專利名稱：一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，具體地說(shuō)是一種規(guī)則波生成實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)
用水槽系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
國(guó)內(nèi)外學(xué)者在規(guī)則波生成機(jī)理和生成手段上不斷進(jìn)行探索和研究。傳統(tǒng)的規(guī)則波 生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)多是在水池中進(jìn)行。但是，水池中的實(shí)驗(yàn)需要?jiǎng)佑么笮蛢x器設(shè)備，需要 較多的實(shí)驗(yàn)人員，波浪生成研究能耗大，用時(shí)長(zhǎng)，效率低，不方便進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)。另 外，目前實(shí)施素質(zhì)教育，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，實(shí)驗(yàn)室面向本科生開(kāi)放，建立新型的現(xiàn)代規(guī)則 波生成研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，是擺在相關(guān)高等學(xué)校面前的課題，如何建立規(guī)則波生成研究和 教學(xué)用水槽系統(tǒng)成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。 CNKI庫(kù)中有一篇標(biāo)題為"新型三維內(nèi)波及分層流水槽系統(tǒng)"的論文，涉及水槽系統(tǒng)
的功能主要是進(jìn)行內(nèi)波實(shí)驗(yàn)研究，涉及水槽系統(tǒng)本身不具備造波能力。 申請(qǐng)?zhí)枮?00810147663. 0的專利文件中公開(kāi)的技術(shù)方案包括主體、清水系統(tǒng)、渾
水系統(tǒng)、進(jìn)水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和出水口切換系統(tǒng)六大部分，主要用于多相流試驗(yàn)。主要功能
是造多相流。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種造波能力強(qiáng)，生成規(guī)則波穩(wěn)定，測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn) 單，效率高，能耗低的一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 其組成包括造波控制部分、波浪參數(shù)采集與分析處理部分和水槽主體結(jié)構(gòu)，所述
造波控制部分和波浪參數(shù)采集與分析處理部分與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)中安裝有造波控制軟
件和數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件；所述造波控制部分包括線性執(zhí)行器和線性執(zhí)行器控制器；
所述波浪參數(shù)采集與分析處理部分包括波高儀傳感器、波高儀控制器和數(shù)據(jù)采集器；所述
水槽主體結(jié)構(gòu)包括首槽體、可視造波段、槽端消波裝置、造波搖板和尾槽體；可視造波段連
接于首槽體與尾槽體之間，造波搖板通過(guò)轉(zhuǎn)軸安裝在可視造波段內(nèi)，線性執(zhí)行器與造波搖
板鉸接并由線性執(zhí)行器控制器控制；波高儀傳感器安裝在可視造波段內(nèi)，波高儀傳感器連
接波高儀控制器和數(shù)據(jù)采集器后與計(jì)算機(jī)連接。 本發(fā)明還可以包括 1、所述的首槽體和尾槽體的上部都設(shè)置有蓋板，線性執(zhí)行器固定在首槽體的蓋板 上。 2、首槽體與尾槽體之間設(shè)置有連通管。 本發(fā)明的規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽的造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分析處理 軟件集成在一臺(tái)計(jì)算機(jī)中。造波控制軟件通過(guò)控制造波搖板運(yùn)動(dòng)的位移和頻率，控制波浪 生成；數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件通過(guò)數(shù)據(jù)采集器和波高儀采集生成波浪的周期和波高參數(shù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析造波搖板運(yùn)動(dòng)與規(guī)則波參數(shù)的關(guān)系，開(kāi)展規(guī)則波生成實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)。
對(duì)于造波控制部分造波控制軟件通過(guò)RS232電纜將造波搖板運(yùn)動(dòng)的位移和頻率 執(zhí)令下載到線性執(zhí)行控制器中，重新啟動(dòng)控制器，線性執(zhí)行器推桿按照設(shè)定的參數(shù)推動(dòng)造 波搖板運(yùn)動(dòng)，生成規(guī)則波。 對(duì)于數(shù)據(jù)采集與分析處理部分造波搖板運(yùn)動(dòng)擊水后，水槽中形成穩(wěn)定的規(guī)則波， 數(shù)據(jù)采集器通過(guò)波高儀控制器采集波高儀傳感器傳出的電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析處 理軟件將電壓信號(hào)換算為對(duì)應(yīng)的波谷、波峰、周期和波高。波高儀在使用前需要進(jìn)行標(biāo)定， 得出"波高_(dá)電壓"靈敏度系數(shù)，并輸入數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件中。 水槽主體結(jié)構(gòu)是規(guī)則波生成的載體空間，造波搖板繞轉(zhuǎn)軸搖動(dòng)擊水，生成規(guī)則波， 規(guī)則波從槽首造波搖板處經(jīng)可視造波段傳向槽端消波裝置和尾槽體，在槽端經(jīng)消波裝置消 波和尾槽體整流作用后，經(jīng)連通管再次整流并實(shí)現(xiàn)弱流循環(huán)。 本發(fā)明具有較好的創(chuàng)新性和較強(qiáng)的實(shí)用性，并具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，能夠方便、快速地 生成高質(zhì)量規(guī)則波，能夠精確的完成規(guī)則波參數(shù)的測(cè)量工作，造波機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，效率 高，滿足規(guī)則波生成實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)需要。


圖1水槽系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2水槽系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖；
圖3造波搖板及附屬裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4槽端消波裝置結(jié)構(gòu)示意圖；； 圖5周期為0. 45s時(shí)的擺幅_波高曲線；
圖6擺幅為26mm時(shí)搖板周期_波浪周期曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 結(jié)合圖1-4，本發(fā)明的主要組成包括1.計(jì)算機(jī)，2.線性執(zhí)行器，3.線性執(zhí)行控制 器，4.波高儀傳感器，5.數(shù)據(jù)采集器，6.波高儀控制器，7.首槽體，8.可視造波段，9.端消 波裝置，IO.尾槽體，ll.轉(zhuǎn)軸，12.連通管，13.造波搖板，14.連接座，15.軸套，16.搭板， 17.消波網(wǎng)，18.鋁框架。
1、系統(tǒng)硬件
計(jì)算機(jī) 規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽系統(tǒng)，其波浪生成控制和波高、周期參數(shù)的采集在 一臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)1采用方正文祥E630品牌機(jī)，CPU板為英特爾奔騰4，主頻 2. 806Hz，內(nèi)存256M，獨(dú)立顯卡64M。 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)口 ，兩個(gè)串行口 ，兩個(gè)并行口 ，兩個(gè)1394 口。
造波控制部分硬件 線性執(zhí)行器2和線性執(zhí)行控制器3采用PARKER線性執(zhí)行器和線性執(zhí)行控制器，工
作功率為500W，工作電壓220伏。 規(guī)則波參數(shù)采集與分析處理部分硬件 波高儀采用加拿大RBR公司的WG-50電容式波高儀，由波高儀傳感器4、波高儀控制器6組成，供電電壓12伏。波高儀測(cè)量波高精度可達(dá)到0. 4%，測(cè)量線性度0. 2%，能夠 滿足水槽波浪信號(hào)采集需要。 數(shù)據(jù)采集使用東昊DH5922數(shù)據(jù)采集器5，其硬件組成包括直流電壓放大器、抗混 濾波器，A/D轉(zhuǎn)換器，緩沖儲(chǔ)存器以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通訊的全部硬件。外形尺寸寬X 高X深=236mmX88mmX317mm。
水槽主體結(jié)構(gòu)部分 水槽主體結(jié)構(gòu)主要從波浪生成、波浪觀察、波浪參數(shù)測(cè)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和消除對(duì)波浪 干擾等方面考慮。如圖l所示，首槽體7采用角鋼骨架結(jié)構(gòu)，鋼板壁面，具有相對(duì)寬敞的整 流空間，槽體頂端設(shè)有蓋板，用于安裝線性執(zhí)行器2 ;可視造波段8采用角鋼骨架結(jié)構(gòu)，玻璃 壁面，方便規(guī)則波的生成觀察，橫向設(shè)有4根角鋼骨架，玻璃為透明鋼化玻璃；尾槽體10采
用角鋼骨架結(jié)構(gòu)，鋼板壁面，具有相對(duì)較大的整流空間，槽體上設(shè)有蓋板，用來(lái)防止水飛濺； 連通管12位于可視造波段8下方，首槽體7和尾槽體10之間，保證了水槽內(nèi)水的連通，并 對(duì)消除槽端干擾起到一定作用，連通管為鋼質(zhì)材料。 如圖1和圖3所示，水槽系統(tǒng)采用搖板13造波，板體材質(zhì)為有機(jī)硬塑料。造波搖 板13下端固連有軸套15，軸套15與轉(zhuǎn)軸11套連，線性執(zhí)行器2通過(guò)連接座14，推動(dòng)造波 搖板13繞轉(zhuǎn)軸11轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)軸11為鋼質(zhì)材料，距槽底一定距離。 如圖1和圖4所示，端消波裝置9用來(lái)消除反射波干擾，采用鋁框架矩形箱體結(jié) 構(gòu)，寬度與水槽可視造波段8寬度相等。鋁框架18在四周和底部布消波網(wǎng)17，內(nèi)部不規(guī)則 堆網(wǎng)，網(wǎng)面材料為直徑0. 2毫米的尼龍絲，網(wǎng)孔面積0. 5mmX0. 5mm，鋁框架18和消波網(wǎng)17 形成的矩形箱體通過(guò)搭板16掛于可視造波段8的末端。
2、系統(tǒng)軟件
搖板控制軟件 搖板控制軟件由兩部份組成上位機(jī)編譯軟件EASI-V和下位機(jī)執(zhí)行軟件。在上位 機(jī)集成編譯環(huán)境中使用PARKER自帶的編程語(yǔ)言進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，控制線性執(zhí)行器2(造波搖 板13)運(yùn)動(dòng)的位移和頻率，控制程序調(diào)試編譯成功后，再通過(guò)RS232電纜下載到PARKER線 性執(zhí)行器的控制器內(nèi)存中。重新啟動(dòng)PARKER的控制器，下位機(jī)執(zhí)行軟件按照內(nèi)存中的程序 來(lái)執(zhí)行所設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)造波搖板的運(yùn)動(dòng)控制。
數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件 在Windows操作系統(tǒng)下采用DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析處理。 造波板繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，擊水生波，液面出現(xiàn)高低起伏，固定于可視造波段中部的波高儀傳感器 感應(yīng)電壓隨液面高低起伏發(fā)生變化，并通過(guò)波高儀控制器輸出電壓變化，DH5922動(dòng)態(tài)信號(hào) 分析軟件根據(jù)電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)分析波高變化，輸出規(guī)則波生成曲線，分析曲線數(shù)據(jù)，獲得規(guī) 則波參數(shù)。 水槽系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖2所示。 采用本發(fā)明的一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽系統(tǒng)進(jìn)行波浪生成實(shí)驗(yàn)研究和 教學(xué)的過(guò)程及步驟 試驗(yàn)前，用水管向水槽內(nèi)充水，按圖l連接好水槽系統(tǒng)，并給系統(tǒng)供電。打開(kāi)電子 計(jì)算機(jī)1、線性執(zhí)行控制器3、數(shù)據(jù)采集器5、波高儀控制器6、造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分 析處理軟件。
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試驗(yàn)時(shí)，在造波控制軟件內(nèi)改變?cè)觳〒u板13運(yùn)動(dòng)的位移和頻率，控制程序調(diào)試編 譯成功后，通過(guò)RS232電纜下載到線性執(zhí)行控制器3中；數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件處于準(zhǔn)備 采集狀態(tài)；關(guān)閉線性執(zhí)行控制器3，等待幾秒后重新啟動(dòng)線性執(zhí)行控制器3，此時(shí)，在線性執(zhí) 行控制器3的控制下，線性執(zhí)行器2推動(dòng)造波搖板13繞轉(zhuǎn)軸11轉(zhuǎn)動(dòng)，擊水生波；然后，令數(shù) 據(jù)采集與分析處理軟件采集并記錄波浪參數(shù)，通過(guò)鋼板尺和秒表記錄造波搖板13的擺幅 和周期，開(kāi)展規(guī)則波生成研究。 試驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電子計(jì)算機(jī)1、線性執(zhí)行控制器3、數(shù)據(jù)采集器5、波高儀控制器 6、造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件，用水管將水槽內(nèi)的水泵出。
按照上述的水槽系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已經(jīng)進(jìn)行了規(guī)則波生成研究與教學(xué)實(shí)驗(yàn)。圖5給出了 周期為0. 45s時(shí)的擺幅-波高曲線，圖6給出了擺幅為26mm時(shí)搖板周期_波浪周期曲線。
權(quán)利要求
一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽，其特征是其組成包括造波控制部分、波浪參數(shù)采集與分析處理部分和水槽主體結(jié)構(gòu)，所述造波控制部分和波浪參數(shù)采集與分析處理部分與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)中安裝有造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件；所述造波控制部分包括線性執(zhí)行器和線性執(zhí)行器控制器；所述波浪參數(shù)采集與分析處理部分包括波高儀傳感器、波高儀控制器和數(shù)據(jù)采集器；所述水槽主體結(jié)構(gòu)包括首槽體、可視造波段、槽端消波裝置、造波搖板和尾槽體；可視造波段連接于首槽體與尾槽體之間，造波搖板通過(guò)轉(zhuǎn)軸安裝在可視造波段內(nèi)，線性執(zhí)行器與造波搖板鉸接并由線性執(zhí)行器控制器控制；波高儀傳感器安裝在可視造波段內(nèi)，波高儀傳感器連接波高儀控制器和數(shù)據(jù)采集器后與計(jì)算機(jī)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽，其特征是所述的首槽 體和尾槽體的上部都設(shè)置有蓋板，線性執(zhí)行器固定在首槽體的蓋板上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽。首槽體與尾槽體之 間設(shè)置有連通管。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種規(guī)則波生成研究和教學(xué)用水槽。其組成包括造波控制部分、波浪參數(shù)采集與分析處理部分和水槽主體結(jié)構(gòu)，所述造波控制部分和波浪參數(shù)采集與分析處理部分與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)中安裝有造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件；所述造波控制部分包括線性執(zhí)行器和線性執(zhí)行器控制器；所述波浪參數(shù)采集與分析處理部分包括波高儀傳感器、波高儀控制器和數(shù)據(jù)采集器；所述水槽主體結(jié)構(gòu)包括首槽體、可視造波段、槽端消波裝置、造波搖板和尾槽體。本發(fā)明能夠方便、快速地生成高質(zhì)量規(guī)則波，能夠精確的完成規(guī)則波參數(shù)的測(cè)量工作，造波機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，效率高，滿足規(guī)則波生成實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)需要。
文檔編號(hào)G09B23/12GK101777279SQ20101010191
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者周廣利, 由世洲, 郭春雨, 馬勇 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)