CN104297113A - 一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置及测量方法，该系统由激光器、片光产生光路、光楔、沉降筒边壁玻璃组成。采用与沉降筒边壁玻璃的折射率相同的玻璃制做光楔，并用无影胶将其与沉降筒边壁玻璃紧密粘贴，使矩形片光穿过粘胶层时不产生折射。设计光楔各边的角度，使得矩形片光经光楔导入沉降筒后，矩形片光与沉降筒边壁玻璃的夹角很小，泥沙絮凝结构的散射光经过很短一段浑水就可穿过边壁玻璃，以便在沉降筒外进行拍摄，当水中含沙浓度较大时依然能拍摄到清晰的泥沙絮凝图像。本发明的有益效果是有效、准确、便捷的测量细颗粒泥沙絮凝结构。

Description

一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置及测量方法

技术领域

本发明属于水电工程技术领域，涉及一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置及测量方法。

背景技术

细颗粒泥沙(粒径在1μm的量级)在水流中因布朗运动、不同粒径颗粒的非匀速沉降和水流紊动的作用下相互碰撞，以及在电化学作用下相互吸附而产生絮凝。其典型特征是在水体中形成各种形状和大小的絮团和絮网，絮团和絮网的密度、大小和沉速是研究细颗粒泥沙絮凝的基本参数。

絮团的物理特性与单颗粒泥沙有很大不同，随着絮团尺寸的增加，其沉速增大。在水库和航道中的细颗粒泥沙产生絮凝以后，会加快沉降淤积的速度，减小水库的有效库容，淤塞航道，对涉水工程造成危害。

含有细颗粒泥沙的水体，即使体积含沙量很小(例如0.1％)，也会变得十分混浊，透光性极差，从容器外无法观测到水体中的絮凝形态。如将水样抽出进行分析，则会破坏絮团的结构而得不到与实际情况相符的结果。如将测量设备浸入水中，又会因泥沙粘附在测量仪器表面而无法进行有效测量。因此，对细颗粒泥沙絮凝结构的试验测量还没有有效的方法。目前研究细颗粒泥沙絮凝沉降多以理论分析假定或数学模型模拟为主，缺乏实际观测资料。综上所述，需要一种有效、准确、便捷的测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，解决了目前还没有能够有效、准确、便捷的测量与实际相符的水体内细颗粒泥沙絮凝结构的装置。

本发明的另一个目的在于提供测量细颗粒泥沙絮凝结构的测量方法。

本发明所采用的技术方案是包括沉降筒，沉降筒为长方体，沉降筒的侧壁为透明玻璃，侧壁为透明玻璃是便于置于筒外的摄像机拍摄图像，光楔为玻璃三棱镜，光楔的一面贴在侧壁上，激光器发出的一束激光被片光生成光路扩展为矩形片光，矩形片光从光楔的一面垂直进入光楔，从光楔紧贴侧壁的另一面射出并穿过侧壁照射进沉降筒内的水体中，沉降筒的外部设置用摄像机，用摄像机拍沉降筒内水体被矩形片光照亮的絮凝结构的图像，摄像机通过数据线连接有计算机，计算机收集摄像机采集到的图像并进行分析，沉降筒底部设有泄水阀，用于更换试验用水。

进一步，所述侧壁的玻璃折射率与光楔的玻璃折射率相同。

进一步，所述光楔平面为矩形，宽度大于矩形片光的宽度，截面为等边三角形，光楔顶面的厚度大于片光源的厚度。

进一步，所述激光器为功率为2w的532nm连续激光器。

进一步，所述片光生成光路采用鲍威尔棱镜。

进一步，所述矩形片光与侧壁的夹角在10°以内。

本发明的有益效果是有效、准确、便捷的测量细颗粒泥沙絮凝结构。

附图说明

图1为本发明的光路原理图；

图2为本发明的装置结构侧面视图；

图3为本发明的装置正面视图。

图中，1.沉降筒，2.侧壁，3.激光器，4.片光生成光路，5.光楔，6.摄像机，7.计算机，8.泄水阀，9.激光，10.矩形片光。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明光路设计：光线通过不同密度的介质时会产生折射，本发明涉及到空气、水和玻璃，它们的折射率分别为：空气η_a＝1.00、水η_W＝1.33、玻璃η_g＝1.52。当光线斜向穿过两种介质的交界面时，光线传播服从折射定律。在本发明中，片光需要从沉降筒的垂直侧壁射入，示意如图1。当光线相对于水平法线N以角度α₁从空气射入玻璃时，光线在玻璃中传播的角度β₁应满足：

η_asinα₁＝η_gsinβ₁    (1)

光线穿过玻璃射入水体时，其在水体中传播的角度α₂为：

η_gsinβ₁＝η_wsinα₂   (2)

矩形片光剖面与沉降筒侧壁的夹角为：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\α}}_2---\left(3\right)$

由上式可知，为使β₂足够小，应使α₂尽可能大。从(1)、(2)式可知，需要设定较大的α₁，但必须小于90°。本发明取α₁的最大值为75°，则β₁＝39.5°、α₂＝46.6°、β₂＝43.4°。即激光片光源照亮的剖面与沉降筒侧壁的最小夹角为43.4°，如此大的夹角会影响拍摄图像的质量，所以需要进行专门的光路设计。

本发明使用如图2、3中的光楔5，其平面为矩形，宽度大于矩形片光源的宽度，截面为等边三角形，光楔顶面的厚度大于片光源的厚度即可。使用无影胶将光楔的某一面与沉降筒侧壁紧密粘贴，无影胶凝固后的折射率与玻璃相同，激光9从上部垂直于光楔5顶面射入，至沉降筒1侧壁2为直线传播。从(1)、(2)式可知，经过光楔5后，矩形片光10进入沉降筒1，照亮的剖面与沉降筒侧壁2的夹角为10°，能够在泥沙浓度较高时得到清晰图像。

本发明的装置，采用与沉降筒1侧壁2的玻璃折射率相同的玻璃制做光楔5，并用无影胶将其与侧壁2的玻璃紧密粘贴，激光器3发出一束激光9，经过片光生成光路4后形成矩形片光10，矩形片光10垂直照射在光楔5的上平面，无折射进入侧壁2的内侧，由侧壁2折射进入沉降筒1，照亮极靠近侧壁2的一个平面。水体中的细颗粒泥沙絮凝结构被矩形片光10照亮，使用摄像机6拍摄絮凝结构的图像，使用计算机7分析摄像机6所得图像，可以得到絮凝结构的外形尺寸特征、下沉速度等参数。

为了在沉降筒1的不同高度进行测量且不影响水体中的絮凝结构，片光必须从沉降筒1的玻璃侧壁2射入水体内部。如果射入片光与侧壁2的夹角较大，则片光将往流体内部伸展，测量剖面的絮凝结构的散射光需要穿过较大厚度的浑水才能到达侧壁2，进入沉降筒外的摄像机6。而一般产生絮凝时水的浑浊度很高，这将使絮凝结构的散射光被浑水漫散射，摄像机6拍不到清晰的图像，所以片光与沉降筒1的侧壁2的夹角应尽可能小，以在10°以内为宜。

采用分辨率高、采样频率高、感光度高的摄像机6，摄像机6拍摄的图像保存在计算机7中，使用计算机图像学中的图像边缘检测方法分析摄像机6拍摄得到的细颗粒泥沙絮凝结构照片，得到絮凝结构的直径、孔隙率及形状系数等表征泥沙絮凝形态的参数，使用粒子图像示踪测速技术，得到絮凝结构的沉降速度。得到的这些絮凝结构信息能够揭示絮团的发生、发展和消亡过程，为深入探讨细颗粒泥沙的絮凝机理提供基础信息。

本发明进行测量细颗粒泥沙絮凝结构的方法为以下步骤：

(1)将沉降筒1、激光器3、片光生成光路4、光楔5、摄像机6和计算机7安装调试完成后，关闭排水阀8，在沉降筒1内灌满清水。

(2)打开激光器3，使得矩形片光10照亮水体中的一个平面。调整摄像机6的俯仰角，使摄像机6拍摄的矩形片光10照亮的区域为矩形。

(3)在沉降筒1内矩形片光10照亮的区域设置标尺，标定摄像机6所拍摄的图像上每个像素所代表的真实物理尺寸，标定完成后移出钢板尺。关闭激光器3。

(4)在沉降筒1中加入1.92千克中值粒径为0.01mm的天然砂，在沉降筒1内将其搅拌均匀。打开激光器3，当水体基本稳定后摄像机6开始摄像，直到泥沙基本沉在沉降筒1底部，整个过程持续约3.5小时。

(5)打开排水阀8排空沉降筒内的浑水，并用清水将沉降筒1内冲洗干净。

(6)向沉降筒1内加满清水，改变加入的泥沙的质量和粒径，重复过程(4)到(5)，进行全面系统的试验。

(7)使用计算机7处理摄像机6拍摄得到的图片，获得实验结果。

本发明的优点：本发明采用激光片光照射靠近沉降筒1侧壁2的剖面，既能观测絮凝结构的基本形态，又不至于因片光源深入沉降筒1内部加大光线穿过浑水的长度而使图像不清晰。同时，所有测量设备均位于沉降筒1外，不会影响筒内絮凝结构的自然发展，也不会因泥沙沉降而粘附将测量设备表面导致设备失效。本发明具有自动化程度高、精度高、操作简单等优点，为研究细颗粒泥沙的絮凝特性提供了新的方法，具有重要的生产应用和推广价值。

下面列举具体实施例对本发明进行说明。

实施例1：沉降筒1为高100cm、横切面为40cm×50cm的矩形，上部开敞，下部为带泄水阀8的底板，采用2mm厚普通钢板焊接制成，侧壁2为5mm厚透明玻璃板。激光器3为功率为2w的532nm连续激光器。片光生成光路4采用鲍威尔棱镜将激光束扩展为宽度为80mm的矩形片光10。光楔5为玻璃三棱镜，三等边边长30mm，长度100mm。采用无影胶将光楔5水平牢固粘贴在沉降筒1的侧壁2上，不留气泡，光楔与侧壁2形成整体，粘贴位置为距侧壁2的顶边40cm处。矩形片光10垂直于光楔5的顶面射入，至侧壁2的内侧(与沉降筒1内水体的交界面)为直线传播。矩形片光10与侧壁2夹角为30°。经折射后，矩形片光10进入沉降筒1，与侧壁2的夹角为10°。在光楔5的正下方安装摄像机6。摄像机6型号为德国AVT公司的BonitoCL-400B/C200fps，镜头为ComputarM7528-MP。调整摄像机6的俯仰角，保证拍摄到的矩形片光10照亮的图像为矩形。由于矩形片光10在沉降筒1内与侧壁2的夹角很小，所以矩形片光10照亮的水体与侧壁2的距离很近，水体中细颗粒泥沙絮凝结构的散射光只需要穿透很薄的浑水就能到达侧壁2，并进入摄相机6成像。矩形片光10与侧壁2的夹角很小，泥沙絮凝结构的散射光经过很短一段浑水就可穿过侧壁2，以便在沉降筒1外进行拍摄，当水中含沙浓度较大时依然能拍摄到清晰的泥沙絮凝图像。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，其特征在于：包括沉降筒(1)，沉降筒(1)为长方体，沉降筒(1)的侧壁(2)为透明玻璃，侧壁(2)为透明玻璃是便于置于筒外的摄像机(6)拍摄图像，光楔(5)为玻璃三棱镜，光楔(5)的一面贴在侧壁(2)上，激光器(3)发出的一束激光(9)被片光生成光路(4)扩展为矩形片光(10)，矩形片光(10)从光楔(5)的一面垂直进入光楔(5)，从光楔(5)紧贴侧壁(2)的另一面射出并穿过侧壁(2)照射进沉降筒(1)内的水体中，沉降筒(1)的外部设置用摄像机(6)，用摄像机(6)拍沉降筒(1)内水体被矩形片光(10)照亮的絮凝结构的图像，摄像机(6)通过数据线连接有计算机(7)，计算机(7)收集摄像机(6)采集到的图像并进行分析，沉降筒(1)底部设有泄水阀(8)，用于更换试验用水。

2.按照权利要求1所述一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，其特征在于：所述侧壁(2)的玻璃折射率与光楔(5)的玻璃折射率相同。

3.按照权利要求1所述一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，其特征在于：所述光楔(5)平面为矩形，宽度大于矩形片光(10)的宽度，截面为等边三角形，光楔顶面的厚度大于片光源的厚度。

4.按照权利要求1所述一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，其特征在于：所述激光器(3)为功率为2w的532nm连续激光器。

5.按照权利要求1所述一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，其特征在于：所述片光生成光路(4)采用鲍威尔棱镜。

6.按照权利要求1所述一种测量细颗粒泥沙絮凝结构的装置，其特征在于：所述矩形片光(10)与侧壁(2)的夹角在10°以内。

7.应用权利要求1所述装置测量细颗粒泥沙絮凝结构的方法，其特征在于按照以下步骤进行：

步骤1：将沉降筒(1)、激光器(3)、片光生成光路(4)、光楔(5)、摄像机(6)和计算机(7)安装调试完成后，关闭排水阀(8)，在沉降筒(1)内灌满清水；

步骤2：打开激光器(3)，使得矩形片光(10)照亮水体中的一个平面，调整摄像机(6)的俯仰角，使摄像机(6)拍摄的矩形片光(10)照亮的区域为矩形；

步骤3：在沉降筒(1)内矩形片光(10)照亮的区域设置标尺，标定摄像机(6)所拍摄的图像上每个像素所代表的真实物理尺寸，标定完成后移出钢板尺，关闭激光器(3)；

步骤4：在沉降筒(1)中加入1.92千克中值粒径为0.01mm的天然砂，在沉降筒(1)内将其搅拌均匀，打开激光器(3)，当水体基本稳定后摄像机(6)开始摄像，直到泥沙基本沉在沉降筒(1)底部，整个过程持续约3.5小时；

步骤5：打开排水阀(8)排空沉降筒内的浑水，并用清水将沉降筒(1)内冲洗干净；

步骤6：向沉降筒(1)内加满清水，改变加入的泥沙的质量和粒径，重复步骤4和5，进行全面系统的试验；

步骤7：使用计算机(7)处理摄像机(6)拍摄得到的图片，获得实验结果。