CN107389517A - 单波长测量泥沙装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单波长测量泥沙装置，包括外壳、单波长光源、比色皿仓、探测器、显示面板、电源、单片机构成，其中，比色皿仓固定在外壳内部中间，单波长光源与探测器分别固定在比色皿仓两侧相对位置，显示面板固定在外壳表面上部，电源与单片机固定在外壳内部下面，单片机通过导线分别与单波长光源、探测器、显示面板、电源相连，采用本发明的测量方法相比光谱分析减少了繁杂的数据处理过程，同时保证了泥沙测量的精度与稳定性。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，尤其涉及一种单波长测量泥沙装置及其测量方法。
背景技术
一般水体中均含有一定量的泥沙，泥沙是泥与沙的总称。江、河、湖泊由于流水速度不同，使夹带的泥沙规律性地分级沉降的产物，其成分取决于流域内地表流失土和河岸崩塌物的成分，最细的一部分颗粒，不断淤积成泥，河泥一般储量丰富，化学成分稳定，颗粒级比较均匀，生产成本低，是生产水泥优良的天然黏土质原料。河沙是天然石在自然状态下，经水的作用力长时间反复冲撞、摩擦产生的，其成份较为复杂、表面有一定光滑性，杂质含量多的非金属矿石，河沙颗粒圆滑，比较洁净，来源广。海洋、水文和环境调查中,经常需要测定不同深度水体中的泥沙含量，因目前的常规光学遥感技术只能测量表层水体中的泥沙含量,所以满足这种要求的唯一途径迄今仍然是采用传统的水文学方法，这种方法需要用船只运载笨重的采水器采集不同深度的水样,然后,将大量瓶装的水样,运送回实验室进行过滤、灼烧、衡重、称重等一系列繁杂操作，对于泥沙含量较高的水体,过滤一升水样就需要十多小时，成百上千水样的过滤,耗时十分惊人，所以这种成本高、效率低的技术现状极待改善。随着经济社会的发展以及光谱技术的进步，光谱技术在水环境监测与水质参数定量反演的应用日趋广泛，方法也不断发展与成熟。根据实测透射光谱数据，可以分析研究区域的悬浮泥沙浓度与粒度分布规律，初步探究两者之间的关系，以及光谱与悬浮泥沙浓度、粒度变化的响应关系，但是，光谱测量泥沙含量仍然存在偶然误差大、测量精度低、操作复杂等问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供单波长测量泥沙装置及其测量方法，
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种单波长测量泥沙装置，包括外壳、单波长光源、比色皿仓、探测器、显示面板、电源、单片机构成，其中，比色皿仓固定在外壳内部中间，单波长光源与探测器分别固定在比色皿仓两侧相对位置，显示面板固定在外壳表面上部，电源与单片机固定在外壳内部下面，单片机通过导线分别与单波长光源、探测器、显示面板、电源相连。
进一步的，单波长光源为具有5-20nm光谱宽度的单色LED，且单色光的波长范围是分布在实验测量分析得到的最优取值区间之内的，其具体取值可通过更换LED及通过附加对应的滤波片来设定其具体范围；
进一步的，探测器采用带通滤波片封装，其带通波段对应单波长光源的波段范围；
进一步的，单次测量采样的数据组数与每次测量间的间隔时间可以通过单片机设定。
一种单波长测量泥沙装置及其测量方法，其测量步骤如下：
（1）将圆筒型取样桶（圆筒直径D、高H）预置在待测点河底，取样桶上边沿与河底表层泥沙面齐平，经过T小时后取出取样桶，沥干其内部的水分，然后再用烘干机去除水分，得到烘干的泥沙标本；
（2）将经过烘干的泥沙标本，分别取1g，2g，3g，4g，5g，6g，加水配成1000ml的混合溶液共6瓶，分别贴上标签1、2、3、4、5、6以备实验测量；
（3）采用紫外可见分光光度计测量上述6种不同浓度泥沙溶液的吸光度，得到泥沙混合溶液的光谱图；
（4）分析上述6组光谱图，得到吸光度没有突变扰动的n个优化测量区间；
（5）分别计算n个优化测量区间与6个浓度的线性相关系数R，得到一个相关系数最大的最优测量区间，并得到泥沙含量NS与吸光度X的关系式NS=a*X+b，其中，a、b为计算得到的每个区间的泥沙含量NS与吸光度X间的线性系数；
（6）针对最优测量区间，采用对应波长的LED光源进行单波长吸光度测量，间隔时间t测量待测水样3次或3次以上；
（7）对待测水样的单波长测量结果进行优化处理，具体算法是：去掉最大值与最小值，如果剩余值的个数仍大于等于3，继续去掉最大值与最小值，直至剩余值的个数为2或1；
（8）剩余值的个数为1时，直接将此值代入关系式NS=a*X+b，得到泥沙含量的最终输出结果；
（9）剩余值的个数为2时，将此两个值取平均代入关系式NS=a*X+b，得到泥沙含量的最终输出结果。
进一步的，圆筒直径D、高H可根据河流、湖泊等水体的具体环境设置其具体大小；
进一步的，取样时间T根据水体的泥沙含量大小来设置其值大小，一般设置范围在1到100小时之间；
进一步的，紫外可见分光光度计测量吸光度，其光谱波长取值范围在200nm—1100nm区间任意可设；
进一步的，分析紫外可见吸光度光谱图，得到n个优化测量区间，n个优化测量区间的n取值决定于水样的实际泥沙情况与选取精度，其取值范围一般在3-10个左右；
进一步的，间隔时间t的取值范围一般在0.03-3秒左右。
本发明的有益效果是：一是通过对待测地点的水样进行实验室分析，得到对应的最优测量区间；二是采用单色LED作为单色光源，虽然单色LED具有一定的光谱宽度，但只要保证单色LED的波长范围处于最优测量区间内，吸光度与泥沙含量就依然存在线性关系，且LED的相对发光功率比较大，有利于测量精度与稳定性的提高；三是为了消除在泥沙含量测定中普遍存在的偶然误差，本发明建立了简单实用的比对算法来消除偶然测量误差；四是LED光源具有一定面积的光束孔径，更有助于测量水质整体泥沙含量情况。上述多种创新方法的综合应用，不仅使得测量装置结构简单、测量原理清晰，使得仪器性能可靠，相比光谱分析又减少了繁杂的光谱数据处理过程，同时保证了泥沙测量的精度与稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的单波长测量泥沙装置的结构示意图；
图2为本发明的测试方法的流程图；
图3为本发明中测量的光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1-图3所示，单波长测量泥沙装置及其测量方法，（1）将圆筒型取样桶（圆筒直径D=30cm、高H=50cm）预置在待测点（南京牛首河）河底，取样桶上边沿与河底表层泥沙面齐平，经过T=24小时后取出取样桶，沥干其内部的水分，然后再用烘干机去除水分，得到烘干的泥沙标本103.5克；
（2）将经过烘干的泥沙标本，分别取1g，2g，3g，4g，5g，6g，加水配成1000ml的混合溶液共6瓶，分别贴上标签1、2、3、4、5、6以备实验测量；
（3）采用紫外可见分光光度计测量上述6种不同浓度泥沙溶液在200nm—600nm之间的吸光度，得到泥沙混合溶液的光谱图如图3所示；
（4）分析上述6组光谱图，得到吸光度没有突变扰动的5个优化测量区间，分别是250-330nm，350-370nm，380-530nm，550-570nm，595-600nm；
（5）分别计算5个优化测量区间与6个浓度的线性相关系数R，得到一个相关系数最大的最优测量区间为380-530nm区间，并得到泥沙含量NS（g/L）关系式NS=a*X+b的参数a=10.20，b=-13.78；
（6）针对最优测量区间，采用对应中心波长为505nm（波长范围475-535nm）的LED光源进行单波长吸光度测量，间隔时间t=0.1秒，测量待测水样3次，得到3个吸光度值1.732、1.751、1.736；
（7）对待测水样的单波长测量结果进行优化处理，具体算法是：去掉最大值与最小值；
（8）得到最终吸光度测量值1.736，代入关系式NS=a*X+b，得到实测的泥沙含量为3.927g/L。
本发明所采用的单波长测量泥沙装置主要由外壳1、单波长光源2、比色皿仓3、探测器4、显示面板5、电源6、单片机7构成，其中，比色皿仓3固定在外壳1内部中间，单波长光源2与探测器4分别固定在比色皿仓3两侧相对位置，显示面板5固定在外壳1表面上部，电源6与单片机7固定在外壳1内部下面，单片机7通过导线分别与单波长光源2、探测器4、显示面板5、电源6相连。外壳采用铝合金定制加工外壳，尺寸300*200*80mm。单波长光源采用上海辰昶仪器设有限公司的LLS-505型LED光源，中心波长505nm，半高宽30nm，工作电压3.3V，光功率400nW。比色皿仓采用合肥赛洛测控科技有限公司的Q-10型远紫外石英的比色皿，尺寸5.5*12.5*45mm，光程3mm。探测器采用带通滤波片镜头封装的深圳龙信达紫外增强Si光电池探测器LXD1010MQ，滤波片带通波段475-535nm。显示面板采用EzUIV_070K_V10，工作电压5V，LED背光、TFT LCD模式，尺寸187*127*15mm。电源采用科立方5000mAH移动电源，输出5V电压。单片机采用STC公司STC89C52型单片机，工作电压5V，工作频率20MHz。为了减小随机噪声，单次测量采样的数据组数为64，然后由64组平均值可得到1个吸光度测量值，总共测量5次，得到5组吸光度测量值，每次测量的间隔时间为1秒。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种单波长测量泥沙装置，其特征在于，包括：外壳（1）、单波长光源（2）、比色皿仓（3）、探测器（4）、显示面板（5）、电源（6）、单片机（7）；比色皿仓（3）固定在外壳（1）内部中间；单波长光源（2）与探测器（4）分别固定在比色皿仓（3）两侧，相对设置；显示面板（5）固定在外壳（1）表面上部，电源（6）与单片机（7）固定在外壳（1）内部下方；单片机（7）通过导线分别与单波长光源（2）、探测器（4）、显示面板（5）、电源（6）相连。
2.根据权利要求1所述的一种单波长测量泥沙装置，其特征在于：单波长光源（2）为具有5-20nm光谱宽度的单色LED。
3.根据权利要求1所述的一种单波长测量泥沙装置，其特征在于：探测器（4）采用带通滤波片封装，其带通波段对应单波长光源（2）的波段范围。
4.一种单波长测量泥沙装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将圆筒型取样桶预置在待测点河底，，取样桶直径为D、高为H，取样桶上边沿与河底表层泥沙面齐平，经过T小时后取出取样桶，沥干其内部的水分，然后再用烘干机去除水分，得到烘干的泥沙标本；
（2）将经过烘干的泥沙标本，分别取1g，2g，3g，4g，5g，6g，每瓶加水配成1000ml的混合溶液共6瓶，分别贴上标签以备实验测量；
（3）采用紫外可见分光光度计测量上述6种不同浓度泥沙溶液的吸光度，得到泥沙混合溶液的光谱图；
（4）分析上述6组光谱图，得到吸光度没有突变扰动的n个优化测量区间；
（5）分别计算n个优化测量区间与6个浓度的线性相关系数R，得到一个相关系数最大的最优测量区间，并得到泥沙含量NS与吸光度X的关系式NS=a*X+b，其中，a、b为计算得到的每个区间的泥沙含量NS与吸光度X间的线性系数；
（6）针对最优测量区间，采用对应波长的LED光源进行单波长吸光度测量，间隔时间t测量待测水样3次或3次以上；
（7）对待测水样的单波长测量结果进行优化处理，具体算法是：去掉最大值与最小值，如果剩余值的个数仍大于等于3，继续去掉最大值与最小值，直至剩余值的个数为2或1；
（8）剩余值的个数为1时，直接将此值代入关系式NS=a*X+b，得到泥沙含量的最终输出结果；
（9）剩余值的个数为2时，将此两个值取平均代入关系式NS=a*X+b，得到泥沙含量的最终输出结果。
5.根据权利要求4所述的一种单波长测量泥沙装置的测量方法，其特征在于：取样时间T的范围在1到100小时之间。
6.根据权利要求4所述的一种单波长测量泥沙装置的测量方法，其特征在于：紫外可见分光光度计测量吸光度，其光谱波长取值范围在200nm—1100nm区间任意课设。
7.根据权利要求4所述的一种单波长测量泥沙装置的测量方法，其特征在于：所述n的范围为3-10。
8.根据权利要求4所述的一种单波长测量泥沙装置的测量方法，其特征在于：所述时间间隔t的取值范围为0.03-3秒。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20171124 |