CN113899426A - 水沙界面判断模块及河口海岸物理模型水下地形测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种水沙界面判断模块及河口海岸物理模型水下地形测量装置，该模块包括：探头单元，包括导光单元与收光单元，所述导光单元与收光单元相对侧的侧面均开有通光孔；光电接收处理单元，包括发光二极管、三极管、电压比较模块、数模转换模块、数字显示面板和精密可调电阻，调节所述精密可调电阻，调整所述发光二极管的发光强度，所述发光二极管发光经光纤传送至所述导光单元后被所述收光单元接收，接收的光经光纤送至所述三极管，所述数模转换模块将所述三极管的阻值变化转化为数字量，数字显示面板显示通光量数值，所述电压比较模块判断实际通光量与通光量阈值大小，当实际通光量低于通光量阈值时，电压比较模块输出高电平的开关量信号。

Description

水沙界面判断模块及河口海岸物理模型水下地形测量装置

技术领域

本申请涉及河口海岸物理模型地形测量领域，尤其涉及一种水沙界面判断模块及河口海岸物理模型水下地形测量装置。

背景技术

泥沙研究是水利工程的一个重点研究方向，河口海岸物理模型试验是研究这类泥沙问题的重要方法。在试验过程中，要准确的监测泥沙地形的变化趋势及变化幅度，需要地形测量仪器来测量试验中的地形数据。测量分为人工出来与自动测量两种方法。

人工方法测量，通过手持式界面仪配合水准仪观测数据，手持式界面仪采用光电传感器判断泥沙界面，测量时需要至少三人配合，一名工作人员手持界面仪，另外一名工作人员通过水准仪观测界面仪测杆读数，还需要一名工作人员记录数据；手动测量的缺点总结如下：测量精度低，实际精度在2mm以上；测量效率低下，数据实时性不好；探头体型较大，对地形破坏较大。

自动测量，主要采用超声波地作为传感器，泥沙地形必须全部在水下且淹没深度超过10cm，实测误差在2mm以上，不能测量泥沙浑水模型地形及水上地形。

发明内容

鉴于此，本申请实施例的目的是提供一种水沙界面判断模块及河口海岸物理模型水下地形测量装置，以解决上述问题。

本发明的发明目的是克服上述的模型地形测量的缺陷，提出一种测量精度高、效率高、单探头可同时测量水下浑水地形、水上地形及硬地面地形、使用方便且轻质化的三维地形测量装置。

根据本申请实施例的第一方面，提供一种水沙界面判断模块，包括：

探头单元，包括导光单元与收光单元，所述导光单元与收光单元相对侧的侧面均开有通光孔；

光电接收处理单元，包括发光二极管、三极管、电压比较模块、数模转换模块、数字显示面板和精密可调电阻，通过调节所述精密可调电阻，调整所述发光二极管的发光强度，所述发光二极管发出的光透过通光孔后经过光纤传送至所述导光单元，然后被所述收光单元接收，所述收光单元接收的光透过通光孔后经过光纤送至所述三极管，所述数模转换模块将所述三极管的阻值变化转化为数字量，然后通过数字显示面板显示实际通关量数值，所述电压比较模块通过判断实际通光量与通光量阈值来输出开光量信号，当实际通光量低于通光量阈值时，电压比较模块被触发并输出高电平的开关量信号。

进一步地，所述数字显示面板上有两组数值，一组为实际通光量，一组为通光量阈值。

根据本申请实施例的第二方面，提供一种河口海岸物理模型水下地形测量装置，包括：

三轴移动平台；

权利要求1所述的水沙界面判断模块，安装在所述三轴移动平台的Z轴上；

伺服控制器，与所述三轴移动平台电连接，控制所述三轴移动平台的移动；PLC控制器，与所述伺服控制器电连接；

触摸屏，与所述PLC控制器通过连接。

进一步地，所述三轴移动平台，包括：

一对平行布置且可沿X轴滑动的X轴直线滑动轨道模组；

Y轴直线滑动轨道模组，设置在所述X轴直线滑动轨道模组上；

Z轴直线滑动轨道模组，设置在所述Y轴直线滑动轨道模组上。

其中所述水沙界面判断模块设置在所述Z轴直线滑动轨道模组上。

进一步地，所述探头单元通过探头固定装置固定在所述Z轴直线滑动轨道模组上。

进一步地，所述探头固定装置为一个圆管柱体，柱体下方有两个圆孔，用于固定探头单元，柱体上方为一个内攻丝的螺纹孔，用于与Z轴直线滑动轨道模组进行固定连接。

进一步地，所述X轴直线滑动轨道模组包括：

第一直线导轨组件；

第一伺服电机，驱动所述第一直线导轨组件。

进一步地，所述Y轴直线滑动轨道模组包括：

第二直线导轨组件；

第二伺服电机，驱动所述第二直线导轨组件。

进一步地，所述Z轴直线滑动轨道模组包括：

第三直线导轨组件；

第三伺服电机，驱动所述第三直线导轨组件。

进一步地，第一、第二、第三伺服电机为采用绝对值编码器的高精度伺服电机。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

由上述实施例可知，本申请采用具有可调节阈值并实时显示通光量的光电式判断方式，克服了传统光电探头水沙界面判别不清晰且调节麻烦的问题，进而达到了精确判断水沙界面的目的，并且使用方便。采用搭载三轴移动平台进行水下地形的方式，克服了以往定位不精确、重复精度差的问题，使得地形测量更加精确。

本申请水沙界面判断模块可判断水沙的分界面，三轴移动平台可提供空间的移动，配合上伺服控制器、PLC控制器以及触摸屏，可实现空间的移动与精确定位，当水沙界面判断模块判断到某测点水沙分界面后，立刻向PLC返回一个开光量状态，PLC记录当前的位置信息，该位置信息包括该测点水沙分界面的高程信息及该测点的二维位置信息，这样就可以精确获知该测点的泥沙地形数据。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

图1是根据一示例性实施例示出的探头单元示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的光电接收处理单元的电路图。

图3是根据一示例性实施例示出的一种河口海岸物理模型水下地形测量装置的整体结构示意图。

图4是图3中A处的局部放大图。

图中的附图标记有：

100、水沙界面判断模块；10、探头单元；11、导光单元；12、收光单元；20、光电接收处理单元；21、发光二极管；22、三极管；23、电压比较模块；24、数模转换模块；25、数字显示面板；26、精密可调电阻；

200、三轴移动平台；210、X轴直线滑动轨道模组；211、第一直线导轨组件；220、Y轴直线滑动轨道模组；221、第二直线导轨组件；222、第二伺服电机；230、Z轴直线滑动轨道模组；231、第三直线导轨组件；232、第三伺服电机；

300、触摸屏；400、搬动把手；500、控制箱；600、拖线槽；700、支架。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

参考图1-2所示，本实施例提供一种水沙界面判断模块100，该模块可以包括：探头单元10和光电接收处理单元20，所述探头单元10包括导光单元11与收光单元12，所述导光单元11与收光单元12相对侧的侧面均开有通光孔13；所述光电接收处理单元20包括发光二极管21、三极管22、电压比较模块23、数模转换模块24、数字显示面板25和精密可调电阻26，通过调节所述精密可调电阻26，调整所述发光二极管21的发光强度，所述发光二极管21发出的光透过通光孔13后经过光纤传送至所述导光单元11，然后被所述收光单元12接收，所述收光单元12接收的光透过通光孔13后经过光纤送至所述三极管22，所述数模转换模块24将所述三极管22的阻值变化转化为数字量，然后通过数字显示面板25显示实际通关量数值，所述电压比较模块23通过判断实际通光量与通光量阈值来输出开光量信号，当实际通光量低于通光量阈值时，电压比较模块23被触发并输出高电平的开关量信号。

由上述实施例可知，本申请水沙界面判断模块能够实时显示实际通光量的值并设置通光量阈值，通过与通光量阈值进行比较来判断水沙界面，以高浓度的木粉沙水体为例，水沙界面判断模块在空气中或者清水中的实际通光量为满值(以1000为例)，高浓度的木粉沙水体的通光量为50至900之间，木粉沙地形的通光量为10以下，在实际使用中，一般将阈值设为10至50之间，假定设为30，当水沙界面判断模块***高浓度木粉沙水体，实际通光量大于所设的通光量阈值，不会触发开关量信号，当触碰木粉沙地形的瞬间，实际通光量瞬间降为10以下，小于通光量阈值，水沙界面判断模瞬间发出开关量信号，表示已经触碰到水沙分界面。可实时显示实际通光量的值并设置通光量阈值还有一个益处，针对不同的模型沙，设置不同的通光量阈值就可以准确判断不同模型沙的水沙界面。

如图2所示，为光电接收处理单元20的电路图，图中所述精密可调电阻26的第一线圈端、三极管22的发射极、数模转换模块24的VCC端和电压比较模块23的VCC端均与电源VCC相连，所述精密可调电阻26的第二线圈端与所述发光二极管21的正极相连，所述发光二极管21的负极接地，所述三极管22的基极分别于所述数模转换模块24的正输入端和电压比较模块23的正输入端相连，所述三极管22的集电极分别与所述电阻R的一端、所述数模转换模块24的负输入端和电压比较模块23的负输入端相连，所述电阻R的另一端、所述数模转换模块24的地端和电压比较模块23的地端均接地，所述数模转换模块24的输出端与所述数字显示面板25相连，所述电压比较模块23的输出端与所述二极管的正极相连。

本实施例中，所述探头单元10为一体式的微型光电探头。一体式微型光电探头，采用一体式设计，整体体积小、强度大，在测量时对地形的影响微小，并且可直接硬接触硬物而不变形。具体地，所述导光单元11为一个侧面开窗的导光管，在光纤上套上细的不锈钢管，光纤底部为45°斜切面，斜切面对应的不锈钢管处有开口，从开口处可实现侧面的导出、接收光线。导光单元11负责将光导出。所述收光单元12的硬件设计与导光单元11一样，收光单元12负责接收将导光单元11导出光。

本实施例中，所述数字显示面板25上有两组数值，一组为实际通光量，一组为通光量阈值。

如图3和4所示，本实施例还提供一种河口海岸物理模型水下地形测量装置，可以包括：上述的水沙界面判断模块100、三轴移动平台200、伺服控制器、PLC控制器以及触摸屏300，所述水沙界面判断模块100安装在所述三轴移动平台200的Z轴上，所述伺服控制器与所述三轴移动平台200电连接，控制所述三轴移动平台200的移动；所述PLC控制器与所述伺服控制器电连接；所述触摸屏300与所述PLC控制器通过无线连接。

由上述实施例可知，本申请水沙界面判断模块可判断水沙的分界面，三轴移动平台可提供空间的移动，配合上伺服控制器、PLC控制器以及触摸屏，可实现空间的移动与精确定位，当水沙界面判断模块判断到某测点水沙分界面后，立刻向PLC返回一个开光量状态，PLC记录当前的位置信息，该位置信息包括该测点水沙分界面的高程信息及该测点的二维位置信息，这样就可以精确获知该测点的泥沙地形数据。

本实施例中，所述三轴移动平台200可以包括：一对平行布置且可沿X轴滑动的X轴直线滑动轨道模组210；Y轴直线滑动轨道模组220，设置在所述X轴直线滑动轨道模组210上；Z轴直线滑动轨道模组230，设置在所述Y轴直线滑动轨道模组220上；其中所述水沙界面判断模块100设置在所述Z轴直线滑动轨道模组230上。通过三轴移动平台200，可实现三轴方向的滑行。

具体地，所述X轴直线滑动轨道模组210包括：第一直线导轨组件211和第一伺服电机(图中未示出)，所述第一伺服电机驱动所述第一直线导轨组件211，所述Y轴直线滑动轨道模组220包括：第二直线导轨组件221和第二伺服电机222，所述第二伺服电机222驱动所述第二直线导轨组件221，所述Z轴直线滑动轨道模组230包括：第三直线导轨组件231和第三伺服电机232，所述第三伺服电机232驱动所述第三直线导轨组件231。

装置的三轴移动平台配合PLC、伺服控制器实现，运动控制精度高，达到0.01mm；水下水沙界面判断模块采用侧视小型化结构配合可视化光电接收处理单元，对水下地形判断迅速准确且影响极小，结合测量执行机构，实际测量精度可达0.1mm；整体框架采用铝合金材质，重量控制在40kg以内，搬运方便；用于控制的触摸屏与控制柜分离，控制更加灵活，免去现场布线。

以上第一、第二、第三伺服电机均可采用绝对值编码器的高精度伺服电机。在所述伺服电机的输出轴上还可以连接减速机模组。

以上的第一、第二、第三直线导轨组件可以采用以下方式中的一种：

1)一导轨、一套装在所述导轨上的滑块、一与所述滑块啮合的丝杠，通过驱动丝杠的转动，实现滑块在导轨上的移动。

2)一导轨、一套装在所述导轨上的滑块、一与所述滑块固定的同步带，通过驱动同步带的带轮，实现同步带的转动，进而实现滑块在导轨上的移动。

3)直线电机。

由于需要实现空间三维运动，本实施例附图示出的X轴直线滑动轨道模组210主要由导轨和套装在所述导轨上的滑块构成，可以在导轨上标记刻度，以实现空间的三维运动与定位。

本实施例中，所述探头单元10通过探头固定装置固定在所述Z轴直线滑动轨道模组230上。

具体地，所述探头固定装置为一个圆管柱体，柱体下方有两个圆孔，用于固定探头单元10，柱体上方为一个内攻丝的螺纹孔，用于与Z轴直线滑动轨道模组230进行固定连接。

为了方便搬运，在所述三轴移动平台200上设置搬动把手400，一般这个搬动把手400固定在X轴直线滑动轨道模组210或Y轴直线滑动轨道模组220上。

还可包括滑轨自锁装置，采用通过螺丝抵住加压的方式实现锁定，用于锁定所述X轴直线滑动轨道模组210的位置。

本实例中，所述伺服控制器和PLC控制器可安装在控制箱500上，所述控制箱500搭载在所述Z轴直线滑动轨道模组230上。

为了防止信号线及动力线意外脱落或过度拉伸，在所述Y轴直线滑动轨道模组220旁固定一拖线槽600。

实例中，在水工、河工、海工模型的被测地形中架起两段平行的间距4m的支架700，在支架700上将三轴移动平台200的第一直线导轨组件211通过螺丝固定上，在每个直线导轨组件上可贴上直尺，作为位置参考点。

具体的，地形测点依照测桥的方向进行分布，分为多个单面测量，每个断面点的数量、起点与疏密按照实际测量要求进行设置，测量的断面位置在直尺上做好标记方便直接测量。

装置安装完成及测点布置完成后，开始进行点位的输入，可在触摸屏300上配置测点的信息，输入各个断面测量测量位置，信息包括断面号、断面测量起始点、测量间距、测点数。

信息输入确定后，开始进行第一个断面的测量，将水沙界面判断模块100通过三轴移动平台200运动至标记断面处，可通过滑轨自锁装置将X轴直线滑动轨道模组210锁定，在触摸屏300上点击开始测量，Y轴直线滑动轨道模组220开始往左移动，移动时信号线及电源线在拖线槽600内随之移动，移动至被测点位置停止，Z轴直线滑动轨道模组230带动水沙界面判断模块100下移，探头单元10***水中不会触发，当探头单元10触碰到水沙的分界面时，探头单元10触发信号，装置记录此点位的Z轴坐标，该点测量完成后，Z轴上移，继续向左移动至下一个测点，到达点位后，Z轴下移，触碰分界面后返回，记录Z轴信息。一个断面测量完成之后，将滑轨自锁装置打开，X轴直线滑动轨道模组210滑动至下一断面。重复上述步骤，最终完成获取测量范围内待测点的所有地形信息测量完成后，可通过U盘将测量数据拷贝出来。

在实施的过程之中，不同的水工、河工、海工试验选用不同的模型沙，有木粉、煤粉、塑料沙、原型沙、淤泥等特性迥异的材料，不同的模型沙与水的分界面处的通光率是不同的，在每次试验之前，需要进行简单的调试，将探头***被测的模型沙中，如果已经触发了信号，不需要调整，如果为未触发，观察可视化光电接收处理单元20上的数字显示面板25，调整通光阈值大于此刻显示的通光量使可视化光电接收处理单元20处于触发状态。

此外，在测量中，有可能会有地形时没有泥沙覆盖的或直接就是光板水泥地形时，测量探头触碰之后不会触发光电开关量信号，探头会继续下移，此时探头受力导致伺服电机输出扭力值变动，超过预设的扭力值阈值，***直接记录改点的Z值并上行，保护探头不受损伤，然后继续测量下一点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种水沙界面判断模块，其特征在于，包括：

探头单元，包括导光单元与收光单元，所述导光单元与收光单元相对侧的侧面均开有通光孔；

光电接收处理单元，包括发光二极管、三极管、电压比较模块、数模转换模块、数字显示面板和精密可调电阻，通过调节所述精密可调电阻，调整所述发光二极管的发光强度，所述发光二极管发出的光透过通光孔后经过光纤传送至所述导光单元，然后被所述收光单元接收，所述收光单元接收的光透过通光孔后经过光纤送至所述三极管，所述数模转换模块将所述三极管的阻值变化转化为数字量，然后通过数字显示面板显示实际通关量数值，所述电压比较模块通过判断实际通光量与通光量阈值来输出开光量信号，当实际通光量低于通光量阈值时，电压比较模块被触发并输出高电平的开关量信号。

2.根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述数字显示面板上有两组数值，一组为实际通光量，一组为通光量阈值。

3.一种河口海岸物理模型水下地形测量装置，其特征在于，包括：

三轴移动平台；

权利要求1所述的水沙界面判断模块，安装在所述三轴移动平台的Z轴上；

伺服控制器，与所述三轴移动平台电连接，控制所述三轴移动平台的移动；

PLC控制器，与所述伺服控制器电连接；

触摸屏，与所述PLC控制器通过连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述三轴移动平台，包括：

一对平行布置且可沿X轴滑动的X轴直线滑动轨道模组；

Y轴直线滑动轨道模组，设置在所述X轴直线滑动轨道模组上；

Z轴直线滑动轨道模组，设置在所述Y轴直线滑动轨道模组上；

其中所述水沙界面判断模块设置在所述Z轴直线滑动轨道模组上。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述探头单元通过探头固定装置固定在所述Z轴直线滑动轨道模组上。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述探头固定装置为一个圆管柱体，柱体下方有两个圆孔，用于固定探头单元，柱体上方为一个内攻丝的螺纹孔，用于与Z轴直线滑动轨道模组进行固定连接。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述X轴直线滑动轨道模组包括：

第一直线导轨组件；

第一伺服电机，驱动所述第一直线导轨组件。

8.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述Y轴直线滑动轨道模组包括：

第二直线导轨组件；

第二伺服电机，驱动所述第二直线导轨组件。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述Z轴直线滑动轨道模组包括：

第三直线导轨组件；

第三伺服电机，驱动所述第三直线导轨组件。

10.根据权利要求7、8或9所述的装置，其特征在于，第一、第二、第三伺服电机为采用绝对值编码器的高精度伺服电机。

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