CN102645394B - 一种光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法，测量装置包括测量缸、调节基座、黑白线阵CCD模块和半导体激光器，黑白线阵CCD模块位于测量缸底部，黑白线阵CCD模块通过A/D转换卡与计算机连接；测量方法是基于光的折射定律，光的折射率与密度相关，密度与含沙量溶液浓度相关，不同含沙量溶液浓度不同，并存在一定对应关系，因此，光的折射率与泥沙溶液含沙量对应，通过标定建立泥沙溶液浓度与折射率的关系，从而根据标定关系实现利用折射率反算泥沙溶液含沙量浓度。本发明的测量装置易于搭建，测量精度及自动化程度高；本发明的测量方法，原理简单，易于操作，便于制作适于不同场地使用的含沙量测量仪器，适用性广泛。

Description

一种光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种水体中悬移质泥沙浓度测量的装置及其方法，适用于泥沙颗粒粒径小于0.02mm的粉砂含沙量测量。 

背景技术

含沙量测量是水文测量要素，也是水利工程模型实验中不可或缺的测量要素，对分析河流演变和解决泥沙问题至关重要。目前常用测量的方法有烘干称重法、比重瓶称重法、光电测沙仪、同位素测沙仪、超声波测沙仪和激光测沙法。河流悬移质泥沙颗粒粒径多小于0.01mm，部分河流悬移质粒径更小至0.004mm，对于该部分悬移质泥沙浓度测量，上述方法要么自动化程度低、操作复杂，要么系统复杂、价格昂贵；影响了粉砂浓度的精确测量。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于泥沙粒径小于0.02mm的粉砂含沙量测量的光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法。 

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法，基于光的折射定律，光的折射率与密度相关，密度与含沙量溶液浓度相关，不同含沙量溶液浓度不同，并存在一定对应关系，因此，光的折射率与泥沙溶液含沙量相对应，通过标定建立泥沙溶液浓度与折射率的关系，从而根据标定关系实现利用折射率反算泥沙溶液含沙量浓度。光从空气传输至另外一种介质时，将发生折射现象，折射率等于入射角正弦与折射角正弦之比，通过获取入射角和折射角，可计算出折射率。折射率与介质密度、温度等参数相关，保证温度等环境参数不变，经标定实验获取折射率与粉砂溶液浓度的转换关系，粉砂浓度测量时，激光以固定入射角入射静止融合液，通过测量折射角，利用标定建立的转换关系即可计算出溶液泥沙浓度。 

本发明的一种光学泥沙溶液含沙量测量装置，包括测量缸、调节基座、黑白线阵CCD模块和半导体激光器，黑白线阵CCD模块位于测量缸底部，黑白线阵CCD模块与激光中心线位于同一平面，黑白线阵CCD模块通过A/D转换卡与计算机连接。 

基于上述光学泥沙溶液含沙量测量装置的测量方法，包括以下步骤： 

第一，调制若干组均匀的不同浓度的泥沙溶液，供标定实验使用，泥沙溶液浓度ω的范围为：0＜ω≤5kg/m³，泥沙溶液浓度ω分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……； 

第二，进行标定实验，将浓度为ω的泥沙溶液装入测量缸中，泥沙溶液高度为h₀，h₀取值为1～40cm； 

第三，半导体激光器发射出激光，控制调节基座使激光以固定角度的入射角α照射测量缸中的泥沙溶液，0＜α＜90°，激光从空气中进入泥沙溶液，产生折射，投射在黑白线阵CCD模块上，黑白线阵CCD模块获取激光光斑中心坐标X，计算得到激光在泥沙溶液中的折射率n，具体方法如下： 

激光从空气中进入泥沙溶液经历折射，根据以下关系式求出泥沙溶液折射率n 

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\β}=(X-X_0)/\sqrt{{(X-X_0)}^2+h_0^2}\\ n=\sin \mathrm{\α}/\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

其中，X是黑白线阵CCD模块获取的激光光斑中心坐标，X₀为激光与泥沙溶液表面交点横坐标，α为入射角，β为折射角； 

第四，改变泥沙溶液的

进行标定实验，重复上述第二、第三步骤获取相应的折射率，建立折射率n与对应浓度ω的相关关系： 

改变泥沙溶液浓度ω，入射角α不变，获取ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……对应的折射率n₁、n₂、n₃、n₄……，经曲线拟合，得到浓度_ω与折射率n间的相关关系： 

_ω=_an ³+b_n ²+_cn+d 

测量时，获取折射率n即可计算出泥沙溶液ω。 

其中，标定实验次数至少为4次。 

有益效果：本发明的光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法，基于光的折射定律，通过获取光在含沙水流中的折射率，从而计算出水体中的含沙量。本发明的测量装置易于搭建，测量精度及自动化程度高；本发明的测量方法，原理简单，易于操作，便于制作适于不同场地使用的含沙量测量仪器，适用性广泛。 

附图说明

图1为本发明中的测量装置的结构示意图； 

图2为本发明中方法的计算原理图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1和图2所示，本发明的一种光学泥沙溶液含沙量测量装置，包括测量缸1、调节基座2、黑白线阵CCD模块3和半导体激光器4，黑白线阵CCD模块3位于测量缸1底部，黑白线阵CCD模块3与激光中心线位于同一平面，黑白线阵CCD模块3通过A/D转换卡5与计算机6连接。 

基于上述光学泥沙溶液含沙量测量装置的测量方法，包括以下步骤： 

第一，调制若干组均匀的不同浓度的泥沙溶液，供标定实验使用，泥沙溶液浓度ω的范围为：0＜ω≤5kg/m³，泥沙溶液浓度ω分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……； 

第二，进行标定实验，将浓度为ω的泥沙溶液装入测量缸1中，泥沙溶液高度为h₀，h₀取值为1～40cm； 

第三，半导体激光器4发射出激光，控制调节基座2使激光以固定角度的入射角α照射测量缸1中的泥沙溶液，0＜α＜90°，激光从空气中进入泥沙溶液，产生折射，投射在黑白线阵CCD模块3上，黑白线阵CCD模块3获取激光光斑中心坐标X，计算得到激光在泥沙溶液中的折射率n，具体方法如下： 

激光从空气中进入泥沙溶液经历折射，根据以下关系式求出泥沙溶液折射率n 

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\β}=(X-X_0)/\sqrt{{(X-X_0)}^2+h_0^2}\\ n=\sin \mathrm{\α}/\sin \mathrm{\β}\end{array}\right.$

其中，X是黑白线阵CCD模块获取的激光光斑中心坐标，X₀为激光与泥沙溶液表面交点横坐标，α为入射角，β为折射角； 

第四，改变泥沙溶液的

进行标定实验，重复上述第二、第三步骤获取相应的折射率，建立折射率与对应浓度的相关关系： 

改变混合液浓度ω，入射角α不变，获取不同ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……对应的折射率n₁、n₂、n₃、n₄……，经曲线拟合，得到浓度ω与折射率间n间的相关关系： 

ω=an³+bn²+cn+d 

测量时获取折射率即可计算出泥沙溶液ω。 

其中，标定实验次数至少为4次。 

实施例1：标定实验次数为4次。具体实验过程和实验数据如下： 

以测量缸1左下角为坐标原点，激光入射角α为45^°，激光角度固定后，X₀为激光与泥沙溶液表面交点横坐标，本例中X₀为15cm； 

共实施4组标定实验，即调制四组均匀的不同浓度的泥沙溶液，泥沙颗粒粒径为0.004mm，泥沙浓度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为0.1kg/m³，0.4kg/m³，0.7kg/m³，1.0kg/m³。 

各种浓度对应的折射率n₁、n₂、n₃、n₄分别为：1.336，1.352,1.369,1.387，经曲线拟合得到泥沙浓度与折射率间的关系为： 

ω=106.1n³-463.88n²+690.69n-347.69 

对未知泥沙溶液进行含沙量测量时，泥沙溶液折射率为1.359，代入上式得到浓度为： 

ω=106.1*1.359³-463.88*1.359²+690.69*1.359-347.69=0.528 

计算得到泥沙溶液浓度为0.528kg/m³。 

实施例2：标定实验次数为4组。具体实验过程和实验数据如下： 

以测量缸1左下角为坐标原点，激光入射角α为45°，激光角度固定后，X₀为激光与泥沙溶液表面交点横坐标，本例中X₀为15cm； 

共实施4组标定实验，即调制四组均匀的不同浓度的泥沙溶液，泥沙颗粒粒径为0.008mm，泥沙浓度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为1.0kg/m³，1.5kg/m³，2.0kg/m³，2.5kg/m³。 

各种浓度对应的折射率n₁、n₂、n₃、n₄分别为：1.387，1.423,1.463,1.503，经曲线拟合得到泥沙浓度与折射率间的关系为： 

ω=157.54n³-691.45n²+1023.8n-509.24 

对未知泥沙溶液进行含沙量测量时，泥沙溶液折射率为1.475，代入上式得到浓度为： 

ω=157.54*1.475³-691.45*1.475²+1023.8*1.475-509.24=2.082 

计算得到泥沙溶液浓度为2.082kg/m³。 

实施例3：标定实验次数为4组。具体实验过程和实验数据如下： 

以测量缸1左下角为坐标原点，激光入射角α为45°，激光角度固定后，X₀为激光与泥沙溶液表面交点横坐标，本例中X₀为15cm； 

共实施4组标定实验，即调制四组均匀的不同浓度的泥沙溶液，泥沙颗粒粒径为0.01mm，泥沙浓度ω₁、ω₂、ω₃、ω₄分别为2.5kg/m³，3.0kg/m³，3.5kg/m³，4.0g/m³。 

各种浓度对应的折射率n₁、n₂、n₃、n₄分别为：1.501，1.552,1.597，1.632，经曲线拟合得到泥沙浓度与折射率间的关系为： 

ω=198.98n³-911.63n²+1401.9n-720.75 

对未知泥沙溶液进行含沙量测量时，泥沙溶液折射率为1.602，代入上式得到浓度为： 

ω=198.98*1.602³-911.63*1.602²+1401.9*1.602-720.75=3.565 

计算得到泥沙溶液浓度为3.565kg/m³。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (2)

1.一种光学泥沙溶液含沙量测量装置的测量方法，其特征在于：包括光学泥沙溶液含沙量测量装置，该装置包括测量缸（1）、调节基座（2）、黑白线阵CCD模块（3）和半导体激光器（4），黑白线阵CCD模块（3）位于测量缸（1）底部，黑白线阵CCD模块（3）与激光中心线位于同一平面，黑白线阵CCD模块（3）通过A/D转换卡（5）与计算机（6）连接； 

该测量方法包括以下步骤： 

第一，调制若干组均匀的不同浓度的泥沙溶液，供标定实验使用，泥沙溶液浓度ω的范围为：0＜ω≤5kg/m³，泥沙溶液浓度ω分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……； 

第二，进行标定实验，将浓度为ω的泥沙溶液装入测量缸（1）中，泥沙溶液高度为h₀，h₀取值为1～40cm； 

第三，半导体激光器（4）发射出激光，控制调节基座（2）使激光以固定角度的入射角α照射测量缸（1）中的泥沙溶液，0＜α＜90°，激光从空气中进入泥沙溶液，产生折射，投射在黑白线阵CCD模块（3）上，黑白线阵CCD模块（3）获取激光光斑中心坐标X，计算得到激光在泥沙溶液中的折射率n，具体方法如下： 

激光从空气中进入泥沙溶液经历折射，根据以下关系式求出泥沙溶液折射率n 

其中，X是黑白线阵CCD模块获取的激光光斑中心坐标，X₀为激光与泥沙溶液表面交点横坐标，α为入射角，β为折射角； 

第四，改变泥沙溶液的进行标定实验，重复上述第二、第三步骤获取相应的折射率，建立折射率n与对应浓度ω的相关关系： 

改变泥沙溶液浓度ω，入射角α不变，获取ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……对应的折射率n₁、n₂、n₃、n₄……，经曲线拟合，得到浓度ω与折射率n间的相关关系： 

ω=an³+bn²+cn+d 

测量时，获取折射率n即可计算出泥沙溶液浓度ω。 

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：标定实验次数至少为4次。 

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