CN116413474B - 一种拉力式流速流向检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种拉力式流速流向检测装置及方法，所述检测装置包括旋转板、测力单元、可旋转的履带以及刚性杆件，所述旋转板通过转轴安装于所述可旋转的履带上，所述测力单元安装于所述可旋转的履带上，所述测力单元通过所述刚性杆件连接所述旋转板，所述测力单元用于在所述可旋转的履带在旋转时，采集力信号。本发明通过不同角度的旋转板在水流中的力信号，选择最大的力信号所对应的旋转板位置垂直方向作为水流方向，并通过不同转速的履带在水流中旋转，获取测力单元所检测到的力信号，将力信号达到0时所对应的履带的转速作为水流速度，以此可快速地检测水流的流速和流向，操作简单，准确度高。
Description
技术领域
本发明涉及水文地质参数测试技术领域，特别涉及一种拉力式流速流向检测装置及方法。
背景技术
地下水渗流在水文地质、工程地质、环境地质诸多领域有广泛需求。地下水渗流类比为水文地质科学的本构方程，是地下水科学研究的重点。地下水渗流亦常常为工程地质领域地质灾害的主要诱因，如滑坡、泥石流、地面塌陷、坝基管涌渗漏。地下水渗流引起土壤溶质运移及水溶性污染物扩散，亦是土壤及地下水污染修复的影响因素。如上所述，作为描述地下水渗流场主要特征参数，地下水流速的实时监测意义重大，应用领域广泛。
现有技术中，主要采用高精密的仪器设备进行检测，例如使用流速传感器等相关设备进行检测，流速传感器还需要配备相应的其他安装设备，成本较高，基于此，本发明提出一种基于力学传感器的流速流向检测装置与方法，以在保证精度的同时，降低检测成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拉力式流速流向检测装置及方法，以解决背景技术中存在的技术问题。
因此，本发明提供一种拉力式流速流向检测装置及方法，其采用的技术方案如下：
根据本发明的第一技术方案，提供一种拉力式流速流向检测装置，所述检测装置包括旋转板、测力单元、可旋转的履带以及刚性杆件，所述旋转板通过转轴安装于所述可旋转的履带上，所述测力单元安装于所述可旋转的履带上，所述测力单元通过所述刚性杆件连接所述旋转板，所述测力单元用于在所述可旋转的履带在旋转时，采集力信号。
进一步地，所述测力单元包括测力杆以及压力传感器，所述测力杆安装于所述可旋转的履带上，所述压力传感器固定设置在所述测力杆上，所述压力传感器连接所述刚性杆件。
根据本发明的第二技术方案，提供一种拉力式流速流向检测方法，基于如上所述的拉力式流速流向检测装置，所述方法包括：
通过测力单元采集不同角度下的旋转板所对应的第一力信号，第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向；
调整履带的方向与水流方向一致，使得履带在回转时，旋转板的移动方向与水流方向在同一直线上；
令履带以不同转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集多个第二力信号；
在所述多个第二力信号中，第二力信号为0时所对应的履带的转速为水流速度。
进一步地，在所述多个第二力信号中，当履带的转速大于水流速度，第二力信号为压力信号。
进一步地，在所述多个第二力信号中，当履带的转速小于水流速度，第二力信号为拉力信号。
进一步地，所述令履带以不同转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集多个第二力信号；在所述多个第二力信号中，第二力信号为初始值所对应的履带的转速为水流速度，具体包括：
令履带以第一转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集第二力信号；
若第二力信号为压力信号，则逐步降低第一转速，直至所述第二力信号为0，当前第一转速为水流速度；
若第二力信号为拉力信号，则逐步增加第一转速，直至所述第二力信号为0，当前第一转速为水流速度。
进一步地，若第二力信号为压力信号，则按照预设的第一数值逐步降低第一转速。
进一步地，若第二力信号为拉力信号，则按照预设的第一数值逐步增加第一转速。
本发明的有益效果是：根据本发明实施例的一种拉力式流速流向检测装置及方法，通过不同角度的旋转板在水流中的力信号，选择最大的力信号所对应的旋转板位置垂直方向作为水流方向，并通过不同转速的履带在水流中旋转，获取测力单元所检测到的力信号，将力信号达到初始值时所对应的履带的转速作为水流速度，以此可快速地检测水流的流速和流向，操作简单，成本低，准确度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了根据本发明实施例1的一种地下水流速检测装置的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例1的一种地下水流速检测装置在具有电机时的结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例2的一种拉力式流速流向检测方法的流程图。
图4示出了根据本发明实施例3的一种拉力式流速流向检测方法的流程图。
附图标记说明：
1、旋转板；2、测力单元；201、测力杆；202、压力传感器；3、履带；4、刚性杆件；5、转轴；6、电机。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
实施例1：本发明实施例提供一种拉力式流速流向检测装置，如图1所示，所述检测装置包括旋转板1、测力单元2、可旋转的履带3以及刚性杆件4，所述旋转板1通过转轴5安装于所述可旋转的履带3上，所述测力单元2安装于所述可旋转的履带3上，所述测力单元2通过所述刚性杆件4连接所述旋转板1，所述测力单元2用于在所述可旋转的履带3在旋转时，采集力信号。
上述结构中，先将所述检测装置放置于对应所需检测的水流中，特别适用于地下水流，通过测力单元2采集不同角度的旋转板1在水流中的力信号，选择最大的力信号所对应的旋转板位置垂直方向作为水流方向，并通过不同转速的履带3在水流中旋转，获取测力单元2所检测到的力信号，将力信号达到初始值时所对应的履带的转速作为水流速度，以此可快速地检测水流的流速和流向，操作简单，成本低，准确度高。
需要说明的是，其中转轴5可以旋转地安装于所述可旋转的履带3上，以利于对旋转板1的角度的调整，也可以是如图2所示，在履带3上设置电机6，转轴5连接电机6的输出轴，通过电机6的工作以改变旋转板1的角度。
在一些实施例中，所述测力单元2包括测力杆201以及压力传感器202，所述测力杆201安装于所述可旋转的履带3上，所述压力传感器202固定设置在所述测力杆201上，所述压力传感器202连接所述刚性杆件4。
需要说明的是，本实施例中所述的测力单元2仅仅只是示例，在具体实施时还可以采用市面上可以购买到的任意可以采集对应力信号的测力传感器。
实施例2：本发明实施例提供一种拉力式流速流向检测方法，基于如实施例1所述的拉力式流速流向检测装置，如图3所示，所述方法包括：
步骤S201，通过测力单元采集不同角度下的旋转板所对应的第一力信号，第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向。
具体调整旋转板角度的方式可以是通过手动调整转轴，或者利用电机进行调整，以使旋转板处于不同角度。在具体实施时还可以配置一个处理器，以接收测力单元的第一力信号，在采集到对应的第一力信号时并同时记录相应的角度，以此可以直接计算到第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向。
需要说明的是，当水流方向与旋转板相垂直时，此时旋转板受力最大，因此测力单元所采集到到的第一力信号是最大的，故以第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向。
示例性的，对于方向的具体确定，可以以旋转板的初始位置为基础，通过电机调节旋转板的转动角度θ，并记录对应转动角度下的第一力信号F1，旋转板位置的垂直方向与旋转板的初始位置的夹角可以定义为π/2-θ+2kπ，其中k为自然数。
步骤S202，调整履带的方向与水流方向一致，使得履带在回转时，旋转板的移动方向与水流方向在同一直线上。
步骤S203，令履带以不同转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集多个第二力信号。
步骤S204，在所述多个第二力信号中，第二力信号为0时所对应的履带的转速为水流速度。
该步骤可以通过处理器予以执行，利用处理器的数据接收处理功能，接收多个第二力信号，选择第二力信号为初始值所对应的履带的转速为水流速度，可快速获取流速数值。
在一些实施例中，在所述多个第二力信号中，当履带的转速大于水流速度，第二力信号为压力信号。
在一些实施例中，在所述多个第二力信号中，当履带的转速小于水流速度，第二力信号为拉力信号。
示例性的，在已知的水流速度的流水中进行测试，流水的水流速度为1m/s，基于如上所描述的步骤，进行实验测试，在已知水流方向的情况下，令履带的转动方向与水流方向一致，即履带在回转时，运动于履带上方的旋转板的移动方向与水流方向保持一致。实验结果如表1所示。
表1.水流速度测试实验数据
。
如表1所示，第二力信号的正负值分别表示的是拉力信号与压力信号，即代表了旋转板的受力方向。在同一转速下令履带工作一段时间，由于旋转板做回转运动，因此测得了两个稳定的压力信号，即旋转板在做直线运动过程中所采集到的两个稳定的力信号，以这两个稳定的力信号作为第二力信号，其他状态下，如在旋转板转动过程中的力信号，该时间相对整体回转运动的时间较短，且这个过程中的力信号对流速的检测不存在意义，故不采用这段过程中的力信号。表1中对应转速下方的左侧的第二力信号为顺流时的测力单元所采集到的第二力信号的值，右侧则是在逆流时测力单元所采集到的第二力信号的值。
根据表1所显示的，在履带转速与水流速度一致时，由于旋转板在其回转过程中，某一段时间与水流速度一致，即相对静止，此时不受水流压力影响，因此在旋转板不受力时，第二力信号为0，则可以根据履带转速来确定水流速度，实现对水流速度的检测。
实施例3：本发明实施例提供一种拉力式流速流向检测方法，基于实施例1所述的拉力式流速流向检测装置，如图4所示，所述方法包括：
步骤S301，通过测力单元采集不同角度下的旋转板所对应的第一力信号，第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向。
该步骤中，具体调整旋转板角度的方式可以是通过手动调整转轴，或者利用电机进行调整，以使旋转板处于不同角度。在具体实施例时还可以配置一个处理器，以接收测力单元的第一力信号，在采集到对应的第一力信号时并同时记录相应的角度，以此可以直接计算到第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向。
步骤S302，调整履带的方向与水流方向一致，使得履带在回转时，旋转板的移动方向与水流方向在同一直线上。
步骤S303，令履带以第一转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集第二力信号。
在执行步骤S303后，根据测力单元所检测到的力信号的性质，来执行步骤S304和步骤S305，力信号的性质包括拉力信号和压力信号。其中，当履带的转速大于水流速度，第二力信号为压力信号，当履带的转速小于水流速度，第二力信号为拉力信号。
步骤S304，若第二力信号为压力信号，则逐步降低第一转速，直至所述第二力信号为0，当前第一转速为水流速度。
在一些实施例中，若第二力信号为压力信号，则按照预设的第一数值逐步降低第一转速。
步骤S305，若第二力信号为拉力信号，则逐步增加第一转速，直至所述第二力信号为0，当前第一转速为水流速度。
在一些实施例中，若第二力信号为拉力信号，则按照预设的第一数值逐步增加第一转速。
示例性的，在已知的水流速度的流水中进行测试，流水的水流速度为1m/s，基于如上所描述的步骤，进行实验测试。在该实验测试中，令履带以一个随机的转速进行转动。例如以0.5m/s的第一转速进行回转运动一段时间，此时所采集到的第二力信号的值为10.4N和-30.3N，一般认为绝对值更大的值为旋转板在逆流情况下运动时测力单元所采集到的第二力信号的值，以绝对值更小的第二力信号的值作为第二力信号，即此时第二力信号为拉力信号，则逐步增加第一转速，增加第一转速可以按照预设的第一数值来进行逐步增加，其中预设的第一数值为预先设定的，根据所需测量的水流速度的精度来确定，如在水流速度为1m/s时，第一数值可以设置为0.1、0.05、0.01等等，本实施例此处不具体限制。以第一数值为0.1m/s为例，逐步进行第一转速的增加，当增加到0.8m/s时，第二力信号的值为4.3N，增加到1.0m/s时，第二力信号的值为0 N，则确定当前的第一转速1.0m/s为水流速度。
同样的，当履带开始起步的第一转速大于水流速度，如第一转速为1.5时，所采集到的第二力信号的值为-10N和-50.2N，以绝对值更小的值为第二力信号，即为-10N，第二力信号为压力信号，表示第一转速大于水流速度，此时可以按照预设的第一数值来降低第一转速，同理，预设的第一数值根据所需检测的水流速度大小的精度来确定。以第一数值为0.05m/s为例，逐步进行第一转速的增加，当降低到0.8m/s时，第二力信号的值为-4.0N，降低到1.0m/s时，第二力信号的值为0 N，则确定当前的第一转速1.0m/s为水流速度。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (7)
1.一种拉力式流速流向检测方法，其特征在于，基于拉力式流速流向检测装置，所述检测装置包括旋转板、测力单元、可旋转的履带以及刚性杆件，所述旋转板通过转轴安装于所述可旋转的履带上，所述测力单元安装于所述可旋转的履带上，所述测力单元通过所述刚性杆件连接所述旋转板，所述测力单元用于在所述可旋转的履带在旋转时，采集力信号，所述方法包括：
通过测力单元采集不同角度下的旋转板所对应的第一力信号，第一力信号最大时所对应的旋转板位置的垂直方向为水流方向；
调整履带的方向与水流方向一致，使得履带在回转时，旋转板的移动方向与水流方向在同一直线上；
令履带以不同转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集多个第二力信号；
在所述多个第二力信号中，第二力信号为0时所对应的履带的转速为水流速度。
2.如权利要求1所述的拉力式流速流向检测方法，其特征在于，所述测力单元包括测力杆以及压力传感器，所述测力杆安装于所述可旋转的履带上，所述压力传感器固定设置在所述测力杆上，所述压力传感器连接所述刚性杆件。
3.如权利要求1所述的拉力式流速流向检测方法，其特征在于，在所述多个第二力信号中，当履带的转速大于水流速度，第二力信号为压力信号。
4.如权利要求3所述的拉力式流速流向检测方法，其特征在于，在所述多个第二力信号中，当履带的转速小于水流速度，第二力信号为拉力信号。
5.如权利要求4所述的拉力式流速流向检测方法，其特征在于，所述令履带以不同转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集多个第二力信号；在所述多个第二力信号中，第二力信号为初始值所对应的履带的转速为水流速度，具体包括：
令履带以第一转速旋转，所述测力单元与所述旋转板跟随所述履带旋转，通过所述测力单元采集第二力信号；
若第二力信号为压力信号，则逐步降低第一转速，直至所述第二力信号为初始值，当前第一转速为水流速度；
若第二力信号为拉力信号，则逐步增加第一转速，直至所述第二力信号为初始值，当前第一转速为水流速度。
6.如权利要求5所述的拉力式流速流向检测方法，其特征在于，若第二力信号为压力信号，则按照预设的第一数值逐步降低第一转速。
7.如权利要求5所述的拉力式流速流向检测方法，其特征在于，若第二力信号为拉力信号，则按照预设的第一数值逐步增加第一转速。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Biomimetic Flow Sensor for Detecting Flow Rate and Direction as an Application for Maneuvering Autonomous Underwater Vehicle;Tran, Le-Giang;INTERNATIONAL JOURNAL OF PRECISION ENGINEERING AND MANUFACTURING-GREEN TECHNOLOGY;全文 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116413474A (zh) | 2023-07-11 |
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