CN110596419B - 一种铅鱼用多普勒流速仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅鱼用多普勒流速仪，包括信号获取模块、信号处理模块、锂电池和单片机，所述信号获取模块包括多普勒探头和铅鱼信号获取模块，所述多普勒探头设置在所述铅鱼的前端，所述信号处理模块固定在所述铅鱼的后端或者中部；所述单片机从所述铅鱼信号获取模块中获取铅鱼信号，并传递给所述信号处理模块；所述信号处理模块与所述多普勒探头连接，并接收所述多普勒探头发送过来的流速信号；所述信号处理模块对接收到的铅鱼信号和流速信号进行处理后，通过所述单片机控制传递给水文缆道测流系统。本发明采用多普勒探头，用超声波技术探测流速，测量范围广，测量的数据精度高。
Description
技术领域
本发明涉及水文测试的流速仪领域，更具体地说，它涉及一种铅鱼用多普勒流速仪。
背景技术
目前国家正在加大发展水文的力度，要求科技的创新。而现有技术中主要使用的是旋浆流速仪、旋杯流速仪、拖拽式多普勒流速仪来进行水文测试。旋浆流速仪、旋杯流速仪都属于转子式流速仪，工作原理基本相同，是利用水流动力推动转子旋转，再经过K、C、N计算出流速，流速计算公式：V＝KN+C；公式中：V-流速(m/s)；N-双音频信号个数；K-常数；C-仪器校准系数。现有技术中依靠这种方式进行水文流速流量测量都遇到了几个同样的问题：第一，由于环境富营养化，河流水道中水草大量繁殖，致使传统流速仪(旋浆、旋杯)经常被缠绕，致使测量中断或无法测量或测量数据误差；第二、河道中垃圾杂物很多，极易造成传统流速仪(旋浆、旋杯)损坏；第三、每施测一定时间后需重新校准流速仪的K、C、N值，并且不能长期将流速仪置于室外，长期风吹转动将很快造成K、C、N值偏移或报废。第四、传统流速仪的测量范围较小、分别有低速流速仪和高速流速仪，如果河流流速范围较大，就需要配两个流速仪。第五、由于传统流速仪不能长期置于室外，每次测流都需要人工到现场安装流速仪，每个水文站需要安排人员值守，加大了人工成本，实现远程测流较麻烦。而目前现有技术中已有的拖拽式多普勒流速仪，不能进入到水中测流，一般测流范围是0.3-5m/s。因此需要针对上述问题，进行进一步研究。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种铅鱼用多普勒流速仪，其至少解决了上述部分技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案:
一种铅鱼用多普勒流速仪，包括信号获取模块、信号处理模块、锂电池和单片机，所述信号获取模块包括多普勒探头和铅鱼信号获取模块，所述多普勒探头设置在所述铅鱼的前端，所述信号处理模块固定在所述铅鱼的后端或者中部，所述锂电池固定在所述信号处理模块上；所述单片机从所述铅鱼信号获取模块中获取铅鱼信号，并传递给所述信号处理模块；所述信号处理模块与所述多普勒探头连接，并接收所述多普勒探头发送过来的流速信号；所述信号处理模块对接收到的铅鱼信号和流速信号进行处理后，通过所述单片机控制传递给水文缆道测流系统。
采用上述方案，通过单片机进行控制，采用多普勒探头进行完成测流。
进一步优选为：所述单片机控制所述锂电池为所述多普勒探头和所述信号处理模块供电，并对所述锂电池的电压进行监控；当所述锂电池的电压低于预设阈值时，所述单片机控制通过薄膜太阳能板对所述锂电池充电。
采用上述方案，使用锂电池供电，太阳能进行浮充电，节能环保，同时保证铅鱼多普勒流速仪可以长期外挂在铅鱼上。实现远程测流，并降低人工成本。
进一步优选为：所述多普勒探头包括前壳体、中壳体和后壳体，所述中壳体外部为不锈钢身架结构，所述中壳体里面设有探头主板；所述后壳体设有探头线缆，所述探头线缆一端从所述后壳体穿入到所述中壳体与所述探头主板连接，另一端与所述信号处理模块相连；所述前壳体设有超声波装置，所述超声波装置包括声波接收头和声波发射头，所述声波接收头和所述声波发射头连接，并共同由所述探头主板控制。
采用上述方案，使用金属外壳，不惧泥沙堵塞和水草缠绕，探头坚固耐用，不怕被外物撞击，适用各种河流环境。用超声波技术探测流速，测量点在探头前方，流场不会被破坏，测量的数据精度高。
进一步优选为：所述后壳体还设有探头防水螺丝和防水挡圈，所述探头线缆由所述探头防水螺丝和所述防水挡圈共同固定密封；所述前壳体还设有防水接头，所述防水接头将所述超声波装置和所述探头主板连接。
采用上述方案，对探头进行良好的密封处理，使得多普勒探头能够伸入水下进行测流，测量数据更精确。
进一步优选为：所述铅鱼信号获取模块包括水阻开关、陀螺仪传感器和GPS传感器；所述水阻开关获取所述铅鱼的入水信号，并传递给所述单片机；所述陀螺仪传感器获取所述铅鱼的移动信号，并传递给所述单片机；所述GPS传感器获取所述铅鱼的水平位移信号，并传递给所述单片机。
采用上述方案，通过单片机根据铅鱼的动作进行有效控制，保证铅鱼用多普勒流速仪的低功耗，节约能源。
进一步优选为：：所述信号处理模块包括数据采集处理模块和双音频信号处理模块，所述单片机接收所述多普勒探头检测到的流速信号，并通过所述数据采集处理模块处理后形成开关信号，再传递给所述双音频信号处理模块；所述双音频信号处理模块和所述单片机将所述开关信号转换成双音频信号，再传递给所述水文缆道测流系统。
采用上述方案，能够对信号进行有效处理，防止干扰。
进一步优选为：当所述单片机没有接收到所述水阻开关、陀螺仪传感器和GPS传感器传递过来的信号时，所述单片机控制所述锂电池停止为所述多普勒探头和所述信号处理模块供电，并进入休眠模式；当所述单片机接收到所述水阻开关、陀螺仪传感器或GPS传感器传递过来的信号时，所述单片机控制所述锂电池开始为所述多普勒探头和所述信号处理模块供电，并进入工作模式。
采用上述方案，通过单片机进行有效控制，保证铅鱼用多普勒流速仪的低功耗，节约能源。
进一步优选为：所述信号处理模块包括箱体，所述箱体为不锈钢身架结构，所述箱体的中部设有夹持固定结构，所述夹持固定结构将所述箱体固定在所述铅鱼上，所述箱体的内部设有处理主板、主板保持架和主板固定螺丝，所述主板固定螺丝将所述处理主板固定在所述主板保持架上，所述箱体包括前端部，所述水阻开关固定在所述前端部上并与所述处理主板电连接。
采用上市方案，通过信号处理模块硬件设置，实现信号有效处理。
进一步优选为：所述前端部上设有尼龙头，所述尼龙头套设在所述水阻开关上，以对所述水阻开关进行信号绝缘。
采用上述方案，能够保证水阻开关进行有效信号获取，确保铅鱼入水时，及时传递出信号，启动系统工作。
进一步优选为：所述锂电池固定在所述箱体内，所述前端部包括充电孔端盖，所述充电孔端盖上设有用于向所述单片机发送数据和给所述锂电池充电的航空插头；所述前端部还设有扳手孔位，用于扭开前端部，以对所述处理主板进行检查。
采用上述方案，能够对锂电池进行保护和检查。
综上所述，本发明具有以下有益效果：1、本发明提供的铅鱼用多普勒流速仪采用的是微型多普勒探头，无转动部件，使用金属外壳，不惧泥沙堵塞和水草缠绕，探头坚固耐用，不怕被外物撞击，适用各种河流环境。2、本发明提供的多普勒流速仪用超声波技术探测流速，测量点在探头前方，流场不会被破坏，测量的数据精度高，测流线性，而K、C、N是经过流速推导而来，不会发生变化。不需要进行校准。3、本发明提供的铅鱼用多普勒流速仪使用锂电池供电，太阳能进行浮充电，保证铅鱼多普勒流速仪可以长期外挂在铅鱼上。实现远程测流，并降低人工成本。4、本发明提供的铅鱼用多普勒流速仪是将探头放入河水中，测量数据更精确，这样也使得流速仪测量范围广，能够达到0.02-7m/s,且精度高，精确到1mm，一个流速仪可以实现低速、中速、高速的测量。
附图说明
图1是本发明一实施例中一种铅鱼用多普勒流速仪的系统框图；
图2是本发明一实施例中一种铅鱼用多普勒流速仪的系统中信号处理模块的框图；
图3是本发明一实施例中一种铅鱼用多普勒流速仪的多普勒探头的结构示意图；
图4是本发明一实施例中一种铅鱼用多普勒流速仪的信号处理模块部分的结构示意图；
图5是本发明一实施例中一种铅鱼用多普勒流速仪的信号处理模块部分的结构左视图；
图中，10、多普勒探头；11、后壳体；12、中壳体；13、前壳体；121、探头主板；111、探头线缆；112、探头防水螺丝；113、防水挡圈；131、声波发射头；132、声波接收头；133、防水接头；20、信号处理模块；21、夹持固定结构；22、处理主板；221、主板保持架；222、主板固定螺丝；23、前端部；231、尼龙头；232、航空插头；233、扳手孔位；234、箱体防水螺丝；235、前端部螺丝；236、充电孔端盖；30、水阻开关；40、锂电池。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
在本发明的一个实施例中，参考图1至图5，提供一种铅鱼用多普勒流速仪，包括信号获取模块(未图示)、信号处理模块20、锂电池40和单片机，信号获取模块包括多普勒探头10和铅鱼信号获取模块，多普勒探头10设置在铅鱼的前端，信号处理模块固定在铅鱼的后端或者中部；优选为固定在铅鱼的中部，这样能够减少连接多普勒探头10和信号处理模块之间线缆的长度，避免作业过程中，线缆过长出现问题；同时固定在铅鱼的中部，更加稳固。锂电池40固定在信号处理模块20上，方便作业时，持续供电。单片机从铅鱼信号获取模块中获取铅鱼信号，并传递给信号处理模块20；信号处理模块20与多普勒探头10连接，并接收多普勒探头10发送过来的流速信号；信号处理模块20对接收到的铅鱼信号和流速信号进行处理后，通过单片机控制传递给水文缆道测流系统。应用超声的“多普勒效应”原理制成的多普勒探头10，测量点在探头前方，流场不被破坏，放入河流中测流数据精准。整个流速仪有效完成流速测试，并传递给水文缆道测流系统。
可选地：锂电池40给整个铅鱼用多普勒流速仪供电，薄膜太阳能板给锂电池40充电。单片机控制锂电池40为多普勒探头10和信号处理模块20供电，并对锂电池40的电压进行监控；当锂电池40的电压低于预设阈值时，单片机通过薄膜太阳能板控制对锂电池40充电。这样方便实现远程自动操控，节约人工成本，且系统运行更加得到保障。
可选地：再次参考图2，信号处理模块20包括数据采集处理模块和双音频信号处理模块20，单片机接收多普勒探头10检测到的流速信号，并通过数据采集处理模块处理后形成开关信号，再传递给双音频信号处理模块20；双音频信号处理模块20和单片机将开关信号转换成双音频信号，再传递给水文缆道测流系统。信号的双音频处理模块接收到流速信号，为开关信号，使用单片机和双音频芯片把流速信号转换成双音频信号，再通过缆道将双音频信号发送回站房，加大信号的抗干扰能力。结合到整个系统中，多普勒探头进入河水中采集流速数据，再将流速数据发送给单片机接收，单片机接收到流速数据，再根据传统流速仪流速计算公式(V＝KN+C)，计算出自己的K、C、N值，实时的转换成流速开关信号，并将开关信号发送给信号的双音频处理模块进行进一步处理。
可选地：铅鱼信号获取模块包括水阻开关30、陀螺仪传感器和GPS传感器；水阻开关30获取铅鱼的入水信号，并传递给单片机；陀螺仪传感器获取铅鱼的移动信号，并传递给单片机；GPS传感器获取铅鱼的水平位移信号，并传递给单片机。具体地，系统中单片机会接收陀螺传感器的信号、GPS移动传感器信号、水阻开关信号。其中，陀螺传感器是铅鱼移动时会产生信号、GPS移动传感器在铅鱼移动一段距离后会产生信号、水阻开关30在进入水中时产生信号。单片机对传感器信号接收、处理并做出对多普勒探头10、数据采集处理模块、信号双音频处理模块的供电控制以及自身休眠的控制。保证铅鱼用多普勒流速仪的低功耗，节约能源。
可选地：当单片机没有接收到水阻开关30、陀螺仪传感器和GPS传感器传递过来的信号时，单片机控制锂电池40停止为多普勒探头10和信号处理模块20供电，并进入休眠模式；当单片机接收到水阻开关30、陀螺仪传感器或GPS传感器传递过来的信号时，单片机控制锂电池40开始为多普勒探头10和信号处理模块20供电，并进入工作模式。当单片机接收到三个信号中的任意一个信号或者多个信号，单片机激活自身，进入工作状态，并发出控制指令，打开多普勒探头、数据采集处理模块、信号双音频处理模块的供电开关。当单片机在没有接收到任意传感器信号后发出控制指令，关掉打开多普勒探头10、数据采集处理模块、信号双音频处理模块的供电开关，并让自身进入休眠状态。结合太阳能薄膜充电以及多普勒探头10的结构，保证铅鱼用多普勒流速仪长期外挂在铅鱼上，可以实现远程测流。在测流时，才通电，其他时间电源系统休眠状态，节约能源。
可选地：再次参考图3，多普勒探头10包括后壳体11、中壳体12和前壳体13，中壳体12外部为不锈钢身架结构，中壳体12里面设有探头主板121；后壳体11设有探头线缆111，探头线缆111一端从后壳体11穿入到中壳体12与探头主板121连接，另一端与信号处理模块20相连；前壳体13设有超声波装置，超声波装置包括声波接收头132和声波发射头131，声波接收头132和声波发射头131连接，并共同由探头主板121控制。多普勒探头10，优选为美国进口的微型多普勒探头，相比于现有的探头结构，本发明提供的多普勒探头10无转动部件，使用金属外壳，为不锈钢身架结构，不惧泥沙堵塞和水草缠绕，探头坚固耐用，不怕被外物撞击，适用各种河流环境。超声波技术探测流速，测量点在探头前方，流场不会被破坏，测量的数据精度高，测流线性，而K、C、N是经过流速推导而来，不会发生变化，不需要进行校准。这样再根据流速计算公式：V＝KN+C；公式中：V-流速(m/s)；N-双音频信号个数；K-常数；C-仪器校准系数。由于K和C均为固定的，同一台多普勒探头的K和C值一定，且设定后不需要再次调整，因此只要根据获得的双音频信号个数即可得到精准的流速数据。多普勒探头10固定在铅鱼的前端，跟随铅鱼放入水中后，超声波发射头131和超声波接收头132配合完成测流，再通过探头主板121和信号处理模块20共同对数据进行处理。
可选地：后壳体11还设有探头防水螺丝112和防水挡圈113，探头线缆111由探头防水螺丝112和防水挡圈113共同固定密封；前壳体13还设有防水接头133，防水接头133将超声波装置和探头主板121连接。对多普勒探头10进行良好的密封设计，能够将其放入河水中，测量数据更精确，范围更广。现有的拖拽式多普勒流速仪探头是在水面上，在流速低于0.3m/s、流速高于5m/s会产生误差。而放入水下的铅鱼用多普勒流速仪测量数据精度达到1mm，范围更广，达到0.02-7m/s，同时一个流速仪可以实现低速、中速、高速的测量。
可选地：再次参考图4至图5，信号处理模块20包括箱体，箱体为不锈钢身架结构，箱体的中部设有夹持固定结构21，夹持固定结构21将箱体固定在铅鱼上，箱体的内部设有处理主板22、主板保持架221和主板固定螺丝222，主板固定螺丝222将处理主板22固定在主板保持架221上，箱体包括前端部23，水阻开关30固定在前端部23上并与处理主板22电连接。可选地：前端部23上设有尼龙头231，尼龙头231套设在水阻开关30上，以对水阻开关30进行信号绝缘。信号处理模块20和多普勒探头10一起固定在铅鱼上，共同放入河水中，其中信号处理模块20通过夹持固定结构21可以固定在铅鱼的中部或者后端都行，结合具体情况进行选择即可，而多普勒探头10就连接在铅鱼的前端，用于流速测量。
可选地：锂电池40固定在箱体内，前端部23包括充电孔端盖，充电孔端盖上设有用于向单片机发送数据和给锂电池40充电的航空插头232；这样设置结构紧凑，航空插头232的选用，能够保证放入水底不影响其后续使用。前端部23还设有扳手孔位233，用于扭开前端部23，以对处理主板22进行检查。这样能够便于对主板进行检查，例如维修、更换等。
本发明中的铅鱼用的多普勒流速仪采用多普勒原理对江河流速进行施测，通过电子电路将多普勒信号转换或与旋浆式流速仪相对应的开关信号，其波形、时钟严格控制，使之达到国家颁布使用标准，实现自动化、免维护的需求。针对多普勒流速仪用于铅鱼缆道测流，其防水深度为水下80米，也就是可以放入水下80米进行测流，同时供电采用水阻开关，即入水后接通电源，减少耗电量，因为用于远程测控，采用太阳能板充电，无需拆卸，相较于传统流速仪每次测流均需拆装不同，为实现无人值守、全自动远程测控提供了有力保障。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：包括信号获取模块、信号处理模块、锂电池和单片机，所述信号获取模块包括多普勒探头和铅鱼信号获取模块，所述多普勒探头设置在所述铅鱼的前端，所述信号处理模块固定在所述铅鱼的后端或者中部，所述锂电池固定在所述信号处理模块上；所述单片机从所述铅鱼信号获取模块中获取铅鱼信号，并传递给所述信号处理模块；所述信号处理模块与所述多普勒探头连接，并接收所述多普勒探头发送过来的流速信号；所述信号处理模块对接收到的铅鱼信号和流速信号进行处理后，通过所述单片机控制传递给水文缆道测流系统；
所述多普勒探头包括前壳体、中壳体和后壳体，所述中壳体外部为不锈钢身架结构，所述中壳体里面设有探头主板；所述后壳体设有探头线缆，所述探头线缆一端从所述后壳体穿入到所述中壳体与所述探头主板连接，另一端与所述信号处理模块相连；所述前壳体设有超声波装置，所述超声波装置包括声波接收头和声波发射头，所述声波接收头和所述声波发射头连接，并共同由所述探头主板控制；
所述铅鱼信号获取模块包括水阻开关、陀螺仪传感器和GPS传感器；所述水阻开关获取所述铅鱼的入水信号，并传递给所述单片机；所述陀螺仪传感器获取所述铅鱼的移动信号，并传递给所述单片机；所述GPS传感器获取所述铅鱼的水平位移信号，并传递给所述单片机；
所述信号处理模块包括数据采集处理模块和双音频信号处理模块，所述单片机接收所述多普勒探头检测到的流速信号，并通过所述数据采集处理模块处理后形成开关信号，再传递给所述双音频信号处理模块；所述双音频信号处理模块和所述单片机将所述开关信号转换成双音频信号，再传递给所述水文缆道测流系统。
2.根据权利要求1所述的一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：所述单片机控制所述锂电池为所述多普勒探头和所述信号处理模块供电，并对所述锂电池的电压进行监控；当所述锂电池的电压低于预设阈值时，所述单片机控制通过薄膜太阳能板对所述锂电池充电。
3.根据权利要求1所述的一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：所述后壳体还设有探头防水螺丝和防水挡圈，所述探头线缆由所述探头防水螺丝和所述防水挡圈共同固定密封；所述前壳体还设有防水接头，所述防水接头将所述超声波装置和所述探头主板连接。
4.根据权利要求1所述的一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：当所述单片机没有接收到所述水阻开关、陀螺仪传感器和GPS传感器传递过来的信号时，所述单片机控制所述锂电池停止为所述多普勒探头和所述信号处理模块供电，并进入休眠模式；当所述单片机接收到所述水阻开关、陀螺仪传感器或GPS传感器传递过来的信号时，所述单片机控制所述锂电池开始为所述多普勒探头和所述信号处理模块供电，并进入工作模式。
5.根据权利要求1所述的一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：所述信号处理模块包括箱体，所述箱体为不锈钢身架结构，所述箱体的中部设有夹持固定结构，所述夹持固定结构将所述箱体固定在所述铅鱼上，所述箱体的内部设有处理主板、主板保持架和主板固定螺丝，所述主板固定螺丝将所述处理主板固定在所述主板保持架上，所述箱体包括前端部，所述水阻开关固定在所述前端部上并与所述处理主板电连接。
6.根据权利要求5所述的一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：所述前端部上设有尼龙头，所述尼龙头套设在所述水阻开关上，以对所述水阻开关进行信号绝缘。
7.根据权利要求5所述的一种铅鱼用多普勒流速仪，其特征在于：所述锂电池固定在所述箱体内，所述前端部包括充电孔端盖，所述充电孔端盖上设有用于向所述单片机发送数据和给所述锂电池充电的航空插头；所述前端部还设有扳手孔位，用于扭开前端部，以对所述处理主板进行检查。
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