CN108613905A - 一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器，其包括依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元以及设置于悬浮物与光学放大器之间的能量激发器；近红外面阵CCD传感器用于感知水体中的悬浮物，获取悬浮物的视亮度信息；光学放大器与其匹配的能量激发器作用，放大被测悬浮物的视亮度信息，以增强感光度；嵌入式信号处理单元用于所述近红外面阵CCD传感器感知的悬浮物视亮度信息进行分析计算得出浓度数值；另相应公开了其监测方法。本发明灵敏度高，稳定性好，适应性强，提高了浓度信息处理与识别速度，整个测量过程实现了空间上连续性、时间上的瞬时性，可全天候实时在线监测。
Description
技术领域
本发明涉及水体中的悬浮物浓度监测领域，尤其涉及一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器及监测方法。
背景技术
土壤侵蚀中的径流含沙量是衡量水土流失的重要参数之一。无论是评价流域还是河道的侵蚀程度，都必须测定其悬浮物浓度。只有合理测定含沙量才有可能准确模拟土壤侵蚀动力过程，并为水土流失治理决策提供合理的科学依据。多年来科技人员一直在探索河道、径流水体中悬浮物浓度的动态测量方法。
目前悬浮物浓度的测量方法按形式可分为两种：直接测量法和间接测量法。
直接测量法，也就是取样法。直接测量法又包括:烘干法(也叫称重法)和比重(瓶)法；直接测量法均存在取样代表性差和取样麻烦以及精度受人工操作影响大等缺陷。
如烘干法，即取一定量的样品，测量其原重和烘干后的重量，从而确定泥水中的悬浮物浓度。采用烘干法可测量重量含沙量和体积含沙量，被认为是目前最准确的方法之一。但由于烘干法需对待测样品进行烘干，而烘干温度一般为105℃，加热需10h以上，高温与长期加热会造成土壤中有机质被碳化，而使测量的含沙量偏小，对烘干温度和加热时间的要求也使得整个测量过程费时费力。另外，在称重过程中必不可少的测量误差和手工操作损失，极大的影响了此种方法的精确度。
而比重法是根据悬浮物对比重的影响来确定浓度，测量时可采用比重计，也可用天平和量筒进行测量，用此方法测量悬浮物浓度所用设备简单，测量方法更快更直接。但在悬浮物浓度较高时，由于量筒的数据很难读准，大大的影响了测量精度。还有，该方法获得数据时间过长,不能满足试验中根据悬浮物浓度实时控制的需要,严重影响了试验的效率。
间接测量方法，也就是不取样法。间接测量法有电学方法、光学方法、声学方法和核物理方法等。这些方法各有千秋,但由于测量原理各有不同，仪器设备也是千差万别，不同程度地受到水流中悬浮物浓度运动情况及其粒径组结果成的影响，从而使悬浮物浓度的测量结果存在不同步性和局限性，要精确测量水流中的悬浮物浓度还需要进一加以改进。
如电容法是利用水体中悬浮物浓度的变化会引起其介电常数变化这一电物理学性质，通过测量电容的变化来测量悬浮物浓度变化。由于电容受温度和盐分影响较大，电容两端输出电压随温度、土壤含盐量升高而呈非线形增加趋势，加之水流流速的影响，使得电容法的适用条件受到很大限制。特别是在自然降雨条件下的坡面产流侵蚀过程中，通过测量电容变化来确定水流中的悬浮物浓度变化难以实现。
红外光电法的原理是光束通过含悬浮物水体被吸收、散射后,剩余的透射部分的光通量符合消光散射定律。其主要关键的是K值的确定,它与光的波长、悬浮物颗粒的折光系数、颜色及粒径等有关。悬浮物浓度变化大、悬浮物粒径变幅大的水流,K值很难确定，特别是当悬浮物浓度大于55％时，相对误差大于40％,测量的准确性和可靠性较差，所以用红外光电法测量就受到很大限制，甚至不可用。
超声波法分为超声波反射法和超声波衰减法。前者根据超声波的反射量与悬浮物浓度的大小呈正比例关系，从而测定悬浮物的浓度。后者考虑悬浮物对超声波的散射、吸收和超声波自身的扩散因素，利用传感器检测其能量的衰减来计算悬浮物浓度。超声波反射法对于低浓度悬浮物的水流较敏感，测量精度较高，只是测量范围较窄，在O～3kg/m 3之间。超声波衰减法利用声波在水体中传播时声波大小受到衰减的原理，通过接收换能器将衰减后的超声波转化为电信号，再经放大处理后得到随含悬浮物浓度变化的模拟电信号，依据其与浓度大小间的关系来测量浓度大小。此种方法要通过实验事先标定方可使用。但在实践中用超声波法测量含沙量时，为保证超声波经衰减后信号能被接收到，其强度(频率)不能太小。而超声波强度较大时，当其穿过水溶液时，超声波会与悬浮物颗粒发生相互作用而影响溶液浓度；同时还会造成大的悬浮物颗粒粉碎而改变原有溶质粒子的粒径组成。此时用事先标定好的方式来计算含沙量会产生很大的偏差。由于超声波法会对水流造成扰动而改变其原有的动力学特征，且悬浮物浓度越大改变也越大，使得超声波法测量悬浮物浓度的范围较窄，不适合现实需要。
γ射线法是利用γ射线穿透物体过程中的衰减规律以及水溶液中液固两相流的特性，用数学的方法从理论上推求了γ射线透射悬浮物的浓度的计算公式。大量室内试验结果表明采用γ射线透射法测量悬浮物浓度完全可行，且测量结果准确可靠，不受悬浮物类型的影响，是目前现场快速、简便、高精度的悬浮物浓度测量方法。但是因为γ射线具有极强的穿透本领，人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。因此，在实际中此种方法已被禁用。
总之，由于多种原因，目前尚无好的技术对水体中悬浮物浓度的空间分布、动态运动过程给予直接、实时、连续和全面地监测，业已成为目前水体悬浮物浓度动态实时测量的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器及监测方法。
为达到上述目的，本发明通下述技术方案实现：
一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器，其包括依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元以及设置于悬浮物与光学放大器之间的能量激发器；其中，近红外面阵CCD传感器用于感知水体中的悬浮物，获取悬浮物的视亮度信息；光学放大器与其匹配的能量激发器作用，放大被测悬浮物的视亮度信息，以增强感光度；嵌入式信号处理单元用于对所述近红外面阵CCD传感器感知的悬浮物视亮度信息进行分析计算得出浓度数值。
作为一种优选，所述近红外面阵CCD传感器与悬浮物的间距为0.1～0.3m。
上述实时在线监测传感器进行实时在线监测水体悬浮物浓度的监测方法，
步骤1、每隔1～15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息；
步骤2、通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值由式(1)定义:
其中Lw为近红外面阵CCD传感器感知到的白色视亮度，Lb为近红外面阵CCD传感器感知到的黑色视亮度；
步骤3、由Beer-Lambert-Boguer定律，可得水体悬浮物浓度V
其中，x为近红外面阵CCD传感器与悬浮物的间距；C0为中体中无悬浮物状态下相对视亮度的对比值；常量0.02表示视觉阈值；
步骤4、由于不同波长的光对介质的穿透性不同，因此必须对所测的浓度V进行修正，可得最终的悬浮物浓度度VLOS为:
其中，常量550表示波长为550nm的绿光，λnm为悬浮物能量激发器输出波长，q为波长修正因子，取决于浓度，λnmVqV＜0.5km q＝0 q＝V-0.5 1km≤V＜6kmq＝0.16×V+0.340.5km≤V＜1km 6km≤V＜50km q＝1.3V≥50km q＝1.6。
与现有技术相比，本发明具有如下有意的效果：
(1)本发明采用了比较成熟的近红外面阵CCD传感器、高速嵌入式信号处理单元，结构简单，成本低，能够稳定工作于野外环境，可固定在水底或岸边、拖曳、锚泊或装在船前，具有广阔的市场应用价值。
(2)本发明克服了传统的监测水体悬浮物浓度的不足，灵敏度高，稳定性好，适应性强，提高了浓度信息处理与识别速度，整个测量过程实现了空间上连续性、时间上的瞬时性,可全天候实时在线监测。
(3)本发明具有测量测量范围宽、不受悬浮物(主要是泥沙)粒径影响的显著特点。自然界中水体悬浮泥沙粒径一般在0.001～100mm量级，本发明可实现全覆盖。
附图说明
图1为实时在线监测水体中的悬浮物浓度的装置示意图。
图2为实时在线监测水体中的悬浮物浓度的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳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。
水体悬浮物浓度实时在线监测传感器，所述的悬浮物能量激发器对波长为850～980nm的激光进行1～5K的频率调制，满足近红外CCD面阵传感器感应波长，同时能对悬浮物形态给予激发，形成一个均衡光场，大大减小外界光的干扰。所述的近红外面阵CCD传感器探测波长范围为850～1100nm；分辨率为1628×1236像素，可用12位模式扫描，每个像素的亮度为一个强度值，取值范围为0～4095，其中0表示黑色，4095表示纯白色。
利用本发明所进行实时在线监测水体悬浮物浓度的测量方法，包括如下步骤:
步骤1:每隔1～15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息。
步骤2:通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值由式(1)定义:
其中Lw为近红外面阵CCD传感器感知到的白色视亮度，Lb为近红外面阵CCD传感器感知到的黑色视亮度。由于式(1)是2种视亮度强度的比值，因此没必要知道绝对的视亮度值，通过像素点明暗值的变化可得到相对视亮度的对比值。
步骤3:由Beer-Lambert-Boguer定律，可得水体悬浮物浓度V
其中，x为近红外面阵CCD传感器与悬浮物的间距；C0为中体中无悬浮物状态下相对视亮度的对比值；人眼通过介质(空气和水)去观测目标物，实际看到的是视亮度，因此常量0.02表示视觉阈值。
步骤4:由于不同波长的光对介质(空气和水)的穿透性不同，因此必须对所测的浓度V进行修正，可得最终的悬浮物浓度度VLOS为:
其中，常量550表示波长为550nm的绿光；λnm为悬浮物能量激发器输出波长；q为波长修正因子，取决于浓度，λnmVqV＜0.5km q＝0 q＝V-0.5 1km≤V＜6kmq＝0.16×V+0.340.5km≤V＜1km 6km≤V＜50km q＝1.3V≥50km q＝1.6。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器，其特征在于：其包括依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元以及设置于悬浮物与光学放大器之间的能量激发器；其中，近红外面阵CCD传感器用于感知水体中的悬浮物，获取悬浮物的视亮度信息；光学放大器与其匹配的能量激发器作用，放大被测悬浮物的视亮度信息，以增强感光度；嵌入式信号处理单元用于对所述近红外面阵CCD传感器感知的悬浮物视亮度信息进行分析计算得出浓度数值。
2.如权利要求1所述的实时在线监测传感器，其特征在于：所述近红外面阵CCD传感器与悬浮物的间距为0.1～0.3m。
3.如权利要求1所述的实时在线监测传感器进行实时在线监测水体悬浮物浓度的监测方法，其特征在于：包括如下步骤:
步骤1、每隔1～15秒采集近红外面阵CCD传感器输出的像素信息；
步骤2、通过像素点明暗值的变化对输出的像素信息进行计算，获得相对视亮度的对比值，由相对视亮度对比值获得实际视亮度的对比值由式(1)定义:
其中Lw为近红外面阵CCD传感器感知到的白色视亮度，Lb为近红外面阵CCD传感器感知到的黑色视亮度；
步骤3、由Beer-Lambert-Boguer定律，可得水体悬浮物浓度V
其中，x为近红外面阵CCD传感器与悬浮物的间距；C0为中体中无悬浮物状态下相对视亮度的对比值；常量0.02表示视觉阈值；
步骤4、由于不同波长的光对介质的穿透性不同，因此必须对所测的浓度V进行修正，可得最终的悬浮物浓度度VLOS为:
其中，常量550表示波长为550nm的绿光，为悬浮物能量激发器输出波长，为波长修正因子，取决于浓度，λnm V q V＜0.5km q＝0 q＝V-0.5 1km≤V＜6km q＝0.16×V+0.34 0.5km≤V＜1km 6km≤V＜50km q＝1.3 V≥50km q＝1.6。
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