CN102262106B - 水中沉积物检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水中沉积物检测系统及方法，涉及水质检测技术领域。该系统包括：阻抗频谱测量模块，由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成，激发板与接收板的总数量为偶数；信号发生模块，与激发板相连，用于生成设定频率的激励信号并发送至激发板上；数据采集模块，与接收板相连，用于当激励信号发送至激发板时，采集接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理模块；处理模块，与数据采集模块相连，用于根据数字信号，提取激励信号的相位特性，分析待测水体在设定频率的衰减系数，计算得到水中沉积物的质量。本发明的系统及方法可实时、精确地测定水中沉积物的水中沉积物。

Description

水中沉积物检测系统及方法

技术领域

本发明涉及水质检测技术领域，尤其涉及一种水中沉积物检测系统及方法。

背景技术

在农村生活用水和饮水中，水中沉积物是衡量水质的重要标准，可以其判断饮水是否需要净化；在灌溉用水中，水中沉积物可辅助诊断灌溉造成的水土流失情况；在生态环境研究中，水体沉积物是区域乃至全球环境演变的天然档案，记录着水体所经历的环境变化信息。因此，对水中沉积物进行在线检测具有重要意义。

现有的水中沉积物检测方法(水生沉积物分析样品的制备和初步检验，化学清洗，12卷，第1期，43-46页；SW-Shollow-1型浅水水体沉积物-界面水采样器的研制，地址地球化学，29卷，第2期，91-93页)一般需对水体进行采样，再经过一段时间的沉积或过滤，对沉积进行称重，从而测量水中的沉积物质量。虽然可以达到对水中的沉积物进行测定的目的，但其有如下缺陷：

(1)需要对水样本进行采样；

(2)需要对样本进行处理，耗时长；

(3)采样过程有一定的误差，不能准备反应水体的真实沉积物状态；

(4)由于有取样过程，故不适合时间上的动态观测研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：提供一种可实时、精确地测定水中沉积物的水中沉积物检测系统及方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种水中沉积物检测系统，该系统包括：

阻抗频谱测量模块，由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成，所述激发板与所述接收板的总数量为偶数；

信号发生模块，与所述激发板相连，用于生成设定频率的激励信号并发送至所述激发板上；

数据采集模块，与所述接收板相连，用于当所述激励信号发送至所述激发板时，采集所述接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理模块；

处理模块，与所述数据采集模块相连，用于根据所述数字信号，提取激励信号的相位特性，分析待测水体在所述设定频率的衰减系数，计算得到水中沉积物的质量。

其中，所述信号发生模块为：采用现场可编程门阵列FPGA设计的数字频率合成器DDS，生成的激励信号频率为400MHz-600MHz，波形为正弦波或方波。

其中，所述激发板和/或所述接收板为FR-4材料制成，且表面镀铜或铝。

其中，该系统还包括：显示模块，与所述处理模块相连，用于显示所述水中沉积物的质量。

其中，该系统还包括：温度传感器，与所述处理模块相连，用于采集所述阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至所述处理模块；所述处理模块还用于根据所述温度数据补偿所述水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。

其中，所述数据采集模块包括：数据采集单元，与所述接收板相连，用于当所述激励信号发送至所述激发板时，采集所述接收板上产生的响应信号；数据处理单元，与所述数据采集单元以及所述处理模块相连，用于对所述响应信号进行滤波以及放大处理，并进行模数转换，将得到数字信号发送至所述处理模块。

其中，所述数据处理单元包括依次相连的PN结型场效应管输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器、滤波器以及模数转换器。

其中，所述数字频率合成器DDS还与所述模数转换器相连，用于产生数字定时信号作为所述模数转换器的触发信号。

本发明还提供了一种基于上述系统的水中沉积物检测方法，该方法包括步骤：

S1.将由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成的阻抗频谱测量模块放入待测水体中，将所述激发板与信号发生模块相连，接收板与数据采集模块相连，且所述激发板与所述接收板的总数量为偶数；

S2.信号发生模块生成设定频率的激励信号并发送至所述激发板上；

S3.当所述激励信号发送至所述激发板时，数据采集模块采集所述接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理模块；

S4.处理模块根据所述数字信号，提取激励信号的相位特性，分析水体在所述设定频率的衰减系数，计算得到待测水体中沉积物的质量；

其中，在步骤S4中，利用下式分析水体在所述设定频率的衰减系数：

K_sample＝K_test-K_space

K_sample为待测水体在所述设定频率的衰减系数，K_space数值为由所述激发板及接收板构成的电容器空载时测量得到的衰减系数，且：

$K_{\mathrm{test}}=20\lg \left(\frac{E_0}{E_{\left(z\right)}}\right),$

E₀为初始激发电场，E_(z)为终端测得电场。

其中，该方法还包括采集所述阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至所述处理模块的步骤，在步骤S4中，所述处理模块根据所述温度数据补偿所述水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。

(三)有益效果

本发明的系统及方法通过在水体样品周围施加扫频电场，测量其介电频谱的方式，可在不取样的情况下，在线快速测量水中的沉积物质量。系统简单便携，适合于农村饮用水、灌溉水的沉积物检测。相对于现有技术，极大程度节约了人力、物力和时间。

附图说明

图1为依照本发明一种实施方式的水中沉积物检测系统结构框图；

图2为依照本发明一种实施方式的水中沉积物检测方法流程图。

具体实施方式

本发明提出的水中沉积物检测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。

本发明提供了一种基于介电频谱的水中沉积物检测系统及方法，其测量机理为：水中沉积物一般为绝缘物质，沉积物的含量会影响水体的电子学性质。介电频谱是分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性的反映。物质的介电参数不是恒值，它们受频率、温度、极化特性、压力、材料组成成分、分子结构等因素的影响。因此，通过分析水体在某一频域的介电频谱，可测量水体中的沉积物质量。

如图1所示，依照本发明一种实施方式的水中沉积物检测系统，整个系统置于箱体3上，该系统包括：

阻抗频谱测量模块，由多个平行且间隔放置的激发板1和接收板2构成，激发板1与接收板2数量不限，但应保证总数量为偶数，例如图中的激发板1与接收板2各三块。激发板1与接收板2的尺寸也不限，例如10cm*10cm或20cm*20cm。激发板1和/或接收板2为FR-4(环氧玻璃布层压板)材料制成，且表面镀铜或铝。信号发生模块6，与激发板1相连，用于生成设定频率的激励信号并发送至激发板1上。该信号发生模块6优选为采用现场可编程门阵列FPGA设计的数字频率合成器DDS，生成的激励信号频率为400MHz-600MHz，该波段可反映水中沉积物的质量，波形为正弦波或方波。

数据采集模块4，与接收板2相连，用于当激励信号发送至激发板1时，采集接收板2上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理模块5。该数据采集模块4包括：数据采集单元，与接收板2相连，用于当激励信号发送至激发板1时，采集接收板2上产生的响应信号；数据处理单元，与数据采集单元以及处理模块5相连，用于对响应信号进行滤波以及放大处理，并进行模数转换，将得到数字信号发送至处理模块6，该数据处理单元包括依次相连的PN结型场效应管输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器、滤波器以及模数转换器。该数字频率合成器DDS还与模数转换器相连，用于产生数字定时信号作为模数转换器的触发信号。

激发板1和接收板2系统的其他部分绝缘。

处理模块5，与数据采集模块4相连，用于根据该数字信号，提取激励信号的相位特性，分析待测水体在该设定频率的衰减系数，计算得到水中沉积物的质量。

该系统还包括：

显示模块，与处理模块6相连，用于显示水中沉积物的质量。

温度传感器7，安装在箱体3上，与处理模块6相连，用于采集阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至处理模块6，处理模块6根据温度数据补偿水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。

该系统还包括控制模块，数字信号处理DSP芯片，用于对该检测系统整体进行控制，协调各部分运作。

本发明还提供了一种基于上述系统的水中沉积物检测方法，如图2所示，该方法包括步骤：

S1.将由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成的阻抗频谱测量模块放入待测水体中，将所述激发板与信号发生模块相连，接收板与数据采集模块相连，且所述激发板与所述接收板的总数量为偶数；

S2.信号发生模块生成设定频率的激励信号并发送至所述激发板上；

S3.当所述激励信号发送至所述激发板时，数据采集模块采集所述接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理模块；

S4.处理模块根据所述数字信号，提取激励信号的相位特性，分析水体在所述设定频率的衰减系数，计算得到待测水体中沉积物的质量；

其中，在步骤S4中，利用下式分析水体在所述设定频率的衰减系数：

K_sample＝K_test-K_space

K_sample为待测水体在所述设定频率的衰减系数，K_space数值为由所述激发板及接收板构成的电容器空载时测量得到的衰减系数，且：

$K_{\mathrm{test}}=20\lg \left(\frac{E_0}{E_{\left(z\right)}}\right),$

E₀为初始激发电场，E_(z)为终端测得电场。

另外，该方法还包括采集所述阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至所述处理模块的步骤，在步骤S4中，所述处理模块根据所述温度数据补偿所述水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种水中沉积物检测系统，其特征在于，包括：信号发生模块、数据采集模块和处理模块，该系统还包括：阻抗频谱测量模块；

所述阻抗频谱测量模块，由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成，所述激发板与所述接收板的总数量为偶数；

所述信号发生模块，与所述激发板相连，用于生成设定频率的激励信号并发送至所述激发板上；

所述数据采集模块，与所述接收板相连，用于当所述激励信号发送至所述激发板时，采集所述接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到的数字信号发送至处理模块；

所述处理模块，与所述数据采集模块相连，用于根据所述数字信号，提取激励信号的相位特性，分析待测水体在所述设定频率的衰减系数，计算得到水中沉积物的质量。

2.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述信号发生模块为：采用现场可编程门阵列FPGA设计的数字频率合成器DDS，生成的激励信号频率为400MHz-600MHz，波形为正弦波或方波。

3.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述激发板和/或所述接收板为FR-4材料制成，且表面镀铜或铝。

4.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，该系统还包括：

显示模块，与所述处理模块相连，用于显示所述水中沉积物的质量。

5.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，该系统还包括：

温度传感器，与所述处理模块相连，用于采集所述阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至所述处理模块；

所述处理模块还用于根据所述温度数据补偿所述水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。

6.如权利要求2所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

数据采集单元，与所述接收板相连，用于当所述激励信号发送至所述激发板时，采集所述接收板上产生的响应信号；

数据处理单元，与所述数据采集单元以及所述处理模块相连，用于对所述响应信号进行滤波以及放大处理，并进行模数转换，将得到的数字信号发送至所述处理模块。

7.如权利要求6所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述数据处理单元包括依次相连的PN结型场效应管输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器、滤波器以及模数转换器。

8.如权利要求7所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述数字频率合成器DDS还与所述模数转换器相连，用于产生数字定时信号作为所述模数转换器的触发信号。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的系统的水中沉积物检测方法，其特征在于，该方法包括步骤：

S1.将由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成的阻抗频谱测量模块放入待测水体中，将所述激发板与信号发生模块相连，接收板与数据采集模块相连，且所述激发板与所述接收板的总数量为偶数；

S2.信号发生模块生成设定频率的激励信号并发送至所述激发板上；

S3.当所述激励信号发送至所述激发板时，数据采集模块采集所述接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到的数字信号发送至处理模块；

S4.处理模块根据所述数字信号，提取激励信号的相位特性，分析水体在所述设定频率的衰减系数，计算得到待测水体中沉积物的质量；

其中，在步骤S4中，利用下式分析水体在所述设定频率的衰减系数：

K_sample=K_test-K_space

K_sample为待测水体在所述设定频率的衰减系数，K_space数值为由所述激发板及接收板构成的电容器空载时测量得到的衰减系数，且：

$K_{\mathrm{test}}=201g\left(\frac{E_0}{E_{\left(z\right)}}\right),$

E₀为初始激发电场，E_(z)为终端测得电场。

10.如权利要求9所述的水中沉积物检测方法，其特征在于，该方法还包括采集所述阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至所述处理模块的步骤，在步骤S4中，所述处理模块根据所述温度数据补偿所述水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。

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