CN104833657A - 具有侧向补偿的激光无线测沙仪 - Google Patents

Abstract

具有侧向补偿的激光无线测沙仪，包括光源和光纤传感器，所述光纤传感器由光导纤维和光传感元件组成，所述光导纤维包括第一光导纤维和第二光导纤维，所述第一光导纤维的延伸方向与照射光线方向一致，所述第二光导纤维的延伸方向与照射光线方向成90度角。本发明增加了90度方向散射光强的测量，在沙的尺寸大小的变化和工作时间的长短变化的条件下，都能得到很精确的结果，相比较于单一的透射光强的检测器测沙仪器更适合在大型河工模型这样的环境下长期工作。

Description

具有侧向补偿的激光无线测沙仪

技术领域

本发明涉及一种含沙量测量方法及测量仪器，特别适用于河工模型试验和现场的测量仪器。

背景技术

在大型河工模型试验中，测量水中的沙含量是必不可少的一个实验，目前国内市场上现有的很多测沙仪器都是通过测量光束的透射光强来判断水中的沙含量。因为在测水中沙含量的实验过程中，当一束光经过水样品后，只有一部分光是能投射到180度的光纤上的，其余损失的部分有一部分是被水中的沙等吸收了，还有一部分则是被沙散射了，所以通过原先的技术测出来的含沙量结果精度不会很高，无法满足实验的要求。现有的测沙仪器主要有以下几点原因无法满足在大型河工模型试验中的测试要求：

（1）在沙的含量较低的水中，由于透射光强度相比较于入射光强度的变化太小，所以就无法测出比较精确的结果。

（2）在沙的含量较高的水中，由于沙本身对光线会有一定的吸收，所以测出的沙含量结果不准确。

（3）光束直接透过沙打到透射检测器上，由于光束在检测器上产生的温度及电子元器件的漂移，造成信号的微小变化，会影响检测器的测量精度，因此这也会影响到水中沙含量的测量结果。

（4）少量的泥沙微粒黏附在光透射或散射壁面上，造成有效的透射光和散射光强度减小，影响水中含沙量检测的结果。

    因为目前国内市场上的测沙仪器采用的直接测量透射光强的方法无法完全满足大型河工模型的试验，所以本发明提出在此方法的基础上增加90度方向散射光强的测量方法，将90度方向上的散射光强与透射光强比较计算出测量出水中的沙含量，大大的提高了测出结果的测量范围和测量准确度。又因为光强检测器会因为光束发热导致检测器的灵敏度降低而影响到测量结果，所以本发明提出采用光纤代替检测器测量90度散射与透射光强，以提高光强的测量精度，最终提高实验结果的测量精度。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种测量精度高的具有侧向补偿的激光无线测沙仪。

实现本发明目的的技术方案是：具有侧向补偿的激光无线测沙仪，包括光源和光纤传感器，所述光纤传感器由光导纤维和光传感元件组成，所述光导纤维包括第一光导纤维和第二光导纤维，所述第一光导纤维的延伸方向与照射光线方向一致，所述第二光导纤维的延伸方向与照射光线方向成90度角。

作为本发明的进一步改进，所述光传感元件为光电二极管，包括第一、第二和第三光电二极管，第一光电二极管用于接收第一光导纤维的信号，第二光电二极管用于接收第一光导纤维的信号，第三光电二极管用于接收来自光源的分光信号。

作为本发明的进一步改进，所述光源包括LED灯和设置在LED灯前方的透镜，LED灯光线经透镜折射为平行光线。采用LED灯冷光源，发光效率高，稳定性好，长时间照射，温升小，温度特性好。

作为本发明的进一步改进，所述具有侧向补偿的激光无线测沙仪还包括数据采集与处理单元和计算机控制及数据分析装置；所述数据采集与处理单元用于采集所述光传感元件输出的模拟信号，将模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过无线网络模块传输至所述计算机控制及数据分析装置；所述计算机控制及数据分析装置，用于通过无线网络控制数据采集电路进行数据采集，并对采集的数据进行计算，根据计算结果显示含沙量。

作为本发明的进一步改进，所述LED灯还和受控于所述计算机控制及数据分析装置的功率控制电路连接，形成可调LED灯。

作为本发明的进一步改进，所述计算机控制及数据分析装置执行下列步骤：（1）控制LED光源处于打开状态，分别采集光源参考光强数据、透射光光强数据、90度方向光强数据；（2）控制LED光源处于关闭状态，分别采集上述三路光强数据；（3）分别计算二者的差值光强，这样就有效消除了背景光和光电探测器本身的暗电流对测试的影响；（4）对三路差值数据，利用参考光强作分母做除法运算，计算相对值，这样就消除参考光光强波动对测试的影响；（5）将90度光强做参考，选取一定的加权因子，将透射光强和90度光强的加权和与之作除法运算，结果作为最终测量值。该步骤是提高测量线性范围的技术措施。

本发明提出的增加90度方向散射光强的光纤，测沙仪器中的LED光源通过透镜后形成平行光束，平行光束在传输过程中经过被测物（即水中沙石）的吸收、反射和散射后，有一部分透射光线能照射到180°方向的光纤上，有一部分散射光照射到90°方向的光纤上。在90°和180°方向的光纤上接收到的光束强度与被测水中的沙含量有一定的关系，因此通过测量透射光和散射光的光强就可以计算出水中的沙含量。

经大型河工模型的试验，对两大组实验中的各小组测量的数据比较分析，可发现单一的测量透射光强的检测器测沙仪器的测量结果会受到沙的尺寸和光束温度的影响，但按照本发明的设计，增加了90度方向散射光强的测量的具有侧向补偿的激光无线测沙仪器，不管是沙的尺寸大小的变化，还是工作时间的长短变化，都能得到很精确的结果，相比较于单一的透射光强的检测器测沙仪器更适合在大型河工模型这样的环境下长期工作。所以提出增加测量90度散射光强且将检测器换成光纤的方法是可取的，有很大的实用价值，也是对测沙仪器性能的一个很大的提升。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构框图；

图2为本发明实施例1的测沙传感器结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例做进一步说明。

实施例1

如图1所示，具有侧向补偿的激光无线测沙仪100，由光纤传感器1、数据采集于处理单元7和计算机控制及数据分析装置9组成。

如图2所示，光纤传感器10由光源、光导纤维和光传感元件组成，光导纤维5包括第一光导纤维5a和第二光导纤维5b，第一光导纤维5a的延伸方向与光源光线6方向一致，第二光导纤维5b与光源光线6方向成90度。光源2包括LED灯和设置在LED灯前方的透镜，LED灯发射出的光线经透镜折射为平行的光源光线6。

如图1所示，具有侧向补偿的激光无线测沙仪100还包括数据采集与处理单元7和计算机控制及数据分析装置9，数据采集与处理单元7，用于采集光传感元件4输出的模拟信号，将模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过无线网络模块8传输至计算机控制及数据分析装置9；计算机控制及数据分析装置9，用于通过无线网络控制数据采集电路进行数据采集，并对采集的数据进行计算，根据计算结果显示含沙量。

计算机控制及数据分析装置9执行下列步骤（1）控制单片机中的发光控制电路控制光源使LED光源处于打开状态，分别采集光源参考光强数据、透射光光强数据、90度方向光强数据；（2）控制LED光源处于关闭状态，分别采集上述三路光强数据；（3）将LED光源打开时采集的三路光强数据分别减去对应的LED光源关闭时采集的数据，消除背景光和光电探测器本身的暗电流对测试的影响；（4）将上面经运算后得出透射光强、90度方向光强与参考光源光强分别做差值运算，得出两组差值数据，利用参考光强作分母做除法运算，计算相对值，消除参考光光强波动对测试的影响。（5）将90度光强做参考，选取一定的加权因子，将透射光强和90度光强的加权和与之作除法运算，结果作为最终测量值。该步骤是提高测量线性范围的技术措施。

光源2的光强大小与通断由计算机控制及数据分析装置9通过发光控制电路1进行控制，入射光经过分光镜分成两路，通过光导纤维一路入射到被测泥沙流体3中，一路作为参考光入射到第三光电二极管4c上。被测泥沙流体3对光进行透射和散射，透射光经第一光电二极管4a检测，90度散射光经第二光电二极管4b检测。三路光电二极管检测信号经数据采集与处理单元7处理后通过无线转网络电路8，进入计算机控制及数据分析装置9，由计算机控制及数据分析装置9三路信号进行分析。

本发明的具有侧向补偿的激光无线测沙仪的测量原理如下：

根据丁达尔效应：

式中： 是散射光强度， 是入射光强度， 是入射光波长， 是指单位体积内的沙石含量数， 是沙石的体积， 是常数。

可见，在稳定的入射光强度 以及固定波长 的情况下，散射光强度与水中含沙的总量 成正比，即与水中的含沙量成正比。

光纤测试仪发射光束照射含沙水样，根据光束照射到光纤上的透射光强与散射光强的强弱，就可以将水中含沙量的实时变化转化为不同大小的电信号。载有含沙量的电信号在信号采集与调制电路中经滤波、放大等处理后输出到单片机中。单片机将数据经无线模块发送到无线转网络的电路中，无线模块在收发数据的过程中采用的就是多通道自适应无线收发的方法，最终由网络模块通过网线连接把数据传输到计算机中，而上位计算机就是整个系统的控制中心，承担着发送指令与处理数据的任务。

为了检验增加了90度散射光强测量的具有侧向补偿的激光无线测沙仪的性能，在水模型中进行了实验。实验不采取任何的遮光措施，完全是在自然光与普通照明光的条件下进行。

在相同的采光条件下按泥沙颗粒的种类及尺寸分组，同一种类的泥沙每组分别做单一测量透射光强计算含沙量和测量透射光强与90度散射光强结合计算含沙量这两个实验，在计算机中把这几组的实验数据保存好并把每两组实验数据进行比较分析，当泥沙颗粒尺寸较小时，这两种方法测出的水中的沙含量相差不大，但是增加了90度散射光强的测沙仪器计算出的结果更加精确；当泥沙颗粒的尺寸较大时，这两种方法测出的沙含量则相差较大，采用透射光强与90度散射光强相结合的测沙仪计算出的含沙量的更准确。

同时又做了一组增加了90度散射测量方法的具有侧向补偿的激光无线测沙仪器与检测器测沙仪器的实验，对实验数据比对分析，可发现当测沙仪器工作时间较短时，两者测出的水中的沙含量结果基本一致，但当工作时间稍长，就会发现检测器测沙仪器测量出的结果会明显的区别于具有侧向补偿的激光无线测沙仪器，再经实验验证，发现具有侧向补偿的激光无线测沙仪器的结果是准确的，检测器测沙仪器的结果由于受到光束温度和电子元器件本身的影响结果慢慢的变得不准确。所以可见，具有侧向补偿的激光无线测沙仪器更加能够适应各种测试环境，有一定的优点。

Claims (6)

1.具有侧向补偿的激光无线测沙仪，包括光源和光纤传感器，所述光纤传感器由光导纤维和光传感元件组成，其特征是，所述光导纤维包括第一光导纤维和第二光导纤维，所述第一光导纤维的延伸方向与照射光线方向一致，所述第二光导纤维的延伸方向与照射光线方向成90度角。

2.根据权利要求1所述的具有侧向补偿的激光无线测沙仪，其特征是，所述光传感元件为光电二极管，包括第一、第二和第三光电二极管，第一光电二极管用于接收第一光导纤维的信号，第二光电二极管用于接收第一光导纤维的信号，第三光电二极管用于接收来自光源的分光信号。

3.根据权利要求1所述的具有侧向补偿的激光无线测沙仪，其特征是，所述光源包括LED灯和设置在LED灯前方的透镜，LED灯光线经透镜折射为平行光线。

4.根据权利要求1所述的具有侧向补偿的激光无线测沙仪，其特征是，所述具有侧向补偿的激光无线测沙仪还包括数据采集与处理单元和计算机控制及数据分析装置；所述数据采集与处理单元用于采集所述光传感元件输出的模拟信号，将模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过无线网络模块传输至所述计算机控制及数据分析装置；所述计算机控制及数据分析装置，用于通过无线网络控制数据采集电路进行数据采集，并对采集的数据进行计算，根据计算结果显示含沙量。

5.根据权利要求4所述的具有侧向补偿的激光无线测沙仪，其特征是，，所述LED灯还和受控于所述计算机控制及数据分析装置的功率控制电路连接，形成可调LED灯。

6.根据权利要求4所述的具有侧向补偿的激光无线测沙仪，其特征是，所述计算机控制及数据分析装置执行下列步骤：（1）控制LED光源处于打开状态，分别采集光源参考光强数据、透射光光强数据、90度方向光强数据；（2）控制LED光源处于关闭状态，分别采集上述三路光强数据；（3）分别计算二者的差值光强；（4）对三路差值数据，利用参考光强作分母做除法运算，计算相对值；（5）将90度光强做参考，选取加权因子，将透射光强和90度光强的加权和与之作除法运算，结果作为最终测量值。