一种水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置及方法

本发明涉及实验测量装置，具体涉及一种水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置及方法。

背景技术：

1、推移质为河流中层移动或底部滚动的泥沙，在水利工程和河流动力学的研究中，推移质泥沙通量的测量是理解河床侵蚀和沉积过程的关键，对于预测河流行为和进行河流管理亦至关重要。另一方面，高输沙率的情况常见于各种水体流动环境中，如河流、渠道、水库等。

2、目前常用的推移质泥沙通量测量方法有采样器方法和光学测量方法两种：

3、(1)采样器方法：使用各种类型的采样器(如点采样器、集成采样器)直接在目标截面的水体中收集推移质泥沙样本。采样器方法的缺点：采样通常是间断性的，不能实时连续测量；会扰动水流和泥沙分布，从而影响测量的准确性；操作过程繁琐，在高输沙率情况下效率低下。

4、(2)光学测量方法：使用激光、红外线等光源测定水流中推移质泥沙通过目标界面的颗粒数量。光学测量方法的缺点：易受光线条件和水质影响，对浑浊度高的水体或含有大量有机物的水体效果不佳，对高输沙率情况下推移质泥沙通量的测量精度低。

5、综上，传统的泥沙通量测量方法存在诸多限制，如分辨率低(分辨率指能够捕捉的泥沙通量的最小时间尺度，传统的方法分辨率低，只能捕捉秒级或者分钟级)、成本高、维护困难及测量准确性不足，这些问题在实验室规模的研究中尤为突出。由于推移质泥沙通量的动态变化与水体流速、沙粒大小等多因素相关，准确的测量对于理解河流动力学及其环境影响至关重要。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供一种分辨率高、准确性高的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，通过该装置，研究人员可以更准确地测量和分析水槽实验中的推移质泥沙通量，从而有助于更深入地研究水流与泥沙交互作用的复杂动力学过程；本发明的第二目的是提供一种水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量方法。

2、技术方案：本发明所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，包括主控电脑、固定板及设置在固定板下方的滤水孔板，固定板迎流面上横向等距分布有若干信号采集模块，信号采集模块与主控电脑信号连接；信号采集模块包括振动传感芯片，振动传感芯片能够收集推移质泥沙颗粒撞击而产生的电信号；信号采集模块外部安装有能够柔性变形的防水薄板。

3、进一步地，滤水孔板下方设置有泥沙收集袋，用于收集由滤水孔板过滤的泥沙颗粒，测量收集的泥沙颗粒可验证所述推移质泥沙通量测量装置测量的泥沙通量与实验中实际泥沙通量是否一致。

4、进一步地，泥沙收集袋通过挂钩安装在滤水孔板底部，挂钩采用卡扣式挂钩。泥沙收集袋易于安装和拆卸，方便快速更换和清理。

5、进一步地，泥沙收集袋表面具有透水的镂空纹理。

6、进一步地，固定板与滤水孔板焊接相连。

7、进一步地，滤水孔板上的圆形孔洞小于水槽实验中最小推移质泥沙颗粒的粒径。

8、进一步地，信号采集模块包括芯片板，芯片板表面均匀焊装有多组振动传感芯片和单极低通滤波芯片，每组包括一个单极低通滤波芯片和多个振动传感芯片；振动传感芯片用于捕捉推移质泥沙颗粒撞击防水薄板时产生的电信号，单极低通滤波芯片用于过滤掉多个振动传感芯片的高频电磁相互干扰。

9、进一步地，防水薄板材质为聚氨酯。

10、进一步地，各信号采集模块的信号通过信号传感线缆输出，线缆接头为便携式拔插插头，各信号传感线缆汇集连接至航空接头，通过航空接头实现与主控电脑的简易可拆卸式连接。信号连接采用标准化的接头，便于快速组装和故障排除，减少了维护成本和时间。

11、本发明所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量方法，包括：

12、(1)将所述水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置布置在水槽目标断面处，保证多个信号采集模块的防水薄板完全覆盖水槽截面，开启水槽实验；

13、(2)通过每个信号采集模块上的振动传感芯片收集推移质泥沙撞击在防水薄板上的振动信号，将振动信号转化为电信号，电信号传输至主控电脑；

14、(3)采用低通butterworth滤波算法，对采集的电信号进行环境噪音滤波处理，根据信号阈值进行标记获得推移质泥沙颗粒撞击的时间序列结果；

15、(4)对时间序列结果进行统计，对标记进行计数，将数量乘上水槽实验中泥沙的平均粒径再乘上平均密度再除以统计时间，获得通过室内水槽控制截面的推移质泥沙通量结果。

16、有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下显著优点：

17、1)高精度、高分辨率测量：振动传感芯片能够以10khz的采样频率记录振动状态，即每0.0001s记录一次振动数据，可以提供最高10-4s分辨率的测量数据。

18、2)适应性强：设计考虑到不同实验环境的需求，装置能够适应从低到高的输沙率，确保在各种条件下都能提供可靠的数据，非常适合水力学及河流动力学的相关实验和研究。

19、本发明装置结构简单、成本低廉、维护方便、能够提供高分辨率的测量结果，极大地提高了实验室中高输沙率环境下推移质泥沙通量测量的准确性和效率。

技术特征：

1.一种水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，包括主控电脑(14)、固定板(1)及设置在固定板(1)下方的滤水孔板(7)，固定板(1)迎流面上横向等距分布有若干信号采集模块，信号采集模块与主控电脑(14)信号连接；信号采集模块包括振动传感芯片(3)，振动传感芯片(3)能够收集推移质泥沙颗粒撞击而产生的电信号；信号采集模块外部安装有能够柔性变形的防水薄板(6)。

2.根据权利要求1所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，滤水孔板(7)下方设置有泥沙收集袋(10)，用于收集由滤水孔板(7)过滤的泥沙颗粒，测量收集的泥沙颗粒可验证所述推移质泥沙通量测量装置测量的泥沙通量与实验中实际泥沙通量是否一致。

3.根据权利要求2所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，泥沙收集袋(10)通过挂钩(9)安装在滤水孔板(7)底部，挂钩(9)采用卡扣式挂钩。

4.根据权利要求2所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，泥沙收集袋(10)表面具有透水的镂空纹理(11)。

5.根据权利要求1所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，固定板(1)与滤水孔板(7)焊接相连。

6.根据权利要求1所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，滤水孔板(7)上的圆形孔洞(8)小于水槽实验中最小推移质泥沙颗粒的粒径。

7.根据权利要求1所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，信号采集模块包括芯片板(2)，芯片板(2)表面均匀焊装有多组振动传感芯片(3)和单极低通滤波芯片(4)，每组包括一个单极低通滤波芯片(4)和多个振动传感芯片(3)；振动传感芯片(3)用于捕捉推移质泥沙颗粒撞击防水薄板(6)时产生的电信号，单极低通滤波芯片(4)用于过滤掉多个振动传感芯片(3)的高频电磁相互干扰。

8.根据权利要求1所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，防水薄板(6)材质为聚氨酯。

9.根据权利要求1所述的水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置，其特征在于，各信号采集模块的信号通过信号传感线缆(12)输出，线缆接头(5)为便携式拔插插头，各信号传感线缆(12)汇集连接至航空接头(13)，通过航空接头(13)实现与主控电脑(14)的简易可拆卸式连接。

10.一种水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种水槽实验中高输沙率条件下推移质泥沙通量测量装置及方法，所述装置包括自上而下依次设置的固定板、滤水孔板和泥沙收集袋，以及主控电脑；固定板迎流面上横向等距分布有若干信号采集模块，用于收集推移质泥沙颗粒撞击而产生的电信号；信号采集模块与主控电脑信号连接；泥沙收集袋用于收集由滤水孔板过滤的泥沙颗粒；电信号经数据处理后可获取推移质泥沙颗粒撞击的时间序列结果，经统计即可获得推移质泥沙通量结果。本发明具有测量准确性高、分辨率高、成本低、维护方便的优点，有助于研究人员更准确地测量和分析水槽实验中的推移质泥沙通量，从而有助于更深入地研究水流与泥沙交互作用的复杂动力学过程。技术研发人员：李志鹏,孙洪广,朱延涛,何锦涛受保护的技术使用者：河海大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29