CN101246112A - 水体中悬浮泥沙含量的测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种水体中悬浮泥沙含量的测量方法及测量装置，该水体中悬浮泥沙含量的测量方法，1)以红外发光二极管作为激发光源向悬浮泥沙水体中发射红外光，以若干个硅光电池作为光信号接收器布设在红外发光二极管前向和侧向分别接收悬浮泥沙所散射的光信号；2)采用前端放大电路对光信号进行信号放大；3)利用AD采集电路将模拟信号转化为数字信号；4)单片机控制部分输出检测数据。本发明通过多个硅光电池从不同位置接受散射信号，提高了悬浮泥沙的浓度检测范围；浮游藻类，有色质等其他透明或半透明的悬浮物质以及粒径较大的泥沙对测量结果几乎不产生影响。
Description
技术领域：
本发明涉及各类水环境中尤其是海水中悬浮泥沙含量的测量方法及测量装置。
背景技术：
悬浮泥沙含量的测定是水质监测中的重要指标之一。悬浮泥沙浓度的测定和估算是对入海口输沙量以及海洋沉积动力学的研究，关系到航道港口的泥沙淤积或变化、河口岸滩的塑造以及近岸水产养殖开发等重要环节。在我国沿岸和近海水域有高悬沙的特点，其测量方法包括传统的称量、比重法等，它们均存在取样代表性差、取样麻烦而且效率低下，不能实时、连续监测等不足。现有的悬浮泥沙测量包括有光电法、声波遥感、激光测量、电导法和同位素法等方法。这些方法各有其优缺点，但都存在检测浓度范围小，高浓度悬浮泥沙检测误差较大等缺陷，而且容易受到浮游藻类、有色质等其它悬浮物质的影响，不均匀的悬浮泥沙的粒径也会给测定结果带来很大的误差。目前的悬浮泥沙检测仪器大都是进行点测量，测量数据与整个测量水域的实际含沙量有较大的偏差。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种水体中悬浮泥沙含量的测量方法及测量装置，该方法和装置浓度监测范围大，不受浮游藻类、有色物质等透明或半透明的悬浮物质、水质、瞬间起伏的大粒径泥沙等影响。
该水体中悬浮泥沙含量的测量方法，其特征在于：1)以红外发光二极管作为激发光源向悬浮泥沙水体中发射红外光，以若干个硅光电池作为光信号接收器布设在红外发光二极管前向和侧向分别接收悬浮泥沙所散射的光信号；2)采用前端放大电路对光信号进行信号放大；3)利用AD采集电路将模拟信号转化为数字信号；4)单片机控制部分输出检测数据。
本发明水体中悬浮泥沙含量测量方法的测量装置，其特征在于：所述装置由发射单元和接收单元组成，所述的发射单元包括电源电路和红外发光二极管，所述的接收单元包括硅光电池、前端放大电路、AD采集电路、单片机控制以及上位机组成；电源电路给红外发光二极管提供工作电压，硅光电池与前端放大电路相连接，前端放大电路的输出与AD采集电路的输入端相连接，AD采集电路的输出端与单片机的输入端相连接。
本发明的悬浮泥沙测量方法的依据是：①、红外光在水中的衰减率很高，仪器受自然光干扰小；②、在后向散射接收范围内无机物质的散射强度明显大于气泡和有机物质，而且透明或半透明物质对红外光主要是发生透射和吸收，在大的后散射角度上几乎不散射红外光。③、米氏理论指出散射角度与泥沙颗粒大小成反比例关系。
本发明通过多个硅光电池从不同位置接受散射信号，提高了悬浮泥沙的浓度检测范围；浮游藻类，有色质等其他透明或半透明的悬浮物质以及粒径较大的泥沙对测量结果几乎不产生影响；利用多探头的面测量法对各种水域中悬浮泥沙的含量给予高分辨率、高精度的测量，使测量结果能较好地代表所测水域的含沙量。本发明测定方法的响应时间为3s，测量浓度4g/L以下的水体，含沙量与红外光散射信号具有较好的线性，分辨率可达0.04g/L，精度为1％±0.002；测量4～60g/L含沙水体时，精度在2.4％±0.002；本发明装置功耗低、体积小、造价低、集成度高且操作简单、能够快速、实时、原位、连续测量的悬浮泥沙含量。
附图说明：
图1是本发明测量装置发射单元的机械结构示意图；
图2是本发明测量装置接收单元的机械结构示意图；
图3是本发明测量装置实施例的电路原理图；
图4是悬浮泥沙传感器的整体结构简图；
图5是悬浮泥沙浓度与散射信号的关系曲线；
图6是悬浮泥沙传感器操作流程示意图；
图7是两硅光电池与红外发光二极管构成角的构造示意图。
其中：1、红外发光二极管，2、滤光片，3、硅光电池，4、温度传感器，5、电缆，6、进水栅栏，7、前端保护罩，8、前端放大部分，9、AD采集电路，10、单片机控制部分，11、光源供电部分，12、信号显示部分，13、GPS***、日期时间显示器，14、缆绳，A、信号传感器探头，B、伸缩管，C、信号处理器
具体实施方式：
参照附图1、图2、图3：
本发明1)以功耗低、稳定性好的红外发光二极管(发射波长为860nm)激发光源代替传统激发光源，使用光电流线性好，响应时间快，体积小的硅光电池作为光信号接收器。
2)红外发光二极管向水体中发射红外光，硅光电池光信号检测器从不同角度30度及165度[如图7所示，顶点A为最大光程(即在浓度接近于零时，近红外光线所能穿透浊液的最大路程)的中点；顶点B为硅光电池到LED的垂直距离的中点]接受被悬浮泥沙所散射的信号。
3)利用前端放大电路进行信号放大。
4)AD采集电路将模拟信号转化为数字信号。
5)单片机控制部分将检测数据可以以三种方式输出：存入储存卡，屏幕显示以及通过USB接电脑。
6)利用伸缩管悬挂多个探头，信号处理器集中处理信号。
本发明悬浮泥沙含量测量装置包括传感器探头部分和信号处理器部分。其中传感器探头部分包括发光二级管，硅光电池，滤光片；信号处理***部分包括光源供电部分，前端放大电路部分，AD采集电路部分，单片机控制部分，以及PM1010软件部分。
本发明悬浮泥沙含量测量的方法包括以下步骤：
1)室内标定：
(1)：低浓度悬浮泥沙含量测量的工作曲线绘制。
①、配制一系列浓度(0～4g/L)的悬沙浊液。将浊液在260r/min左右的低转速下搅拌5min，搅拌均匀。
②、将传感器探头浸入悬浮泥沙浊液中，打开红外发光二极管，由侧向硅光电池165度接受光信号，读取6s时刻的数据。
③、记录数据，绘制浓度与散射信号强度的关系曲线。
(2)：高浓度悬浮泥沙含量测量的工作曲线绘制。
①、配制一系列浓度(4～60g/L)的悬沙浊液。将浊液在260r/min左右的低转速下搅拌10min，搅拌均匀。
②、将传感器探头浸入悬浮泥沙浊液中，打开红外发光二极管，由前向硅光电池30度接受光信号，读取6s时刻的数据。
③、记录数据，绘制浓度与散射信号强度的关系曲线
2)实际水体测量
①、将伸缩支架伸缩到合适位置，将传感器探头放入待测水域中。
②、仪器接入计算机USB接口，进入PM1010检测***，设置各个参数。
③、红外发光二极管向水体中发射红外光线，硅光电池光信号检测器接受被悬浮泥沙所散射的信号。
④、前端放大部分将信号放大处理。AD采集电路将模拟信号转化为数字信号。单片机控制部分将检测数据输出。
Claims (6)
1.一种水体中悬浮泥沙含量的测量方法，其特征在于：1)以红外发光二极管作为激发光源向悬浮泥沙水体中发射红外光，以若干个硅光电池作为光信号接收器布设在红外发光二极管前向和侧向分别接收悬浮泥沙所散射的光信号；2)采用前端放大电路对光信号进行信号放大；3)利用AD采集电路将模拟信号转化为数字信号；4)单片机控制部分输出检测数据。
2.一种如权利要求1所述的水体中悬浮泥沙含量测量方法的测量装置，其特征在于：所述装置由发射单元和接收单元组成，所述的发射单元包括电源电路和红外发光二极管，所述的接收单元包括硅光电池、前端放大电路、AD采集电路、单片机控制以及上位机组成；电源电路给红外发光二极管提供工作电压，硅光电池与前端放大电路相连接，前端放大电路的输出与AD采集电路的输入端相连接，AD采集电路的输出端与单片机的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的水体中悬浮泥沙含量的测量装置，其特征在于：所述测量装置机体下方联接有伸缩管，所述伸缩管末端设有多个径向支杆，该径向支杆的外端头上设有信号传感器探头，所述红外发光二极管及硅光电池设于该探头体内。
4.根据权利要求3所述的水体中悬浮泥沙含量的测量装置，其特征在于：所述红外发光二极管的发射波长为860nm。
5.根据权利要求4所述的水体中悬浮泥沙含量的测量装置，其特征在于：所述前向硅光电池设置在与红外发光二极管中心轴线成30度角的位置。
6.根据权利要求5所述的水体中悬浮泥沙含量的测量装置，其特征在于：所述侧向硅光电池设置在与红外发光二极管中心轴线成165度角的位置。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20101222 Termination date: 20130320 |