基本信息
- 项目名称：
- 电阻式浪高仪及数据采集与分析系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 波浪数据测量分三个部分，浪高仪、数据采集器与数据采集与分析软件。浪高仪垂直安装于水中，安装深度以保证波峰与波谷不超过测量杆的测量范围。浪高仪输出标准的4~20mA信号，连接64路USB数据采集箱，可同时测量64路4~20mA信号。数据采集箱通过USB线连接计算机，通过数据采集软件进行数据采集与分析。 技术特点和优势：精度高、响应快、安装方便、经久耐用，可实时测量波浪数据。
- 详细介绍：
- 波浪实验是海洋、海岸、船舶以及水利等工程设计的重要组成部分。在波浪实验室中，设计按比例缩小的工程设施模型，通过造波系统生成与实际相符、按比例缩小的波浪，对设施模型进行波浪实验，再通过测试系统测量波浪的数据，给工程设计提供理论验证与设计依据。 本系统分三个部分：电阻式浪高仪、高速数据采集与分析系统、多功能波浪模拟系统。测量最大浪高1m，测量精度±1mm，测量响应时间5ms。 1.浪高仪：运用自主研发、国内首创的电阻式浪高测试技术与自动温度、水质补偿技术进行测量，利用高性能单片机测量与补偿计算，实现高精度、快速浪高测量。 2．浪高采集与分析系统：采集器进行信号采集并存储。运用实域分析理论对波浪的波高，周期进行分析与计算。运用频域分析理论对不规则波波浪进行谱形、谱峰频率、谱峰能量以及谱平均能量等参数的分析。 3 多功能波浪模拟系统：采用伺服电机、伺服控制器与微机实现实际波浪的模拟，可产生规则的正弦波和实际海洋波浪实验常用的各种谱形。 本系统在实际海洋水利等实验领域得到了广泛的应用，并已在交通部天津水利科学研究院多个实验厅、天津大学水利实验厅和中国国家海洋局的实验室使用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 设计发明的目的：波浪实验是海洋、海岸、船舶以及水利等工程设计的重要组成部分。在波浪实验室中，设计按比例缩小的工程设施模型，通过造波系统生成与实际相符、同时按比例缩小的波浪，对设施模型进行波浪实验，再通过测试系统测量波浪的数据，给工程设计提供理论验证与设计依据。浪高仪是测试系统的重要设备，通过浪高仪和数据采集器可以测量与分析波浪的各实时数据。 主要技术指标：测量最大浪高：1m；浪高测量精度：±1mm； 测量响应时间：5ms。通过上述指标可以发现，只有设计精度高，响应速度快的浪高仪才能动态测量浪高数据。 基本思路：自行研制动态测量水电阻式浪高仪、高速数据采集器及数据采集分析软件，以实现波浪数据的采集与分析。 关键技术：高精度、高速度浪高仪设计；水温及水质的自动补偿技术；数据分析软件设计。 创新点：电阻式浪高测量、自动温度及水质补偿，此两项技术属国内首创。
科学性、先进性
- 本系统分三个部分：浪高仪、数据采集器及采集与分析软件。 1.浪高仪：浪高仪设计的理论依据是水中电阻随水位的变化而线性的变化。如图所示：测量杆测量当前水位，补偿杆补偿水温与水质。目前波浪实验普遍选用电容式浪高仪，其优点是容易实现，电路简单。缺点是不能补偿水质，在水质变化后需重新标定；由于水张力的影响使水位升高与下降时测量结果不一至；传感器极易损坏，使用成本较高。 电阻式浪高仪可以克服上述缺点，采用自动补偿水质，标定后，在使用中无需再进行标定；水张力对测量精度影响较小；传感器用不锈钢管制成，经久耐用。 2．数据采集器：自行研制的高速数据采集器。 3．数据采集与分析软件：VC下编制采集与分析软件，对采集的数据进行分析。 本系统已在交通部天津水利科学研究院多个实验厅、天津大学水利实验厅和中国国家海洋所实验室使用。 参考文献列于研究报告。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：波浪数据测量分三个部分，浪高仪、数据采集器与数据采集与分析软件。浪高仪垂直安装于水中，安装深度以保证波峰与波谷不超过测量杆的测量范围。浪高仪输出标准的4~20mA信号，连接64路USB数据采集箱，可同时测量64路4~20mA信号。数据采集箱通过USB线连接计算机，通过数据采集软件进行数据采集与分析。 技术特点和优势：精度高、响应快、安装方便、经久耐用，可实时测量波浪数据。 推广与市场分析：该产品不仅应用于波浪实验室，还可应用于高精度动态水位测量、海洋波浪监测等领域，现正在研制用于真正海洋的波浪监测的浪高仪，波高在10米以上的浪高仪。所以其应用前景十分广阔。
同类课题研究水平概述
- 本系统分三个部分：浪高仪、数据采集器及采集与分析软件。而浪高仪是本系统的关键创新点。 浪高仪设计的理论依据是水中电阻随水位的变化而线性的变化，一般称为电阻式浪高仪。目前在国内浪高测量方面主要研究与应用的是电容式浪高仪[1][2][3]，CCD摄像式浪高仪[4]及雷达测距式浪高仪[5]，而电阻式浪高仪在国内尚无相关的研究。 CCD摄像式浪高仪是通过摄像方式进行浪高测量，通过对录像进行图像分析测量浪高，其测量精度难以保证，同时它是非实时测量，难于用于实时测量方面。 雷达测距式浪高仪，测量精度不高，测量必须进行大量的计算，所以响应较慢，很难实现现场应用。 目前国内研究与应用较多的是电容式浪高仪。国外方面，日本基本采用电容式浪高仪，而欧洲电容式与电阻式都有应用。欧洲电阻式浪高仪价格昂贵，同时用其浪高仪必须用它的采集系统，所以使用不便，成本较高。 电容式浪高仪前已述及其优缺点，而电阻式浪高仪与电容式浪高仪在精度上、响应速度上基本相同。但在水质自动补偿、水张力影响较小、经久耐用及可配通用的数据采集系统等方面有着较大的优势。但电阻式浪高仪电路较复杂，尤其是水质自动补偿和杆之间信号隔离方面更复杂，难度较大，造价略高，但经近几年的努力，已攻破各技术关键点，并已形成产品，成功地应用于多家单位的实验系统中。 现已在交通部天津水利科学研究院多个实验厅、天津大学水利实验厅和中国国家海洋所实验室使用。 参考文献： [1]白连平， 苏彦民，王维建，徐兴平. 波高传感器的数学模型. 仪表技术与传感器1999 .12 [2]薛海,刘亚敏,邵宇.波浪数据采集系统的改进与应用.华北水利水电学院学报,1999.12 [3]石记柱,一种新式智能型浪高仪及波形测量系统, 武汉交通科技大学学报,1997.6 [4]王惠玲，波浪的光学测量法研究，大连理工大学研究生论文，2005.6 [5]陈先中,柳瑾,微波雷达液位测量仪的研究, 工业仪表与自动化装置,2005.6 [6] 蔡守允,杨大明等,水利工程模型试验的计算机波高测量系统, 水利水电科技进展2007 .10
