基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113008741A(43)申请公布日2021.06.22(21)申请号202110180858.0(22)申请日2021.02.10(71)申请人华北水利水电大学地址450011河南省郑州市金水区北环路36号(72)发明人刘明潇(74)专利代理机构郑州中原专利事务所有限公司41109代理人王晓丽(51)Int.Cl.G01N15/00(2006.01)G01D21/02(2006.01)权利要求书2页说明书6页附图2页(54)发明名称基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及试验方法(57)摘要一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统及方法，观测系统包括透明水槽，与透明水槽匹配设置的试验控制装置及测量装置，以及中央处理器；试验控制装置包括控制流量的变频稳定器和控制水深的尾门，水槽上游进水端与水泵、变频稳定器连接，变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述测量装置包括超声波水位仪、多普勒流测速仪、粒子图像测速仪和防水摄像机，均与中央处理器连接。还公开了该颗粒运动观测方法及粒子图像采集过程，提出了基于水下摄像技术的颗粒运动观测新方法，以及对实验条件、图像采集频率与时长的技术要求；实现了对明槽水流颗粒床面运动的精细观测与数据采集，采样效率提高1倍以上，数据有效率满足对颗粒状态特征研究要求。CN113008741ACN113008741A权利要求书1/2页1.一种基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：包括具有可动泥沙床面的透明水槽，水槽水流控制装置及水流泥沙运动测量装置；所述水槽水流控制装置包括变频稳定器和尾门，透明水槽上游进水端由水泵与水循环系统连通，水泵与变频稳定器连接以控制试验进水流量，水槽下游设置有尾门以控制试验水深，水泵、变频稳定器和尾门均与中央处理器连接；所述水流泥沙运动测量装置包括电磁流量计、超声波水位仪、多普勒流速仪、粒子图像测速仪和用于水下摄像的防水摄像机，上述水流泥沙运动测量装置均与中央处理器连接；超声水位仪设置在透明水槽上方，在透明水槽上还设置有多普勒测速仪和粒子图像测速仪，防水摄像机设置在透明水槽内的水下。2.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽由上游向下游依次为静水栅、上游粗砾过渡段、动床铺沙段、动床近底流速采集段、近底泥沙信息采集段、下游过渡段和尾门；所述超声波水位仪设置在水槽动床铺沙段的正上方，多普勒流速仪通过支架设置在透明水槽动床近底流速采集段的床面上方不同位置；粒子图像测速仪包括激光器和高速相机，激光器设置在动床近底流速采集段的透明水槽侧壁上，高速相机设置在激光器对应的动床近底流速采集段的透明水槽正上方，激光器和高速相机均与中央处理器连接；防水摄像机通过支架设置在近底泥沙信息采集段的透明水槽床面上方的水下位置。3.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽的底坡可调，坡度变化范围为0‑1%。4.根据权利要求2所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述防水摄像机对应的观测支架为三维可调支架，防水摄像机通过卡夹固定在支架上，在透明水槽侧壁还设置有光漫射辅助装置。5.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：防水摄像机的镜头距床面的高度hs为：hs/D50>90，其中D50为泥沙中值粒径，H为水深；相机频率不低于120帧/秒。6.根据权利要求1所述的基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统，其特征在于：所述透明水槽为透明玻璃水槽，所述尾门为百叶窗式尾门。7.基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测方法，其特征在于：采用权利要求1‑6中任一项基于水下摄像技术的明流床面颗粒观测系统进行明流床面颗粒运动试验观测方法，具体步骤如下：a.透明水槽试验系统：透明水槽底坡度调节范围0‑10%；进水端通过多排稳流栅对来流进行平衡、均化，水槽末端采用百叶窗式尾门控制试验水深；透明水槽由变频稳定器与电磁流量计配合，控制试验进水流量，百叶窗式尾门、变频稳定器与电磁流量计均与中央处理器连接；明流床面为泥沙颗粒铺成的可侵蚀动床，颗粒为级配均匀的天然沙；在水槽上方安装超声水位仪测试水位，在透明水槽上还设置有多普勒流速仪和粒子图像测速仪，超声水位仪、多普勒流速仪和粒子图像测速仪均与中央处理器连接，进行瞬时流速的多点实时动态采集；防水摄像机设置在透明水槽的床面上方的水下，防水摄像机与中央处理器连接，进行床面颗粒运动图像的水下采集；b.通过安装在透明水槽水下的防水摄像机对床面颗粒运动状态及过程进行高帧率图像信息采集并传输到中央处理器，精细追踪颗粒运动轨迹；图像采集频率采用120fps，每个2CN113008741A权利要