Δx为弹簧形变量，C为阻力系数，ρ为水的密度，S为垂直方向横截面积，V是水的流速。

弹簧变形量Δx与光束信号出现时间的关系可用下式求解：

其中,a为矩形红外传感器短边长，r₀为水流在静止状态时光源到主轴的距离，为预设的旋转角速度，t₁为光束信号出现时长。

通过上述弹簧变形量、光束信号出现时间以及水的流速之间的关系，即可求出水的流速。

具体地，所述头部包括空心柱，所述空心柱前端由锥形整流罩密封，空心柱后端插入一根杆，所述杆与锥形整流罩之间通过弹簧连接，所述杆的另一端连接尾翼。

作为一种可选的实施方式，空心柱可为空心圆柱筒。

其中，空心圆柱筒在水中的阻力较小，可作为一种优选实施方式。

需要说明的是，空心柱也可采用其他形状的柱体。

作为一种可选的实施方式，所述尾翼为垂直于水平面的V形尾翼。

作为另一种可选的实施方式，所述尾翼也可为圆锥形或其它形状。

需要说明的是，尾翼选择V形能够更方便的在尾翼后方布置光源，同时在水流作用下产生阻力拖拽弹簧。

在具体实施中，所述红外传感器模块在动力组件的驱动下绕主轴旋转。

具体地，动力组件包括：电动马达、齿轮组、传动轴以及外壳。

红外传感器模块由若干个红外传感器构成。

在具体实施中，所述主轴上装有金属配重，以保证仪器在水中的稳定性。

具体地，所述密封外壳的底部为透明材质制成；例如采用密封玻璃5来实现。

在具体实施中，转轴为第一滚珠轴承；

在具体实施中，主轴与密封外壳之间由第二滚珠轴承连接。

实施例2

如图2所示，本实施例的一种地下水流速流向测量仪，包括：

如图1所示的水下探测器；

地面操作部分，所述地面操作部分与水下探测器通过缆线11连接。

在具体实施中，所述地面操作部分，包括绞车12，所述绞车上设有操作面板13，所述操作面板13与处理器模块7相连。

具体地，操作面板包括：显示器、相关按键、储存器。

其中，储存器可为ROM或USB等数据存储设备。

实施例3

本实施例的地下水流速流向测量仪的工作方法，包括：

步骤1：水下探测器被下降到指定深度。

在步骤1之前，还包括用缆线连接探测器部分和绞车，通过操作面板试运行检查探测器内装置运行是否正常，检查探测器的水密性，检查无误后打开流速流向指示器上的光源。

具体地，以钻孔为例，将探测器部分放入钻孔中，通过观测缆绳上的刻度，用绞车上的摇把匀速将探测器下降到指定深度。

步骤2：地下水流速流向测量仪静置预设时间(例如：10s)且指示器指向正确后，利用操作面板启动水下探测器并设定红外传感模块的旋转速度，由处理器模块自动将得到的水流流向和水流流速结果显示在操作面板上，同时记录在储存器中。

具体地，根据操作者的需求可在同一深度记录一组或多组数据。如弹簧变形过大超出胡克定律使用范畴，处理器将在操作面板显示器上显示超出测量范围，此时应更换劲度系数更大的弹簧。

步骤3：某一深度地下水数据测出后，利用操作面板关闭地下水流速流向测量仪，水下探测器被放至下一待测深度，重复上一步骤。

当测得全部数据后，用绞车匀速收回探测器，尽量避免探测器在钻孔中和孔壁的摩擦碰撞。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种水下探测器，其特征在于，包括：

密封外壳，其内设有主轴、红外传感模块和处理器模块；红外传感模块可绕主轴以固定角速度沿水平面转动；红外传感模块上设有电子罗盘；密封外壳的底部通过转轴与指示器相连，指示器可在水流作用下沿转轴在水平面上自由转动；

所述指示器包括头部和尾翼，尾翼上设有光源，光源用于垂直向上发射光束，光束可被红外传感模块接收；所述红外传感模块用于当接收到光束时触发电子罗盘工作，电子罗盘用于记录其自身相对于主轴的实时方向并经处理器模块处理后得到水流流向；

所述头部与尾翼之间连接有弹簧；所述红外传感模块还用于将接收光束的时刻直接传送至处理器模块；处理器模块用于根据弹簧应变与光束信号出现时间及水流流速之间的已知关系式，计算出水流流速。

2.如权利要求1所述的一种水下探测器，其特征在于，所述处理器模块用于计算光束被红外传感模块接收到时电子罗盘的第一个方向读数和最后一个方向读数的均值，作为水流流向。

3.如权利要求1所述的一种水下探测器，其特征在于，所述头部包括空心柱，所述空心柱前端由锥形整流罩密封，空心柱后端插入一根杆，所述杆与锥形整流罩之间通过弹簧连接，所述杆的另一端连接尾翼。

4.如权利要求3所述的一种水下探测器，其特征在于，所述尾翼为垂直于水平面的V形尾翼。

5.如权利要求1所述的一种水下探测器，其特征在于，所述红外传感器模块在动力组件的驱动下绕主轴旋转。

6.如权利要求1所述的一种水下探测器，其特征在于，所述主轴上装有金属配重，以保证仪器在水中的稳定性；

或所述密封外壳的底部为透明材质制成；

或所述转轴为第一滚珠轴承；

或所述主轴与密封外壳之间由第二滚珠轴承连接。

7.一种地下水流速流向测量仪，其特征在于，包括：

如权利要求1-6中任一项所述的水下探测器；

地面操作部分，所述地面操作部分与水下探测器通过缆线连接。

8.如权利要求7所述的一种地下水流速流向测量仪，其特征在于，所述地面操作部分，包括绞车，所述绞车上设有操作面板，所述操作面板与处理器模块相连。

9.如权利要求8所述的一种地下水流速流向测量仪，其特征在于，所述操作面板还与储存器相连。

10.一种如权利要求7-9中任一项所述的地下水流速流向测量仪的工作方法，其特征在于，包括：

水下探测器被下降到指定深度；

地下水流速流向测量仪静置预设时间且指示器指向正确后，利用操作面板启动水下探测器并设定红外传感模块的旋转速度，由处理器模块自动将得到的水流流向和水流流速结果显示在操作面板上，同时记录在储存器中；

某一深度地下水数据测出后，利用操作面板关闭地下水流速流向测量仪，水下探测器被放至下一待测深度，重复上一步骤。