CN107228842A - 一种水体透明度监测装置、方法以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水体透明度监测装置、方法以及系统，包括：光电传感器组装单元，包含光电传感器，用于接收来自水体的光信号；控制和处理电路，用于提供控制信号，并处理光电传感器接收到的信号；所述驱动和处理电路与所述光电传感器组装单元可通信耦合连接；所述光电传感器组装单元由至少一种光电传感器组装模块组装而成。本发明提供的结构，能够自适应地调节水体波动、水生动植物对测量装置的影响，测量精度高。

Description

一种水体透明度监测装置、方法以及系统

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种水体透明度监测装置、方法以及系统。

背景技术

水是无色透明的，当水体中含泥沙、微生物、悬浮物、有机质等物质时就会产生浑浊现象，水的透明度便会降低。水的透明度降低不但影响感官性状，还会影响水生生物的生活。因此水的透明度也是反映水质状况的一项指标。现有技术中通常使用塞氏盘(也称萨氏盘)测量水体的透明度，塞氏盘是一块具有一定直径的圆盘，圆盘被相互垂直的直径平均分为四个等份，四个等份中相对的两个等份被涂成黑色，剩余两个相对的等份被涂成白色，如图1所示。在测量时，选择一自然水域作为测定对象，在水体无直射光照射处将塞氏盘缓缓沉入水中，当赛氏盘下沉到恰好看不到盘面的白色时，测量赛氏盘的下沉深度，此数据即代表了水体透明度。使用赛氏盘测量水体透明度存在许多问题，最直观的一个问题是，不同视力的测量者在使用赛氏盘进行测量时得出的结果会有较大差别，在不同的天气状况下，塞氏盘的测量结果也会存在较大的差别。即使同一水体，在不同的深度，一天中的不同时刻，不同的气候温度下，水体透明度也有较大的差别，使用赛氏盘进行水体透明度测量会有较大的测量误差。

而水体透明度是描述水体光学性质的一个重要参数，与太阳辐射、湖水的理化性质、悬浮物组成有着密切的关系，同时也是评价水体富营养化的重要指标，因此，提供一套测量水体透明度的装置，可以实现对水体透明度准确、实时地测量成为值得研究的课题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种水体透明度监测装置、方法以及系统。

本发明的第一方面，提供一种水体透明度监测装置，所述装置包括：光电传感器组装单元，包含光电传感器，用于接收来自水体的光信号；控制和处理电路，用于提供控制信号，并处理光电传感器接收到的信号；所述驱动和处理电路与所述光电传感器组装单元可通信耦合连接；所述光电传感器组装单元由至少一种光电传感器组装模块组装而成。

优选地，所述控制和处理电路中设置无线通信模块，用于传输所述水体透明度监测装置获得的监测信息。

优选地，所述水体透明度监测装置包含第一壳体，所述驱动和处理电路设置于所述第一壳体内。

优选地，所述第一壳体包含平衡翼装置，所述平衡翼装置用于使所述水体透明度监测装置处于水体中时，保持平衡态。

优选地，所述第一壳体包含正方体结构的主体；以及，所述平衡翼装置包括从所述正方体主体四角向外延伸的四支独立的平衡翼。

优选地，所述平衡翼的末端设置有浮力块。

优选地，所述平衡翼的末端设置有光源。

优选地，所述控制和处理电路包含积分单元，用于对每个光电传感器接收到的光强信号进行积分。

本发明的第二方面，提供一种水体透明度监测方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：获取光电传感器组中各光电传感器的相对位置关系；步骤2：获取光电传感器组中的光电传感器在多个深度接收到的光强度；步骤3：根据光电传感器的相对位置关系，基于光在液体介质中的传播原理，获得水体透明度与传感器接收到的光强之间的关系；步骤4：根据所述水体透明度与传感器接收到的光强之间的关系，计算水体透明度的结果。

本发明的第三方面提供一种水质监测系统，包含用户终端以及前述的水质监测装置，所述用户终端与所述水质监测装置直接通过无线通信连接；或者，所述用户终端通过无线通信与数据处理和控制中心连接，数据处理和控制中心通过无线传输模块与所述水质监测装置通信连接。

本发明的有益效果：

一、本发明提供了一种能够在水体中稳定漂浮的结构，能够自适应地调节水体波动、水生动植物对测量装置的影响，测量精度高。

二、本发明利用积分模块，能够监测一个较长时间段内的平均水体透明度监测数值，结果精确度高。

三、本发明利用自带光源，能够全天候实现对水体透明度的持续监测。

四、本发明提供的模块式结构，被封装于各个模块中，结构简单，装配容差性强，使于户外长期工作的较恶劣环境。

五、本发明提供的监测装置，利用无线通信模块与数据中心无线通信，能够有效借助数据中心与移动终端通信的便利性，使用户快捷、方便地获取特定水体的透明度信息。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1是本发明的现有技术。

图2(a)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置。

图2(b)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器结构图。

图2(c)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的局部结构示意图。

图3(a)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器组装单元结构示意图。

图3(b)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器组装单元结构示意图。

图3(c)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器组装单元结构示意图。

图3(d)是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器组装单元结构示意图。

图4是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的结构示意图。

图5是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的结构示意图。

图6是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的结构示意图。

图7(a)是本发明另一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器组装单元结构示意图。

图7(b)是本发明另一个实施例提供的水体透明度测量装置的光电传感器组装单元结构示意图。

图7(c)是本发明另一个实施例提供的水体透明度测量装置的俯视图。

图8是本发明一个实施例提供的水体透明度测量方法原理示意图。

图9是本发明一个实施例提供的水体透明度测量方法原理示意图。

图10是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的电路结构示意图。

图11是本发明一个实施例提供的水体透明度测量装置的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2(a)所示，在一个实施例中，提供一种水体透明度监测装置，所述装置包括壳体(未示出)、光电传感器组装单元21，缆线22、驱动和处理电路23，所述光电传感器组装单元21由若干个拼接模块211组成，所述套接模块211中包含传光电传感器212。

如图2(b)所示，所述套接模块211中设置光电传感器212，光电传感器212用于接收来自水体的光，并将接收到的光转换为电信号，基于所述电信号计算所述水体透明度。

如图2(c)所示，缆线22用于实现所述驱动和处理电路23、与各光电传感器组装单元21之间的通信连接。在一个示例中缆线22包含三条子缆线，三条子缆线呈品字形排列，并形成复合缆，三条子缆线分别用于对光电传感器212接收到的信号进行传输，以及对驱动和处理电路提供的电能进行传输。

所述光电传感器组装单元21由若干个拼接模块211组成，在一个示例中，拼接模块211具有拼接模块主体和传感器接入口，拼接模块本体包含与其他拼接模块进行组合拼接的接口，这个接口可以是卡扣-旋槽、按压式对准螺纹等等使得各个拼接模块物理连接的接口，本实施例中不对接口进行具体限定。

如果采用“卡扣-旋槽”结构，则两个相邻的拼接模块分别具有卡扣和旋槽结构，二者的卡扣扣合之后，二者旋槽相互匹配，并可以发生相对的转动。当发生相同转动时，拼接模块211上的光电传感器也随着模块的转动而发生转动，如此可以实现对水体透明度监测装置周向的测量和监控。

按压式对准螺纹，则是在所述拼接模块的两个拼接模块上对应地设置按压式对准螺纹，在安装时，首先通过按压使二者的螺纹相互匹配卡合，停止按压后，螺纹相互压紧，使二者相互固定，并且可以在周向旋转

如图3(a)所示，在一个实施例中，光电传感器组装单元21中包含若干拼接模块，拼接模块本体为柱状，每两个拼接模块之间通过拼装接口连接。在形状为柱体的拼装模块上设置有光电传感器，光电传感器具有一定的接收视场角。

如图3(b)所示，在拼接模块的两端设置有插孔，所述插孔用于与设置于所述拼装接口上的插头匹配连接，在插头插入插孔后，相邻的拼接模块和拼装接口即实现了电联通。

结合图3(c)、图3(d)，拼装接口包括可相互转动的第一部分和第二部分，可转动部分之间通过旋转连接件连接。当插头和插孔匹配之后，拼接模块的第一部分和相邻拼接模块的第二部分固定连接。水体透明度监测装置在水体中处于平衡态时，平衡翼和第一壳体处于水平面附近，而光电传感器组装单元与水平面垂直，且向水面以下延伸，光电传感器组装单元中的各个光电传感器模块基本处于同一竖直线上，且每个光电传感器与水平面的距离不同。

在一个实施例中，如图4-图6所示，水体透明度监测装置包括：光电传感器组装单元，包含光电传感器，用于接收来自水体的光信号；驱动和处理电路，用于处理光电传感器接收到的信号；驱动和处理电路与所述光电传感器组装单元可通信耦合连接；光电传感器组装单元由至少一种光电传感器组装模块组装而成。所述驱动和处理电路中设置无线通信模块，用于传输所述水体透明度监测装置获得的监测信息。监测信息被发送至数据处理和控制中心，数据处理和控制中心会根据发送监测信息的监测装置ID，对监测信息进行存储和记录，在整个过程中，数据处理和控制中心会对水体中分布的预定数量和ID的水体透明度监测装置进行数据记录。当用户想通过终端设备查询某处水体的透明度情况时，可以通过终端输入查询条件，数据处理和控制中心会根据查询条件进行查询，并将查询结果返回至用户终端，用户可以在终端设备上获取某个水域的水体透明度信息，信息可选地包括实测信息和一段时间的历史记录信息。用户输入的查询条件可以是用户的GPS定位信息、预知的装置ID信息、需要查询的水域信息等等于查询区域关联的信息。

如图7(a)、7(b)所示，光电传感器组装单元还可以是一组设置于基材上的光电传感器组，基材可以是刚性薄板，薄板中包含导电通路。薄板的一面设置光电传感器，并且在薄板表面涂覆透明防水材料。绝缘材料可以是透明树脂、透明的防水漆等等。图7(a)中，可以通过通孔，也可以通过凹槽预留光电传感器的安装位置，安装位置内侧具有光电传感器电接触装置，点接触装置与薄板中的导电通路连接。

基材还可以是柔性材料，柔性材料可以卷曲，以使得光电传感器朝向不同的方向，例如，柔性材料可以卷曲为

在一个实施例中，无线通信模块包括但不限于：蓝牙、ZigBee、GSM、 CDMA、WCDMA、CDMA2000、WIFI、LTE等等。

所述水体透明度监测装置包含第一壳体，所述驱动和处理电路设置于所述第一壳体内。平衡翼装置用于在水体透明度监测装置位于水中时，保持装置在水体中处于平衡状态。

在一个实施例中，如图7(c)所示，所述第一壳体包含正方体结构的主体；以及，所述平衡翼装置包括从所述正方体主体四角向外延伸的四支独立的平衡翼。所述四支平衡翼的质心处于同一平面，并且与壳体的质心处于同一平面。

在另一些实施例中，所述第一壳体的形状还可以是球形、圆柱形、多面体形状等等，平衡翼数量也不限于四个，可以是以第一壳体为中心向外伸展的三个、五个、六个、七个、八个等等。当然，平衡翼的数量不同，其在第一壳体外的排布方式也不同。例如，如果平衡翼的数量为三个，则三个平衡翼在自上向下的俯视平面内呈三角形状排布；如果平衡翼的数量为八个，则八个平衡翼在自上向下的俯视平面内呈蜘蛛肢节的形状向外发散伸展排布。

在另一些实施例中，平衡翼的端部设置有浮力块，浮力块用于为装置提供浮力，当水体透明度测量装置因为风浪发生侧倾时，平衡翼一端的浮力块因为浮力作用，会为装置提供回复到平衡装置的浮力，以保证平衡翼和第一壳体处于水平面附近，而光电传感器组装单元与水平面垂直，且向水面以下延伸，光电传感器组装单元中的各个光电传感器模块基本处于同一竖直线上，进而保证装置测量结果的一致性和准确性。

装置会因为水生植物的缠绕而处于倾斜态，在一个示例中，单个平衡翼是具有第一壳体具有一倾角的扇叶结构，多个平衡翼组成转轮结构,当出现缠绕现象时，平衡翼会在波浪的驱动下发生旋转，从而使装置脱离水生植物的缠绕。

在一个示例中，平衡翼浮球端还设置有LED光源，用于根据光电传感器感测到的周围环境光强判断是否启用自有光源。如果周围环境光强小于预定阈值，则启动LED光源，传感器接收LED光源发出的光，并根据接收到的光强计算水体透明度。LED光源的加入，能够使装置能够在夜晚、阴天等光电传感器无法正常工作的环境测量水体透明度。

在一个实施例中，当装置在阴天或者背景光较弱的环境下工作时，利用积分器分别对每个光电传感器获得的光强信号进行积分，以获得

本发明的一个实施例还提供一种水体透明度监测方法，如图8-11所示，4个传感器探头分别记为第一探头、第二探头、第三探头和第四探头，其中第一探头与水体表面的具体为D0,四个探头距离为d1-d3，四个探头接收到的光强分别为Ez0,Ez1,Ez2,Ez3，根据光在液体介质中的传播原理，衰减系数与光强之间的关系可以用下式表示：

其中，E1和E2分别为传感器在第一深度z1和第二深度接z2收到的光强度，Δz＝z₂-z₁为两个位置的深度差，对等式两边取对数，可以得到：

ln E₂=-K_dΔz+ln(E₁)

根据上式可以类推得到，对于第i个传感器，其接收到的光强度为Ei，那么光强度于光衰减系数之间的关系为：

ln E_i=-K_dΔz+constant

基于上述原理，以装置包含4个传感器为例，水体内光衰减度按照下式计算：

基于第一、二组传感器测量得到的光衰减系数：

基于第二、三组传感器测量得到的光衰减系数：

基于第三、四组传感器测量得到的光衰减系数：

最后使用平均值来计算水体透明度：

以阳光直射模型为例，即不考虑阳光倾斜入射对于透明度测量的影响，计算水体透明度。当然，在实际测量时，相邻传感器之间的距离z可以相同，也可以不同。

在实际的的测量过程中，装置的传感器数量不限于四个，并且传感器之间的布置方式也不限于自上而下的竖直方向。

本发明还提供一种水体透明度监测系统，系统包含光源，用于全天候持续监测水体的透明度，并基于该指标反馈水体的理化性质、悬浮物组成以及水体富营养化的程度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水体透明度监测装置，其特征在于，所述装置包括：

光电传感器组装单元，包含光电传感器，用于接收来自水体的光信号；

控制和处理电路，用于提供控制信号，并处理光电传感器接收到的信号；

所述驱动和处理电路与所述光电传感器组装单元可通信耦合连接；

所述光电传感器组装单元由至少一种光电传感器组装模块组装而成。

2.根据权利要求1所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述控制和处理电路中设置无线通信模块，用于传输所述水体透明度监测装置获得的监测信息。

3.根据权利要求1所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述水体透明度监测装置包含第一壳体，所述驱动和处理电路设置于所述第一壳体内。

4.根据权利要求3所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述第一壳体包含平衡翼装置，所述平衡翼装置用于使所述水体透明度监测装置处于水体中时，保持平衡态。

5.根据权利要求4所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述第一壳体包含正方体结构的主体；以及，所述平衡翼装置包括从所述正方体主体四角向外延伸的四支独立的平衡翼。

6.根据权利要求4或5所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述平衡翼的末端设置有浮力块。

7.根据权利要求4或5所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述平衡翼的末端设置有光源。

8.根据权利要求1所述的水体透明度监测装置，其特征在于，所述控制和处理电路包含积分单元，用于对每个光电传感器接收到的光强信号进行积分。

9.一种水体透明度监测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：获取光电传感器组中各传感器的相对位置关系；

步骤2：获取光电传感器组中的光电传感器在多个深度接收到的光强度；

步骤3：根据光电传感器的相对位置关系，基于光在液体介质中的传播原理，获得水体透明度与传感器接收到的光强之间的关系；

步骤4：根据所述水体透明度与传感器接收到的光强之间的关系，计算水体透明度的结果。

10.一种水质监测系统，包含用户终端以及权利要求1-8之一所述的水质监测装置，其特征在于：

所述用户终端与所述水质监测装置直接通过无线通信连接；

或者，所述用户终端通过无线通信与数据处理和控制中心连接，数据处理和控制中心通过无线传输模块与所述水质监测装置通信连接。