野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀，其特征是地表剪切頭上連接有主壓嘴、主出氣嘴、副壓嘴和副出氣嘴，通過各自硅膠軟管與負壓進氣嘴和正壓進氣嘴接通微壓差變送器，微壓差變送器的輸出電信號通過負信號線、正信號線、變送器電源線負、變送器電源線正與航空插頭座焊接。儀器主機箱上設(shè)有多路插頭座，箱中內(nèi)置有供橋穩(wěn)壓電源與多路轉(zhuǎn)換電路和485轉(zhuǎn)USB頭，供橋穩(wěn)壓電源與多路轉(zhuǎn)換電路連接，485轉(zhuǎn)USB頭通過485數(shù)據(jù)線與計算機采集數(shù)據(jù)儲存和計算機數(shù)據(jù)顯示連接，太陽能電池板與全密封鋰電池連接，鋰電池給微壓差變送器供電。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，路數(shù)多，測量精確；體積小，智能化強，可適用于野外現(xiàn)場、室內(nèi)風(fēng)洞實驗地表流暢變化觀測。
【專利說明】野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 本發(fā)明涉及一種野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測的儀器。
[0003]

【背景技術(shù)】
[0004] 從微觀的角度講，風(fēng)對沙質(zhì)地表的剪切作用（剪切應(yīng)力）直接影響到沙粒的臨界起 動速度、躍移高度及躍移長度，從而影響到風(fēng)沙邊界層的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，以及沙波紋的形成過 程；從宏觀的角度講，風(fēng)力的剪切直接影響到干旱區(qū)風(fēng)沙地貌的形成與演化過程及空間分 布格局。近來，國內(nèi)外眾多有關(guān)沙丘動力學(xué)的研究都集中在通過風(fēng)速廓線的響應(yīng)來推測沙 粒的運動特征及風(fēng)沙流的傳輸過程，或者是直接測量近地表風(fēng)速對輸沙量的影響。然而， 在以往的研究中，對沙粒運動及傳輸過程起關(guān)鍵作用的摩阻速度和與之相關(guān)的地表剪切應(yīng) 力大小通常是通過風(fēng)速廓線來推斷的。甚至在很多研究中，風(fēng)速的測量是在剪切應(yīng)力為常 量的內(nèi)邊界層之上進行的，從而導(dǎo)致用這種方法產(chǎn)生的風(fēng)速廓線對地表剪切力預(yù)測會存在 潛在的誤差。盡管，學(xué)者們副出了很多的努力，但關(guān)于近地表氣流與地表剪切力之間的關(guān) 系一影響風(fēng)沙運動的關(guān)鍵力，仍然是一個懸而未決的問題，尤其是在床面特征比較復(fù)雜 的情況下，復(fù)雜的氣流條件經(jīng)常會導(dǎo)致邊界層理論和邊壁率的應(yīng)用更加復(fù)雜化，甚至無法 運用，也就無法獲得地表剪切力的大小。
[0005] 中國專利公開了"防沙風(fēng)速廓線畢托管"（ZL99254581. 1)用于風(fēng)沙流風(fēng)速的測 量。但是，該儀器最大的缺點是自身對風(fēng)場和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的干擾很大，其次是對貼地表（< 5mm)的氣流速度無法測量。PIV系統(tǒng)由于其用的是激光測速原理，地表反光性很強，導(dǎo)致它 所測得到的最小地表距離也在2~5mm以上，同樣無法實現(xiàn)貼地表氣流運動特征的測量，這 就限制了它在貼地表氣流特征測量中的應(yīng)用，從而截止目前無法完全掌握風(fēng)沙流經(jīng)過時貼 地表氣流的特性。因此，研制一個能直接測量地表剪切應(yīng)力的測量儀器對于迫在眉睫。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為了更好地掌握野外地表剪切應(yīng)力測量，本發(fā)明的目的在于提供一種野外多路數(shù) 字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀。本儀器采用了先進的計算機VC軟件技術(shù)，利用計算機將采 集的數(shù)據(jù)儲存、處理、計算、顯示獲得地表氣流剪切力的大小。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)： 一種野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀，主要是由地表剪切頭、主壓嘴、副壓 嘴、堵頭、副出氣嘴、主出氣嘴、硅膠管、負壓進氣嘴、正壓進氣嘴、微壓差變送器和航空插頭 座組成。地表剪切頭上連接有主壓嘴、主出氣嘴、副壓嘴和副出氣嘴通過各自硅膠軟管與負 壓進氣嘴和正壓進氣嘴接通微壓差變送器，副壓嘴與副出氣嘴之間氣嘴塞有堵頭；微壓差 變送器10輸出〇- 5伏電信號通過負信號線、正信號線、變送器電源線負、變送器電源線正 與航空插頭座焊接，主機箱后面板設(shè)有多路插頭座，箱中內(nèi)置有供橋穩(wěn)壓電源與多路轉(zhuǎn)換 電路和485轉(zhuǎn)USB頭，供橋穩(wěn)壓電源與多路轉(zhuǎn)換電路連接，485轉(zhuǎn)USB頭通過485數(shù)據(jù)線與 計算機采集數(shù)據(jù)儲存和計算機數(shù)據(jù)顯示連接，太陽能電池板與全密封鋰電池連接，鋰電池 給微壓差變送器供電。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點和產(chǎn)生的有益效果是： 1、本發(fā)明采用了先進的計算機VC軟件技術(shù)，利用計算機將數(shù)據(jù)儲存、處理、計算、顯 示、還采用了太陽能硅電池向鋰電蓄電池供電，解決了野外無交流電的情況下也能正常工 作，使儀器可靠性，抗干擾性得到提高。本儀器路數(shù)多，體積小，智能化強，操作簡單，連續(xù)采 集地表剪切力只需一人完成全部測量工作，無需觀測人員在現(xiàn)場就可以按序置功能自動采 集，有利于來推測沙粒的運動特征及風(fēng)沙流的傳輸過程，資料的積累過程，可以獲得沙粒的 臨界起動速度、躍移高度及躍移長度，更重要的是它能揭示風(fēng)沙邊界層的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)，以及 沙波紋的形成過程的細微變化。大大縮短和減輕科研人員對一些問題的實驗研究周期，可 以使研究人員在盡可能短的時間內(nèi)用最少的人力、物力取得較快的、較好的科研成果，并在 風(fēng)沙邊界層動力學(xué)研究中和我國風(fēng)沙物理學(xué)得到廣泛應(yīng)用。
[0009] 2、本發(fā)明選用了由合金鋁材料加工的地表剪切頭、主壓嘴、副壓嘴、堵頭、副出氣 嘴、主出氣嘴、硅膠管、負壓進氣嘴、正壓進氣嘴，微壓差變速器和航空插頭座組成它具有不 氧化、在測量時不需要對準(zhǔn)來流方向，克服了以往用畢托管測量時對準(zhǔn)流向帶來的麻煩和 誤差，靈敏度高等特點。
[0010] 3、本發(fā)明是一個基于垂直方向軸對稱壓差感應(yīng)和輸出原理，推導(dǎo)出壓差和風(fēng)速以 及剪切力之間的關(guān)系。這種設(shè)計的最大優(yōu)點是它的軸對稱壓差感應(yīng)，在測量時不需要對準(zhǔn) 來流方向，只是對貼地表(< 5mm)的氣流速度進行測量。
[0011] 4、本發(fā)明是在微壓差變送器傳感器的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多個高精度微壓感應(yīng)探頭組合 后，再經(jīng)過壓差傳感器變速器整合到一個采集系統(tǒng)中，通過軟件yanpick，同時采集16個通 道的壓差值（Pa)，最大采樣頻率為3Hz，精度為0.1 Pa，壓差范圍(Γ 500Pa，采集時常根據(jù) 測量需求和計算機存儲空間自行設(shè)置。
[0012] 5、設(shè)有清沙通道，容易除去沙塵。副出氣嘴、主出氣嘴連接都采用硅膠軟管，硅膠 管軟管埋設(shè)可遠離測點進行觀測，避免了人為破壞測點環(huán)境的影響；使用方便，可定點定位 連續(xù)測定。利用它可對森林、草原和戈壁沙漠群落地表風(fēng)沙流暢進行長期監(jiān)測，為風(fēng)沙物理 學(xué)、環(huán)境科學(xué)及地球表層系統(tǒng)科學(xué)的發(fā)展提供可靠的依據(jù)。
[0013] 6、本發(fā)明采用的計算機，具有以下特點1)通過RS232接口，實時采集各個通道上 當(dāng)前的壓力數(shù)據(jù)，并顯示在計算機屏幕上；2)通訊可靠，數(shù)據(jù)正確率高；3)友好的人機界面 操作簡單，使用方便；4)實時顯示當(dāng)前的風(fēng)壓和風(fēng)速數(shù)據(jù)切換方便；5)可搜索在線的所有 測試單元，可同時采集多達48個測試單元的當(dāng)前數(shù)據(jù)，可按用戶設(shè)定的路徑和文件名同時 保存所有測試單元的風(fēng)壓和對應(yīng)的風(fēng)速數(shù)據(jù)到Excel文件中，便于用戶再次使用所測量的 數(shù)據(jù)。
[0014] 7、本發(fā)明采用了太陽能硅電池向鋰電蓄電池供電，解決了野外無交流電的情況下 也能正常工作，使儀器可靠性，抗干擾性得到提高。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，儀器路數(shù) 多，測量精確；體積小，易攜帶，智能化強，操作簡單，提高了工作效率和測量精度?？蛇m用于 野外現(xiàn)場、室內(nèi)風(fēng)洞實驗地表流暢變化觀測和監(jiān)測。
[0015]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面，結(jié)合附圖，就本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明： 一種野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀，主要是由地表剪切探頭1、主壓嘴2、 副壓嘴3、堵頭4、副出氣嘴5、主出氣嘴6、硅膠管7、負壓進氣嘴8、正壓進氣嘴9、微壓差變 送器10和航空插頭座11組成。地表剪切探頭1上連接有主壓嘴2、主出氣嘴6、副壓嘴3 和副出氣嘴5通過各自50-500_硅膠軟管7與負壓進氣嘴8和正壓進氣嘴9接通微壓差 變送器10,使動壓、負壓氣流與微壓差變送器10形成通路，副壓嘴3與副出氣嘴5之間氣嘴 塞有堵頭4,微壓差變送器10的輸出0- 5伏電信號通過負信號線12、正信號線13、變送器 電源線負14、變送器電源線正15與航空插頭座11焊接，主機箱16后面板設(shè)有多路插頭座 25,箱中內(nèi)置有供橋穩(wěn)壓電源17、多路轉(zhuǎn)換電路18和485轉(zhuǎn)USB頭19,供橋穩(wěn)壓電源17與 多路轉(zhuǎn)換電路18連接，485轉(zhuǎn)USB頭19通過485數(shù)據(jù)線20與計算機采集數(shù)據(jù)儲存21和計 算機數(shù)據(jù)顯示22連接，太陽能電池板24與全密封鋰電池26連接，鋰電池26給微壓差變送 器10供電。
[0018] 野外監(jiān)測多路鋁合金地表剪切探頭1埋設(shè)與地面高度一致，根據(jù)觀測要求探頭 1為水平分布放置，在不同障礙物23前后盡量多選一些測定點。剪切探頭1為一同心軸 設(shè)計中心探頭高出地表高度在(T5mm連續(xù)可調(diào)，氣壓傳導(dǎo)管為直徑為2mm的硅膠管7,長 50-500mm， 當(dāng)沿地表氣流掠過地表障礙物23分別進入地表剪切探頭1上連接有主壓嘴2、主出氣 嘴6、副壓嘴3和副出氣嘴5通過各自50-500_硅膠軟管7與負壓進氣嘴8和正壓進氣嘴 9接通微壓差變送器10,副壓嘴3與副出氣嘴5之間氣嘴塞有堵頭4,產(chǎn)生氣壓差。微壓差 變送器10的輸出0-5伏電信號通過負信號線12、正信號線13、變送器電源線負14、變送器 電源線正15,插入多路插頭座25的多路信號線；連接485數(shù)據(jù)線20通過計算機采集數(shù)據(jù)儲 存21，采集軟件從計算機界面中打開采集程序yanpick文件名，執(zhí)行yanpick中的setup, exe文件，由計算機液晶顯示地表障礙物23阻擋的地表剪切力數(shù)據(jù)。通過計算機的RS232 接口將儀器上各個通道上的當(dāng)前壓力采集到計算機，便于數(shù)據(jù)處理。
[0019] 本發(fā)明采用了太陽能電池板24向全密封鋰電池26供電，解決了野外無交流電的 情況下也能正常工作，使儀器可靠性，抗干擾性得到提高。
【權(quán)利要求】
1. 一種野外多路數(shù)字式地表剪切應(yīng)力動態(tài)監(jiān)測儀，主要是由地表剪切探頭（1)、主壓 嘴（2)、副壓嘴（3)、堵頭（4)、副出氣嘴（5)、主出氣嘴（6)、硅膠管（7)、負壓進氣嘴（8)、正 壓進氣嘴（9)、微壓差變送器（10)和航空插頭座（11)組成，其特征是地表剪切頭（1)上連接 有主壓嘴（2)、主出氣嘴（6)、副壓嘴（3)和副出氣嘴（5)，通過各自硅膠軟管（7)與負壓進氣 嘴（8)和正壓進氣嘴（9)接通微壓差變送器（10)，副壓嘴（3)與副出氣嘴（5)之間氣嘴塞有 堵頭（4);微壓差變送器（10)的輸出0-5伏電信號通過負信號線（12)、正信號線（13)、變送 器電源線負（14)、變送器電源線正（15)-端與航空插頭座（11)焊接，另一端與主機箱（16) 后面板設(shè)有多路插頭座（25)連接，箱中內(nèi)置有供橋穩(wěn)壓電源（17)與多路轉(zhuǎn)換電路（18)連 接、485轉(zhuǎn)USB頭（19)通過485數(shù)據(jù)線（20)與計算機采集數(shù)據(jù)儲存（21)和計算機數(shù)據(jù)顯 示（22)連接，太陽能電池板（24)與全密封鋰電池（26)連接，全密封鋰電池（26)給微壓差 變送器（10)供電。
【文檔編號】G01M9/06GK104122065SQ201310149100
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月26日
【發(fā)明者】趙愛國, 羅萬銀, 董治寶, 錢廣強, 趙晶, 李宏, 肖建華 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所