水资源问题是当今全世界最受关注的重点问题之一。我国幅员辽阔,地大物博,水资源蕴藏总量丰富,但是人均占有量少,地区之间分布存在差异。我国也是个农业大国,农业用水占比较高,主要体现在农业灌溉用水方面,因此对灌区进行量水是十分必要的。灌区量水是推进节水农业的重要措施,为了准确测量渠道输配水流量,本课题在我国灌区明渠测流发展现状的基础上,设计出了一套基于超声波时差法的水位跟踪式自适应测流系统。超声波在水流中传播时,水流的流动速度会导致超声波顺流、逆流的传播时间出现差异,由此根据时间差来获得流速,再根据流速面积法获得明渠流量。测流装置主要包括丝杆、步进电机、超声波探头、液位超声波传感器、舵机、滑块、支撑杆、测量杆、单边机、显示屏、供电装置等。其原理是利用测流装置顶端的超声波液位传感器测出渠道水位,然后再用测量杆两端的两个超声波探头通过声波发射与接收的时间差来计算流速,最后利用公式AVQ(28)计算渠道流量。本系统根据渠道水位的变化,在步进电机和舵机的驱动下自动改变超声波探头的位置,进行多次不同位置的流速测量。通过测流原理以及实验结果分析,该测流装置能够达到明渠测流的相关要求。本课题主要进行了以下几方面的研究:(1)系统的总体方案;根据我国灌区明渠测流的发展历史、现状及特点,查阅国内外灌区测流文献资料,结合时差法原理、超声波传感器技术及自动化技术,根据实际需求进行测流系统的整体方案设计。(2)测流装置的设计与制作;测流装置是本系统的关键部分,包括机械结构的设计,各组成元件、材质等的选型,各组成零件的安装焊接等,确保测流装置在最优条件下,从而保证测流精度。(3)测流系统的硬件电路设计与软件开发;进行微机硬件电路的设计。系统的硬件电路设计是实现测流功能的基础,完成了主控电路的设计,供电模块、显示模块的设计,步进电机驱动单元的设计等;根据硬件电路设计编写并调试软件模块。软件模块包括软件程序语言设计、用户界面程序设计、人机接口程序设计、运动控制功能程序设计、信息采集功能程序设计。(4)硬件与软件系统的测试及分析优化;水位跟踪式明渠自适应测流系统的系统功能测试分两阶段,第一阶段测试是单元测试,即各功能单独测试;第二阶段测试是集成测试,即将各功能组合起来测试。测试系统能否正常工作运行,并不断进行优化改进。分析优化完成后进行实验。大量实验数据表明,本测流系统测流精度高,基本满足明渠测流需求。具有结构简单,价格低廉,携带方便,测流成本低,测流精度高,安装方便,省时省力等优点,适用于中小型标准矩形渠道,为灌区明渠流量测量提供了新的解决方法。