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专利名称：利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及水利、海岸、海洋工程中砂床表面变形的探测技术。
背景技术：
在水利、海岸、海洋工程中，砂土地基是结构物周围常见的地基类型。在水流作用 下，当床面剪应力达到一定值时砂土地基表面砂粒将由静止转化为运动状态，即为泥砂起 动。床面泥砂的运动将引起砂土地基表面形态的变化，此现象就是所谓的冲刷。由于冲刷的 出现，安装于砂土地基中的结构物可能倾斜或松动，从而给结构物的安全带来一定隐患。合 理地预测结构物周围砂土地基的冲刷形态、为结构物抗冲刷的工程设计提供科学依据是当 前科研工作者面临的一大紧迫问题。由于此问题涉及流体力学和泥沙运动力学的相关理论 知识，属于多学科交叉问题，到目前为止，模型实验仍然是解决此类问题的最有效手段。而 目前在实验室测量冲刷形态的手段主要还是探针法，这种方法测试速度慢、效率低，对流场 有干扰，很难实现自动化测量。而现有的其它方法测试精度低、很难实现实时在线测量。鉴 于以上情况，需要找到一种高精度、实时在线、非接触式的测量方法对冲刷形貌进行测量。

发明内容
本发明提供了一种，可高精度，实时在线，非接触地测量砂床冲刷形貌的方法和装 置，具体如下 —种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法在所测试的砂床上方一定距离 处，设置若干个排列成一列的超声波发射和接收探头排成一列的超声波发射和接收探头之 间间隔一定距离；排成一列的超声波发射和接收探头在其正下方和沿垂直于其排列方向 上的若干个设定点处采集数据，并通过中央控制器将超声波探头采集到的数据输送至计算 机，通过计算机处理后，在每列的设定点上采集到的数据通过计算机合成为砂床冲刷剖面 结构，将所有设定列的剖面连接起来形成整个待测砂床三维冲刷地形。 —种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的试验装置，包括测量装置、滑动装置、 滑动装置驱动装置、中央控制器和计算机；所述测量装置由支架和在支架上排列成一列的 若干个超声波发射和接收探头组成，所述滑动装置可在所述滑动装置的驱动装置的驱动下 沿垂直于超声波发射和接收探头排列方向移动；使用时，将测量装置固定到距砂床一定高 度的滑动装置上，通过中央控制器可控制滑动装置的运动以及在各个设定点处开启超声波 发射和接收探头采集该点数据，并通过中央控制器放大超声波发射和接收探头所采集的数 据并将放大后的数据输入计算机内，通过计算机的合成，形成砂床的三维冲刷形貌。
进一步，所述滑动装置为滑动小车及其轨道。


图1超声波测距原理示意图； 图2多个超声波传感器探头沿直线布置示意 图3传感器阵列移动示意图。
具体实施例方式
图1所示为超声波测距原理，根据超声波测距原理，公式为h = Ct，其中C :为波 速；t为传播时间。在实验用砂床上方一定距离布置超声波发射和接收探头，通过超声波从 超声波发射和接收探头表面发射到反射回来的时间和超声波传播速度可得到探头表面与 砂床表面间的距离，从而可获得砂床测点处的高程，最后可得到该测点处的冲刷深度。图1 中101为超声波发射和接收，102为砂床表面，103为超声波，其中103a为入射波，103b为反 射波。根据超声波测距原理，本发明提供了一种测试砂床三维形貌或某些设定点剖面形貌 的方法，如图2所示，将若干个超声波发射和接收探头101沿一条直线布置，并将所有超声 波发射和接收探头101通过数据线203与中央控制器201相连接，由中央控制器201统一 控制每个超声波发射和接收探头101的开关操作。如图3所示，通过驱动装置使排列成一 列的若干个超声波发射和接收探头101可沿垂直于超声波发射和接收探头101排列方向的 方向移动，并在移动方向上预先设定多个测量点，测量点之间的距离可根据实际情况具体 设定。通过中央控制器201的控制，超声波发射和接收探头101在测定点处测定该处砂床 与探头101之间的距离，并通过中央控制器201将数据传输至计算机内存储，每个测量点所 测量到的数据可通过计算机202合成为该处的砂床剖面形状。待所有测量点的数据全部采 集完毕后，则可把各剖面连接起来形成砂床三维冲刷地形。 如图2所示，测定砂床形貌的装置具体包括，测量装置、滑动装置、滑动装置驱动 装置、中央控制器201和计算机；在本实施例中，测试仪器包括刚性支架和设置在支架上的 超声波探头。刚性支架为一根长lm、宽5cm、厚5mm的支架，该支架可由不锈钢板或其他刚性 材料制成，沿支架的中心线上根据测量具体需要钻若干个直径5. 5mm的孔，孔间距为3cm。 将每个超声波发射和接收探头101用螺栓固定于支架的孔中，这样若干个超声波发射和接 收探头101(编号为hl-hn)便可沿着不锈钢支架的中心线排成一列。 设计并制作一台中央控制器201，该中央控制器201上配备有与每一个超声波发 射和接收探头101的数据线203连接的端子。在中央控制器201中配置一块芯片，在此芯 片中写入程序指令，该芯片负责控制每个超声波发射和接收探头101的开与关，并负责将 每个超声波发射和接收探头101获得的数据放大到适于一般数据采集卡可采集的范围内。
将中央控制器201输出的数据采集到计算机202，实现数据存储和显示，存储和显 示可使用编制的Labview程序或其他具有相同数据处理功能的程序。 将测试装置设置在一个滑装置上，本实施例中滑动装置为滑动小车105及其轨 道，该可滑动小车105可在其滑轨中自由滑动，每次运动的距离采用激光位移传感器(图中 未显示)进行测量，通过步进电机104控制小车的运动，通过小车的滑动带动测量装置在预 先设定的测量点107处测量冲刷剖面。这样通过测试装置测量，并通过中央控制器201的 采集、放大，通过计算机202程序处理，则可以测定各种不同间距的冲刷剖面，并可根据测 定的各冲刷剖面数据合成三维冲刷形貌。 通常，测试装置上设置的超声波探头101的数量为20-60个，则从第一个超声波发 射和接收探头101开始工作到最后一个超声波发射和接收探头101停止工作的时间不大于 2秒，这样沿直线布置的每个超声波发射和接收探头101在2秒内均工作了一次，因此一个测量剖面在2秒内便可以得到。 如滑动小车的运行长度小于或等于1米，则通过步进电机的控制，从开始测量第 一个剖面到最后一个剖面的完成，耗时不超过2分钟。 以上仅描述了本申请的一个具体实施例，本申请并不局限于此，凡是本领域普通 技术人员在不脱离本申请的精神下，作出任何改进和/或变形，均属于本申请的保护范围。
权利要求
一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法其特征为，在所测试的砂床上方一定距离处，设置若干个排列成一列的超声波发射和接收探头排成一列的超声波发射和接收探头之间间隔一定距离；排成一列的超声波发射和接收探头在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干个设定点处采集数据，并通过中央控制器将超声波探头采集到的数据输送至计算机，通过计算机处理后，在每列的设定点上采集到的数据通过计算机合成为砂床冲刷剖面结构，将所有设定点的剖面连接起来形成整个待测砂床三维冲刷地形。
2. —种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的试验装置，包括测量装置、滑动装置、滑 动装置驱动装置、中央控制器和计算机；所述测量装置由支架和在支架上排列成一列的若 干个超声波发射和接收探头组成，所述滑动装置可在所述滑动装置的驱动装置的驱动下沿 垂直于超声波发射和接收探头排列方向移动；使用时，将测量装置固定到距砂床一定高度 的滑动装置上，通过中央控制器可控制滑动装置的运动以及在各个设定点处开启超声波发 射和接收探头采集该点数据，并通过中央控制器放大超声波发射和接收探头所采集的数据 并将放大后的数据输入计算机内，通过计算机的合成，形成砂床的三维冲刷形貌。
3. 如权利要求2所述的实验装置，其特征为，所述滑动装置为滑动小车及其轨道。
全文摘要
本发明限定了一种利用超声波测量砂土床面冲刷形貌的方法和装置，具体在所测试的砂床上方一定距离处，设置若干个排成一列的超声波发射和接收探头，排成一列的超声波发射和接收探头之间间隔一定距离；排成一列的超声波发射和接收探头在其正下方和沿垂直于其排列方向上的若干个设定点处采集数据，并通过中央控制器将超声波探头采集到的数据输送至计算机，通过计算机处理后，在每列的设定点上采集到的数据通过计算机合成为该列下方砂床剖面结构，将所有设定点的剖面连接起来形成整个待测砂床三维冲刷地形。通过将若干个超声波探头排列好后设置在可控滑动小车上完成砂床冲刷形貌的测定。
文档编号G01C7/02GK101776449SQ20101003407
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月11日 优先权日2010年1月11日
发明者唐驰, 崔金声, 杨兵, 高福平 申请人:中国科学院力学研究所