基于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水沙觀測(cè)儀器支架系統(tǒng)技術(shù)方案

本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種基于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水沙觀測(cè)儀器支架系統(tǒng)，包括設(shè)置在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)底部的固定支架，固定支架設(shè)有環(huán)形主體支架，環(huán)形主體支架的法向與來(lái)浪和來(lái)流方向垂直，在環(huán)形主體支架內(nèi)固定有豎直設(shè)置的直線(xiàn)導(dǎo)軌，在直線(xiàn)導(dǎo)軌上裝配有滑塊，在滑塊上固定有托架，滑塊的外側(cè)通過(guò)彈簧與環(huán)形主體支架連接，滑塊的兩側(cè)分別與牽引鋼絲的兩端連接，牽引鋼絲張拉在定滑輪和滾筒上，定滑輪安裝在環(huán)形主體支架的底部，滾筒安裝在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之外，滾筒由變速箱和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)由控制主機(jī)控制。本實(shí)用新型專(zhuān)利技術(shù)安全可靠、對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)小，自動(dòng)化程度高，能夠提高量測(cè)儀器的傳感器位置精度。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及河口海岸動(dòng)力學(xué)、流體力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論的實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域，特別涉及一種基于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水沙觀測(cè)儀器支架系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
室內(nèi)波浪、水流及泥沙運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)是河口海岸動(dòng)力學(xué)理論研究和發(fā)展的重要手段，并可直接為實(shí)際工程問(wèn)題提供設(shè)計(jì)參數(shù)。因此，保證實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性和有效性，特別是測(cè)量數(shù)據(jù)的精度具有關(guān)鍵意義。長(zhǎng)期以來(lái)，受限于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地規(guī)模條件，大多數(shù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方案均按照相似準(zhǔn)則將天然海岸中地形及波浪、水流動(dòng)力進(jìn)行比尺縮放，并在小型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，例如小型長(zhǎng)直波浪水流槽、小型波浪水流池、環(huán)形超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等，待實(shí)驗(yàn)完成后，再將所得參數(shù)按相似準(zhǔn)則反推至原型。然而，這一方法由于不能滿(mǎn)足全部的相似律而產(chǎn)生水動(dòng)力和泥沙運(yùn)動(dòng)的不匹配，即“比尺效應(yīng)”，造成反推至原型尺度時(shí)產(chǎn)生偏差，進(jìn)而導(dǎo)致研究結(jié)果的不可靠。考慮到小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的固有缺陷，近年來(lái)研究者越來(lái)越重視原型尺度下的大型水沙動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究。目前，我國(guó)僅有交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“天科所”)成功地建設(shè)了超大型波浪水流槽實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(長(zhǎng)450m、寬5m、高12m，有效實(shí)驗(yàn)段108m、有效實(shí)驗(yàn)水深Sm)，可在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)直接生成現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)量條件的波浪、水流動(dòng)力條件，為河口海岸動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論研究提供難得的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，當(dāng)前存在眾多高精度的流速、含沙量觀測(cè)儀器，例如高精度三維點(diǎn)式流速儀Vectrino、ADV，高精度點(diǎn)式含沙量測(cè)量?jī)x0BS3+、高精度面式流速測(cè)量?jī)xPIV等，為開(kāi)展測(cè)量提供了基礎(chǔ)儀器條件。然而，在實(shí)驗(yàn)方案中，除對(duì)觀測(cè)儀器設(shè)備的選取外，實(shí)驗(yàn)儀器的觀測(cè)方案，特別是儀器傳感器探頭的安裝是關(guān)鍵問(wèn)題。如傳感器安裝方式不得當(dāng)，則會(huì)使得測(cè)量數(shù)據(jù)失真，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。在以往基于小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)量中，由于波流動(dòng)力較弱，且實(shí)驗(yàn)水深僅有數(shù)十厘米，從而在傳感器安裝方面一般采用桿件式支架，即將儀器傳感器固定在具有刻度的硬桿之上，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)人員手動(dòng)升降桿件來(lái)控制傳感器位置。在基于超大型水動(dòng)力平臺(tái)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，由于動(dòng)力環(huán)境與現(xiàn)場(chǎng)幾乎相當(dāng)，最大波高達(dá)3.5m、最大流速達(dá)0.5m/s，最大實(shí)驗(yàn)水深達(dá)8m，動(dòng)力極為強(qiáng)勁。因此，在如此高強(qiáng)度水動(dòng)力環(huán)境、大水深條件下，采用以往基于小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的桿件式測(cè)量方案已不再可行。其原因有三:(1)由于實(shí)驗(yàn)水深較大，桿件長(zhǎng)度必須很長(zhǎng)(達(dá)到數(shù)米)，如采用單點(diǎn)鉸接固定，則桿件必然在彎矩作用下存在一定柔度，在強(qiáng)浪、強(qiáng)流作用下桿件將出現(xiàn)偏移與振蕩，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器發(fā)生往復(fù)位移，導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)失真，且桿件在往復(fù)荷載作用下有折斷的風(fēng)險(xiǎn)，危及觀測(cè)儀器安全；(2)如采用多點(diǎn)鉸接的桁架來(lái)降低桿件的運(yùn)動(dòng)自由度，則將使得支架規(guī)模宏大，對(duì)周邊的水動(dòng)力場(chǎng)和泥沙場(chǎng)均造成很大的擾動(dòng)，傳感器附近將發(fā)育渦旋結(jié)構(gòu)，使得實(shí)際測(cè)量所得要素和設(shè)定要素存在較大差異，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不可用；(3)大型水動(dòng)力平臺(tái)規(guī)模宏大，采用人工升降固定支架的方式難以精確控制傳感器坐標(biāo)，將造成傳感器位置的偏差，造成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不可靠，并可能對(duì)實(shí)驗(yàn)人員生命財(cái)產(chǎn)安全造成隱患。綜上所述，考慮到大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有和以往小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完全不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，測(cè)量方案勢(shì)必需重新考量。因此，開(kāi)發(fā)一種安全可靠、量測(cè)儀器的傳感器位置精度控制性強(qiáng)、對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)小，且自動(dòng)化程度高的新型測(cè)量?jī)x器支架系統(tǒng)，無(wú)論從實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，還是從推動(dòng)河口海岸水沙動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論研究發(fā)展的角度，均是十分重要的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題而提供一種基于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水沙觀測(cè)儀器支架系統(tǒng)，該系統(tǒng)安全可靠、對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)小，并且自動(dòng)化程度高。本技術(shù)為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:一種基于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水沙觀測(cè)儀器支架系統(tǒng)，包括設(shè)置在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)底部的固定支架，所述固定支架設(shè)有環(huán)形主體支架，所述環(huán)形主體支架的法向與來(lái)浪和來(lái)流方向垂直，在所述環(huán)形主體支架內(nèi)固定有豎直設(shè)置的直線(xiàn)導(dǎo)軌，在所述直線(xiàn)導(dǎo)軌上裝配有滑塊，在所述滑塊上固定有托架，所述滑塊的四個(gè)角部外側(cè)分別通過(guò)彈簧與所述環(huán)形主體支架連接，所述滑塊的兩側(cè)分別與牽引鋼絲的兩端連接，所述牽引鋼絲張拉在定滑輪和滾筒上，所述定滑輪安裝在所述環(huán)形主體支架的底部，所述滾筒安裝在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之外，所述滾筒與變速箱的輸出軸連接，所述變速箱由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述伺服電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器控制，所述驅(qū)動(dòng)器由控制主機(jī)控制。在所述牽引鋼絲上連接有紅外測(cè)距傳感器，所述紅外測(cè)距傳感器向所述控制主機(jī)反饋滑塊的位移信號(hào)。在所述直線(xiàn)導(dǎo)軌的頂部置放有水準(zhǔn)氣泡。所述環(huán)形主體支架采用流線(xiàn)形結(jié)構(gòu)。所述環(huán)形主體支架固定在底座支架上，所述底座支架固裝在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)底部。在所述牽引鋼絲上連接有限位傳感器，所述限位傳感器向所述控制主機(jī)反饋滑塊的位置信號(hào)。所述控制主機(jī)與報(bào)警器連接。本技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:將測(cè)量?jī)x器的傳感器固定在可升降的滑塊上，隨滑塊上下升降，伺服電機(jī)通過(guò)牽引鋼絲使滑塊精確升降至設(shè)定坐標(biāo)處，并通過(guò)紅外測(cè)距傳感器和控制主機(jī)對(duì)坐標(biāo)位置進(jìn)行修正，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)電腦終端發(fā)送信號(hào)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，能夠避免人為操作的誤差和安全隱患，能夠避免采用桿件法、桁架法所無(wú)法避免的支架振蕩和對(duì)流場(chǎng)的干擾，測(cè)量?jī)x器的傳感器坐標(biāo)位置穩(wěn)定性好，對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)小，特別適用于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，還可拓展至其它規(guī)模的水沙實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之上。【附圖說(shuō)明】圖1是本技術(shù)的組成示意圖；<當(dāng)前第1頁(yè)1 2 本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的水沙觀測(cè)儀器支架系統(tǒng)，其特征在于，包括設(shè)置在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)底部的固定支架，所述固定支架設(shè)有環(huán)形主體支架，所述環(huán)形主體支架的法向與來(lái)浪和來(lái)流方向垂直，在所述環(huán)形主體支架內(nèi)固定有豎直設(shè)置的直線(xiàn)導(dǎo)軌，在所述直線(xiàn)導(dǎo)軌上裝配有滑塊，在所述滑塊上固定有托架，所述滑塊的四個(gè)角部外側(cè)分別通過(guò)彈簧與所述環(huán)形主體支架連接，所述滑塊的兩側(cè)分別與牽引鋼絲的兩端連接，所述牽引鋼絲張拉在定滑輪和滾筒上，所述定滑輪安裝在所述環(huán)形主體支架的底部，所述滾筒安裝在超大型水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之外，所述滾筒與變速箱的輸出軸連接，所述變速箱由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述伺服電機(jī)由驅(qū)動(dòng)器控制，所述驅(qū)動(dòng)器由控制主機(jī)控制。

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：解鳴曉，陽(yáng)志文，楊華，張瑞波，李鑫，張義豐，趙洪波，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，
類(lèi)型：新型
國(guó)別省市：天津;12