CN111443020B - 一种用于水体泥沙含量监测的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于水体泥沙含量监测的传感器，包含第一壳体与第二壳体，第二壳体与第一壳体旋转连接并动密封形成封闭腔体；第一壳体整体呈柱状，其中一端为透光的U形内凹面；在封闭腔体设有电源模块、旋转机构、控制单元与红外发射单元，控制单元与红外发射单元电性连接，以控制发射红外光经U形内凹面发出，在外部的物体表面散射或反射形成反射光；在第一壳体内包含多个在不同方向接收所述反射光的光电传感单元；各所述光电传感单元的输出分别与控制单元的输入相连；旋转机构与第一壳体或第二壳体传动连接，以使得第一壳体与第二壳体相对旋转。本发明测量更准确，且能够方便的测量河底浮沙情况以及悬移质输沙率数据。

Description

一种用于水体泥沙含量监测的传感器

技术领域

本发明涉及水文测沙的技术领域，具体涉及一种用于水体泥沙含量监测的传感器。

背景技术

目前河流泥沙含量自动监测是世界难题，在水土保持与水文测验中河流泥沙含量一直是一个非常重要的指标，目前我国主要泥沙监测站点仍然使用人工取样称重进行分析，整个过程需要持续半个月以上，而且会带来非常大的人为误差。在水位上涨需要取沙的时候不分时间，测站人员冒着洪水的危险都要取样。所以有一种能够彻底解决泥沙在线监测的设备才能够让该项繁琐且危险的工作变得简单高效。

现有基于红外测量原理实现水体含沙量测量传感器多采用三孔立体反射结构的泥沙传感器，即具备两个方向的红外接收管接收反射的红外光，由此大大降低了测量的随机性，增加了测量值的稳定性。但由于功能单一，存在测量作业的诸多不便，测量数据也存在偏差；比如当片状物体正面对着测试光时，受光面较大，故有很大几率反射或散射；当片状物体侧面对着测试光时，受光面较小，反射或散射几率小；传统传感器无法实现数据校正；而在测量河底浮沙悬移质时需要借助辅助设备扬起浮沙，测量非常不方便，测量位置与测量时间也不容易控制；不能随水体流速主动调整采样率或与水体流速关联，因此难以获知悬移质输沙率，需要结合其他辅助设备进行配合，调整统一流速测量点与含沙量测量点的传感器位置才可；若传感器上附着了异物，现有的传感器本身难以处理，自清洁的效果不太理想。为解决以上问题，有必要进行深入研究。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种用于水体含沙量监测的传感器，以提升监测水体含沙量的准确度。

根据本发明的实施例， 一种用于水体泥沙含量监测的传感器，包含第一壳体与第二壳体，所述第二壳体与第一壳体旋转连接并动密封形成封闭腔体；所述第一壳体整体呈柱状，且其中一端为透光的U形内凹面；在封闭腔体设有电源模块、旋转机构、控制单元与红外发射单元，控制单元与红外发射单元电性连接，以控制发射红外光经U形内凹面发出，在外部的物体表面散射或反射形成反射光；在第一壳体内包含多个在不同方向接收所述反射光的光电传感单元；各所述光电传感单元的输出分别与控制单元的输入相连，控制单元根据各光电传感单元的感应信息计算水体泥沙含量；所述电源模块提供控制单元、红外发射单元、光电传感单元、旋转机构所需用电；所述旋转机构与第一壳体或第二壳体传动连接，以使得第一壳体与第二壳体相对旋转。

进一步的，还包含旋接杆；所述旋接杆的一端与第一壳体或第二壳体旋转连接，旋接杆的另一端与第二壳体或第一壳体固定连接。

进一步的，所述旋转机构包含电机；电机壳体与第一壳体或第二壳体相对固定，对应的在第二壳体或第一壳体的内缘固定有齿圈；所述电机的输出轴连接有齿轮，以与所述齿圈啮合传动连接；电机的供电端与电源模块的输出相连或通过电缆与外部连接。

进一步的，所述红外发射单元包含至少两个发射不同波长红外光的子光源，或包含一个可发射不同波长红外光的单光源；所述红外发射单元发射红外光线的波长在640nm～960nm之间。

进一步的，封闭腔体内还包含定位模块和/或温度传感器；所述定位模块与控制单元通信连接，以传递地理经度、纬度信息；所述温度传感器的输出与控制单元的输入相连，以传递水体温度信息。

进一步的，第一壳体内还包含压力传感器；压力传感器的工作面设于第一壳体的外侧面；压力传感器的输出与控制单元的输入相连。

进一步的，第一壳体内还包含超声波流速传感器；所述超声波流速传感器嵌装于U形内凹面的外表面；超声波流速传感器的输出与控制单元的输入相连。

进一步的，在旋接杆上还同轴固定有空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环，以在第一壳体与第二壳体的相对旋转过程中至少传输电源模块与控制单元的供电或信号。

进一步的，所述空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环均包含定子部分与转子部分，且定子部分设有定子连接端，转子部分设有转子连接端；定子部分与第一壳体或旋接杆相对固定，对应的，转子部分与旋接杆或第一壳体相对固定；与第一壳体固定的定子部分的定子连接端，或转子部分的转子连接端，与电源模块或控制单元电连接或通信连接。

进一步的，第一壳体内包含有测光罩，所述测光罩包含圆弧凹面，所述圆弧凹面与U形内凹面相对；在测光罩的圆弧凹面上呈周向嵌装有若干传导光纤；在封闭腔体内还设有若干光开关与若干Y形光纤；传导光纤与光开关的光路输入一一连接，光开关的输出与Y形光纤的输入连接，以用于传输测量红外光或传输反射红外光；Y形光纤的合路段或Y形竖直段连接至光电传感单元的光接收端或红外发射单元的发光端；所述光开关的控制端与控制单元的输出相连；所述控制单元存储有光开关的控制编码与传导光纤在圆弧凹面位置的对应信息。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、不同波长的红外线对水体中的泥沙敏感度不同，穿透效果不同，结合PWM的调节，具有更多参照数据组，测量更准确；

2、U形内凹面可在一定范围内调整流过内凹空间水体的速度，具有一定的取样主动性，在旋转泥沙传感器时，短时间的流速变化能够对传感器工作面进行自清洁；而在不同流速下，由于不同大小的泥沙下沉的速度不同，在不同波长测量下，可得到更全面的信息；

3、通过压力传感器可获取所处水体深度信息，结合定位、温度、流速等信息，测量更全面；

4、超声波流速传感器可获取水体流速信号，能够用于判断传感器所处的相对位置（内凹面的U形口与流水方向一致或是垂直），为主动取样提供参考数据，另外，当泥沙传感器被异物附着，影响水流速度较为明显，容易及时发现，并通过对泥沙传感器进行旋转、上下移动，结合压力传感器所传输信息等能够判断是否去掉附着物，无需将泥沙传感器完全取出；

5、通过电机可使得第一壳体，第二壳体发生相对转动，当第二壳体通过电缆或辅助支杆牵引时，电机转动输出则第一壳体旋转，从而实现泥沙传感器朝向的主动调节；

6、通过测光罩固定的传导光纤可在多个方向上进行光的发射与接收，测量维度更多，有助于更准确的测量；并且传导光纤与光开关实现了光电传感器的复用，减少了光电传感器的数量，可节省静态能耗；

7、利用空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环的旋转电导通或旋转信号导通，使得传感器的第一壳体，第二壳体能够持续发生相对旋转，为传感器的朝向调整以及自清洁奠定了基础，同时也提高了供电或信号传输的稳定性与可靠性。

8、功能复合性强，适用场景广泛。

附图说明

图1为实施例的结构组成示意图。

图2为实施例中第一壳体的结构示意图。

图3为实施例中第二壳体的结构示意图。

图4为实施例中第二凸台的结构示意图。

图5为实施例中第一壳体的下视图。

图6为实施例中空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环的连接示意图。

图7为实施例的光路示意图。

图8为实施例的电路原理示意图。

图9为实施例中第一壳体U形内凹面的局部示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。

实施例1

本实施例提出了一种用于水体泥沙含量监测的传感器，如图1所示，包含第一壳体1与第二壳体2，第一壳体1整体呈柱状，以便在旋转时，能够减少与外部发生的碰撞损坏，同时整体所受到的阻力相对较小；第一壳体1的开口侧一体成型有动环101，减少组装部件，密封性能更好，且便于加工，重量较轻；在动环101的外侧壁设有周向开槽102，用以装配O形圈，第二壳体2的开口侧内径与动环101的外径匹配，以实现第一壳体1与第二壳体2装配后的动密封，并形成封闭腔体。当第一壳体1相对第二壳体2低速旋转时（如动环101外侧面的线速度小于20米/秒），O形圈与动环101能够很好的实现动密封，以保持第一壳体、第二壳体内部的干燥；在实际使用时，可使用其他动密封结构，相关密封结构有大量现有技术文献，在此不做赘述。

第一壳体1的一个端面为透光的U形内凹面；本实施例中，如图9所示，U形内凹面的U形竖直段长度D不大于3cm，U形内凹面的两竖直段间距L在4cm～15cm之间；较小的竖直段可避免挂住水流中的杂物，也更容易通过细微旋转调整使挂住的杂物脱除；由于第一壳体1的U形内凹面设计，使得能够在流速的相近范围内较为主动的进行选择或调整，内凹面的U形口在与流水方向一致或垂直两个方向上，流经内凹面的水流速度不相同；另外，因为水流经过内凹面对应的空间时，等效流通路径发生变化，根据伯努利定律，当流体从大管径向小管径流通时，流速会增快，当流体从小管径向大管径流通时，流速会降低，红外光照射到这些区域时会测得与河流速度不同的结果。

第一壳体1与第二壳体2通过旋接杆3进行旋转连接；所述旋接杆3的一端与第一壳体1或第二壳体2旋转连接，旋接杆3的另一端与第二壳体2或第一壳体1固定连接；本实施例中，所述旋接杆3的一端与第二壳体2固定连接，旋接杆3的另一端连接旋转式万向节，并将旋转式万向节固定在第一壳体中以实现旋转连接；本实施例中，旋转式万向节被设置为球头杆402与球头座401，球头座401匹配套合球头杆402，使得球头杆401与球头座401可相对旋转，并承受第一壳体1的重力；球头杆402被设置为与旋接杆3一体，球头座401固定在支架5上；所述支架5用于辅助第一壳体1与第二壳体2的连接，辅助空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环固定，以使得第一壳体、第二壳体间的供电/信号可顺畅传输，同时支架5也为第一壳体1中的工作器件支撑出了容纳空间；所述支架5包含载板，载板的一面用于固定球头座401与空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环的定子部分或转子部分，另一面用于固定PCB电路板；支架5设有外延的支脚501，支脚501上设有第一通孔502，如图2所示，第一壳体1的内壁有向外凸的第一凸台104，第一凸台104上设有螺孔，以与支脚501匹配对应；安装时，将支架5用螺栓进行固定即可。

如图3、图4所示，在第二壳体2的内壁也设有向外凸的第二凸台203，第二凸台203设有第二通孔205，用于固定安装旋转机构；所述旋转机构与第一壳体或第二壳体传动连接，以使得第一壳体与第二壳体相对旋转；本实施例中，旋转机构为电机6，电机6的供电端与电源模块的输出相连或通过电缆201与外部连接；为方便安装，如图4所示，第二凸台203设置有叉口204；图3中，电机6的壳体固定在第二凸台203上，电机6的输出轴601轴连接有齿轮（图中未示出），而第一壳体1开放侧的内缘或动环101的内侧固定有齿圈103，电机通过齿轮与齿圈103啮合连接。本实施例中，由于第一壳体1与第二壳体2的连接主要由旋接杆3实现，故当电机输出轴601旋转时，则驱动第一壳体1与第二壳体2发生相对旋转；为方便旋接杆3的装配，第二壳体2可采取分体式结构，如图3所示，包含上盖202与支撑架206，支撑架206上设有支撑孔，以便旋接杆3的穿出及固定，也使得线缆能够从第二壳体的内侧壁引出到顶部中间区域，对应的，旋接杆3的固定连接端须设有连接结构，如螺纹或支板等；在支撑架206上也可设置插扣连接件，当旋接杆3的固定端设计为对应插片或插头时，则在装配过程中，只需对插连接即可，比较方便。由于电机6加重了传感器的整体质量，故利于传感器在水体中保持相对垂直，减少随水流的波动，稳定性较一般轻型传感器更好，通过电机的旋转输出，能够主动调整第一壳体的朝向，以实现取样调整的目的。另外，由于传感器的中心部位设置的为旋接杆3而非电机，使得传感器整体质量的分布不对称，当第一壳体1在连续旋转时，U形内凹面呈现一定的螺旋桨效应，在邻近河底时，可扬起河底浮沙，对测量河底浮沙情况非常有帮助；而旋转速度较快时，还对主动倾斜传感器本体具有动力作用，当然倾斜程度跟质量分布、U形内凹面的形状、第一壳体的旋转速度乃至与水流方向及速度均有关系；停止旋转时，传感器体态的恢复时间对于毫秒级测量时间已足够，以此可丰富传感器的测量方式；另外，旋转能增加U形内凹面所受到的水流激荡，结合不断的反向旋转，也可以用于脱除附着在传感器上的异物，从而达到较好的自清洁效果。

上述PCB电路板上集成有电源模块，控制单元、定位模块、温度传感器、红外发射单元，连接方式如图8示意，控制单元可选择一个或多个单片机，并根据实际选择数据通信，模数/数模转换、信号调制等相关专用芯片，控制单元的相关电路组成及连接结构为现有技术，本方案不做延伸；控制单元与红外发射单元电性连接，以控制发射红外光经U形内凹面发出，在外部的物体表面散射或反射形成反射光；所述红外发射单元包含至少两个邻近的发射不同波长红外光的子光源，两个子光源分别于控制单元的输出相连，以实现独立控制，或包含一个可发射不同波长红外光的单光源，可减少硬件数量，简化第一壳体相关的光路加工，成本相对更低；所述红外发射单元发射红外光线的波长在640nm～960nm之间，在640纳米时由于波长较短对水体中的泥沙敏感度更高，从而能够测得5微米以下的泥沙，感知能力大大提。960纳米波长对水体泥沙含量敏感度较低，可对流速较快水体中泥沙粒径在1mm以上的泥沙有很好的感知效果。由于水体的流速是不确定的，而且泥沙粒径是大小不均匀分布的，所以在传感器测量时，不断变化发射频率或选择不同波长的子光源工作，可以达到更精确的测量效果。在第一壳体内还包含多个在不同方向接收所述反射光的光电传感单元；各所述光电传感单元的输出分别与控制单元的输入相连，控制单元根据各光电传感单元的感应信息计算水体泥沙含量；所述电源模块提供控制单元、红外发射单元所需用电。

所述定位模块与控制单元通信连接，以传递地理经度、纬度信息，定位模块可选用GPS定位模块和/或北斗定位模块；所述温度传感器的输出与控制单元的输入相连，以传递水体温度信息；由于不同地区的河流泥沙成分、色度有所差异，因此结合定位信息与温度信息，可供外部分析系统对照相应的水文资料，测量值也可进行相应修正，得到更为准确的结果。

第一壳体1内还包含压力传感器，压力传感器的工作面设于第一壳体1的外侧面；压力传感器的输出与控制单元的输入相连；为保证压力传感器的正常工作，压力传感器的工作面可微凸于第一壳体表面，且以防水膜覆盖，在深水环境中，压力传感器的工作面受到挤压，向内产生一定形变，外凸的工作面（如应变片）可确保形变行程以及防水膜的变形冗余量满足工作要求。

所述超声波流速传感器嵌装于第一壳体1的外表面，如图5所示，超声波流速传感器的工作端109嵌装在U形内凹面108的相对两侧面之间，且靠近第一壳体1的外缘一侧或两侧（根据不同超声波流速传感器类型或流速测量点的数量需求而定）；由此，既可以正常获取超声波流速测量信息，同时不会干扰到红外测量泥沙含量的情况；装配时，可先装配超声波流速传感器，由于测光罩等为后装，在第一壳体1内壁或测光罩上留出走线空间即可；超声波流速传感器的输出与控制单元的输入相连；超声波在水体中仍能传播，基于相位测试原理或多普勒测试原理获取流速信息，一方面可为取样、自清洁提供间接定位参照，另一方面，控制单元可同时获取流速、光电传感单元的匹配信息，控制单元一般采取固定频率的晶振作为机器时钟，控制单元结合计时，使得流速、含沙率、时间的几个匹配参数能够方便的获取，根据现有计算逻辑，即可直接得到悬移质输沙率结果。

如图6所示，在旋接杆3上还同轴固定有空心轴导电滑环7或空心轴光电组合滑环7，以在第一壳体1与第二壳体2的相对旋转过程中至少传输电源模块与控制单元的供电或信号。由于传感器整体处于水下，其供电、信号传递都需要线缆实现，在第一壳体1、第二壳体2存在相对旋转的情况下，空心轴导电滑环7或空心轴光电组合滑环7确保了供电、信号的通畅传输；空心轴导电滑环7或空心轴光电组合滑环7均包含定子部分与转子部分（图中为同轴连接，未做标记区分），定子部分与转子部分之间可实现电传输或信号传输；定子部分与转子部分的具体电传输或信号传输方案为现有技术，且有着不同的原理及结构，本发明不涉及旋转电传输或旋转信号传输的改进，在此不做赘述；本实施例中，定子部分或定子部分的壳体固定有销固定架701，以用于与第一壳体1的第一凸台104或支架5的载板进行固定（根据需要在第一凸台104或支架5的载板上对应设置固定螺孔），以此使得定子部分与第一壳体1相对固定；定子部分设有定子连接端703，转子部分设有转子连接端702；转子部分与旋接杆3相对固定；一般而言，转子部分设有多个径向螺栓，径向螺栓与旋接杆3相对，调节径向螺栓压紧旋接杆3即可固定，为强化固定效果，可在旋接杆上设置凹槽或小螺孔，以与径向螺栓相互匹配，更好的实现固定。与第一壳体固定的定子部分的定子连接端与电源模块或控制单元电连接或通信连接，转子部分的转子连接端则对应由电缆201引出。

如图2所示，第一壳体1内包含有测光罩105，所述测光罩105包含圆弧凹面107，所述圆弧凹面107与U形内凹面相对；在测光罩105的圆弧凹面107上呈周向嵌装有若干传导光纤，图2中仅对传导光纤末端106所处圆弧凹面107的位置做示意；为保证传导光纤与测光罩105的相对固定，测光罩105的边缘可设置卡槽或螺丝孔进行固定（须对应调整第一壳体1的内侧壁结构），本实施例中，测光罩105与传导光纤在对好位置后，通过灌胶的方式将其固定密封；一方面提高测光罩105与传导光纤的固着力，另一方面可增加传感器整体的质量，提升测量稳定性；在第一壳体1与第二壳体2所形成的封闭腔体内还设有集成了若干光开关的光开关模块与若干Y形光纤；图7为光路示意图（光开关作用端以电开关替代示意），传导光纤802与光开关模块9中光开关901的光路输入一一连接，光开关901的输出与Y形光纤801的输入连接，以用于传输测量红外光或传输反射红外光；为方便连接，本实施例中，各光电传感单元集成在PCB电路板上，同时PCB电路板还集成有若干光纤连接端，在PCB电路板上，光纤连接端通过光纤与红外发射单元的发光面或光电传感单元的受光面一一光路连接，由此，Y形光纤801的合路段或Y形竖直段通过光纤连接端1001连接至光电传感单元的光接收端或红外发射单元的发光端，实际使用时，可将外层光纤套粘接笼套在红外发射单元或光电传感单元上，以避免相互干扰；通过Y形光纤减少了红外发射单元或光电传感单元的需求数量，但仍能确保测量点数量；当需要增加爱合并路数时，可将Y形光纤的竖直段连接光开关的输入，另一Y形光纤的输入连接对应光开关的输出，以此重复；所述光开关的控制端与控制单元的输出相连；所述控制单元存储有光开关的控制编码与传导光纤在圆弧凹面位置的对应信息，在此基础上，控制灵活性与准确性得到了保障。当不同位置、不同角度的测量数据进行综合后，能得到更为准确的测量数据或校准数据。通过传导光纤802、Y形光纤801与光开关901，能够使用特定位置测量点，红外光的发射或接收位置点均具有选择性，当某个点位测量因污染或故障出现测量问题，也可更换测量点，传感器的冗余性或抗干扰性更好；通过传导光纤802、Y形光纤801与光开关901也可进行在毫秒级内进行分次测量，相对与水流环境而言等同于静止测量，测量效果好；实际使用时选择测量数据的平均统计或加权平均统计为具体算法问题，本方案不做延伸。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：包含第一壳体与第二壳体，所述第二壳体与第一壳体旋转连接并动密封形成封闭腔体；所述第一壳体整体呈柱状，且其中一端为透光的U形内凹面；在封闭腔体设有电源模块、旋转机构、控制单元与红外发射单元，控制单元与红外发射单元电性连接，以控制发射红外光经U形内凹面发出，在外部的物体表面散射或反射形成反射光；在第一壳体内包含多个在不同方向接收所述反射光的光电传感单元；各所述光电传感单元的输出分别与控制单元的输入相连，控制单元根据各光电传感单元的感应信息计算水体泥沙含量；所述电源模块提供控制单元、红外发射单元、光电传感单元、旋转机构所需用电；所述旋转机构与第一壳体或第二壳体传动连接，以使得第一壳体与第二壳体相对旋转。

2.如权利要求1所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：还包含旋接杆；所述旋接杆的一端与第一壳体或第二壳体旋转连接，旋接杆的另一端与第二壳体或第一壳体固定连接。

3.如权利要求2所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：所述旋转机构包含电机；电机壳体与第一壳体或第二壳体相对固定，对应的在第二壳体或第一壳体的内缘固定有齿圈；所述电机的输出轴连接有齿轮，以与所述齿圈啮合传动连接；电机的供电端与电源模块的输出相连或通过电缆与外部连接。

4.如权利要求1或2所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：所述红外发射单元包含至少两个发射不同波长红外光的子光源，或包含一个可发射不同波长红外光的单光源；所述红外发射单元发射红外光线的波长在640nm～960nm之间。

5.如权利要求4所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：封闭腔体内还包含定位模块和/或温度传感器；所述定位模块与控制单元通信连接，以传递地理经度、纬度信息；所述温度传感器的输出与控制单元的输入相连，以传递水体温度信息。

6.如权利要求4所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：第一壳体内还包含压力传感器；压力传感器的工作面设于第一壳体的外侧面；压力传感器的输出与控制单元的输入相连。

7.如权利要求4所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：第一壳体内还包含超声波流速传感器；所述超声波流速传感器嵌装于U形内凹面的外表面；超声波流速传感器的输出与控制单元的输入相连。

8.如权利要求4所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：在旋接杆上还同轴固定有空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环，以在第一壳体与第二壳体的相对旋转过程中至少传输电源模块与控制单元的供电或信号。

9.如权利要求8所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：所述空心轴导电滑环或空心轴光电组合滑环均包含定子部分与转子部分，且定子部分设有定子连接端，转子部分设有转子连接端；定子部分与第一壳体或旋接杆相对固定，对应的，转子部分与旋接杆或第一壳体相对固定；与第一壳体固定的定子部分的定子连接端，或转子部分的转子连接端，与电源模块或控制单元电连接或通信连接。

10.如权利要求1所述的一种用于水体泥沙含量监测的传感器，其特征在于：第一壳体内包含有测光罩，所述测光罩包含圆弧凹面，所述圆弧凹面与U形内凹面相对；在测光罩的圆弧凹面上呈周向嵌装有若干传导光纤；在封闭腔体内还设有若干光开关与若干Y形光纤；传导光纤与光开关的光路输入一一连接，光开关的输出与Y形光纤的输入连接，以用于传输测量红外光或传输反射红外光；Y形光纤的合路段或Y形竖直段连接至光电传感单元的光接收端或红外发射单元的发光端；所述光开关的控制端与控制单元的输出相连；所述控制单元存储有光开关的控制编码与传导光纤在圆弧凹面位置的对应信息。

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