CN110542631A - 一种海洋水体粒度原位测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋水体粒度原位测量装置，包括壳体，壳体外置的清洁装置，以及壳体内部的光源，光学测量单元，信号采集单元和信号控制与处理单元，能适应海洋水体原位测量的环境，在测量区域两侧的石英光窗设置清洁刷，并且由电机驱动。本发明采用测量海洋水体颗粒散射光信号的强度来反演水体粒度，可以实现对海洋水体粒度的直接测量，检测速度快，重复性高，动态范围广。不需要对水体进行采样，直接原位测量，避免了繁琐的步骤。采用了清洁装置，避免镜头污染，提高了装置测量的准确性。提高了相关部门对海洋水体粒度的监测水平。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境在线监测领域，尤其是海水中粒度测量方面，具体为一种海洋水体粒度原位测量装置。
背景技术
海洋环境中的粒度分布对于海洋生态系统和海洋动力学的研究具有重要的意义。海洋中悬浮颗粒物的来源十分广泛，有河流输入的泥沙，海洋中微生物活动产生的颗粒，还有海水中的絮凝体和气泡等。研究入海口的粒度分布可以进一步分析河流上游的环境变化，还可对入海口的地形地貌进行准确预测；海洋中颗粒物的运输，上升，沉降和再悬浮等过程的研究必须依赖于粒度分析，这是海洋沉积学的重要内容；海洋中粒度分布的变化，也可以进一步反映出海洋生态环境的变化，对海洋环境的保护十分重要。海洋水体粒度分布是研究海洋学的一个重要方面。
粒度是指某一粒径颗粒物的体积浓度或质量浓度，粒径是指颗粒的直径。在实际测量中一般用体积浓度或质量浓度来表示粒径分布。粒度测量的方法主要包括电感应法，显微镜法，图像分析法，沉降法，光散射法等，其中又以光散射法应用最为广泛。基于光散射法的粒度测量装置广泛应用于金属粉体，非金属粉体以及各种乳浊液的测量。基于粉体的粒度测量的技术相对成熟，而对于海水中粒度测量技术发展相对较为缓慢。
海水中颗粒物的组成，形状，尺寸，结构与粉体存在明显差异，海洋水体环境复杂多变，是海洋水体粒度测量的一个难点。普遍的对海洋水体粒度的测量是现场采样，实验室仪器测量，费时费力并且很难快速大量的测量。而且海水中的粒度分布与海洋动力学和自身的沉降速度密切相关，是一个动态过程。实验室仪器无法实时在线测量，并且忽略了海洋环境等的外界影响，获得的实验数据缺乏准确性，不能满足海洋环境中的原位测量需求。
发明内容
为了解决上述问题，提出了一种针对海洋环境，长时间水下实时测量粒度分布的装置，并且有动态范围广，有着很好的重复性与准确性，使用方便，分辨率(区分不同粒径的能力)高等优点。该装置包括壳体，光源，光学测量单元，信号采集单元和信号控制与处理单元五部分，实现了海洋水体粒度原位测量的目的。该装置的信号控制与处理单元控制光源控制板，光源控制板控制激光器工作，激光器发出的光信号经空间滤波器滤波，准直透镜准直，再经过石英光窗-海水-石英光窗后到达傅里叶透镜，将散射光进行会聚，使其分布在探测器上，光信号由信号采集单元进行采集，信号控制与处理模块对采集的数据进行处理，将光信号反演获得粒度分布。
具体技术方案如下：
一种海洋水体粒度原位测量装置，包括壳体，壳体内还包括激光器、光学测量单元、信号采集单元和信号控制与处理单元；
所述壳体的上方设置有开口作为为海水流过的测量区域；所述开口两侧设置石英光窗一、石英光窗二；
所述信号采集单元包括环形探测器，中心探测器和采集模块；
所述信号控制与处理单元包括光源控制板、信号控制与处理模块；
其中，信号控制与处理模块控制光源控制板，光源控制板控制激光器；
激光器发出的光经过聚焦透镜，针孔进行滤波，然后经过准直透镜进行准直，形成具有一定宽度的平行光束，再经过前侧石英光窗一入射到海水，海水中的颗粒物对平行光束进行散射，散射光经后侧石英光窗二后到达傅里叶透镜进行会聚，使散射光落在后方的环形探测器，未被散射的光穿过环形探测器的中心通孔后会聚在中心探测器，采集模块进行数据采集，然后传到信号控制与处理模块进行信号处理，通过反演散射光强度就可得到粒度分布。
所述开口内设置清洁装置，所述清洁装置包括电机，电机带动清洁刷在石英光窗一及石英光窗二的表面运动，电机由信号控制与处理单元进行控制。
电机位于壳体外，控制线经过出线孔将信号控制与处理模块连接到电机上，控制电机的工作状态。
石英光窗一及石英光窗二表面进行高抛光，并且涂有防反射涂层，减少散射光的损失，确保数据的准确性。
所述激光器，波长为670nm。
所述光源控制板通过设计有反馈回路来实现稳压，确保提供稳定的电压信号，保证光源的稳定性。本发明的优点是：
1.本发明全部采用密封处理，可将装置直接放入海水中进行原位粒度测量，适用多种现场环境，也可用于实验室环境的使用；
2.激光器前设置有光源控制板，并且光源控制板进行稳压处理，保证输出稳定的电压信号，保证光源的稳定性；
3.本发明设计一个自动清洁装置，对测量区域两侧的石英光窗进行清洗，可有效避免其他物质在石英光窗上的附着问题，减少测量误差，延长水下测量时间；
4.本发明可采用内置电源，可实现在水下连续工作，将数据进行存储。也可采用外部供电，数据可实时传输。
本发明的效果：
本专利为一种海洋水体粒度原位测量装置，利用测量散射的光信号强度来反演水体的粒度，完成对水体粒度实时，快速，准确的测量。针对不同水域，使用前先进行校准，可减少数据污染，提高装置的准确性。本发明提高了对海洋水体粒度的监测水平，对海洋环境的监测提供了有力的技术支持。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图1中：1、壳体；2、光源控制板；3、激光器；4、聚焦透镜；5、针孔；6、准直透镜；7、石英光窗一；8、石英光窗二；9、傅里叶透镜；10、环形光电探测器；11、中心探测器；12、采集模块；13、信号控制与处理模块；14、清洁刷；15、连接轴；16、电机；17、进线孔；18、水下接头；19、颗粒物。
图2是本发明的电动机驱动结构示意图；
图2中：1、壳体；8、石英光窗二；14、清洁刷；15、连接杆；16、电机。
图3是本发明信号采集单元连接示意图；
图3中：9、傅里叶透镜；10、环形探测器；11、中心探测器；19、颗粒物；20、中心孔；
图4为环形探测器的正视图。
具体实施方式
图1所示本发明包括壳体、光源、光学测量单元，信号采集单元和信号控制与处理单元。
所述壳体1的上方设置有开口101，为海水流过的测量区域；所述开口101两侧设置石英光窗一7、石英光窗二8；和清洁刷14；
所述信号采集单元包括环形探测器10，中心探测器11和采集模块12；
所述信号控制与处理单元包括光源控制板2，电机16和信号控制与处理模块13；
其中，信号控制与处理模块13控制光源控制板2，光源控制板2控制激光器3；光路采用经典的傅里叶光学结构，光路稳定，结构简单，便于减小装置的尺寸，满足在线测量的要求。激光器3发出的光经过聚焦透镜4，针孔5进行滤波，去除光束中的高阶模和噪声，提高光束质量。然后经过准直透镜6进行准直，形成具有一定宽度的平行光束，再经过前侧石英光窗一7入射到海水，海水中的颗粒物19对平行光束进行散射，散射光经后侧石英光窗二8后到达傅里叶透镜9，傅里叶透镜9对散射光进行会聚，使散射角变小，确保散射光能被环形探测器10完全接受，减少落在环形探测器10外的散射光，使测量数据更准确。环形探测器10位于傅里叶透镜9的焦平面上，这样可以使未散射光透过环形探测器10的中心孔20，由中心探测器11进行测量，采集模块12进行数据采集，然后传到信号控制与处理模块13进行信号处理，通过反演散射光强度就可得到粒度分布，获得的数据可以直接进行存储，也可通过水下接头18连接电缆进行传输。
所述光源3采用固体激光器，波长为670nm；所述光源控制板2通过设计有反馈回路来实现稳压，确保提供稳定的电压信号，保证光源的稳定性。
图2所示信号控制与处理模块13控制电机16的工作，电机16经连接杆15与清洁刷14相连，清洁刷14有两个静止位置A和B，电机16经连接杆15控制清洁刷14在两个静止位置之间来回摆动，对石英光窗7和石英光窗8进行清洁，当停止工作时，其静止在两个静止位置A和B当中一个位置；电机16固定于壳体1外，控制线经过出线孔17将信号控制与处理模块13连接到电机16上。
图3所示，未被散射的平行光经过傅里叶透镜9使其会聚在环形探测器10的中心位置，在环形探测器10的中间开有中心孔20，恰好允许未经散射的光透过落在中心探测器11上。散射的平行光经傅里叶透镜9进行会聚，使其落在环形探测器10上。
本发明的光源控制板、信号控制与处理模块、信号处理模块均可采用市购产品。
本发明原理是：小角度前向散射技术，即一束平行光照射到颗粒群，不同直径的颗粒对光的散射不同，在前向小角度内，颗粒直径越大，产生散射光的散射角越小，光强越强；颗粒直径越小，产生散射光的散射角越大，光强越弱。通过测量环形探测器上的光强度分布可以反演得出粒度分布。
Claims (6)
1.一种海洋水体粒度原位测量装置，包括壳体，其特征在于：壳体内还包括激光器、光学测量单元、信号采集单元和信号控制与处理单元；
所述壳体的上方设置有开口作为为海水流过的测量区域；所述开口两侧设置石英光窗一、石英光窗二；
所述信号采集单元包括环形探测器，中心探测器和采集模块；
所述信号控制与处理单元包括光源控制板、信号控制与处理模块；
其中，信号控制与处理模块控制光源控制板，光源控制板控制激光器；
激光器发出的光经过聚焦透镜，针孔进行滤波，然后经过准直透镜进行准直，形成具有一定宽度的平行光束，再经过前侧石英光窗一入射到海水，海水中的颗粒物对平行光束进行散射，散射光经后侧石英光窗二后到达傅里叶透镜进行会聚，使散射光落在后方的环形探测器，未被散射的光穿过环形探测器的中心通孔后会聚在中心探测器，采集模块进行数据采集，然后传到信号控制与处理模块进行信号处理，通过反演散射光强度就可得到粒度分布。
2.根据权利要求1所述的海洋水体粒度原位测量装置，其特征在于：所述开口内设置清洁装置，所述清洁装置包括电机，电机带动清洁刷在石英光窗一及石英光窗二的表面运动，电机由信号控制与处理单元进行控制。
3.根据权利要求2所述的海洋水体粒度原位测量装置，其特征在于：电机位于壳体外，控制线经过出线孔将信号控制与处理模块连接到电机上，控制电机的工作状态。
4.根据权利要求1所述的海洋水体粒度原位测量装置，其特征在于：石英光窗一及石英光窗二表面进行高抛光，并且涂有防反射涂层，减少散射光的损失，确保数据的准确性。
5.根据权利要求1所述的海洋水体粒度原位测量装置，其特征在于：所述激光器，波长为670nm。
6.根据权利要求1所述的海洋水体粒度原位测量装置，其特征在于：所述光源控制板通过设计有反馈回路来实现稳压，确保提供稳定的电压信号，保证光源的稳定性。
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