CN110361069A - 一种波浪剖面的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪剖面的测量方法，包括：将多个同种导电材质的探极丝均匀等间隔排列组成探极丝列；将探极丝列插入液面后轮流通电，通过控制采集系统采集并处理探极丝列产生的信号，还公开了一种波浪剖面的测量装置，包括插入波浪中测量的探极丝列，探极丝列通过控制系统输入信号并输出计算最终结果，探极丝列包括若干个相互平行等间隔排列的探极丝，所有的探极丝通过矩形框架固定，每一根探极丝上下大小形状一致，本发明克服了传统电阻式浪高仪只能空间的单点测定波形的局限性，并且解决了浪高仪丝列的信号干扰问题，实现了高精度、响应快和波浪场实时还原的有机统一。
Description
技术领域
本发明涉及船舶与海洋工程的模型试验技术领域，具体而言，本发明涉及一种波浪剖面的测量方法及装置。
背景技术
在船舶与海洋工程的模型试验领域，波浪作为施加在海洋工程结构物上的主要外载荷，实时并准确地测定其波形、波幅以及对海洋结构物的砰击上浪等现象是极为重要的。在水池试验中，主要用浪高仪来测定水池中所产生的波浪高度，目前常用的是接触式浪高仪(电阻式及电容式)和非接触式浪高仪。
接触式浪高仪，包括电阻式和电容式浪高仪的工作原理是传感器在水中的电阻变化或电容变化随水位的变化发生明确的线性变化。经对现有技术文献的检索发现，杨建民和顾海粟等(2007)发表的专利文献——《电阻式浪高仪》(专利号为CN101008580)中表示：该发明提供的电阻式浪高仪不仅具有精度高、响应快等特点，而且能克服电容式浪高仪易零漂、不稳定等不足。王惠玲(2005)在《波浪的光学测量法研究》一文中阐述：CCD摄像式浪高仪的工作原理是利用图像传感器摄取波浪运动的信息，经图像采集卡采集和预处理后送入计算机进行数字图像处理,最后得到波浪运动的参数，这种波浪测定方式可以实现波浪场的全场测定及实验现象的有效记录。
但是，接触式浪高仪，包括电阻式和电容式浪高仪都只能空间的单点测定波高的时历曲线，且浪高仪之间的布置间距至少不小于5公分，否则互相干扰十分严重；CCD摄像式浪高仪的测量精度由于光学误差难以保证，并且成本较高、安装复杂，难于用于实时测量方面。
到目前为止，在船舶与海洋工程的模型试验领域，常用的传统单点式浪高仪以及CCD摄像式浪高仪都存在各自的局限性，尤其在非线性波浪的测定中，而传统的多点测量时采用多个浪高仪同时通电测量，导致浪高仪之间产生较大的干扰，始终没有一种良好的测定装置或方法，能够实现实时准确的测定一定范围内的波浪。
发明内容
为了寻找更为有效的实现方案，本发明提供了一种波浪剖面的测量方法及装置，在进行波浪测量时，实现了高精度、响应快和波浪场实时还原的有机统一，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明公开了一种波浪剖面的测量方法，包括：
将多个同种导电材质的探极丝均匀等间隔排列组成探极丝列；
将探极丝列通电后插入液面，通过控制采集系统采集并处理探极丝列产生的信号，根据处理后的信号得到液面波浪形状。
优选地，所述探极丝采用电阻式传感器，所述探极丝列外部通过矩形框架固定，所述矩形框架包括两块相互平行的矩形有机玻璃板和两个相互平行的实心柱体。
优选地，所述探极丝的两端分别连接在矩形有机玻璃板上，且每一个探极丝均与实心柱体相互平行。
优选地，相邻的所述探极丝之间的间隔小于15mm。
优选地，所述探极丝列的轮流通电时，在任意时刻，有且只有一组相邻的两个探极丝处于通电状态，所述探极丝列的按照排列顺序依次对相邻的两个探极丝通电。
优选地，所述探极丝列的探极丝的测量时间小于0.001s，所述探极丝列在通电测量时，有且仅有相邻的两根探极丝通电。
优选地，还包括在测量波浪液面之前通过计算机设定标定系数，所述标定系数为电阻式浪高仪的电压信号和直接读取波浪升高的转换系数。
优选地，所述控制采集系统通过计算机实现人机交互控制，且所述控制采集系统接收并处理探极丝列的信号之后，通过计算机显示出来，所述控制采集系统还包括一台用于信号输入输出的采集仪表箱和用于供电的电源，所述采集仪表箱用于输入扫描电压至探极丝列、接收并放大探极丝列输出的信号。
本发明还公开了一种波浪剖面的测量装置，包括插入波浪中测量的探极丝列，所述探极丝列通过控制系统输入信号并输出计算最终结果，所述探极丝列包括若干个相互平行等间隔排列的探极丝，所有的探极丝通过矩形框架固定，任意正在通电的相邻两根探极丝作为探极实时测量当前自由液面的位置，每一根探极丝上下大小形状一致。
优选地，所述控制系统包括用于人机交互的计算机和用于信号输入输出的采集仪表箱，所述采集仪表箱通过信号线将扫描电压信号输出到探极丝列，所述探极丝列通过信号输入插座将测量波浪液面的信号输入到采集仪表箱。
与现有技术相比，本发明的一种波浪剖面的测量方法具有如下有益效果：
克服了传统电阻式浪高仪只能空间的单点测定波形的局限性，通过轮流通电的方法，使得探极丝列在测量时，有且只有一组相邻的两根探极丝丝通电，从而解决了浪高仪丝列的信号干扰问题，同时采用电阻式浪高仪测量，具有高精度和响应快的特点，从而实现了高精度、响应快和波浪场实时还原的有机统一。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明所述的实施例的波浪测量结果图；
图2为本发明的波浪剖面测量装置操作流程示意图；
图3为本发明的采集综合仪表箱工作示意图；
图4为本发明的波浪剖面测量方法流程示意图；
图5为本发明的波浪剖面测量装置工作原理示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
请参阅图1至图5，本发明实施例一种波浪剖面的测量方法，包括：
将多个同种导电材质的探极丝均匀等间隔排列组成探极丝列；
其中，所述探极丝列外部通过矩形框架固定，所述矩形框架包括两块相互平行的矩形有机玻璃板和两个相互平行的实心柱体，所述探极丝的两端分别连接在矩形有机玻璃板上，且每一个探极丝均与实心柱体相互平行，利用矩形框架将探极丝列之间合并组装在一起，保证固定，在插入波浪液面中进行检测的时候，保证整个装置不会出现损坏，起到了良好的保护作用。
进一步的，在本方案中，相邻的所述探极丝之间的间隔小于15mm，为了保证相邻的探极丝在进行检测的时候的准确性，将相邻的探极丝的间隔设置小于15mm，保证相邻的探极丝的检测范围波动不会过大，从而使得相邻的两个探极丝在测量时过度更加平稳，不会出现极端的情况，有利于得出合理的波浪模型。
进一步的，相邻的探极丝之间的距离也不能过小，以相互之间不产生干扰为准，从而提高监测结果的准确性。
在本实施例中，相邻的探极丝之间的距离为10mm～15mm之间，以保证有效的检测距离。
还需要说明的是，探极丝的整体长度不作特别限制，以可以完全测量波浪深度为准。
将探极丝列通电后插入液面，通过控制采集系统采集并处理探极丝列产生的信号，在探极丝列插入波浪液面之后轮流通电，由于不同的波浪高度对应产生的电压信号不一样，会产生不同的信号，通过控制采集系统采集并处理之后，传输到计算机中显示出来，从而就可以完成整个波浪的测量和展示过程。
优选地，所述探极丝列采用的是轮流通电，在任意时刻，有且只有一组相邻的两个探极丝处于通电状态，所述探极丝列的按照排列顺序依次对相邻的两个探极丝通电，通过轮流通电的方式，使得探极丝列内部任意时间内有且只有一组相邻的两个探极丝处于通电状态，从而在探极丝距离较近时消除干扰作用，通过高频的扫描式测量，实现波浪剖面的测量，相对于传统的单点测量，可以更加准确的展示波浪形状及变化过程，同时解决现有技术中利用两个浪高仪测量时容易出现干扰的问题。
其中，所述控制采集系统通过计算机实现人机交互控制，且所述控制采集系统接收并处理探极丝列的信号之后，通过计算机显示出来，计算机还可以设置采样频率(不低于25Hz)，控制测量、采样、滤波及记录等开关。
进一步的，在进行实际测量之前，为了更好的展示测量结果，需要通过计算机提前设定标定系数，方便计算机显示，此处的标定系数即电阻式浪高仪的电压信号和直接读取波浪升高的转换系数，根据输出的电压信号将对应波浪高度表示出来。
所述探极丝列的信号在计算机显示之前，通过直流放大器和滤波器过滤处理，通过直流放大器和滤波器的过滤处理，主要是为了减小输出的电压信号中的干扰信号，提高测量结果的准确性。
所述探极丝列的探极丝的测量时间小于0.001s，测量时间为整个探极丝列的测量时间，在0.001s内完成测量，可以有效保证最终结果的准确性，避免测量时间过长，导致测量结果和实际数据偏差过大，因为波浪变化的快速向，长时间测量无法满足波浪的快速变动情况。
所述控制采集系统还包括一台用于信号输入输出的采集仪表箱和用于供电的电源，所述采集仪表箱用于输入扫描电压至探极丝列、接收并放大探极丝列输出的信号。
其中，整个系统的工作过程为：
首先，电源经导线与振荡器连接，通过振荡器输出扫描电压信号，频率为1000Hz以上；
接着，扫描电压信号进入浪高仪探极丝列，此时浸在水中通电的两根相邻探极获得了由于波浪高度发生变化的物理信号，通过仪表箱后板的信号输入插座进行接收；
在测量过程中，波浪高度变化的物理信号的获取的原理：探极入水深度与探极电阻成反比，而探极电阻与输出电压成反比，即输出电压与探极入水深度成正比，从而物理信号转换为电压信号输入到了仪表箱。
最后，采样获取的线性电压信号经过直流放大器、滤波器等处理获得满足要求的模拟信号，并由仪表箱后板的输出插座输出到计算机，从而将波浪变化的形状在计算机上展示出来，完成波浪测量过程。
将探极丝放入水中后，相近的两根探极丝将与测量电路闭合，随着深入水中的不同高度，两根探极丝之间的电阻将发生变化，通过设定标定系数(针对给定的浸没深度，测量电压)，可以得到水位-电阻-测量电压之间的对应关系，测量在任意水深中的测量电路电压变化，通过换算得到水位。为提高测量精度，实际测量通过了若干放大电路进行，通过轮流通电的方法，一次性测量所有位置的水位，得到自由液面的形状。
需要补充说明的是，在本方案中，所述控制采集系统采用的是现有技术，能够实现本方案中的要求均可，此处不作特别要求，而控制采集系统中的采集仪表箱是现有设备，用于实现信号的输入输出。
实施例
如图1所示，现以具体的参数为例说明，探极丝列维一组平行排列的电阻式传感器，由16个探极丝组成，每一个探极丝之间等间距平行排列，相邻的的探极丝之间的间隔为12～15mm，且每一个探极丝都采用相同的导电材料，且每一个探极丝上下大小形状一致，长度为1m，直径为0.1～0.5mm。
具体的测量结果如图1所示，测量过程如图2和图3所示。
具体测量时，首先，在已经标定好的阵列电阻式浪高仪垂直浸入一定水深并固定约束于波浪水槽中，并在交互控制端开启控制软件，设定相关参数；
其次，设定合适的标定系数，电源经导线与振荡器连接，通过振荡器输出扫描电压信号，频率为1000Hz以上；
描电压信号进入浪高仪探极丝列，此时浸在水中通电的两根相邻探极获得了由于波浪高度发生变化的物理信号，测量过程在00001s内完成，
连接采样仪表箱的输入信号线、输出信号线、接地线以及电源线，并打开开关；最后，在波浪水槽中制造规则波等波浪环境的变化，在交互控制端开启采样和记录开关进行波浪阵列的扫测。
本发明进一步公开了一种波浪剖面的测量装置，包括插入波浪中测量的探极丝列，所述探极丝列通过控制系统输入信号并输出计算最终结果，所述探极丝列包括若干个相互平行等间隔排列的探极丝，所有的探极丝通过矩形框架固定，任意正在通电的相邻两根探极丝作为探极实时测量当前自由液面的位置，每一根探极丝上下大小形状一致。
将探极丝列通电后插入液面，通过控制系统采集并处理探极丝列产生的信号，在探极丝列通电并插入波浪液面之后，由于不同的波浪高度对应产生的电压信号不一样，会产生不同的信号，通过控制系统采集并处理之后，传输到计算机中显示出来，从而就可以完成整个波浪的测量和展示过程。
所述控制系统包括用于人机交互的计算机和用于信号输入输出的采集仪表箱，所述采集仪表箱通过信号线将扫描电压信号输出到探极丝列，所述探极丝列通过信号输入插座将测量波浪液面的信号输入到采集仪表箱。
其中，所述控制系统通过计算机实现人机交互控制，且所述控制系统接收并处理探极丝列的信号之后，通过计算机显示出来，计算机还可以设置采样频率(不低于25Hz)，控制测量、采样、滤波及记录等开关。
进一步的，在进行实际测量之前，为了更好的展示测量结果，需要通过计算机提前设定标定系数，方便计算机显示，此处的标定系数即电阻式浪高仪的电压信号和直接读取波浪升高的转换系数，根据输出的电压信号将对应波浪高度表示出来。
所述探极丝列的信号在计算机显示之前，通过直流放大器和滤波器过滤处理，通过直流放大器和滤波器的过滤处理，主要是为了减小输出的电压信号中的干扰信号，提高测量结果的准确性。
所述探极丝列的探极丝的测量时间不超过0.001s，测量时间为整个探极丝列的测量时间，在0.001s内完成测量，可以有效保证最终结果的准确性，避免测量时间过长，导致测量结果和实际数据偏差过大，因为波浪变化的快速向，长时间测量无法满足波浪的快速变动情况。
在测量过程中，波浪高度变化的物理信号的获取的原理：探极入水深度与探极电阻成反比，而探极电阻与输出电压成反比，即输出电压与探极入水深度成正比，从而物理信号转换为电压信号输入到了仪表箱。
最后，采样获取的线性电压信号经过直流放大器、滤波器等处理获得满足要求的模拟信号，并由仪表箱后板的输出插座输出到计算机，从而将波浪变化的形状在计算机上展示出来，完成波浪测量过程。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，包括：
将多个同种导电材质的探极丝均匀等间隔排列组成探极丝列；
将探极丝列插入液面后轮流通电，通过控制采集系统采集并处理探极丝列产生的信号，根据处理后的信号得到液面波浪形状。
2.如权利要求1所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，所述探极丝采用电阻式传感器，所述探极丝列外部通过矩形框架固定，所述矩形框架包括两块相互平行的矩形有机玻璃板和两个相互平行的实心柱体。
3.如权利要求2所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，所述探极丝的两端分别连接在矩形有机玻璃板上，且每一个探极丝均与实心柱体相互平行。
4.如权利要求3所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，相邻的所述探极丝之间的间隔小于15mm。
5.如权利要求1所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，所述探极丝列的轮流通电时，在任意时刻，有且只有一组相邻的两个探极丝处于通电状态，所述探极丝列的按照排列顺序依次对相邻的两个探极丝通电。
6.如权利要求5所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，所述探极丝列的探极丝的测量时间小于0.001s，所述探极丝列在通电测量时，有且仅有相邻的两根探极丝通电。
7.如权利要求1所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，还包括在测量波浪液面之前通过计算机设定标定系数，所述标定系数为电阻式浪高仪的电压信号和直接读取波浪升高的转换系数。
8.如权利要求1所述的一种波浪剖面的测量方法，其特征在于，所述控制采集系统通过计算机实现人机交互控制，且所述控制采集系统接收并处理探极丝列的信号之后，通过计算机显示出来，所述控制采集系统还包括一台用于信号输入输出的采集仪表箱和用于供电的电源，所述采集仪表箱用于输入扫描电压至探极丝列、接收并放大探极丝列输出的信号。
9.一种波浪剖面的测量装置，其特征在于，包括插入波浪中测量的探极丝列，所述探极丝列通过控制系统输入信号并输出计算最终结果，所述探极丝列包括若干个相互平行等间隔排列的探极丝，所有的探极丝通过矩形框架固定，任意正在通电的相邻两根探极丝作为探极实时测量当前自由液面的位置，每一根探极丝上下大小形状一致。
10.根据权利要求9所述的一种波浪剖面的测量装置，其特征在于，所述控制系统包括用于人机交互的计算机和用于信号输入输出的采集仪表箱，所述采集仪表箱通过信号线将扫描电压信号输出到探极丝列，所述探极丝列通过信号输入插座将测量波浪液面的信号输入到采集仪表箱。
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