專利名稱：水體中懸浮泥沙含量的測量方法及測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及各類水環(huán)境中尤其是海水中懸浮泥沙含量的測量方法及測量裝置。
背景技術：
懸浮泥沙含量的測定是水質(zhì)監(jiān)測中的重要指標之一。懸浮泥沙濃度的測定和估算是對入海口輸沙量以及海洋沉積動力學的研究，關系到航道港口的泥沙淤積或變化、河口岸灘的塑造以及近岸水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)等重要環(huán)節(jié)。在我國沿岸和近海水域有高懸沙的特點，其測量方法包括傳統(tǒng)的稱量、比重法等，它們均存在取樣代表性差、取樣麻煩而且效率低下，不能實時、連續(xù)監(jiān)測等不足?，F(xiàn)有的懸浮泥沙測量包括有光電法、聲波遙感、激光測量、電導法和同位素法等方法。這些方法各有其優(yōu)缺點，但都存在檢測濃度范圍小，高濃度懸浮泥沙檢測誤差較大等缺陷，而且容易受到浮游藻類、有色質(zhì)等其它懸浮物質(zhì)的影響，不均勻的懸浮泥沙的粒徑也會給測定結(jié)果帶來很大的誤差。目前的懸浮泥沙檢測儀器大都是進行點測量，測量數(shù)據(jù)與整個測量水域的實際含沙量有較大的偏差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水體中懸浮泥沙含量的測量方法及測量裝置，該方法和裝置 濃度監(jiān)測范圍大，不受浮游藻類、有色物質(zhì)等透明或半透明的懸浮物質(zhì)、水質(zhì)、瞬間起伏的 大粒徑泥沙等影響。該水體中懸浮泥沙含量的測量方法，其特征在于1)以紅外發(fā)光二極管作為激發(fā)光源向懸浮泥沙水體中發(fā)射紅外光，以若干個硅光電池作為光信號接收器布設在紅外發(fā)光二極管前向和側(cè)向分別接收懸浮泥沙所散射的光信號；2)采用前端放大電路對光信號進行信號放大；3)利用AD采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；4)單片機控制部分輸出檢測數(shù)據(jù)。本發(fā)明水體中懸浮泥沙含量測量方法的測量裝置，其特征在于所述裝置由發(fā)射單元和接收單元組成，所述的發(fā)射單元包括電源電路和紅外發(fā)光二極管，所述的接收單元包括硅光電池、前端放大電路、AD采集電路、單片機控制以及上位機組成；電源電路給紅外發(fā)光二極管提供工作電壓，硅光電池與前端放大電路相連接，前端放大電路的輸出與AD采集電路的輸入端相連接，AD采集電路的輸出端與單片機的輸入端相連接。本發(fā)明的懸浮泥沙測量方法的依據(jù)是①、紅外光在水中的衰減率很高，儀器受自然光干擾??；②、在后向散射接收范圍內(nèi)無機物質(zhì)的散射強度明顯大于氣泡和有機物質(zhì)，而且透明或半透明物質(zhì)對紅外光主要是發(fā)生透射和吸收，在大的后散射角度上幾乎不散射紅外光。③、米氏理論指出散射角度與泥沙顆粒大小成反比例關系。本發(fā)明通過多個硅光電池從不同位置接受散射信號，提高了懸浮泥沙的濃度檢測范圍； 浮游藻類，有色質(zhì)等其他透明或半透明的懸浮物質(zhì)以及粒徑較大的泥沙對測量結(jié)果幾乎不產(chǎn) 生影響；利用多探頭的面測量法對各種水域中懸浮泥沙的含量給予高分辨率、高精度的測量， 使測量結(jié)果能較好地代表所測水域的含沙量。本發(fā)明測定方法的響應時間為3s，測量濃度4g/L 以下的水體，含沙量與紅外光散射信號具有較好的線性，分辨率可達0.04g/L，精度為1%± 0.002;測量4 60g/L含沙水體時，精度在2.4%±0.002;本發(fā)明裝置功耗低、體積小、造價 低、集成度高且操作簡單、能夠快速、實時、原位、連續(xù)測量的懸浮泥沙含量。


圖1是本發(fā)明測量裝置發(fā)射單元的機械結(jié)構示意圖；圖2是本發(fā)明測量裝置接收單元的機械結(jié)構示意圖；圖3是本發(fā)明測量裝置實施例的電路原理圖； 圖4是懸浮泥沙傳感器的整體結(jié)構簡圖；圖5是懸浮泥沙濃度與散射信號的關系曲線；圖6是懸浮泥沙傳感器操作流程示意圖；圖7是兩硅光電池與紅外發(fā)光二極管構成角的構造示意圖。其中1、紅外發(fā)光二極管，2、濾光片，3、硅光電池，4、溫度傳感器，5、電纜，6、進水柵欄，7、前端保護罩，8、前端放大部分，9、 AD采集電路，10、單片機控制部分，11、光源供電部分，12、信號顯示部分，13、 GPS定位器、日期時間顯示器，14、纜繩， A、信號傳感器探頭，B、伸縮管，C、信號處理器
具體實施例方式參照附圖l、圖2、圖3:本發(fā)明l)以功耗低、穩(wěn)定性好的紅外發(fā)光二極管(發(fā)射波長為860 nm)激發(fā)光源代替 傳統(tǒng)激發(fā)光源，使用光電流線性好，響應時間快，體積小的硅光電池作為光信號接收器。2) 紅外發(fā)光二極管向水體中發(fā)射紅外光，硅光電池光信號檢測器從不同角度30度及165 度[如圖7所示，頂點A為最大光程(即在濃度接近于零時，近紅外光線所能穿透濁液的最大 路程)的中點；頂點B為硅光電池到LED的垂直距離的中點]接受被懸浮泥沙所散射的信號。3) 利用前端放大電路進行信號放大。4) AD采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。5) 單片機控制部分將檢測數(shù)據(jù)可以以三種方式輸出存入儲存卡，屏幕顯示以及通過 USB接電腦。6) 利用伸縮管懸掛多個探頭，信號處理器集中處理信號。本發(fā)明懸浮泥沙含量測量裝置包括傳感器探頭部分和信號處理器部分。其中傳感器探頭 部分包括發(fā)光二級管，硅光電池，濾光片；信號處理系統(tǒng)部分包括光源供電部分，前端放大 電路部分，AD采集電路部分，單片機控制部分，以及PM1010軟件部分。本發(fā)明懸浮泥沙含量測量的方法包括以下步驟1) 室內(nèi)標定(1) :低濃度懸浮泥沙含量測量的工作曲線繪制。① 、配制一系列濃度(0~4g/L)的懸沙濁液。將濁液在260 r/min左右的低轉(zhuǎn)速下攪拌 5min，攪拌均勻。② 、將傳感器探頭浸入懸浮泥沙濁液中，打開紅外發(fā)光二極管，由側(cè)向硅光電池165度 接受光信號，讀取6s時刻的數(shù)據(jù)。③ 、記錄數(shù)據(jù)，繪制濃度與散射信號強度的關系曲線。(2) :高濃度懸浮泥沙含量測量的工作曲線繪制。① 、配制一系列濃度(4~60g/L)的懸沙濁液。將濁液在260r/min左右的低轉(zhuǎn)速下攪拌 10min，攪拌均勻。② 、將傳感器探頭浸入懸浮泥沙濁液中，打開紅外發(fā)光二極管，由前向硅光電池30度 接受光信號，讀取6s時刻的數(shù)據(jù)。③ 、記錄數(shù)據(jù)，繪制濃度與散射信號強度的關系曲線2) 實際水體測量① 、將伸縮支架伸縮到合適位置，將傳感器探頭放入待測水域中。② 、儀器接入計算機USB接口，進入PM1010檢測系統(tǒng)，設置各個參數(shù)。③ 、紅外發(fā)光二極管向水體中發(fā)射紅外光線，硅光電池光信號檢測器接受被懸浮泥沙所 散射的信號。④ 、前端放大部分將信號放大處理。AD采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。單片機控 制部分將檢測數(shù)據(jù)輸出。
權利要求
1.一種水體中懸浮泥沙含量的測量方法，其特征在于1)以紅外發(fā)光二極管作為激發(fā)光源向懸浮泥沙水體中發(fā)射紅外光，以若干個硅光電池作為光信號接收器布設在紅外發(fā)光二極管前向和側(cè)向分別接收懸浮泥沙所散射的光信號；2)采用前端放大電路對光信號進行信號放大；3)利用AD采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；4)單片機控制部分輸出檢測數(shù)據(jù)。
2. —種如權利要求1所述的水體中懸浮泥沙含量測量方法的測量裝置，其特征在于所述裝 置由發(fā)射單元和接收單元組成，所述的發(fā)射單元包括電源電路和紅外發(fā)光二極管，所述的 接收單元包括硅光電池、前端放大電路、AD采集電路、單片機控制以及上位機組成；電 源電路給紅外發(fā)光二極管提供工作電壓，硅光電池與前端放大電路相連接，前端放大電路的輸出與AD采集電路的輸入端相連接，AD采集電路的輸出端與單片機的輸入端相連接。
3. 根據(jù)權利要求2所述的水體中懸浮泥沙含量的測量裝置，其特征在于所述測量裝置機體 下方聯(lián)接有伸縮管，所述伸縮管末端設有多個徑向支桿，該徑向支桿的外端頭上設有信號 傳感器探頭，所述紅外發(fā)光二極管及硅光電池設于該探頭體內(nèi)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的水體中懸浮泥沙含量的測量裝置，其特征在于所述紅外發(fā)光二極 管的發(fā)射波長為860 nm。
5. 根據(jù)權利要求4所述的水體中懸浮泥沙含量的測量裝置，其特征在于所述前向硅光電池 設置在與紅外發(fā)光二極管中心軸線成30度角的位置。
6. 根據(jù)權利要求5所述的水體中懸浮泥沙含量的測量裝置，其特征在T:所述側(cè)向硅光電池 設置在與紅外發(fā)光二極管中心軸線成165度角的位置。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種水體中懸浮泥沙含量的測量方法及測量裝置，該水體中懸浮泥沙含量的測量方法，1)以紅外發(fā)光二極管作為激發(fā)光源向懸浮泥沙水體中發(fā)射紅外光，以若干個硅光電池作為光信號接收器布設在紅外發(fā)光二極管前向和側(cè)向分別接收懸浮泥沙所散射的光信號；2)采用前端放大電路對光信號進行信號放大；3)利用AD采集電路將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；4)單片機控制部分輸出檢測數(shù)據(jù)。本發(fā)明通過多個硅光電池從不同位置接受散射信號，提高了懸浮泥沙的濃度檢測范圍；浮游藻類，有色質(zhì)等其他透明或半透明的懸浮物質(zhì)以及粒徑較大的泥沙對測量結(jié)果幾乎不產(chǎn)生影響。
文檔編號G01N21/47GK101246112SQ200810070778
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月20日 優(yōu)先權日2008年3月20日
發(fā)明者彬 邱, 曦 陳, 陳國南, 黃大朋 申請人:福州大學