專利名稱：淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水利與水環(huán)境工程技術(shù)領(lǐng)域的測量技術(shù)，具體是一種淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)浪是風(fēng)引起的波浪，風(fēng)吹到水面，與湖水摩擦，湖水受到風(fēng)的作用，隨風(fēng)飄蕩，水面開始起伏，形成波浪。在淺水湖泊中，由于水深較淺，風(fēng)浪對于底部床面會產(chǎn)生很大的影響。從形式上表現(xiàn)為在水底會存在脈動壓力的響應(yīng)，該脈動壓力對于水底泥沙的懸揚起動有非常大的影響，壓力的脈動變化造成水體渾濁，水質(zhì)下降。因此，準確的測量出該脈動壓力對于研究湖泊泥沙運動，改善湖泊水質(zhì)都有很重要的意義。對于壓力的測量，一般采用壓力傳感器，其工作時將壓力轉(zhuǎn)換為電信號輸出。壓力傳感器一般由彈性敏感元件和位移敏感元件(或應(yīng)變計)組成。彈性敏感元件的作用是使被測壓力作用于某個面積上并轉(zhuǎn)換為位移或應(yīng)變，然后由位移敏感元件或應(yīng)變計轉(zhuǎn)換為與壓力成一定關(guān)系的電信號。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)中國專利公開號CN1537222，
公開日
2004. 10. 13，記載了一種“壓力變換器”，其特征是不易受到水壓導(dǎo)入位置的誤差或放置水深的干擾，能夠得到與有效土壓準確對應(yīng)的信號，在夾持在承受土壓的兩塊剛性板之間的空隙中安裝有過濾器，使水壓發(fā)生作用，而砂壓不起作用。但其缺點是，該設(shè)備無法用于測量淺水湖泊風(fēng)生波浪所造成的湖底脈動壓力，而且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積較大，不方便攜帶。另外一個與本發(fā)明相關(guān)的專利是，中國專利公開號CN101718605A，
公開日
2010. 06. 02，記載了一種“測量大壩、河流湖泊底部土壤中水壓力傳感器及測量方法”，其特征是土壤中的水從滲透口經(jīng)過天然火山石滲透膜進入壓力腔室中，經(jīng)過滲透的水壓力作用在硅壓力芯體的316L不銹鋼膜片上，硅壓力芯體感受壓力并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出；硅壓力芯體輸出的電信號傳輸?shù)诫娦盘柗糯筇幚戆迳?，?jīng)電信號放大及電壓轉(zhuǎn)換成電流4 20mA信號；4 20mA電流信號經(jīng)輸出電纜傳輸?shù)娇刂撇蓸邮摇Ｔ搶＠龅募夹g(shù)雖然可以測量土體內(nèi)部的滲透壓力，但由于缺乏內(nèi)置抗射頻、抗電磁干擾電路等關(guān)鍵部件，無法測量淺水湖泊風(fēng)生波浪所造成的湖底脈動壓力，而且無法準確的確定測量處的水深。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有壓力測量方法存在的上述不足，提供一種淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置和方法，可以精確的采集到風(fēng)生波浪的脈動壓力。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，包括壓力傳感器，導(dǎo)氣電纜，固定支架，可移動支架，帶刻度的立桿，采集卡，穩(wěn)壓直流電源。其中壓力傳感器固定在可移動支架一端上，可移動支架的另一端通過套筒固定在固定支架上，固定支架通過底板固定在需測定的床面。帶刻度的立桿的底部固定在可移動支架上，帶刻度的立桿在豎直方向可上下移動，壓力傳感器通過導(dǎo)氣電纜分別與穩(wěn)壓直流電源和采集卡連接，采集卡連接到電腦。所述的壓力傳感器采用壓力敏感原件，帶微處理器的數(shù)字補償放大電路，不銹鋼外殼激光焊，內(nèi)置抗射頻、抗電磁干擾電路。所述固定支架的底板中間設(shè)置一帶螺紋的開孔，剛好使固定支架的底部通過。帶孔的底板設(shè)置在測量水底上，用于安裝測量的立桿，且在底板下沉安放過程中由于帶有小孔，對水體濃度分布和水底底泥的擾動很小。所述固定支架上部設(shè)置一開孔，剛好使帶刻度的立桿通過。所述可移動支架中間設(shè)置一帶螺紋的開孔，剛好使帶刻度的立桿通過。所述的采集卡為iUSBDAQ采集卡，其作用是采集壓力傳感器上電壓變化情況。所述的穩(wěn)壓直流電源輸出電壓為0-30V，其作用是為壓力傳感器提供5V直流電?；谏鲜鲅b置，本發(fā)明所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量方法， 包括如下步驟首先，確定研究區(qū)域的水深，調(diào)整可移動支架的位置，使其位于所需測量水深的位置；其次，將壓力傳感器固定在可移動支架上，該壓力傳感器通過導(dǎo)氣電纜分別與穩(wěn)壓直流電源(提供5伏直流電)和采集卡連接，該采集卡與電腦連接。然后，可移動支架通過套筒固定在固定支架上，固定支架通過底板固定在床面上。最后，分別開啟穩(wěn)壓直流電源，電腦，分析軟件，進行數(shù)據(jù)采集，完成壓力測量結(jié)
束ο本發(fā)明上述的壓力傳感器采用壓力敏感原件，帶微處理器的數(shù)字補償放大電路， 不銹鋼外殼激光焊，內(nèi)置抗射頻、抗電磁干擾電路，具有高精度、高可靠性、體積小、耐振動、 抗干擾能力強特點。其原理是硅應(yīng)變式，它是利用半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)和微機械加工技術(shù)，在單晶硅片的特定晶向上，用光刻、擴散等半導(dǎo)體工藝制做一惠斯登電橋，形成敏感膜片，當受到外力作用時產(chǎn)生微應(yīng)變，電阻率發(fā)生微小變化，使橋臂電阻發(fā)生變化(一對變大、一對變小)在激勵電壓信號輸出，經(jīng)過計算機溫度補償、激光調(diào)阻、信號放大等處理手段和嚴格的裝配檢測、標定等工藝，生產(chǎn)出具有標準輸出信號的壓力變送器。本發(fā)明中，電壓U(V)與壓力P (KPa)的轉(zhuǎn)化關(guān)系為P = 12. 25U-6. 125。與現(xiàn)有的脈動壓力測量方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于目前對于湖底壓力的測量一般是30秒到幾分鐘不等的頻率采集一次，無法捕捉到湖底脈動壓力，本發(fā)明在一秒鐘采集的壓力數(shù)據(jù)最高可以達到64000個，可以精確的采集到風(fēng)生波浪的脈動壓力。


圖1是本發(fā)明底部剖視圖。圖2是本發(fā)明連接示意圖。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。如圖1-2所示，本實施例用于測量位于2. 5米水深的湖泊的底床處脈動壓力，采用的裝置包括水準儀1、固定支架2、可移動支架3、帶刻度的立桿5、導(dǎo)氣電纜6、壓力傳感器 7、采集卡、穩(wěn)壓直流電源。壓力傳感器7固定在可移動支架3 —端上，可移動支架3的另一端通過套筒固定在固定支架2上，固定支架2通過底板4固定在需測定的床面。帶刻度的立桿5的底部固定在可移動支架3上，帶刻度的立桿5在豎直方向可上下移動，壓力傳感器 7通過導(dǎo)氣電纜6分別與穩(wěn)壓直流電源和采集卡連接，采集卡連接到電腦。本實施例中，所述的固定支架2由不銹鋼或其它高強度且不易生銹的材料做成， 設(shè)置在底板上，其作用是用于安裝帶孔的底板4。本實施例中，所述的固定支架2可以設(shè)有水準儀1，所述的水準儀1由一個密閉而透明的內(nèi)部充滿黃色液體且?guī)в幸粋€小氣泡的柱體，垂首設(shè)置在帶刻度的立桿5上，其作用是用于判別測量時帶刻度的立桿5是否垂直。本實施例中，所述的可移動支架3由不銹鋼或其它高強度且不易生銹的材料做成，中間設(shè)置一帶螺紋的開孔，剛好使帶刻度的立桿5通過。本實施例中，所述的帶孔的底板4由不銹鋼或其它高強度且不易生銹的材料做成，設(shè)置在測量水底上，其作用是用于安裝測量的帶刻度的立桿5，且在底板下沉安放過程中由于帶有小孔，對水體濃度分布和水底底泥的擾動很小。本實施例中，所述的帶刻度的立桿5由不銹鋼或其它高強度且不易生銹的材料做成，設(shè)置在可移動支架3上。本實施例中，所述的導(dǎo)氣電纜6由護套和導(dǎo)線組成，外部護套防水，絕緣。其作用是連接壓力傳感器7與采集卡、直流電源。本實施例中，所述的壓力傳感器7采用壓力敏感原件，帶微處理器的數(shù)字補償放大電路，不銹鋼外殼激光焊，內(nèi)置抗射頻、抗電磁干擾電路。本實施例中，所述的采集卡為iUSBDAQ采集卡，其作用是采集壓力傳感器上電壓變化情況。本實施例中，所述的穩(wěn)壓直流電源輸出電壓為0-30V，其作用是為壓力傳感器提供 5V直流電。本實施例中，所述的電腦帶有USB接口，系統(tǒng)為Windows XP或Windows 7。采用上述所述的裝置，測量位于2. 5米水深的湖泊的底床處脈動壓力的方法，具體如下(1)帶刻度的立桿5的底部固定在可移動支架3上，上部通過固定支架2，調(diào)整可移動支3的位置，使帶刻度的立桿讀數(shù)為2. 4米；(2)將壓力傳感器7固定在可移動支架3上，壓力傳感器7通過導(dǎo)氣電纜6分別與穩(wěn)壓直流電源(提供5伏直流電)和采集卡連接，其中導(dǎo)氣電纜6中綠色導(dǎo)線接穩(wěn)壓直流電源正，黑色導(dǎo)線接穩(wěn)壓直流電源負，藍色導(dǎo)線接采集卡上USDDAQ的AlO 口，黑色導(dǎo)線同時也接到采集卡USBDAQ的AGND 口，該采集卡通過專用傳輸線與電腦連接；(3)將可移動支架3的另一端通過套筒固定在固定支架2上。將固定支架2連接到底板4上插入床面，觀察水準儀1，使其保持豎直；(4)分別開啟穩(wěn)壓直流電源，電腦，iDAQ Test&Log Software 3. 1軟件，進行數(shù)據(jù)采集，壓力測量結(jié)束。上述方法采集卡可以為iUSBDAQ采集卡等，其采集頻率可自由設(shè)置，在連續(xù) STREAMING模式下能實時將數(shù)據(jù)不間斷的采集到PC，總通過率可達到64000次每秒，單通道的通過率可達到64000每秒。將數(shù)據(jù)采集卡連接到電腦上，采用免費的國外軟件iDAQ Test&Log Software 3. 1進行數(shù)據(jù)的采集和處理。本發(fā)明該裝置操作簡單，便于攜帶，成本較低，適合于野外采樣工作的特點，能夠適應(yīng)各種野外采樣條件。同時，能夠準確的采集到湖底由于風(fēng)生波浪所產(chǎn)生的脈動壓力。
權(quán)利要求
1.一種淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于包括壓力傳感器，導(dǎo)氣電纜，固定支架，可移動支架，帶刻度的立桿，采集卡以及穩(wěn)壓直流電源；其中壓力傳感器固定在可移動支架一端上，可移動支架的另一端通過套筒固定在固定支架上，固定支架通過底板固定在需測定的床面；在豎直方向能上下移動的帶刻度的立桿的底部固定在可移動支架上，壓力傳感器通過導(dǎo)氣電纜分別與穩(wěn)壓直流電源和采集卡連接，采集卡連接到電腦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于所述的壓力傳感器采用壓力敏感原件，帶微處理器的數(shù)字補償放大電路，不銹鋼外殼激光焊，內(nèi)置抗射頻、抗電磁干擾電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于所述固定支架的底板中間設(shè)置一剛好使固定支架的底部通過的、帶螺紋的開孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于所述固定支架上部設(shè)置一剛好使帶刻度的立桿通過的開孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于所述可移動支架中間設(shè)置一剛好使帶刻度的立桿通過的、帶螺紋的開孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于所述的采集卡為iUSBDAQ采集卡，采集壓力傳感器上電壓變化情況。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置，其特征在于所述的穩(wěn)壓直流電源輸出電壓為0-30V，為壓力傳感器提供5V直流電。
8.一種采用權(quán)利要求1-7任一項所述裝置的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量方法，其特征在于包括如下步驟首先，確定研究區(qū)域的水深，調(diào)整可移動支架的位置，使其位于所需測量水深的位置；其次，將壓力傳感器固定在可移動支架上，該壓力傳感器通過導(dǎo)氣電纜分別與穩(wěn)壓直流電源和采集卡連接，該采集卡與電腦連接；然后，可移動支架通過套筒固定在固定支架上，固定支架通過底板固定在床面上；最后，分別開啟穩(wěn)壓直流電源，電腦，進行采集和處理，完成壓力測量結(jié)束。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量方法，其特征在于所述采集卡為iUSBDAQ采集卡，其采集頻率自由設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量方法，其特征在于所述采集和處理采用iDAQ Test&Log Software 3. 1軟件進行。
全文摘要
本發(fā)明公開一種淺水湖泊風(fēng)生波浪湖底脈動壓力響應(yīng)的測量裝置和方法，所述裝置包括壓力傳感器，導(dǎo)氣電纜，固定支架，可移動支架，帶刻度的立桿，采集卡以及穩(wěn)壓直流電源；其中壓力傳感器固定在可移動支架一端上，可移動支架的另一端通過套筒固定在固定支架上，固定支架通過底板固定在需測定的床面；在豎直方向能上下移動的帶刻度的立桿的底部固定在可移動支架上，壓力傳感器通過導(dǎo)氣電纜分別與穩(wěn)壓直流電源和采集卡連接，采集卡連接到電腦。本發(fā)明在一秒鐘采集的壓力數(shù)據(jù)最高可以達到64000個，可以精確的采集到風(fēng)生波浪的脈動壓力。
文檔編號G01L23/10GK102435176SQ20111035910
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月14日
發(fā)明者喻國良, 郭龍先 申請人:上海交通大學(xué)