水利工程实验技能(partI)

毕托管是用来测量流速的一种差动压力计。它是由法国工程师亨利·毕托于1732年发明，在19世纪中期由法国科学家亨利·达西改造成现在的形式。它被广泛应用于流速测量中。毕托管通过将流体的动能转化为势能来测量流速。目前一页\总数五十四页\编于十一点毕托管的测量原理目前二页\总数五十四页\编于十一点

动能转化为势能发生在位于毕托管进口处的驻点。动能到势能的转换形成了它相对于自由流的静压有一个压升（动压），静压通过静压孔测量。总压和静压之差可通过压差计测量。将压差计测量结果转化为流速依赖于伯努利方程：目前三页\总数五十四页\编于十一点上式一般还要乘以一个常数c，c一般应该非常接近1。c依赖于静压孔与毕托管入口和主杆中心线的位置。目前四页\总数五十四页\编于十一点优点：结构简单

相对便宜

几乎不需要校正

在流体中产生的压降很小缺点：在某些应用中精度和空间分辨率可能不够目前五页\总数五十四页\编于十一点2.旋桨流速仪

目前在流速测量方面应用比较多的是旋桨式流速仪。旋桨式流速仪是通过一种旋桨传感器提供脉冲信号的一种测量流速的方式，旋桨流速仪按传感器的结构分为电阻式、电感式和光电式三种，目前采用较多的是光电式。

目前六页\总数五十四页\编于十一点2.1电阻式传感器如下图所示，在支杆的内侧镶嵌两个铂金电极。支杆入水后，两个电极间变形成一个水电阻。当旋桨加宽的侧边处于位置（a）时，遮挡了两个电极，此时两电极间的水电阻值最大，当处于位置（b）时，水电阻值最小。因此旋桨每旋转一周便产生两次水电阻阻值的变化，然后通过桥路输出电脉冲讯号，送入计数器进行计数。目前七页\总数五十四页\编于十一点

优点：电阻式传感器的优点是结构比较简单，易于实现。缺点：其阻值大小受水温、水质、电极大小、氧化程度、遮蔽体大小、间隙距离等因素影响，如果不在电路设计上进行解决，精确度和灵敏性均难以保证。目前八页\总数五十四页\编于十一点2.2电感式传感器如下图所示，在支杆下端嵌入一个直径为3mm的线圈。旋桨的叶片中各嵌入直径为1mm，长度5mm的永久磁铁。这样，当旋桨每旋转一次，便有与叶片数相同的电感脉冲输出，送至计数器进行计数。其输出脉冲是有极性的，能反映旋桨的旋转方向，因此也就能测量流速方向。目前九页\总数五十四页\编于十一点

优点：电感式传感器不受水温，水质的影响。缺点：支杆中的线圈加工与叶片中永久磁铁的镶嵌都要求较高的工艺，支杆顶端与旋桨边缘的间隙要求严格保持0.2mm，因此加工安装比较困难。其输出信号只有毫伏级，比较弱小。目前十页\总数五十四页\编于十一点2.3光电式传感器的旋桨叶片边缘上贴有反光镜片，传感器上端安装一发光源，经光导纤维传至旋桨处，旋桨转动时，反光镜片产生反射光，经另一组导光纤维传送至光敏三极管，转换成电脉冲信号，由计数器计数。光电式传感器输出信号较强，受水温、水质影响小，工作可靠。目前十一页\总数五十四页\编于十一点工作原理：将旋桨传感器放入水流测点处，在水流作用下旋桨转动，流速越大，旋桨转动越快。转换后的电脉冲信号经放大整形，由计数器计数。通过计数器，记录单位时间转动次数，换算成流速值，流速计算公式为：式中：V—流速，cm/s；k—传感器率定系数；C—传感器率定系数；T—设定的采样时间，s；N—采样时间内的传感器旋桨转数（对单反光面旋桨而言，若对双反光面旋桨，应除以2才为采样时间内的传感器旋桨转数）。目前十二页\总数五十四页\编于十一点3.热线流速仪工作原理：热线是由电阻温度系数很高的钼、钨、铂合金等材料制成，直径1-10mm，长约1-2mm。当用在水流中时，在金属表面上溅射上一层极薄的（0.5-2mm）石英膜绝缘保护层。金属丝通电后被加热，流体流动的强迫对流引起热损耗使之冷却，电阻发生变化，流速越大，热损耗越大，线电阻变化越大。通过检测发热敏感元件的电阻值，可以得到发热敏感元件的表面温度。同时监测水体的温度就可以得到一个温度差，这个差值随着流速的变化而变化，从而能够得出与流速有关的电信号。目前十三页\总数五十四页\编于十一点

若以热线式流速仪电桥输出的电压E为电信号，以V为流速，则E与V之间的关系可用著名的King公式表示目前十四页\总数五十四页\编于十一点式中：I—发热敏感元件的电流，mA；R—发热敏感元件的工作电阻，Ω；tW—发热敏感元件的表面温度，℃；tC—流体的温度，℃；A，B，n—仪器常数，通过试验来确定。目前十五页\总数五十四页\编于十一点

按测量的电气回路工作方式，热线流速仪可分为恒定电流式与恒定温度式两种，前者是把电气线路设计成保持通过热线的电流为恒定，后者则是保持热线的温度为恒定。热线流速仪工作框图如下图所示，由测量电桥、伺服放大器、自动调节环节，输出放大器和输出指示的几个部分组成。目前十六页\总数五十四页\编于十一点

以恒温为例，热线探头作为测量电桥的一个桥臂。当流速为零时，调整电桥平衡，放大器的两个输入端没有电压差，输出指示为零。当热线在流速作用下，由强迫对流造成热损耗，热线温度发生变化，引起热线电阻变化，电桥失去平衡，产生一个偏离于平衡点的误差电压，将此误差电压输入到伺服放大器，由高增益的伺服放大器放大后，推动调整环节，使调整环节反馈到电桥顶端的工作电压自动升高或降低，从而改变了热线的加热电流，使热线保持恒定的温度，亦即恒定的电阻。目前十七页\总数五十四页\编于十一点

电桥从平衡至失去平衡又自动恢复平衡，这过程中桥压变化，反映了流速的变化。将桥压输入到输出放大器，与基准电压比较，将其差值放大，作为输出指示，由电压表或其他显式仪表读出。通常流速值与电压值不是直线关系，而是指数关系，因此都在仪器内加设线性化线路。目前十八页\总数五十四页\编于十一点

热线流速仪用于水中时，最低流速可测到约9cm/s。热线流速仪虽然是一种接触式测量仪器，但是它的传感器小，对流场干扰不大，而且灵敏度高，对流速脉动的频率响应高（最高可达1.2MHz），能同时测出多维速度分量，但它对水质有较高的要求，必须清洁无杂质，否则由于杂质沉淀在传感器表面，改变了热耗散率，将造成误差。目前十九页\总数五十四页\编于十一点4.电磁流速仪工作原理：是根据法拉第电磁感应定律的原理进行流速测量的，该定律指出，导体在磁场中切割磁力线运动时，导体两端就会产生感生电动势式中：B—磁感应强度，10-4T；L—导体长度，cm；V—导体运动速度，cm/s；

θ—导体运动方向与磁力线方向的夹角。目前二十页\总数五十四页\编于十一点在电磁流速仪中，L为两电极间水体的长度，B为激磁线圈产生的磁感应强度。探头设计定型后，L、B即为确定的值。在测流中，水流方向与磁力线垂直，故有即流速与感应电动势成正比，两者呈线性关系。因此，测定感应电动势的大小，便可以确定相应的流速。应用：主要用在浑水测量中。目前二十一页\总数五十四页\编于十一点目前二十二页\总数五十四页\编于十一点5.声学多普勒流速仪

声学多普勒流速仪（AcousticDopplerVelocimeter，ADV），通常也叫做超声波多普勒流速仪，它是利用声波的多普勒效应来测量流体运动速度的。目前二十三页\总数五十四页\编于十一点

由于ADV的测量点与发射、接收探头之间存在一定的距离，器件对所测量部分流场造成的干扰可以忽略，因此通常认为它是一种非接触式测量，具有三维速度测量、精度高、无需率定、操作简便等优点，而且ADV对工作环境条件的要求不高，对于不适合光学方法的低浓度浑水测量，往往能发挥其优势。目前二十四页\总数五十四页\编于十一点测量原理ADV通过水流中微细的颗粒对发射的超声波的发射来应用多普勒原理，在测量中，波源与接收器之间并不存在相对运动，频移是由水中粒子的运动产生的，它们所引起的频率变化就是多普勒频移。当波源发射某一固定频率（

）的声波时，由于水中粒子的漫反射，接收器接收到被散射回来的声波（

），假设粒子的运动速度（v）与水体流动速度相同，取静止介质中声速为c，那么根据多普勒效应接收信号频率是目前二十五页\总数五十四页\编于十一点式中，

、

分别为声波发射方向、反射方向与水流方向的夹角。如果粒子运动速度远小于声速，即有

，那么声学多普勒频移，即接收频率与发射频率之差：当

时，多普勒频移表达式可简化为频移与水流速度之间呈线性关系。目前二十六页\总数五十四页\编于十一点

由于声速在介质中受环境的影响，因此在利用ADV计算粒子运动时，需要对具体情况下的声速进行重新计算。水中声速（c）（m/s）可按下式给出：式中，T为温度；S为盐度；D为水深，即代表水压力。目前二十七页\总数五十四页\编于十一点

垂直于运动粒子和接收器之间连线的运动并不会导致多普勒频移；如果运动粒子和接收器之间的距离减少，即粒子向接收器方向靠近，则频率增加；如果运动粒子和接收器之间的距离增加，即粒子运动背离接收器方向，则频率减少。由于多普勒频移与粒子运动速度成正比，只要测量出多普勒频率的变化值，就可以确定粒子的运动速度。目前二十八页\总数五十四页\编于十一点系统构成常见的ADV系统主要由三部分组成：量测探头（也称传感器）、信号调理和信号处理。量测探头的实质是超声换能器：发射探头将电能转换为声能，形成超声波波源；接收探头则将接收到的声能转换为电信号，通过信号处理程序获取多普勒频移，进而得到流速及相关参量。目前二十九页\总数五十四页\编于十一点

通常遇到的粒子速度和声速相比要小得多，相应的多普勒频移也很小，因此，一般不能直接使用前面的式子作为实用的测量方法。ADV采用了脉冲相干（或纯相干）处理技术，即发射器发出两个时间滞后分离的脉冲，量测出每一个返回脉冲的相位，两个脉冲之间的相位差与脉冲相隔时间的商值正比于水中粒子的速度，据此求出水中粒子的速度，也就得出水流速度。采用脉冲相干处理技术保证了ADV高精度的流速测量，10MHz的ADV的测速范围为0.01~250cm/s。目前三十页\总数五十四页\编于十一点发射和接收探头超声换能器的工作原理大体是相同的。通常，换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统，当发射声波时，从激励电源的输出极送来的电振荡信号引起换能器电储能元件中电场或磁场的变化，这种变化通过某种效应对换能器的机械振动系统产生一个推动力，使其进入振动状态，从而推动与振动系统相接触的介质，向介质中辐射声波。接收声波的过程则刚好相反，外来声波作用在换能器的振动面上，使机械振动系统发生振动，借助于某种物理效应，引起换能器储能元件中的电场或磁场发生相应的变化，从而引起换能器的电输出端产生一个相应于声信号的电压和电流。目前三十一页\总数五十四页\编于十一点传感器应具备的主要技术性能包括：良好的电声转换效率，以提高仪器的灵敏度；能够不破坏测量点的流态，以保证仪器的测量精度；较强的抗干扰能力，以保证仪器的稳定性能；良好的信号谱特性，以减少无用杂波的调制作用等。按接收探头数目，ADV探头通常有3探头式和4探头式。从实际使用考虑，按其测量点位置可分为俯视式、侧视式和仰视式3种形式。目前三十二页\总数五十四页\编于十一点以常见的3探头俯视式为例，量测探头由3个接收传感器和一个发射传感器组成，3个接收传感器分别分布在发射传感器轴线的周围，它们之间的夹角为120°，接收传感器和采样体的连线与发射传感器的轴线之间夹角为30°，采样体一般位于探头下方5~6cm或10~11cm（深水或野外试验），这样可以基本上消除探头部分对待测区水流的干扰。目前三十三页\总数五十四页\编于十一点由于ADV测量时探头（接收传感器和发射传感器）必须浸入水中，因此水流表面下5cm范围内的流动是上述俯视式探头的测量盲区，这时采用仰视式探头就可以弥补这一不足。同样的，当需要测量侧向边壁附近的流速时，侧视式探头的使用也就成为必然。信号调理器由检测微弱信号的模拟电路组成，将接收传感器获取的信号进行放大，然后通过高频电缆送入信号处理器。信号处理部分由一个单独的电路板完成，主要完成输出频率为25Hz的实时三维流速测量值的计算。ADV测量采用与厂家一致的坐标系统和记法，即

、

和

分别代表流向、横向和垂向流速。在实际测量时需尽量使ADV探头的向接收探头对准水流方向，以减少所测流速分布中的流速偏差。目前三十四页\总数五十四页\编于十一点信号采集与处理ADV的运行方式采用了双向分置式，即发射器发射的声束与接收器接收到的声束构成一个狭窄的锥体，声波能量主要浓缩在这个狭窄的锥体中，接收器对这个范围内的能量最为敏感。发射器发出一束已知频率的声脉冲，并在水中沿其声束轴传播，当脉冲通过采样体时，能量被水中粒子（如悬浮物、小的生物体、气泡等）向各个方向反射，反射的部分能量沿接收器轴被ADV的接收器接收，并且由信号调理部分测量出频率的变化，再由信号处理部分计算出水流的三维速度。目前三十五页\总数五十四页\编于十一点ADV测速点位置在采样体的垂直中心上。采样体的尺寸取决于四个因素：发射声束、接收声束、脉冲长度、接收窗（返回信号的时间跨越周期）。采样体的水平边界由发射声束和接收声束的相交部分确定，但声束相交部分的范围不易确定，因此把发射声束和接收声束近似假定为圆柱体（对于10MHz的ADV，其直径为6mm）。采样体的垂直边界由接收窗和脉冲长度的卷积确定。对于10MHz的ADV，采用体的总高度为9mm，且可随ADV数据采集软件中的设置改变而变化，如6mm，3mm，小的采用体可用于对边壁附近流速分布的精细测量，但采样体的减小意味着有效粒子数的减少，会导致测量精度下降。目前三十六页\总数五十四页\编于十一点ADV信号强度由以分贝（dB）为单位的信噪比来表示，其主要作用是检验水中有无足够的粒子，既如果水中粒子过少，返回信号强度小于噪声强度，ADV就不能进行精确的速度测量。对于瞬时流速测量（如以25Hz采样），信噪比一般要求大于15dB；对于平均流速测量（如取10s内的平均值），ADV可以在信噪比为5dB时正常工作。目前三十七页\总数五十四页\编于十一点下图显示了ADV接收器信号强度对时间的典型剖面图。水平轴显示发送脉冲以后的时间，而垂直轴显示了被接收器量度的返回信号的强度。当发射脉冲在水中传播时，声波被水体中的各种悬浮粒子散射，其中只有沿着接收传感器轴线方向的声束被接收，形成有效采样信号，而其他方向的反射声波则不在接收器的感应范围，不产生信号。目前三十八页\总数五十四页\编于十一点因此，当声束从发射器送出后，虽然来自采样体之外的反射信号会陆续到达接收传感器，但这时接收器获得的仅仅是环境噪声电平。在脉冲声波进入采样体时，相应的有效粒子反射信号开始到达接收器，接收信号在强度上逐渐增加；当脉冲跨越接收声束中心（也即采样体中心）时，相应的信号强度到达最大值；之后，脉冲移出采样体，接收信号强度又减弱到环境噪声电平。钟形曲线的峰值对应于发射声束和接收声束的交叉点，依靠采样此时的返回信号，ADV就完成了对采样体区域流速的测量。目前三十九页\总数五十四页\编于十一点不过在实际应用中，并非每一次脉冲声波获得的信息都作为采样结果输出。事实上，ADV每秒内发射的脉冲数可多达150~250次，但单次脉冲获取的信号噪声强度远远超出了实际测量的要求，由于这种噪声是完全随机分布的，可以通过多样本统计平均的办法来削弱，因此ADV通常将若干次脉冲的信号进行平均作为一次采样结果，已达到降低噪声干扰的目的。比如，当以25Hz的采样频率进行测量时，每次输出的采样数据就是在40ms时间内所测若干次脉冲信号的平均结果。目前四十页\总数五十四页\编于十一点ADV的特点及测量精度ADV测量方法具有以下特点：1）相对的非接触式测量。ADV的采样体位于探头以下5cm或10cm，使得其对被测区域内流速分布的影响达到最小，探头对测点流速的干扰几乎可以忽略，因此可以说是一种相对的非接触式测量，但ADV的探头必须淹没于水下才能进行测量。2）三维瞬时流速的测量。ADV利用多普勒频移的原理，实现了三维瞬时流速的测量，并且没有零偏置或零漂移的潜在可能。3）采样脉冲相干技术的ADV不受最小可测速度和流速方向的限制，测速精度可达±0.01cm/s，为分析水流的紊动特性提供了极大的方便。目前四十一页\总数五十四页\编于十一点4）对于目前常见的ADV商品，操作者可根据测量需要调整采样体的大小和数据采样频率，如SonTek公司的ADV产品，采样体一般高度为9mm、6mm和3mm，其体积均小于0.25cm3，采样频率范围为0.1~25Hz。操作者还可根据需要选择水体的温度和盐度，并由ADV自动计算出声波的传播速度，从而方便地调整ADV的采集参数以适应水流环境的测试要求。目前四十二页\总数五十四页\编于十一点影响测量精度的主要因素：进行多维测量时，ADV探头各传感器的空间角度分布对测量结果有着显著影响，如果各接收传感器的轴线与发射传感器的轴线交点重合度过低，就可能直接导致测量结果完全失真，这给自主开发研制ADV的实验工作者提出相当高的加工工艺要求。对于ADV商品而言，厂家一般都能将该部分误差控制在所测速度的1%左右。目前四十三页\总数五十四页\编于十一点除硬件外，影响ADV测量精度的主要因素还有以下几点：1）声波对速度测量的影响：由ADV测速原理可知，声波频率和声速的变化都会对多普勒频移数值产生影响，从而产生速度测量的偏差。从理论上来讲，增加声波频率有助于提高测量精度，但声波频率增大会导致粒子对声能吸收的增加，从而加快声波的衰减，缩短ADV的测量距离。声速的变化受多种因素影响，在水中，声速是温度、盐度和压力的函数，它们的变化将引起声速的变化。目前四十四页\总数五十四页\编于十一点2）不同采样频率和采样体高度对ADV测速的影响：采样频率的高低是控制采样精度的关键。频率越高，采样精度就越高；而采样体高度也决定了ADV的测量精度。不同采样频率对平均流速的测量影响较小，而采用不同采样体高度测量出的结果则波动较大，小采样体应用于高频测量实验还有待于进一步研究论证。目前四十五页\总数五十四页\编于十一点3）散射粒子的浓度对速度测量的影响：水体中散射粒子的浓度对多普勒频移信号的产生有着直接的影响，这也是造成ADV测量误差的一个重要来源。粒子过多或过少都会引起噪声数据的增加：如果散射粒子很少，产生的反射信号就很微弱，容易导致噪声掩盖信号，所测速度可能失真；如果粒子浓度过大，产生的信号之间将互相干扰，更重要的是声波被吸收的声能会随粒子浓度的增大而增大，导致声波快速衰减，测量距离迅速减小，这也是ADV难以应用到高含沙水流测量中的制约因素。目前四十六页\总数五十四页\编于十一点此外，在进行边壁附近流速的测量时，来自边壁的反射信号往往比来自粒子的信号强得多，从而造成对测点速度的干扰。因为边壁通常是不动的，所以典型的信号特性就是速度趋于零，这种测量失真的情况还是比较容易发现的；但对移动边壁或不规则边壁附近的流速测量，信号失真的判断就需要非常细心的操作。目前四十七页\总数五十四页\编于十一点6.激光多普勒流速仪目前四十八页\总数五十四页\编于十一点激光多普勒流速仪（laserDopp