CN104597121A - 一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统，音频共振体由音频共振左臂和音频共振右臂组成；音频共振左臂和音频共振右臂分别与音频共振体共振激励器连接，音频共振体共振激励器与音频共振体共振频率信号检测器连接，温度传感器、压力传感器黏贴在可延长轴上；可延长轴通过塑胶防振套和固支体螺旋丝相连接，固支体螺旋丝安装在音频共振传感器硬件电路的保护圆盒上，保护圆盒内安装有信息处理及发送电路模块，音频共振体共振频率信号检测器通过电路连接信息处理及发送电路模块。本发明的有益效果是稳定性好，精度高，抗干扰能力强。

Description

一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统

技术领域

本发明属于黄河含沙量检测技术领域，涉及一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统。

背景技术

黄河含沙量测量是黄河泥沙研究中的一个重要课题，如何快速、准确地测量黄河含沙量一直是人们所关注的问题。实时监测像黄河等多泥沙河流的泥沙含量、泥沙分布等信息，可对水土流失的治理提供科学依据，也可防治因水土流失导致的自然灾害；同时也可为河流水质管理、河道清淤以及排水排沙提供科学指导。因此开展黄河含沙量自动监测系统的研发具有重要的实际意义，其相关成果具有广阔的市场前景。

然而目前现有的用于测量黄河泥沙含量的仪器和方法，在实际应用中存在着一定的局限性。如人工取样法，虽有很高的精度，但是其测量周期长、劳动强度大，又因人工采样时浮泥的层次结构受到扰动，因而所测的结果不能反映现场状况；光电法测量泥沙范围较窄；同位素法和γ射线法精度高，但放射源稀缺；振动筒法和电容法稳定性较差，受温度影响大；而现有的基于压差原理的压力传感器灵敏度低，主要用于海底浮泥层密度测量以及纸浆池浓度测量等；超声波的监测设备存在运行不稳定、易受水草缠绕阻挡等问题。因此，需要一种能解决上述问题的泥沙含量检测方法。

发明内容

本发明提供了一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统，解决了目前黄河含沙量测量方法复杂，精度低的问题。

本发明一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统包括音频共振体，音频共振体由音频共振左臂和音频共振右臂组成；音频共振左臂和音频共振右臂分别与音频共振体共振激励器连接，音频共振体共振激励器与音频共振体共振频率信号检测器连接，温度传感器、压力传感器黏贴在可延长轴上；可延长轴通过塑胶防振套和固支体螺旋丝相连接，塑胶防振套能够防止音叉共振的能量通过固支体螺旋丝传递到外界、防止能量损耗，固支体螺旋丝安装在音频共振传感器硬件电路的保护圆盒上，保护圆盒内安装有信息处理及发送电路模块，音频共振体共振频率信号检测器通过电路连接信息处理及发送电路模块，信息处理及发送电路模块通过检测音叉共振体固有的振动频率，确定黄河含沙量的大小，将黄河含沙量的大小信息及温度信息和压力信息测量结果通过无线传输方式发送到外部的监测电脑上进行显示。

进一步，所述保护圆盒上设有密封盖和电源线的进线孔。

进一步，所述信息处理及发送电路模块包括单片机，单片机分别通过电路连接运行控制开关、模式设置开关、串口通信模块、电源模块、GPRS无线传输模块、LCD现场显示屏、AD转换模块、音频共振和维持电路，AD转换模块通过电路连接信号采集模块，信号采集模块通过电路连接压力传感器、温度传感器和音频共振体共振频率信号检测器。

进一步，所述单片机芯片采用增强型的51单片机STC12c5a60s2芯片；所述温度传感器芯片型号为DS18B20。

本发明的有益效果是稳定性好，精度高，抗干扰能力强。

附图说明

图1为本发明的含沙量检测音频共振传感器示意图；

图2为本发明信息处理及发送电路模块结构示意图；

图3(a)为电源模块中提供24V电压电路图；

图3(b)为电源模块中提供5V电压电路图；

图3(c)为电源模块中提供3.3V电压电路图；

图4为本发明的音频共振和维持电路图；

图5为本发明的含沙量电流信号输出电路图；

图6为本发明的单片机处理多通道信号以及LCD显示电路图；

图7为本发明的含沙量信号无线发送电路；

图8为本发明的基于LabVIEW的显示部分示意图；

图9为本发明的含沙量测量系统软件流程图。

图中，1.音频共振左臂，101.音频共振右臂，2.音频共振体共振激励器，201.音频共振体共振频率信号检测器，3.温度传感器，4.压力传感器，5.可延长轴，6.塑胶防振套，7.固支体螺旋丝，8.音频共振传感器硬件电路保护圆盒，9.保护圆盒的密封盖，10.进线孔，11.信息处理及发送电路模块，1101.单片机，1102.运行控制开关，1103.模式设置开关，1104.串口通信模块，1105.电源模块，1106.GPRS无线传输模块，1107.LCD现场显示屏，1108.AD转换模块，1109.音频共振和维持电路，1110.信号采集模块。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明音频共振法黄河含沙量检测传感器的设计是基于音叉双臂在不同含沙量中其共振频率不同的原理。该传感器上作为直接感知含沙量物理信息的部分是用石英晶体制成，外部以抗氧化和抗腐蚀能力强、恒弹合金包裹的形似音叉的物体。音频共振法黄河含沙量检测传感器包括音叉体、温度传感器和压力传感器、塑胶防振片、固支体等组成。音叉体内部有共振激励器、共振频率信号检测器。音叉体的一臂在共振激励器驱动下做简谐振动，音叉体的另一臂将产生共振，也将做简谐振动。当音叉体两臂侵入到含沙量水体中时，两臂间的介质质量(黄河的含沙水体)发生变化，导致共振音叉体的共振频率发生变化。通过共振频率信号检测器检测该共振频率信号来间接实现含沙量的检测。温度传感器和压力传感器紧贴在音叉体顶部上，可补偿含沙量共振测量的不同温度和不同深度的环境因素影响。

根据音频共振理论，音叉体的共振频率f与其质量m₁和被测含沙量的质量m₂成反比，可以公式(1)表示。

$f=k\frac{1}{\sqrt{m_1+m_2}}---\left(2\right)$

当把音频共振叉体传感器放置于真空中时，m₂为零，m₁为音叉的质量，音叉传感器固有频率f₀和谐振频率f相等，可以得到比例因子k。实际标定实验时，可以把清水比拟为真空环境，用清水时候的音叉传感器固有频率f₀和谐振频率f相等，可以得到比例因子k。当被测对象质量m₂不为零时(实际的黄河含沙水体)，得到谐振频率为f，通过计算可求出在音叉间的介质(黄河的含沙水体)的质量m₂，如式(2)所示。

$m_2={\left(\frac{k}{f}\right)}^2-m_1---\left(2\right)$

当此传感器用于测量黄河含沙量时，由于黄河含沙量发生变化时，其质量变化就会引起叉体固有振动频率产生变化，同时电路的谐振频率也产生变化。这样就可通过检测音叉共振体固有的振动频率，确定黄河含沙量的大小。

本发明系统结构如图1所示，音频共振体由音频共振左臂1和音频共振右臂101组成；音频共振体两臂和音频共振体的共振激励器2和音频共振体的共振频率信号检测器201连接；温度传感器3、压力传感器4黏贴在可延长轴5上；可延长轴5通过塑胶防振套6和固支体螺旋丝7相连接，塑胶防振套6可防止音叉共振的能量通过固支体螺旋丝7传递到外界，可防止能量损耗；固支体螺旋丝7安装在音频共振传感器硬件电路的保护圆盒8上，保护圆盒8内安装有信息处理及发送电路模块11，信息处理及发送电路模块11通过检测音叉共振体固有的振动频率，确定黄河含沙量的大小，将黄河含沙量的大小信息及温度信息和压力信息测量结果通过无线传输方式发送到外部的监测电脑上进行显示；保护圆盒8上还设有密封盖9和电源线的进线孔10，电源线通过进线孔10给保护圆盒8内的信息处理及发送电路模块11供电。

在工作时，音叉体的一臂在音频共振体共振激励器2驱动下做简谐振动，音叉体的另一臂将产生共振，也将做简谐振动。当音叉体两臂侵入到含沙量水体中时，两臂间的介质质量(黄河的含沙水体)发生变化，导致共振音叉体的共振频率发生变化。通过音频共振体共振频率信号检测器201检测该共振频率信号来间接实现含沙量的检测。温度传感器3和压力传感器4紧贴在音叉体顶部上，可补偿含沙量共振测量的不同温度和不同深度的环境因素影响。本发明系统首先对含沙量进行检测，将含沙量、水温和压力等传感器集成在一起，完成多通道信息采集与处理工作。处理后的数据可无线传送给上位机，上位机通过LabVIEW以仿真界面的形式直观地、实时地显示出自动测量系统运行的工作状态。为消除泥沙和淤泥对系统的损害以及固支体对音叉共振的影响，还增加了保护和防振系统。

图2为信息处理及发送电路模块11的模块结构图，将完成含沙量信息、温度信息和压力信息的检测，并进行处理得到含沙量的测量结果，最后将测量结果通过无线传输。

信息处理及发送电路模块11包括单片机1101，单片机1101分别通过电路连接运行控制开关1102、模式设置开关1103、串口通信模块1104、电源模块1105、GPRS无线传输模块1106、LCD现场显示屏1107、AD转换模块1108、音频共振和维持电路1109，AD转换模块1108通过电路连接信号采集模块1110，信号采集模块1110通过电路连接压力传感器4、温度传感器3和音频共振体共振频率信号检测器201。

单片机1101芯片采用增强型的51单片机STC12c5a60s2芯片；

图3(a)为电源模块1105中为系统提供24V电压，图3(b)为电源模块1105中为系统提供5V电压，图3(c)为电源模块1105中为系统提供3.3V电压。能够满足叉体内部各个模块的电压供给需求。首先，220V的交流电经过整流桥D1的整流、C1的滤波以及U1(LM7924)的稳压之后输出稳定的24V直流电压，此电压可以作为24V的电压源为电路中各个运放以及压力传感器供电。然后，24V的直流电作为降压模块U2(LM2596)的输入信号，经过U2以及U2的外围电路构成的DC-DC降压电路的作用输出5V电压值并作为5V的电压源，为单片机和DS18B20温度传感器供电。最后，5V的电压值作为稳压模块U3(AMS1117-3.3)的输入值再经过C7、C8、C9和C10的滤波输出平直稳定的3.3V电压值，作为3.3V的电压源为GPRS模块MC55提供电源。

如图4所示为音频共振和维持电路1109。从功能上来说，这个电路可以分为三个部分。第一个部分是音频振荡能源补给电路，主要有脉冲发生器U8、三极管Q1和U6构成的电压比较器。当脉冲发生器U8的1引脚收到上升沿信号的触发时将从4脚输出一个脉冲信号，如果此时A点电压(L2的感应电信号)幅值降低，那么运放U6就会从3脚输出相应电压差值，这样Q1就会工作在稳定区域从射级输出一个能量补给信号经D3到达线圈L2，从而控制激励信号的大小使叉体作不衰减的等幅振动。第二部分是线圈感应信号的拾取电路，主要有U4组成的运算放大器构成。在音叉体内的线圈L2既是脉冲激励线圈的对象，又是被测信号产生的主体。当线圈L2被激励后L2产生的电磁激励会迫使叉体振动，而叉体的振动又会在L2上产生感应电信号。感应电信号是幅值很小的正弦波信号，首先被U4放大如图4放大的倍数Av＝1+R6/R5。第三部分是信号调整转换电路，主要有U5组成的过零比较器和U7组成的-90°的移相器构成。经过U4放大后的正弦波输出至U5，运放U5的输入正极接地构成过零比较器，U5就将正弦波转换成频率、相位不变的矩形波，然后从3端输出至U7。图中U7是LM158集成运放，它和其外围电路组成了一个-90度的移相电路，-90度的移相是通过预先调整R10的大小实现的。之所以实现-90度的移相是为了实现在叉体共振幅值衰减到零时，U7输出的波形能够准确地位于上升沿时刻，能够触发脉冲发送器U8及时发送电流激励信号。另外图4中的U4、U5和U6运放使用的是LM324集成运放芯片，它内部集成了四个可以独立使用的运算放大器。最终图4电路从U7的1引脚输出一个频率随着被测含沙液不同而不同的矩形波信号Sout；Sout表示为含沙量的信息。

如图5所示是含沙量电流信号输出电路。电流信号作为传感仪器的传输信号稳定性和可控性具有明显优势。图5的设计是将图4中音频共振电路输出的电压信号Sout转为4～20mA的电流信号。在图4中Sout矩形波信号的频率是随着被测含沙液体的变化而变化的，不同频率的矩形波其电压的有效值是不一样，作为图4的电流输出信号其大小是受输入端的电压有效值控制的，因此可以将Sout信号转化为4～20mA的电流信号Iout。图5是基于电流源的性质而设计的因此会输出较稳定的电流信号。输出后向外引出端子方便仪器连接测量，引出的端子位于P1处，其中P1的引脚2是4～20mA的信号端子Iout。

图6为单片机处理多通道信号处理电路以及LCD显示电路。在整个系统中单片机1101的STC12c5a60s2芯片作为MCU单元，负责将音频共振体内部的多个传感器信息量进行接收、处理以及发送到图7中的GPRS无线传输模块1106。图6中电路图包括三部分：第一部分电路是单片机1101处理来自于温度传感器3的DS18B20芯片的温度信号Tout，该传感器是一种基于IIC总线协议的数字传感器，Tout信号线连接单片机的P1_5即可实现信号传输；第二部分电路是单片机1101处理来自于压力传感器4的U12的压力信号，压力传感器4的原始信号Dout是4～20mA类型的再经过R23的作用转换为1～5V模拟电压信号，这样单片机1101就能通过AD转换模块1108进行AD转换处理，如图6压力传感器4的U12信号端连接到单片机1101的P1_6；(3)另外还有来自于音频共振和维持电路1109产生的经处理能表征含沙量的信息，它是整个电路的核心单元，在图4中U7的1引脚Sout信号就是含沙量的表征信息量，它经过图5转换为4～20mA信号Iout。但此信号不能被单片机直接处理，需要负载250Ω的电阻R17转换为1～5V模拟电压信号才能被单片机进行AD处理，如图7所示4～20mA信号Iout负载R17之后连接到单片机的P1_7。AD(模拟/数字)转换模块内嵌在单片机STC12c5a60s2芯片内部，其外接压力、含沙量和温度等传感器模块。单片机的P0_0～P0_7作为LCD1602的段选控制端与液晶显示模块LCD1602段选端7～14脚相连，LCD1602的命令控制端3、4、5引脚分别和单片机的P1_0、P1_1和P1_2相连。系统运行时各个信息量将显示在LCD现场显示屏1107(液晶显示屏型号LCD1602)上。

如图7所示是含沙量信号无线发送电路。单片机1101将各个信息量处理计算之后通过串口传给GPRS无线传输模块1106。如图7所示GPRS无线传输模块1106使用的是MC55芯片，它的供电电压3.3V，外围U15是SIM卡槽模块，D6是显示GPGS模块网络状态的指示灯，C11～C14是电源滤波模块。MC55能够和单片机1101直接进行串口通信，通过MC55的串口TXD0、RXD0连接到单片机的对应串口TXD0、RXD0上执行单片机的相关指令。MC55的IGT引脚连到单片机的P2_0，用于MC55模块的启动控制，13引脚是信号输出端连接到射频天线E1，然后E1将数据无线发送出去。

图8为基于LabVIEW的显示部分示意图，此部分的任务是首先通过GPRS接收模块将含沙量信息，温度信息和压力信息等信息量接收到监控电脑上，并在监控电脑上分别进行实时显示，完成在线监测的功能。基于LabVIEW的显示部分为参数设置、权限认证、通信设置、信号采集设置、实时测量时域图、实时测量频域图、实时测量环境量时域图、含沙量测量历史曲线图、主监测界面、含沙量监测界面、水温监测界面、压力监测界面和退出系统等模块。

图9为含沙量测量系统软件流程图。系统开始后首先进行系统初始化，然后获取音叉传感器的频率信息，接着获取水体温度信息和测点的压力信息；经过多通道AD模拟/数字转换后，将检测到的多通道信息送至单片机进行融合处理，得出最终后的含沙量测量值，调用LCD显示模块，将检测的结果直接在现场进行显示；也可以通过无线传输到观测站，在LabVIEW的软件监测平台上进行实时监测显示。

本发明采用音频共振传感器进行泥沙含量检测，同时将多种环境因素进行数据融合考虑，从而实现高精确度含沙量测量。本发明不仅可适用于一般的低流速河流泥沙检测领域，还可应用于黄河流域库区水质管理、河道清淤以及污水处理厂排泥管理等领域。

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 (4)

1.一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统，其特征在于：包括音频共振体，音频共振体由音频共振左臂(1)和音频共振右臂(101)组成；音频共振左臂(1)和音频共振右臂(101)分别与音频共振体共振激励器(2)连接，音频共振体共振激励器(2)与音频共振体共振频率信号检测器(201)连接，温度传感器(3)、压力传感器(4)黏贴在可延长轴(5)上；可延长轴(5)通过塑胶防振套(6)和固支体螺旋丝(7)相连接，塑胶防振套(6)能够防止音叉共振的能量通过固支体螺旋丝(7)传递到外界、防止能量损耗，固支体螺旋丝(7)安装在音频共振传感器硬件电路的保护圆盒(8)上，保护圆盒(8)内安装有信息处理及发送电路模块(11)，音频共振体共振频率信号检测器(201)通过电路连接信息处理及发送电路模块(11)，信息处理及发送电路模块(11)通过检测音叉共振体固有的振动频率，确定黄河含沙量的大小，将黄河含沙量的大小信息及温度信息和压力信息测量结果通过无线传输方式发送到外部的监测电脑上进行显示。

2.按照权利要求1所述一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统，其特征在于：所述保护圆盒(8)上设有密封盖(9)和电源线的进线孔(10)。

3.按照权利要求1所述一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统，其特征在于：所述信息处理及发送电路模块(11)包括单片机(1101)，单片机(1101)分别通过电路连接运行控制开关(1102)、模式设置开关(1103)、串口通信模块(1104)、电源模块(1105)、GPRS无线传输模块(1106)、LCD现场显示屏(1107)、AD转换模块(1108)、音频共振和维持电路(1109)，AD转换模块(1108)通过电路连接信号采集模块(1110)，信号采集模块(1110)通过电路连接压力传感器(4)、温度传感器(3)和音频共振体共振频率信号检测器(201)。

4.按照权利要求3所述一种采用音频共振原理的黄河含沙量检测系统，其特征在于：所述单片机(1101)芯片采用增强型的51单片机STC12c5a60s2芯片；所述温度传感器(3)芯片型号为DS18B20。