基于数字成像技术的泥沙侵蚀测试系统

1.本发明涉及泥沙动力学模型试验领域，具体涉及基于数字成像技术的泥沙侵蚀测试系统。


背景技术：

2.细粒泥沙在天然水系中普遍存在，受污染细粒泥沙沉积物的再悬浮和输移可能会对当地生态系统造成消极影响。泥沙沉积物不同性质之间的非线性相互作用、物理性质微宏观的时空变化、外部荷载的时间历程、环境水化学和温度，生物扰动和气泡，床层瞬时剪切、压力和湍流运动以及流床相互作用等一直是相关研究的热点。
3.由于泥沙侵蚀过程是不可预测的，并且衍生流可能会损坏测量仪器，因此很难对该物理现象进行现场观测，实验室研究显然是有效替代手段，可以更好地了解泥沙侵蚀与沉积过程的动力机理。本发明给出实验室内基于数字成像技术的泥沙侵蚀测试系统，以期广泛应用在相关领域，为野外观测和数值模拟提供更多数据支持。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于数字成像技术的泥沙侵蚀测试系统。
5.本发明的技术方案：本发明分为循环水槽泥沙侵蚀部分、测量设备部分和主从动控制端部分。
6.所述的循环水槽泥沙侵蚀部分包括蓄水箱、透明水槽、导流管、灵敏流量仪、控制阀门、离心水泵、稳流面板、入流箱、排水管和尾门，实现水体稳定循环；其中透明水槽通过离心水泵和导流管将水体从蓄水箱引入入流箱，入流箱的出口连通透明水槽，在靠近该出口的上部设置有稳流面板，在远离该出口的透明水槽中设置尾门，尾门的下方设置有排水管，连通蓄水箱；所述的透明水槽中部设置有泥沙输出槽，用于提供原位侵蚀泥沙；所述的泥沙输出槽中泥沙上表面与透明水槽底床基本齐平；所述的导流管上设置有灵敏流量仪和控制阀门。
7.所述的测量部分包括声学多普勒流速仪、第一悬浮泥沙浓度测量仪、第二悬浮泥沙浓度测量仪、第三悬浮泥沙浓度测量仪；其中声学多普勒流速仪获取泥沙输出槽周围三维流速数据，以估算底床剪切应力；第一悬浮泥沙浓度测量仪用于记录透明水槽循环水体中泥沙浓度峰值；第二悬浮泥沙浓度测量仪、第三悬浮泥沙浓度测量仪用于测量蓄水箱中不同水深泥沙浓度，以推算透明水槽中泥沙侵蚀速率。
8.所述的主从动控制端部分包括主控制端、被动控制端、高频数码相机、激光发射器、步进电机和受控活塞；其中主控制端接收激光发射器的启闭信号并输入被动控制端，被动控制端控制高频数码相机采集泥沙输出区域图像；当泥沙输出槽中泥沙上表面由于持续冲刷与透明水槽底床间边界差距大于设定距离时，触发步进电机通过控制活塞推动泥沙输出槽中泥沙上移，直至泥沙输出槽中泥沙上表面与透明水槽底床再次基本齐平。
9.本发明的有益效果：1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
10.2、通过主从动控制端实时监测泥沙输出槽中泥沙上表面与水槽底床界面差值，设定阈值后通过步进电机推动活塞使得泥沙上表面与水槽底床齐平，消除泥沙侵蚀速率推算受地形演变和可侵蚀量的影响。
11.3、声学多普勒流速仪获取泥沙输出槽周围三维流速数据，以估算底床剪切应力；悬浮泥沙浓度测量仪用以记录循环水体中泥沙浓度峰值和测量蓄水箱中不同水深泥沙浓度，推算的水槽中泥沙侵蚀速率与高频相机采集的泥沙侵蚀过程向匹配。
12.4、本装置水槽底床坡度可调，可建立倾角与泥沙侵蚀速率的定量关系；5、整个测试过程动态循环，数据整体性好。
附图说明
13.图1是本发明的装置主视示意图。
14.图2是本发明的部分部件详图。
15.图中：1.激光发射器，2.高频数码相机，3.主动控制端，4.被动控制端，5.数据传输线，6.步进电机驱动端，7.步进电机，8.泥沙补充槽，9.泥沙输出槽，10.可升降支撑台，11.坡度测量器，12.稳流面板，13.可调节斜坡，14.尾门，15. 1号悬浮泥沙浓度测量仪，16.声学多普勒流速仪，17.亚克力透明水槽，18.入流箱，19.导流管，20.灵敏流量仪，21.控制阀门，22.离心水泵，23. 2号悬浮泥沙浓度测量仪，24. 3号悬浮泥沙浓度测量仪，25.蓄水箱，26.反光镜，27.上层激光透镜，28.下层激光透镜，29.受控活塞，30.排水管。
具体实施方式
16.如图1和图2所示，本实施例采用如下技术方案：本实施例中的物理模型装置整体分为循环水槽泥沙侵蚀部分、测量设备部分、主从动控制端部分。所述的循环水槽泥沙侵蚀部分主要由亚克力透明水槽、导流管、灵敏流量仪、控制阀门、离心水泵、稳流板、入流箱和尾门等实现水体稳定循环，泥沙输出槽和泥沙补充槽提供原位侵蚀泥沙，所述的泥沙输出槽中泥沙上表面与水槽底床齐平（比水槽底床低1mm）。
17.所述的测量部分由声学多普勒流速仪获取泥沙输出槽周围三维流速数据，以估算底床剪切应力；1号悬浮泥沙浓度测量仪用以记录循环水体中泥沙浓度峰值；2-3号悬浮泥沙浓度测量仪用以测量蓄水箱中不同水深泥沙浓度，以推算水槽中泥沙侵蚀速率。
18.所述的主从动控制端中主控制端接收激光器启闭信号并输入被动控制端，被动控制端控制高频数码相机采集泥沙输出区域图像。基于图像处理（边缘检测算法），当泥沙输出槽中泥沙上表面由于持续冲刷与水槽底床间边界差距大于1mm时候，触发被动控制端中步进电机，通过控制活塞推动泥沙输出槽中泥沙上移1mm，直至泥沙输出槽中泥沙上表面与水槽底床再次基本齐平。
19.本实施例的工作过程：亚克力透明水槽17底部放置可调节斜坡13，其坡度由可升降支撑台10控制，坡度测量器11可给出当前底床坡度。开启导流管19上的控制阀门21，离心水泵22将循环水体从蓄水箱25泵出，灵敏流量仪20实时监测流量，水体自入流箱18流入水
槽，水槽前端水面放置稳流面板12以消除水面扰动，循环水体自尾门14下方的排水管30流回蓄水箱。
20.保持泥沙输出槽9中泥沙上表面与水槽底床基本齐平，激光发射器1发出的激光光束经过反光镜26后透过上层激光透镜27和下层激光透镜28亮化泥沙输出槽区域，主动控制端3将激光开启信号通过数据传输线5输入被动控制端4，高频数码相机2开始采集泥沙输出区域图像。基于图像处理（边缘检测算法），当泥沙输出槽中泥沙上表面由于持续冲刷与水槽底床间边界差距大于1mm时候，触发被动控制端中步进电机驱动端6启动程序，步进电机7被驱动，通过受控活塞29推动泥沙输出槽中泥沙上移1mm，直至泥沙输出槽中泥沙上表面与水槽底床再次齐平，以此往复。当泥沙输出槽中泥沙量不足时，通过下端泥沙补充槽8补给。声学多普勒流速仪16获取泥沙输出槽周围三维流速数据，以估算底床剪切应力；1号悬浮泥沙浓度测量仪15用以记录循环水体中泥沙浓度峰值；2号悬浮泥沙浓度测量仪23、3号悬浮泥沙浓度测量仪24用以测量蓄水箱中不同水深泥沙浓度，以推算水槽中泥沙侵蚀速率。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、
ꢀ“
连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。