CN114441135B - 一种测量坡面薄层水流深度的试验装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量坡面薄层水流深度的试验装置及其工作方法，该装置包括试验水槽、连接支架、设备支架、一字线激光器、工业摄像机和控制装置，所述设备支架经连接支架安装于试验水槽上侧，所述设备支架与连接支架为可固定式转动连接，以调整设备支架的安装角度，所述一字线激光器和工业摄像机安装于设备支架上。该装置通过工业摄像机拍摄实时图像并截取图像，然后利用边缘检测算法提取零水位及水流流经时一字激光线边缘像素点的坐标位置，进而计算坡面薄层水流深度。该装置及方法有利于准确、便捷地测量坡面薄层水流断面上各个位置的水深。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种测量坡面薄层水流深度的试验装置及其工作方法。
背景技术
土壤侵蚀是一种水流与土壤相互作用的复杂物理过程，其中坡面薄层水流是土壤侵蚀过程的主要动力，揭示该过程中发生的水动力学条件及机制，是构建土壤侵蚀仿真模型的基础。水流深度是基本的坡面流水动力学参数之一，通过水深可计算水流功率、水流剪切力、坡面流流速等水动力重要参数，因此，准确测定坡面薄层水流深度至关重要。但坡面流与一般明渠水流不同，其水流深度较浅，并且其运动规律与水力特性十分复杂，这些特点使得准确测量坡面薄层水流深度变得十分困难。
在实验室条件下，特别是定床条件下，常用的水深测定方法包括直接测量和间接测量两类。直接测量多采用直尺、游标卡尺和水深测针，由于坡面流水深很浅，所以需要同时多点、多断面测量，这样就会造成测量耗时长、影响试验进度等问题，并且由人为判断测针是否接触水面的读数方式容易引起测量误差；间接测量法通过测量流量与流速，再通过关系式来推导坡面薄层水流深度，试验时所需获取参数较多，测算过程较为繁琐，其中常用的水流流速测定方法与仪器包括染色法、盐溶液法、热膜流速仪等。上述测量方法与仪器极大地推动了坡面流水动力学参数测定的研究进程，但大多存在着测量效率低、无法保证测量准确性等问题，并且现有技术中大多测量装置对于水深只能逐点进行测量，而不能测定水流断面位置上各个位置的实时水深。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量坡面薄层水流深度的试验装置及其工作方法，该装置及方法有利于准确、便捷地测量坡面薄层水流断面上各个位置的水深。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种测量坡面薄层水流深度的试验装置，包括试验水槽、连接支架、设备支架、一字线激光器、工业摄像机和控制装置，所述设备支架经连接支架安装于试验水槽上侧，所述设备支架与连接支架为可固定式转动连接，以调整设备支架的安装角度，所述一字线激光器和工业摄像机安装于设备支架上，所述一字线激光器、工业摄像机分别与控制装置电性连接，以非接触式测量坡面薄层水流深度。
进一步地，所述连接支架包括固定座、竖向圆杆、异径十字连接件和横向圆杆，所述竖向圆杆和横向圆杆通过异径十字连接件相连接，所述竖向圆杆通过固定座安装于试验水槽边缘，所述横向圆杆与设备支架上的圆孔配合转动连接，并通过定位销进行固定。
进一步地，所述设备支架为弯折型结构，所述一字线激光器、工业摄像机分别安装于弯折型结构的上侧端和下侧部，且工作方向朝向试验水槽。
进一步地，所述试验装置还配设有标定模具，当设备支架下端部嵌入标定模具上的凹槽并与其贴合时，说明设备支架已调整至预先设计的位置和倾斜角度，将设备支架固定并撤离标定模具，即可开始测量水深。
进一步地，所述试验装置还配设有试验水缸。
进一步地，所述控制装置采用树莓派4B微型电脑。
本发明还提供了所述测量坡面薄层水流深度的试验装置的工作方法，包括以下步骤：
1)将试验水槽调整至水平，并将试验水缸放置于试验水槽上；将一字线激光器和工业摄像机安装于设备支架上，并经连接支架安装于试验水槽上，调整设备支架与试验水缸底部的相对位置与倾斜角度，并在整个试验过程中保持固定；
2)启动控制装置、一字线激光器和工业摄像机，通过工业摄像机拍摄实时图像并截取图像，利用边缘检测算法获得零水位时一字激光线边缘像素点的坐标位置；
3)每次注入设定量的清水，使得试验水缸内的水深每次升高1mm，然后拍摄并截取图像，利用边缘检测算法获得每次改变水深后一字激光线边缘像素点的坐标位置；
4)将得到的激光线边缘点坐标与对应水深进行一次函数线性拟合，得到像素点偏移量与水深的关系曲线，并得到关系式：
S1＝α×H+S2 (1)
其中，S1为每次注入清水后测得的激光线边缘像素点坐标，α为换算系数，H为每次注入清水后的已知水深，S2为零水位时测得的激光线边缘像素点坐标，换算系数α的计算公式：
经多次试验，得到多组激光线边缘像素点坐标与对应水深数据，代入关系式(2)计算得到多个换算系数α，取其平均值即得到平均换算系数其计算公式为：
其中，αi为第i次试验得到的换算系数，n为试验次数；
5)将得到的平均换算系数代入关系式(2)中，并经变形得到坡面薄层水流深度计算公式：
其中，H′为水流断面上某点薄层水流深度，S′1为水流经过时对应点激光线边缘像素点坐标，S′2为零水位时对应点激光线边缘像素点坐标；
6)撤离试验水缸，调整试验水槽的倾斜角度，重新调整设备支架的位置与角度，同理，依照各像素点横坐标顺序获得零水位时一字激光线边缘像素点的坐标数组S′2[]，开启用于提供坡面薄层水流的水泵，依照坐标顺序逐帧获得水流流经时激光线边缘像素点的坐标数组S′1[]，根据所得数组S′1[]、S′2[]和已知参数通过公式(4)计算出水流断面上的实际水深数组H′[]；
7)将数组H′[]导入Matlab软件中，并利用其内置的smooth()函数按坐标顺序依次进行平滑处理，得到水深平滑曲线，即得到薄层水流断面上各点的水深。
进一步地，所述试验水缸的各个侧面贴附纯黑色遮光纸，避免产生过多杂乱的反射光斑。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种测量坡面薄层水流深度的试验装置及其工作方法，该装置及方法基于边缘检测算法测量水深，有效提高测量精度，且不会产生读数误差。此外，该测量方法方便快捷，可节省大量试验时间。该装置及方法能够测量水流断面上各个位置的实时水深，并且能够逐帧分析水流运动规律，为研究水动力学提供参考依据。
附图说明
图1是本发明实施例的装置在试验水槽上进行试验的示意图。
图2是本发明实施例的装置在试验水缸上进行试验的示意图。
图3是本发明实施例中设备支架的结构示意图。
图4是本发明实施例中工业摄像机拍摄到的原图像与经边缘检测处理后得到图像的对比图。
图5是本发明实施例中测得水流断面位置各个像素点的实际水深散点与经平滑处理后得到的水深平滑曲线图。
图6是本发明实施例中试验水槽与供水系统的示意图。
图中：1-设备支架，2-工业摄像机，3-竖向圆杆，4-试验水槽，5-卧式固定座，6-边缘，7-横向圆杆，8-异径十字连接件，9-一字线激光器，10-模具，11-试验水缸，12-输水管，13-蠕动泵，14-水箱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
如图1-2所示，本实施例提供了一种测量坡面薄层水流深度的试验装置，包括试验水槽4、连接支架、设备支架1、一字线激光器9、工业摄像机2和控制装置，所述设备支架1经连接支架安装于试验水槽4上侧，所述设备支架1与连接支架为可固定式转动连接，以调整设备支架的安装角度，所述一字线激光器9和工业摄像机2安装于设备支架1上，所述一字线激光器9、工业摄像机2分别与控制装置电性连接，以非接触式测量坡面薄层水流深度。
在本实施例中，所述连接支架包括卧式固定座5、竖向圆杆3(实心圆棒)、异径十字连接件8和横向圆杆7(实心圆棒)，所述竖向圆杆3和横向圆杆7通过异径十字连接件8相连接，所述竖向圆杆3通过固定座5安装于试验水槽4的边缘6，所述横向圆杆7与设备支架1上的圆孔配合转动连接，并通过定位销进行固定。其中，卧式固定座与异径十字连接件均采用铝合金材料，实心圆棒采用304不锈钢材料。
如图3所示，所述设备支架1为弯折型结构的PLA制支架，所述一字线激光器9、工业摄像机2分别安装于弯折型结构的上侧端和下侧部，且工作方向朝向试验水槽4。PLA制支架由CATIA V5R20软件进行三维尺寸设计，与工业摄像机、一字线激光器相配合，并通过RAISEPro2 Plus 3D打印机进行制作，要求其在达到强度要求与试验目的前提条件下尽量减少其耗材。
在本实施例中，所述试验装置还配设有标定模具10，当设备支架1下端部嵌入标定模具10上的凹槽并与其贴合时，说明设备支架已调整至预先设计的位置和倾斜角度，将设备支架固定并撤离标定模具，即可开始测量水深。需要说明的是，要保证所述试验装置的测量精度，就需要每次试测量时，利用标定模具10将设备支架调整到预先设定好的位置与倾斜角度(要求与标定标准水深时的位置与倾斜角度一致，这样才能保证换算系数的适用性)。
在本实施例中，所述试验装置还配设有试验水缸11。
在本实施例中，所述控制装置采用树莓派4B微型电脑。所述树莓派4B微型电脑包括树莓派4B主板、无线键鼠、13.3寸高清显示屏、专用电源等，树莓派4B主板通过USB接口、HDMI接口与无线键鼠、工业摄像机、13.3寸高清显示屏分别相连，树莓派4B主板与13.3寸高清显示屏由各自的专用电源供电；刚性支架包括卧式固定座、异径十字连接件、实心圆棒，卧式固定座安装于试验水槽边缘，用于在竖直方向上固定一根直径为12mm的实心圆棒(竖向圆杆)，该实心圆棒与异径十字连接件的其中一个通孔相连，异径十字连接件的另一通孔固定一根直径为15mm的实心圆棒(横向圆杆)；工业摄像机与一字线激光器安装在PLA制支架上，并通过刚性支架上的直径为15mm的实心圆棒固定。
所述树莓派4B主板的中央处理单元(CPU)型号为ARM Cortex-A72 1.5GHz(四核)，内存空间为8GB，并且带有USB2.0接口、USB3.0接口、支持接收4K分辨率图像的HDMI端口各两个，通过所述树莓派4B微型电脑内置的Spyder软件进行坡面薄层水流深度测量程序的编写，该程序代码基于Python语言与OpenCV计算机视觉库，可依次实现读取实时图像、逐帧截取图像、经边缘检测提取“一”字线激光边缘像素点坐标、计算坡面薄层水流深度等功能；
在本实施例中，一字线激光器由专用智能电源供电，照射光线为波长520nm的绿光，并且可根据试验条件调节其照射光线的粗细与焦距。工业摄像机为800万像素自动对焦摄像头，帧率为30帧每秒，可连接USB2.0或USB3.0接口传输2K分辨率的图像。
本实施例还提供了所述测量坡面薄层水流深度的试验装置的工作方法，包括以下步骤：
1)所述试验水缸的各个侧面贴附纯黑色遮光纸，避免产生过多杂乱的反射光斑。
2)将试验水槽4调至水平，并将试验水缸11放置在试验水槽4上，在试验水槽4的边缘6上安装卧式固定座5，并通过卧式固定座5在其垂直方向上固定直径为12mm的实心圆棒3，该不锈钢圆棒上端与异径十字连接件8的其中一个尺寸相匹配的通孔相连，异径十字连接件8的另一通孔固定直径为15mm的实心圆棒7，使得该不锈钢圆棒水平悬空于试验水缸11上方，达到固定PLA制支架1并可调整其安装角度的目的，安装方式如图2所示。
为了将测量装置对试验水缸内的标准水深进行标定，以测算出像素点偏移量与实际水深间的换算系数，需要利用试验水缸创造一片静止水域。具体方法为：通过试验水缸的底面积计算每次需添加清水的体积，使得试验水缸中水位可分别达到预先设计好的标准水深，记录每次水深变化后的“一”字激光线像素点偏移量，从而测算出像素点偏移量与实际水深间的换算系数，得到换算系数后就可以开始在水槽上进行正式的试验，即测算坡面薄层水流的深度。
3)将工业摄像机2与一字线激光器9固定于尺寸相匹配的PLA制支架1上，并将PLA制支架上的通孔套入上述实心圆棒7，要想确定PLA制支架1与水缸试验平面间的角度与距离，则需通过异径十字连接件8调整PLA制支架1的高度，并通过通孔6调整其倾斜角度，标定模具10底面紧贴试验水缸11平面，将该支架底部的斜面倚靠于模具10的凹槽内(当PLA制支架1底部与标定模具10凹槽完全贴合时，则说明PLA制支架1已调整至预先设计高度与倾斜角度)，固定好PLA制支架1后，此时只需将标定模具10沿试验水缸11平面缓缓撤离，即可开始试验，同时要求装置中的各个部件在整个试验过程中保持固定，则可保证该装置具有较好的测量精度。
4)启动一字线激光器9与树莓派4B微型电脑，打开Spyder软件，运行坡面薄层水流深度测量程序，获取工业摄像机2的实时拍摄图像，一字线激光器9照射出的光线投影至水缸11试验平面上，同时保证投影反射位置位于工业摄像机2的正下方，截取图像，利用边缘检测算法记录在试验水缸11中零水位时一字激光线边缘像素点的坐标位置。
5)每次注入一定量的清水，使得试验水缸11内的水深每次升高1mm，同样地，拍摄并截取图像，利用边缘检测算法记录每次改变水深后一字激光线边缘像素点的坐标位置。
在本实施例中，可以通过调用OpenCV视觉库中的边缘检测函数，来实现激光线边缘像素点的检测，进而获取激光线边缘像素点的坐标位置。
6)由于像素点偏移量与水深增量呈线性关系变化，所以利用一次函数对激光线边缘像素点坐标与对应水深进行线性拟合，得到像素点偏移量—水深曲线，并得到关系式：
S1＝α×H+S2 (1)
其中，S1为每次注入清水后测得的激光线边缘像素点坐标，α为换算系数，H为每次注入清水后的已知水深，S2为零水位时测得的激光线边缘像素点坐标，经变形得到，换算系数α的计算公式：
经多次试验，得到多组激光线边缘像素点坐标与对应水深数据，代入关系式(2)计算得到多个换算系数α，取其平均值即得到平均换算系数其计算公式为：
其中，αi为第i次试验得到的换算系数，n为试验次数。
7)得出平均换算系数后，即可获得激光线边缘像素点坐标与水深的对应函数关系，将得到的平均换算系数/>代入关系式(2)中，并经变形得到坡面薄层水流深度计算公式：
其中，H′为水流断面上某点薄层水流深度，S′1为水流经过时对应点激光线边缘像素点坐标，S′2为零水位时对应点激光线边缘像素点坐标。
8)撤离试验水缸11，调整试验水槽4的倾斜角度，如图3所示，利用模具10重新调整PLA制支架1至与水槽试验平面4间预先设计好的距离与倾斜角度，固定好PLA制支架1后缓缓撤离模具10，启动一字线激光器9与水深测量程序，截取图像，利用边缘检测算法依照各像素点横坐标顺序依次记录水槽试验平面4上零水位时一字激光线下端边缘像素点数组S′2[]。获取到的每个像素点都有各自的坐标，其中纵坐标取决于激光线边缘像素点的分布，而横坐标则是按照顺序排列(例如获取到340个像素点，则横坐标为1～340)，按照各像素点的横坐标顺序依次检测边缘像素点，就可以得到边缘像素点的一个集合S′2[]。开启用于给放水试验提供坡面薄层水流的水泵。供水系统如图6所示，在本实施例中，水泵采用蠕动泵。待试验水槽4中水流19稳定后，通过工业摄像机2逐帧截取实时图像，如图4所示，并利用边缘检测算法依照坐标顺序依次提取水流流经时“一”字线激光线边缘像素点的坐标数组S′1[]，根据所得数组S′1[]、S′2[]和已知参数并通过关系式(4)计算出水流断面上的实际水深数组H′[]，如图5所示。图5中，横坐标为水流断面位置，单位为厘米，纵坐标分别为实际水深与像素点偏移量，单位分别为毫米与格。
9)将数组H′[]导入Matlab软件中，并利用其内置的smooth()函数按坐标顺序依次进行平滑处理，得到水深平滑曲线，如图5所示，即得到薄层水流断面上各点的水深。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (4)
1.一种测量坡面薄层水流深度的试验装置，其特征在于，包括试验水槽、连接支架、设备支架、一字线激光器、工业摄像机和控制装置，所述设备支架经连接支架安装于试验水槽上侧，所述设备支架与连接支架为可固定式转动连接，以调整设备支架的安装角度，所述一字线激光器和工业摄像机安装于设备支架上，所述一字线激光器、工业摄像机分别与控制装置电性连接，以非接触式测量坡面薄层水流深度；
所述连接支架包括固定座、竖向圆杆、异径十字连接件和横向圆杆，所述竖向圆杆和横向圆杆通过异径十字连接件相连接，所述竖向圆杆通过固定座安装于试验水槽边缘，所述横向圆杆与设备支架上的圆孔配合转动连接，并通过定位销进行固定；
所述试验装置还配设有标定模具，当设备支架下端部嵌入标定模具上的凹槽并与其贴合时，说明设备支架已调整至预先设计的位置和倾斜角度，将设备支架固定并撤离标定模具，即可开始测量水深；
所述试验装置还配设有试验水缸；
所述试验水缸的各个侧面贴附纯黑色遮光纸，避免产生过多杂乱的反射光斑。
2.根据权利要求1所述的一种测量坡面薄层水流深度的试验装置，其特征在于，所述设备支架为弯折型结构，所述一字线激光器、工业摄像机分别安装于弯折型结构的上侧端和下侧部，且工作方向朝向试验水槽。
3.根据权利要求1所述的一种测量坡面薄层水流深度的试验装置，其特征在于，所述控制装置采用树莓派4B微型电脑。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种测量坡面薄层水流深度的试验装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将试验水槽调整至水平，并将试验水缸放置于试验水槽上；将一字线激光器和工业摄像机安装于设备支架上，并经连接支架安装于试验水槽上，调整设备支架与试验水缸底部的相对位置与倾斜角度，并在整个试验过程中保持固定；
2)启动控制装置、一字线激光器和工业摄像机，通过工业摄像机拍摄实时图像并截取图像，利用边缘检测算法获得零水位时一字激光线边缘像素点的坐标位置；
3)每次注入设定量的清水，使得试验水缸内的水深每次升高1mm，然后拍摄并截取图像，利用边缘检测算法获得每次改变水深后一字激光线边缘像素点的坐标位置；
4)将得到的激光线边缘点坐标与对应水深进行一次函数线性拟合，得到像素点偏移量与水深的关系曲线，并得到关系式：
S1＝α×H+S2 (1)
其中，S1为每次注入清水后测得的激光线边缘像素点坐标，α为换算系数，H为每次注入清水后的已知水深，S2为零水位时测得的激光线边缘像素点坐标，换算系数α的计算关系式为：
经多次试验，得到多组激光线边缘像素点坐标与对应水深数据，代入关系式(2)计算得到多个换算系数α，取其平均值即得到平均换算系数其计算公式为：
其中，αi为第i次试验得到的换算系数，n为试验次数；
5)将得到的平均换算系数代入关系式(2)中，并经变形得到坡面薄层水流深度计算公式：
其中，H′为水流断面上某点薄层水流深度，S′1为水流经过时对应点激光线边缘像素点坐标，S′2为零水位时对应点激光线边缘像素点坐标；
6)撤离试验水缸，调整试验水槽的倾斜角度，重新调整设备支架的位置与角度，同理，依照各像素点横坐标顺序获得零水位时一字激光线边缘像素点的坐标S′2的数组，开启用于提供坡面薄层水流的水泵，依照坐标顺序逐帧获得水流流经时激光线边缘像素点的坐标S′1的数组，根据所得坐标S′1、S′2的数组和已知参数通过公式(4)计算出水流断面上的实际水深H′的数组；
7)将水深H′的数组导入Matlab软件中，并利用其内置的smooth()函数按坐标顺序依次进行平滑处理，得到水深平滑曲线，即得到薄层水流断面上各点的水深。
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| CN202210109265.XA CN114441135B (zh) | 2022-01-28 | 2022-01-28 | 一种测量坡面薄层水流深度的试验装置及其工作方法 |
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2022
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于边缘检测算法的坡面薄层水流深度测量系统研制;朱昱等;农业工程学报;第38卷(第2期);157-163 * |
Also Published As
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