一种基于光学原理的便携式泥沙浓度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种河工模型泥沙试验及现场河流的泥沙观测方法及装置，具体是一种便携式的泥沙浓度测量方法及装置。

背景技术

泥沙研究是研究河流和土地治理的重要研究方向，也是近海海洋环境治理的关键指标，在泥沙研究中，需要研究泥沙的转移轨迹及泥沙输送量，研究的具体方法是研究泥沙在运动过程的浓度变化以及辐射范围，来判定泥沙的量及运动趋势，因此泥沙浓度的测量在泥沙研究中具有重要的意义。

目前，普遍采用的是直接称重测量法来测量泥沙浓度，具体方法是：先取一定的量的样品，再将样品烘干，前后两次质量差为水的重量，最后换算出泥沙的含量，此法的优点是直观易理解，缺点是耗时耗力且测量值偏小，烘干需要在100℃的环境下持续十小时左右，同时该温度下，样品中的有机质易被碳化，测量周期较长，需要投入大量的工时人力，不适用需要实时监测泥沙浓度的场合。

此外，对于泥沙浓度的间接测量方法，目前国外也有一些成熟的仪器可供选择，常见的有多普勒浓度计，多普勒浓度计的原理是测量超声波的反射信号强度来换算泥沙浓度，泥沙浓度与超声波的信号强度有一定的相关性，泥沙浓度越高，散射回来的信号越强。但是在浓度较高的浑水中，超声信号急剧衰减，信号难以检测，且在泥沙介质较为复杂的浑水时，超声遇见较大块体的泥沙颗粒会大大增强反射信号，导致测量不精确，因此多普勒浓度计一般应用在浓度适中且泥沙颗粒较为均匀的场合。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种基于光学原理的便携式泥沙浓度测量方法及装置，该方法与装置应具有操作方便、测量精准的特点。

本发明的技术方案是：

一种基于光学原理的便携式泥沙浓度测量方法：按如下步骤进行：

1)在至少一根测量杆件上设置多个沿杆件长度方向排列的光学测量点，每个光学测量点包括发射探头和接收探头；

2)测量杆件上还固定一盒子，盒子内设置有控制板、电源模块、红外激光发生器、信号处理模块、数据存储模块与倾斜传感器；各测量点的发射探头分别通过光纤连通所述红外激光发生器后再电连接控制板，各测量点的接收探头分别通过光纤连通所述光信号处理模块后再电连接控制板；

3)将测量杆件竖直伸入水流中，同时测得不同深度各个位置的光反射信号后，通过信号处理模块将处理后的泥沙含量数据输至控制板。

所述盒子上还设置有接通控制板的显示屏。

所述控制器分别电连接数据存储模块。

所述电源模块电连接控制器。

一种基于光学原理的便携式泥沙浓度测量装置，其特征在于：该装置包括盒体以及固定在盒体底部的测量杆；所述盒体内设有控制板、电源模块、光源调制模块、信号处理模块、数据存储模块与倾斜传感器，盒体外部设有显示屏、按钮与数据接口，测量杆上设有沿着长度方向排列的若干对测点，每个测点包括发射探头和接收探头；所述控制板分别电连接电源模块、光源调制模块、信号处理模块、数据存储模块、倾斜传感器、显示屏、按钮与数据接口；所述光源调制模块通过光纤连接每个测点的发射探头，信号处理模块通过光纤连接每个测点的接收探头。

所述若干对测点对称于测量杆轴线布置在测量杆的两侧。

所述盒体内还设有连接控制板的倾斜传感器。

所述测量杆上共设有3-7对测点，相邻两对测点的间距为4-6cm。

所述测量杆为空心管，光纤布置在测量杆内孔中，光纤一端穿过盒体外壳并连接光源调制模块或信号处理模块，光纤另一端穿过测量杆侧壁并连接发射探头或接收探头。

所述接收探头上配用光学滤片。

所述测量杆为铝合金圆管。

本发明的有益效果是：

本发明实现了在线实时泥沙浓度测量，可同时测量不同深度水流的泥沙浓度，并且可同时测量对同一个深度、两处横向相邻部位的浓度，从而避免了由于泥沙浓度不均匀或者其他问题造成的偶然误差；测得的泥沙浓度数据实时显示在盒体上，并可保存或读取一段时间内的泥沙浓度数据；本发明入水及靠近水面部分均采用防水设计，可在各种状况的水域进行测量，适用范围更广，同时采用调制光源，对低浓度和高浓度的泥沙情况均能保证较好的精确度，在试验室和原型观测中均可使用。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图。

图2是本发明中盒体的主视结构示意图。

图3是本发明中测量杆的剖面结构示意图。

图4是本发明中各模块的连接关系示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明提供的基于光学原理的便携式泥沙浓度测量方法：按如下步骤进行：

1)在至少一根测量杆件上设置多个沿杆件长度方向排列的光学测量点，每个光学测量点包括发射探头和接收探头；

2)将测量杆件竖直伸入水流中，同时测得不同深度各个位置的光反射信号后，由信号处理模块将处理后的泥沙含量数据输至控制板；

3)测量杆件上还固定一盒子，盒子内设置有控制板、电源模块、光源调制模块、信号处理模块、数据存储模块与倾斜传感器；各测量点的发射探头分别通过光纤连通所述光源调制模块后再电连接控制板，各测量点的接收探头分别通过光纤连通所述光信号处理模块后再电连接控制板。

如图1所示，一种基于光学原理的便携式泥沙浓度测量装置，包括盒体1与测量杆2。所述盒体内设有控制板3、电源模块4、光源调制模块5、信号处理模块6、数据存储模块7与倾斜传感器14，盒体外部设有显示屏8、按钮9与数据接口10。

所述测量杆垂直固定在盒体底部,测量杆上设有沿着长度方向排列的若干测点，这些测点对称于测量杆轴线布置，每个测点包括发射探头11和接收探头12。所述接收探头上配用光学滤片(图中省略)，用于防止外界光线的干扰，保证在白天测量时也能正常工作。所述测量杆上共设有3-7对测点，用于测量不同深度的泥沙浓度，相邻两对测点的间距为4-6cm。

所述控制板分别连接电源模块、光源调制模块、信号处理模块、倾斜传感器、数据存储模块、显示屏、按钮与数据接口。所述光源调制模块通过光纤13连接每个测点的发射探头，信号处理模块通过光纤连接每个测点的接收探头。所述测量杆为顶端与盒体内腔连通且底端封闭的空心管，光纤布置在测量杆内孔中，光纤一端穿过盒体外壳并连接光源调制模块或信号处理模块，光纤另一端穿过测量杆侧壁并连接发射探头或接收探头(测量杆上设有对应的光纤孔)。

所述盒体采用塑料盒，测量杆采用铝合金圆管，铝合金圆管的顶端与塑料盒的底板连通，铝合金圆管上攻丝成螺旋纹，并在盒体底板的开孔处加金属垫片，通过两颗螺丝将铝合金圆管反向固定，固定后在连接处点好玻璃胶，做好防水。所述铝合金圆管推荐的长度为一米，直径6mm，铝合金圆管上设置光纤孔用于安装探头(图中省略)，共有5对(10个)测点固定在铝合金圆管上，相邻两对测点的间距为5cm，最下方的测点与铝合金圆管底端距离为40cm。，

所述控制板的型号优选为BCM2837模块。所述电源模块为配有稳压器的锂电池，可采用12v的高容量锂电池，用于向各模块供电。所述光源调制模块的型号优选为英飞凌IGBTFF300R12KS4，光源调制模块采用的发光原件为高功率的红外激光发生器，光源调制模块产生的光经过等长的光纤传输至发射探头并向外发射，所有的发射探头公用一个发光单元，可以确保光源统一性。

所述光纤采用直径1mm的粗光纤，可以保证较好的透光性，尽量减少光传输损耗，每个探头均单独配一条光纤，防止相互间的干扰。所述测点在测量杆上对称布置，可以测量同一深度相近位置的泥沙浓度，以减少偶然因素造成的误差。

所述信号处理模块用于将光电信号转化为数字信号，信号处理模块的型号优选为YIBO-NA12，发射探头发出的光照射到泥沙上产生反射光，接收探头接收到反射光并通过光纤传输至信号处理模块中，信号处理模块进行处理时，反射光信号先通过光敏电阻转为电流信号，电流信号再被依次转为电压信号和数字信号，最后通过换算关系转为泥沙浓度。信号处理模块中配有光敏电阻、光敏三极管和桥架电路，光敏电阻的阻值与反射光的强弱成线性关系，反射光越强，阻值越小，反之亦然，光敏三极管和桥架电路直接输出微弱的电流信号。

所述显示屏用于显示测量结果，可采用小尺寸lcd液晶显示屏(如2004LCD液晶显示模块)，能实时显示一个对组的泥沙浓度数据(5对测点共10个数据)，用于对比同一区域附近的泥沙浓度，减少偶然误差。

所述倾斜传感器用于感知装置与大地的倾斜角，倾斜传感器的型号优选为MPU6050，倾斜角数值也显示在显示屏上。所述数据存储模块用于以时间为序存储测量数据，存储容量大小为256Mb，通常情况下一秒钟存储一组泥沙浓度数据，一组数据的大小为0.1KB，可连续测量存储700小时的数据，满足了大部分实验室及户外测量要求。所述数据存储模块的型号优选为Kingston SDC256Mb。

本发明的使用方法为：

在试验过程中，先打开电源，检查测量杆的清洁度以及探头是否遮挡，检查工作结束后，将测量杆竖直插入需要测量的区域并固定；按下电源按钮和启动按钮开始试验，装置开始测量，同时实时显示各测点的泥沙浓度数据；试验结束后，按停止按钮停止保存数据，并可通过数据接口导出数据，导出格式为excel，方便在电脑端处理查阅，数据接口同时也是充电接口，可在电池电量不足时进行充电。

本发明采用光学原理测量泥沙浓度，对一个浓度区域内进行多点测量，并实时显示泥沙的浓度，操作快捷便利，具有较为广泛的适用性，可以在精度要求较高的试验室中使用，也可在环境较差的室外原型观测中使用。