一种自动化鱼类游泳能力测试装置的制作方法

本实用新型涉及鱼类行为试验研究技术领域，具体地说，是一种鱼类游泳能力测试装置，可以用于测试不同鱼类在不同温度条件下的游泳能力。

背景技术：

游泳行为是鱼类的一种本能行为，研究鱼类游泳行为对于提高捕捞作业效率、改善水产养殖系统、改进鱼道设计和研发新型水下推进器等有着重要的意义。游泳能力是描述鱼类游泳行为的重要参数指标，通常以游速和游泳时间来表征。

测试鱼类游泳能力的方法有多种，如圆形水缸旋转条纹试验、PTI标记放流试验、室内水槽试验和数学模拟等。其中，室内水槽试验是最常用的方法。现有的室内水槽试验装置主要为一个能够产生均匀流场的密闭水槽，水槽整体呈环形，截面为矩形。水槽中的水流由变频电机带动水中的螺旋桨转动产生，水流速度由变频器控制变频电机的转速决定。试验前，试验人员先手动调节变频器控制水流速度小于1cm/s，并将试验鱼放置于水槽中进行适应性训练0.5～1h。接着开始正式试验，试验人员每间隔固定时间(20～60min)须迅速调节变频器增加设定增量的流速。过程中试验人员还须时刻注意观察试验鱼的状态以判断其是否疲劳，一旦发现试验鱼疲劳则结束试验，并记录试验结束时的最大流速以及最大流速下试验鱼的游动时间，再结合设定的流速增量和预设的时间间隔手动计算出试验鱼的临界游速。

然而，现有技术中关于鱼类游泳试验装置存在以下不足和缺陷：

鱼类游泳能力试验过程持续数小时，使用现有的试验装置不仅需要人为定时控制水流速度，还需要试验人员密切观察试验鱼是否疲劳以判断试验状态并记录试验结束时的最大流速和最大流速下试验鱼的游动时间。过程中不仅耗费试验人员大量的精力，且无法保证试验操作的准确性。

现有的试验装置中水温易受外界环境温度变化的影响，无法在长时间试验过程中保持恒温状态，可能对试验结果产生影响；另外，不同种类试验鱼的最适温度不同，目前的试验装置无法调控水温，造成了其使用的局限性。

密闭水槽中的溶氧在试验过程中不断被消耗，溶氧量降低对试验鱼的游泳行为产生影响，从而影响试验结果的准确性。针对此问题，虽已有学者设计了一种沉水开放式测试装置，利用试验水槽与外界水体的不断交换解决水槽内溶氧量下降的问题，但此种方案在外界水体因低气压等因素造成的本身溶氧量低的情况下则无效。

中国专利文献CN201410499965.X，申请日20140926，专利名称为：一种鱼类游泳能力测定装置，公开了一种鱼类游泳能力测定装置，它包括循环水箱，循环水箱上面设有外水箱，外水箱内嵌套设有内水箱，外水箱和内水箱在底部通过进水管与循环水箱连通，进水管一端与水泵连接；内水箱的尺寸小于外水箱的尺寸，内水箱、外水箱在一侧与游泳水槽连通，游泳水槽两侧设有侧板，侧板的一端与游泳水槽连接、另一端与滑竿连接，滑竿两端与支架固定，游泳水槽的末端位于循环水箱的上方，在内水箱外围和外水箱内围的区域内且在外水箱的底部与循环水箱连通，摇杆的一端穿过外水箱上的条形孔与内水箱的外侧抽板连接。

上述专利文献能很好的解决现有的鱼类游泳能力测定装置中产生的水流流态不稳定、容易发生震荡以及流速分布不均的问题。但是关于一种实现试验水温可调控、水体溶氧可补充以及试验过程自动化的技术方案则无相应的公开。

综上所述，需要一种自动化鱼类游泳能力测试装置及方法，实现试验水温可调控、水体溶氧可补充以及试验过程自动化等功能。而关于这种自动化鱼类游泳能力测试装置及方法目前还未见报道。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种自动化鱼类游泳能力测试装置，实现试验水温可调控、水体溶氧可补充以及试验过程自动化等功能。

本实用新型的再一的目的是，提供一种自动化鱼类游泳能力测试方法。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种自动化鱼类游泳能力测试装置，所述测试装置包括试验水槽和测试系统；

所述的试验水槽包括水箱、“U”型水槽、过滤网、整流装置、拦鱼栅、隔音减震棉；所述隔音减震棉设置在水箱一侧；所述的”U”型水槽设有进水端、导流板、出水端；所述进水端通过调速泵与水箱连接；所述出水端通过拦鱼栅与水箱连接；所述导流板一端通过过滤网与进水端连接，另一端通过整流装置与出水端连接；所述整流装置与拦鱼栅之间的“U”型水槽上设有观察窗口；

所述的测试系统包括电源模块、流速控制模块、温控模块、增氧模块、摄像模块、疲劳检测模块、上位机和微控制器；所述的微控制器与温控模块、增氧模块、上位机之间的连接为双向交互连接形式；所述的摄像模块和疲劳检测模块的输出端信号作用在微控制器上；所述微控制器的一个输出信号作用在流速控制模块上；

所述电源模块负责为整个测试系统提供电力保障；所述温控模块安装在水箱靠近水槽一侧的内壁，负责调节和控制试验水槽内的水温；所述的增氧模块负责监测试验水槽中的溶氧量并保证其不低于设定值；所述摄像模块设置在观察窗口的正上方，摄像模块负责实时拍摄试验鱼的游动状态，供试验人员远程观察；所述疲劳检测模块负责检测试验鱼是否疲劳；所述上位机为试验人员和测试系统的交互界面，用于键入测试参数、显示试验状态以及输出试验结果；所述的微控制器的核心部件为单片机，负责控制上述各个模块协同工作。

作为一种优选的技术方案，所述的温控模块包括温度传感器和半导体冷热片，所述半导体冷热片安装在远离水槽一侧的外壁上。

作为一种优选的技术方案，所述的增氧模块包括溶解氧传感器和增氧机，所述增氧机设置在半导体冷热片与隔音减震棉之间。

作为一种优选的技术方案，所述的疲劳检测模块为安装在拦鱼栅前的光电门。

作为一种优选的技术方案，所述的水箱顶部敞开。

作为一种优选的技术方案，所述的“U”型水槽管体材料为透明亚克力板，横截面为矩形。

为实现上述第二个目的，本实用新型采取的技术方案是：

一种自动化鱼类游泳能力测试装置的测试方法，所述测试方法分为环境配置步骤和测试步骤两个过程，在测试步骤之前务必先进行环境配置步骤，环境配置步骤完成后即可开始测试步骤过程；

所述环境配置步骤包括以下步骤：

步骤S1、在上位机“环境设置”窗口输入水温(±0.5℃)和溶氧量参数的设定值并点击“环境设置”窗口中的“开始”按钮，此时调速泵首先启动，加速水体流动，保证水槽内各处水温和溶氧量的均匀；

步骤S2、温控模块开始检测水温，当检测到实际水温大于设定值时，温控模块启动制冷；当检测到实际水温小于设定值时，温控模块启动加热；

步骤S3、温控模块调控试验水温至设定范围后，增氧模块开始检测水槽中水体溶氧量，一旦检测到水体实际溶氧量小于设置值时，增氧机启动工作，当水温和溶氧量符合设定条件时，调速泵停止工作，且上位机提示“环境配置完成”；

所述测试步骤过程分为临界游速测试步骤和持续游泳时间测试步骤：

所述临界游速测试步骤具体包括以下步骤：

步骤S1、在“临界游速测试”窗口输入试验参数：适应性训练时长t₁、试验鱼体长l、体宽w、体高h、流速增量dv和水流增速的时间间隔dt，并点击“临界游速测试”窗口的“开始”按钮；

步骤S2、试验鱼在0.5cm/s的水流中适应性训练t₁时间；

步骤S3、适应性训练完成后，水流加速至dv大小且每间隔dt时间流速便增加dv增量，直至疲劳检测模块检测到试验鱼疲劳则结束试验；

步骤S4、微控制器根据试验结束时水流的最大流速v_max、设定的流速增量dv、水流增速的时间间隔dt以及试验鱼在v_max下游动的时间t，计算出试验鱼的绝对临界游速v_crit＝v_max+dv(t/dt)(单位为cm/s)；

步骤S41，然后，微控制器判断是否需要修正阻塞效应，如果试验鱼的截面积A_fish＝(π*h*w)/4不超过试验水槽截面积A_tube的10％，则无需修正阻塞效应，否则需要修正临界游速为v’_crit＝v_crit(1+A_fish/A_tube)；

步骤S42，最后，微控制器根据试验鱼体长计算出相对临界游速v_r＝v_crit/l(单位为cm/s)或v’_r＝v’_crit/l(单位为BLs^-1)并输出试验结果；

所述持续游泳时间测试步骤具体包括以下步骤：

步骤S1、在“持续游泳时间测试”窗口输入试验适应性训练时长t₂和试验游速v_s参数的设定值，并点击“持续游泳时间测试”窗口中的“开始”按钮；

步骤S2、将试验鱼在0.5cm/s的水流中适应性训练t₂时间；

步骤S3、适应性训练完成后，流速迅速增加至设定值v_s，并保持此测试流速直至疲劳检测模块检测到试验鱼疲劳则结束试验，微控制器计算试验鱼在设定游速下的持续游泳时间并输出试验结果。

作为一种优选的技术方案，流速增量dv为0.5BLs^-1≤dv≤1BLs^-1，水流增速的时间间隔dt为10min≤dt≤60min。

作为一种优选的技术方案，流速增量dv为0.9BLs^-1，水流增速的时间间隔dt为30min。

本实用新型优点在于：

本实用新型的一种自动化鱼类游泳能力测试装置及方法具有以下技术效果：

1、试验过程便捷高效：本试验装置的测试系统自动控制原本费时费力的鱼类游泳能力测试过程，节省了试验人员的精力，避免了原来试验过程中人工误操作的可能，提高了试验结果的准确性。

2、试验水温可调控：本试验装置中的温控模块通过动态调节可以保持试验水体的恒温状态，保障了试验结果的准确性；另外，试验水温的可调控使得本试验装置适用对象范围扩大，能够适用于最适温度不同的鱼类的游泳能力测试。

3、试验水体溶氧量有保障：本试验装置以开放式水箱加增氧机的组合方式解决了传统测试过程中溶氧量下降的问题。其中开放式水箱能够以静态方式增加试验水体的溶氧量，增氧机则在低气压等因素导致开放式水箱溶氧量达不到试验要求的情况下辅助增氧。

附图说明

附图1是本实用新型的一种自动化鱼类游泳能力测试装置的结构框图。

附图2是试验水槽结构示意图。

附图3为测试系统的结构框图。

附图4是上位机的界面示意图。

附图5本实用新型的一种自动化鱼类游泳能力测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.试验水槽 11.水箱

12.“U”型水槽 13.过滤网

14.整流装置 15.拦鱼栅

16.隔音减震棉 17.观察窗口

18.导流板 2.测试系统

21.电源模块 22.流速控制模块

221.调速泵 23.温控模块

231.温度传感器 232.半导体冷热片

24.增氧模块 241.增氧机

25.摄像模块 26.疲劳检测模块

261.光电门 27.上位机

28.微控制器

请参照图1，图1是本实用新型的一种自动化鱼类游泳能力测试装置的结构示意图。一种自动化鱼类游泳能力测试装置，所述的测试装置包括试验水槽1和测试系统2。

请参照图2，图2是试验水槽结构示意图。所述的试验水槽1包括水箱11、“U”型水槽12、过滤网13、整流装置14、拦鱼栅15、隔音减震棉16；所述隔音减震棉16设置在水箱11一侧；所述的”U”型水槽设有进水端、导流板18、出水端；所述进水端通过调速泵221与水箱11连接；所述出水端通过拦鱼栅与水箱11连接；所述导流板18一端通过过滤网13与进水端连接，另一端通过整流装置14与出水端连接；所述整流装置14与拦鱼栅15之间的“U”型水槽12上设有观察窗口17。

其中，水箱11顶部敞开，利于空气中的氧气溶解于水中；“U”型水槽12管体材料为透明亚克力板，横截面为矩形；调速泵221用于控制水流速度；整流装置14由金属网和蜂窝器组成，将不稳定的流体整理成均匀的流场；拦鱼栅用于拦截试验鱼，防止试验鱼进入水箱11；介于整流装置14和拦鱼栅之间的水槽称为试验观察窗口17，用于观察试验鱼的状态；隔音减震棉16置于水箱11中将水箱11隔断，用于隔绝增氧机241产生的噪音和振动；所述测试装置还设有保温层，保温层由保温材料组成，覆盖试验装置上除了观察窗口17和半导体冷热片232所覆盖的水箱11侧壁之外的全部外表面，降低试验装置和外界的热交换。

请参照图3，图3为测试系统2的结构框图。所述的测试系统2包括电源模块21、流速控制模块22、温控模块23、增氧模块24、摄像模块25、疲劳检测模块26、上位机27和微控制器28；所述的微控制器28与温控模块23、增氧模块24、上位机27之间的连接为双向交互连接形式；所述的摄像模块25和疲劳检测模块26的输出端信号作用在微控制器28上；所述微控制器28的一个输出信号作用在流速控制模块22上。

所述电源模块21负责为整个测试系统2提供电力保障；流速控制模块22主要部件为调速泵221，负责调节试验水槽1的水流速度；温控模块23主要部件为温度传感器231和半导体冷热片232；所述温控模块23安装在水箱11靠近水槽一侧的内壁，所述半导体冷热片232安装在远离水槽一侧的外壁上；负责调节和控制试验水槽1内的水温；所述的增氧模块24主要部件为溶解氧传感器和增氧机241，所述增氧机241设置在半导体冷热片232与隔音减震棉16之间；负责监测试验水槽1中的溶氧量并保证其不低于设定值；所述摄像模块25设置在观察窗口17的正上方，摄像模块25负责实时拍摄试验鱼的游动状态，供试验人员远程观察；疲劳检测模块26主要部件为安装在拦鱼栅15前的光电门261，负责检测试验鱼是否疲劳(以试验鱼被水流冲到拦鱼栅上并停留5s未游开为依据判断其疲劳)；上位机27(图4)是试验人员和测试系统2的交互界面，用于键入测试参数、显示试验状态以及输出试验结果；微控制器28的核心部件为单片机，负责控制上述各个模块协同工作。

请参照图5，图5本实用新型的一种自动化鱼类游泳能力测试方法的流程图。一种自动化鱼类游泳能力测试方法，所述测试方法分为环境配置和测试两个过程，在测试之前务必先进行环境配置，环境配置完成后即可开始测试过程。

环境配置具体过程包括以下步骤：

步骤S1、在上位机27“环境设置”窗口输入水温(±0.5℃)和溶氧量参数的设定值并点击“环境设置”窗口中的“开始”按钮。此时调速泵221首先启动，加速水体流动，保证水槽内各处水温和溶氧量的均匀。

步骤S2、温控模块23开始检测水温，当检测到实际水温大于设定值时，温控模块23启动制冷；当检测到实际水温小于设定值时，温控模块23启动加热。

步骤S3、温控模块23调控试验水温至设定范围后，增氧模块24开始检测水槽中水体溶氧量，一旦检测到水体实际溶氧量小于设置值时，增氧机241启动工作。当水温和溶氧量符合设定条件时，调速泵221停止工作，且上位机27提示“环境配置完成”。

所述测试过程分为临界游速测试和持续游泳时间测试：

所述临界游速测试具体包括以下步骤：

步骤S1、在“临界游速测试”窗口输入试验参数：适应性训练时长t₁、试验鱼体长l、体宽w、体高h、流速增量dv(0.5BLs^-1≤dv≤1BLs^-1，一般取0.9BLs^-1)和水流增速的时间间隔dt(10min≤dt≤60min，优选取30min)，并点击“临界游速测试”窗口的“开始”按钮；

步骤S2、试验鱼在0.5cm/s的水流中适应性训练t₁时间；

步骤S3、适应性训练完成后，水流加速至dv大小且每间隔dt时间流速便增加dv增量，直至疲劳检测模块26检测到试验鱼疲劳则结束试验。微控制器28根据试验结束时水流的最大流速v_max、设定的流速增量dv、水流增速的时间间隔dt以及试验鱼在v_max下游动的时间t，计算出试验鱼的绝对临界游速v_crit＝v_max+dv(t/dt)(单位为cm/s)。然后，微控制器28判断是否需要修正阻塞效应，如果试验鱼的截面积A_fish＝(π*h*w)/4不超过试验水槽1截面积A_tube的10％，则无需修正阻塞效应，否则需要修正临界游速为v’_crit＝v_crit(1+A_fish/A_tube)。最后，微控制器28根据试验鱼体长计算出相对临界游速v_r＝v_crit/l(单位为cm/s)或v’_r＝v’_crit/l(单位为BLs^-1)并输出试验结果。

所述持续游泳时间测试具体包括以下步骤：

步骤S1、在“持续游泳时间测试”窗口输入试验适应性训练时长t₂和试验游速v_s参数的设定值，并点击“持续游泳时间测试”窗口中的“开始”按钮；

步骤S2、将试验鱼在0.5cm/s的水流中适应性训练t₂时间；

步骤S3、适应性训练完成后，流速迅速增加至设定值v_s，并保持此测试流速直至疲劳检测模块26检测到试验鱼疲劳则结束试验，微控制器28计算试验鱼在设定游速下的持续游泳时间并输出试验结果。

本实用新型的一种自动化鱼类游泳能力测试装置及方法具有以下技术效果：

试验过程便捷高效：本试验装置的测试系统2自动控制原本费时费力的鱼类游泳能力测试过程，节省了试验人员的精力，避免了原来试验过程中人工误操作的可能，提高了试验结果的准确性。

试验水温可调控：本试验装置中的温控模块23通过动态调节可以保持试验水体的恒温状态，保障了试验结果的准确性；另外，试验水温的可调控使得本试验装置适用对象范围扩大，能够适用于最适温度不同的鱼类的游泳能力测试。

试验水体溶氧量有保障：本试验装置以开放式水箱11加增氧机241的组合方式解决了传统测试过程中溶氧量下降的问题。其中开放式水箱11能够以静态方式增加试验水体的溶氧量，增氧机241则在低气压等因素导致开放式水箱11溶氧量达不到试验要求的情况下辅助增氧。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。