水流速流向測定裝置及方法與流程

本發明涉及地下水測量技術領域，具體而言，涉及一種水流速流向測定裝置及方法。

背景技術：

地下水滲流作用對水文地質條件、工程地質條件以及環境地質條件等有著極其重大的影響，例如在滑坡、泥石流、地面塌陷等地質災害過程中地下水滲流扮演著重要角色；此外，地下水是重要的水資源，占地球上淡水資源的22.1％左右，對地下水資源的開采也是非常重要的任務；并且地下水的滲流將引起土壤溶質(無機鹽、養分、污染物等)的運移，因此地下水的流速流向的測定的意義十分重大。

地下水流速流向的測得方法較多，傳統方法主要分為抽水試驗法和示蹤法。傳統的抽水試驗法，不適用于單井監測，且耗時費力。示蹤法又有放射性同位素示蹤法、電位差法、熱示蹤法等。電位差法是通過注入鹽溶液或蒸餾水等改變地下水電位，以傳感器測得電位場在時間空間上的變化進而獲得地下水流速流向。放射性同位素示蹤法所需放射性物質可能對人體及環境造成危害。基于示蹤劑的示蹤法，所使用示蹤劑可與地下水及巖土體發生離子交換、吸附、沉淀等理化反應，影響測量結果；同時，示蹤劑投源機制亦不利于實現長期自動化監測。熱示蹤法對熱敏元件的精度要求較高。另外，還有顯微照相技術應用于地下水流速流向的測定。但是在較為清澈的水中，懸浮物顆粒直徑小于1微米，用于參考的顆粒物不易尋得或識別，因此無法達到來對地下水流速的檢測的成像要求。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明實施例提供了一種水流速流向測定裝置及方法，在水流速流向測定裝置中設置懸浮物發生器以及電子羅盤，并使懸浮物發生器與光學引擎相對設置且兩者之間形成通道，懸浮物發生器發射懸浮物進入通道，使光學引擎能對懸浮物進行成像并分析得到懸浮物的位移狀態，從而根據懸浮物位移狀態以及電子羅盤檢測的光學引擎方向確定出水流的流速以及流向。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種水流速流向測定裝置，所述裝置包括：懸浮物發生器、電子羅盤、光學引擎以及控制器，所述光學引擎與所述懸浮物發生器相對設置，所述光學引擎與所述懸浮物發生器形成通道，所述通道用于水流通過，所述懸浮物發生器、所述電子羅盤以及所述光學引擎與所述控制器電性連接，所述懸浮物發生器用于發射懸浮物，所述電子羅盤用于檢測所述光學引擎方向，當水流通過所述通道時，所述懸浮物發生器發射的懸浮物懸浮于所述通道中且隨所述通道內水流通過而移動，所述光學引擎用于檢測所述懸浮物的位移狀態，所述控制器用于根據所述電子羅盤檢測的方向、所述光學引擎檢測的所述懸浮物的位移狀態以及所述懸浮物的位移狀態對應的時間確定所述懸浮物的移動速度大小和方向，并根據確定的所述懸浮物的移動速度大小和方向確定水流的流速大小以及流向。

一種水流速流向測定方法，應用于上述的水流速流向測定裝置，所述方法包括：控制器控制懸浮物發生器發射懸浮物至通道內；控制器控制光學引擎檢測所述懸浮物位移狀態，所述懸浮物位移狀態包括懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y以及所述懸浮物的實際位移距離l，并且控制器在光學引擎檢測到所述懸浮物移動第一個分辨率單位時，得到所述懸浮物的實際位移距離l對應的時間t；控制器根據讀取到的電子羅盤檢測的光學引擎方向，得到光學引擎的Y軸方向與預設方向的夾角Φ，并根據所述懸浮物的實際位移距離l以及時間t確定出所述懸浮物的移動速度大小，根據所述懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y，時間t以及所述光學引擎的Y軸方向與預設方向的夾角Φ確定出所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α；根據確定出的所述懸浮物的移動速度大小以及所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α確定水流的流速大小以及流向。

本發明實施例提供的水流速流向測定裝置及方法，包括懸浮物發生器、電子羅盤、光學引擎以及控制器。光學引擎與懸浮物發生器相對設置，光學引擎與懸浮物發生器形成通道，懸浮物發生器、電子羅盤以及光學引擎與控制器電性連接，懸浮物發生器用于發射懸浮物，電子羅盤用于檢測光學引擎方向，光學引擎用于檢測通道中懸浮物的位移狀態，控制器根據電子羅盤檢測的方向、光學引擎檢測的懸浮物的位移狀態以及懸浮物的位移狀態對應的時間確定懸浮物的移動速度大小和方向，從而根據懸浮物的移動速度大小和方向確定出水流的流速大小以及流向。

為使本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖1示出了本發明第一實施例提供的水流速流向測定裝置的結構示意圖；

圖2示出了本發明第一實施例提供的水流速流向測定裝置功能模塊圖；

圖3示出了本發明第一實施例提供的水流速流向測定裝置的使用狀態下的結構示意圖；

圖4示出了本發明第一實施例提供的水流速流向測定裝置的懸浮物發生器的結構示意圖；

圖5示出了本發明第一實施例提供的水流速流向測定裝置的光學引擎的結構示意圖；

圖6示出了本發明第二實施例提供的水流速流向測定方法的流程示意圖。

圖標：100-水流速流向測定裝置；110-懸浮物發生器；111-電磁控制閥；112-懸浮物儲存室；120-電子羅盤；130-光學引擎；131-成像傳感器；132-數字信號處理器；133-第一透鏡組件；134-第二透鏡組件；135-激光發射器；140-控制器；150-通道；160-連接件。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

第一實施例

本發明第一實施例提供了一種水流速流向測定裝置100，如圖1所示，該水流速流向測定裝置100包括：懸浮物發生器110、電子羅盤120、光學引擎130以及控制器140。光學引擎130與懸浮物發生器110相對設置，光學引擎130與懸浮物發生器110形成通道150。請參見圖2，懸浮物發生器110、電子羅盤120以及光學引擎130與控制器140電性連接。

在本發明實施例中，該水流速流向測定裝置100還包括封閉體。封閉體與懸浮物發生器110相對設置，電子羅盤120、光學引擎130以及控制器140設置于封閉體內。如圖3所示，封閉體與懸浮物發生器110采用連接件160連接，并且封閉體與懸浮物發生器110之間為光學引擎130與懸浮物發生器110形成的通道150。封閉體可以對電子羅盤120、光學引擎130以及控制器140進行保護，避免在使用過程中因浸入水而損壞。

具體的，封閉體與懸浮物發生器110連接采用的連接件160可以為螺栓，當然在本發明實施例中，封閉體與懸浮物發生器110連接采用的連接件160不作為限定，也可以為其他。

請參見圖4，在本發明實施例中，懸浮物發生器110包括電磁控制閥111以及懸浮物儲存室112，懸浮物儲存室112靠近光學引擎130的一面設置有開口，電磁控制閥111設置于開口處。

具體的，懸浮物發生器110用于發射懸浮物。懸浮物儲存與懸浮物儲存室112中，控制器140控制電磁控制閥111的開關，從而可以控制懸浮物儲存室112的打開或者關閉，以使懸浮物通過打開的電磁閥進入通道150。當電磁控制閥111開關為關閉狀態時，懸浮物發生器110處于密閉的狀態。懸浮物儲存室112中的懸浮物的密度小于待檢測液體密度，并且懸浮物的大小為便于光學引擎130檢測的大小范圍。具體的，可以取懸浮物的直徑為0.8-0.9毫米，當然懸浮物的直徑在本實施例中并不作為限定，也可為其他便于光學引擎130檢測的直徑大小。

當該水流速流向測定裝置100放置于水流中且使懸浮物儲存室位于光學引擎下方，使電磁控制閥111開關為打開狀態，水流通過通道150時，懸浮物發生器110發射的懸浮物會由于浮力作用會懸浮于通道150中，并且懸浮物會隨通道150內水流通多而移動。例如，懸浮物可以是密度小于待檢測液體密度的塊狀物體，該塊狀物體可以采用泡沫板材料以及銣磁鐵的復合型物體。可以在封閉體內靠近光學引擎130處設置電磁鐵，當懸浮物進入通道150，電磁鐵將懸浮物吸引到光學引擎130斜下方，然后電磁鐵斷電，懸浮物即可隨水流移動。

請參見圖5，在本發明實施例中，光學引擎130包括成像傳感器131、數字信號處理器132、第一透鏡組件133、第二透鏡組件134以及激光發射器135。其中，成像傳感器131為CMOS圖像感應器。成像傳感器131用于成像，數字信號處理器132用于對成像結果進行分析，根據前后的成像結果得出物體的位移狀態。

光學引擎130用于檢測通道150中懸浮物的位移狀態。激光發射器135發射激光至第一透鏡組件133，第一透鏡組件133將激光反射到通道150，從通道150內的懸浮物的表面發射回的激光通過第二透鏡進入成像傳感器131。成像傳感器131接收從第二透鏡通過的激光并進行成像，數字信號處理器132根據成像結果進行分析獲得懸浮物的位移狀態。

在本發明實施例中，封閉體正對懸浮物發生器110的一面為透明狀態。具體的，該面可以采用透明玻璃，當然也可以采用其他透明的材料，在發明實施例中并不作為限制。封閉體正對懸浮物發生器110的一面為透明狀態以保證光學引擎130的激光器發射的激光能進入通道150內并且能接收從通道150內懸浮物表面反射回的激光。

在本發明實施例中，電子羅盤120用于檢測光學引擎130的方向。控制器140用于控制懸浮物發生器110、電子羅盤120以及光學引擎130，還用于數據采集與處理。具體的，控制器140可以是處理器。

在本發明實施例中，該水流速流向測定裝置100還包括無線模塊以及遠程終端。無線模塊可以設置于封閉體中，無線模塊與控制器140電性連接。遠程終端與控制器140處于無線對接的狀態，遠程終端用于發送指令至控制器140，無線模塊發送數據至遠程終端，還用于接收遠程終端發送的控制指令。從而在水流速流向測定裝置100使用過程中，可以在地表上通過遠程終端與處于地表下的控制器140進行交互，實現遠程控制與數據的接收。

在測定水流速流向時，將該水流速流向測定裝置100置入水流中，水流從通道150中流過，懸浮物發生器110發射懸浮物，懸浮物會懸浮于通道150中。光學引擎130對通道150中懸浮物進行多次成像，并根據成像結果進行分析得到懸浮物位移狀態。控制器140根據懸浮物位移狀態、懸浮物位移對應的時間確定懸浮物的移動速度大小以及相對于光學引擎130的移動速度方向。測定水流的流速還需要確定出該水流速流向測定裝置100的光學引擎130在水流中所處的方向。作為一種實施方式，可以是采用電子羅盤120得到光學引擎130的方向，再與懸浮物相對于光學引擎130的移動速度方向確定出懸浮物的移動速度方向，從而根據懸浮物移動速度大小以及方向確定出水流的流速和流向。作為另一種實施方式，按照預設方向將水流速流向測定裝置100置入水流中，從而光學引擎130方向即為預設方向，再根據懸浮物相對于光學引擎130的移動速度方向確定出懸浮物的移動速度方向，從而根據懸浮物移動速度大小以及方向確定出水流的流速和流向。

第二實施例

本發明第二實施例提供了一種水流速流向探測方法，應用于本發明第一實施例提供的水流速流向探測裝置，請參見圖6，該方法包括：

步驟S100：控制器控制懸浮物發生器發射懸浮物至通道內。

步驟S100之前還包括：將水流速流向裝置置入水流中，從而有水流通過通道150。

步驟S120：控制器控制光學引擎檢測所述懸浮物位移狀態，所述懸浮物位移狀態包括懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y以及所述懸浮物的實際位移距離l，并且控制器在光學引擎檢測到所述懸浮物移動第一個分辨率單位時開始計時，得到所述懸浮物的實際位移距離l對應的時間t。

具體的，光學引擎檢測所述懸浮物位移狀態包括：

光學引擎對通道內懸浮物進行多次成像，得到成像結果；根據成像結果進行分析，得到懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y以及懸浮物的實際位移距離l。

光學引擎的成像結果中包括X軸和Y軸，且每次的成像結果中X軸和Y軸方向固定。因此在成像結果中，懸浮物位于X軸和Y軸的坐標系中。從而，對成像結果分析，可以得到懸浮物沿X軸的位移距離x以及沿Y軸的位移距離y。根據懸浮物沿X軸的位移距離x以及沿Y軸的位移距離y可以得到懸浮物的實際位移距離

步驟S130：控制器根據讀取到的電子羅盤檢測的光學引擎方向，得到光學引擎的Y軸方向與預設方向的夾角Φ，并根據所述懸浮物的實際位移距離l以及時間t確定出所述懸浮物的移動速度大小，根據所述懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y，時間t以及所述光學引擎的Y軸方向與預設方向的夾角Φ確定出所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α。

根據懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y以及速度計算公式得到懸浮物的移動速度大小。

具體的，根據所述懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y，時間t以及所述光學引擎的Y軸方向與預設方向的夾角Φ確定出所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α包括：

根據所述懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x，沿光學引擎的Y軸的位移距離y以及時間t確定出所述懸浮物移動速度方向與光學引擎的Y軸方向的夾角θ。

根據懸浮物沿光學引擎的X軸的位移距離x以及時間t得到懸浮物沿X軸方向移動速度根據光學引擎的Y軸的位移距離y以及時間t得到懸浮物沿Y軸方向移動速度

當v_x>0,v_y>0，

當v_x>0,v_y<0，

當v_x<0,v_y<0，

當v_x<0,v_y>0，

根據所述懸浮物移動速度方向與光學引擎的Y軸方向的夾角θ以及所述光學引擎的Y軸方向與預設方向的夾角Φ確定出所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α。

具體的，將所述夾角θ以及所述夾角Φ代入得到α大小，確定出所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α。

步驟S140：根據確定出的所述懸浮物的移動速度大小以及所述懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α確定水流的流速大小以及流向。

具體的，以懸浮物的移動速度大小v以及懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角α作為水流的流速大小以及流向。并且在實際測定中，可以取多個懸浮物的移動速度大小的平均值作為水流的流速大小，可以取多個懸浮物的移動速度方向與預設方向的夾角的平均值作為流向，以提高測定結果的準確度。

綜上所述，本發明實施例提供了一種水流速流向測定裝置及方法，包括懸浮物發生器、電子羅盤、光學引擎以及控制器。光學引擎與懸浮物發生器相對設置，光學引擎與懸浮物發生器形成通道，懸浮物發生器、電子羅盤以及光學引擎與控制器電性連接，懸浮物發生器用于發射懸浮物，電子羅盤用于檢測光學引擎方向，光學引擎用于檢測通道中懸浮物的位移狀態，控制器根據電子羅盤檢測的方向、光學引擎檢測的懸浮物的位移狀態以及懸浮物的位移狀態對應的時間確定懸浮物的移動速度大小和方向，從而根據懸浮物的移動速度大小和方向確定出水流的流速大小以及流向。

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，上面結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行了清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以上對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。