CN111610153A - 一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法 - Google Patents

一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法，包括设置在水面运载平台上的多轴旋转支架，其还包括压电陶瓷驱动阵列及光学单点探测器，所述压电陶瓷驱动阵列由若干中心对称布置的压电陶瓷驱动器垂直阵列而成，并形成于机械外壳内，所述光学单点探测器与压电陶瓷驱动阵列之间通过承压板连接；所述承压板与光学单点探测器固定连接，与压电陶瓷驱动阵列的机械外壳柔性连接，且压电陶瓷驱动阵列的机械外壳固定在多轴旋转支架上。其既实现了水质状态局部单点检测，又通过数据采集存储后进行集中处理，对水面漂浮物与近岸水域暗礁的检测与识别，避免了水质检测装置在自主移动时触礁，防止了安全事故发生。

Description

一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫 方法
技术领域
本发明涉及一种水质状态探测装置及其方法，特别涉及一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法，属于特种智能装备的状态监测技术领域。
背景技术
目前水质监测装置在水文环境、农业、渔业、质检监测等方面应用极为广泛，是检测水质状态的主要装备。而用于水质监测的传感器也品类极多，常用的水质传感器包括ORP传感器、浊度传感器、PH传感器、电导率传感器以及余氯传感器等，不同行业的水质检测需求也千差万别，所需要检测出的水质参量也各不相同，因此也需要配备不同的传感器。
这样所带来的问题就是：使得检测设备配置工作繁杂，还需要配置或携带额外的通信/电源的通信及接口，较难实现单一设备的多变量水质状态监测。此外，利用常规水质传感器对开阔水域进行水质检测需要借助船只或者搭建特定的水域观测站，需要繁重的装备设计与制造过程；同时，由于装备繁乱给集成系统的小型化增加了一定难度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置及其推扫方法，其不仅能够实现水质状态的局部单点监测，而且可以通过数据采集存储后进行集中处理；同时又能进行水面漂浮物与近岸水域暗礁的监测与识别，避免水质检测装置在自主移动时触礁，防止安全事故发生。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，包括设置在水面运载平台上的多轴旋转支架，其还包括压电陶瓷驱动阵列及光学单点探测器，所述压电陶瓷驱动阵列由若干中心对称布置的压电陶瓷驱动器垂直阵列而成，并形成于机械外壳内，所述光学单点探测器与压电陶瓷驱动阵列之间通过承压板连接；所述承压板与光学单点探测器固定连接，与压电陶瓷驱动阵列的机械外壳柔性连接，且压电陶瓷驱动阵列的机械外壳固定在多轴旋转支架上。
本发明的多轴旋转支架用于本发明装置的机械安装与坚固，可在复杂水面波动的情况下实现光学探测的机械防抖；所述多轴旋转支架安装在水面运载平台上，并与所述压电陶瓷驱动阵列的机械外壳连接。
所述压电陶瓷驱动阵列用于精确控制光学单点探测器的高频推扫运动，各陶瓷驱动器控制电子控制实现高频推扫运动的同步，压电陶瓷驱动阵列与承压板相互作用，承压板与所述光学单点探测器进行机械坚固连接。
所述光学单点探测器用于进行水质状态的单点检测，主要包括主控MCU、MEMS光谱探测芯片及配套光学透镜等部分组成。所述主控MCU主要进行MEMS光谱探测数据定时采集，并进行水质状态的光学单点分析；所述的MEMS光谱探测芯片用于探测特定光谱，所述的光学透镜配合MEMS光谱探测芯片进行光谱探测。
所述的主控MCU通过SPI总线与MEMS光谱探测芯片相连接，MEMS光谱探测芯片又与光学透镜相连接。同时，所述的主控MCU还与压电陶瓷驱动阵列相连接，用于同步采集压电陶瓷驱动的推扫运动曲线及对应的光谱信息。
作为优选，所述机械外壳和承压板之间通过机械紧固装置进行机械固定，所述机械紧固装置包括螺丝、螺栓、螺柱或者螺钉等。
同时，本发明还提供了一种基于该装置的推扫方法，包括以下步骤：
(1)将压电陶瓷驱动阵列及光学单点探测器通过多轴旋转支架固定在水面运载平台上；
(2)水面无波动时，检测所述压电陶瓷驱动阵列输出的压电推移曲线模型，用于后续同步校正与关联，同时将光学透镜的光学参数进行校正，获取包括焦距f在内的校正参数；
(3)利用所述主控MCU发送脉冲控制信号，控制所述压电陶瓷驱动阵列按照特定的压电推扫曲线进行运动，使所述光学单点探测器在预期压电推移曲线上进行周期往复运动；
(4)所述主控MCU根据发送的脉冲控制信号，通过在压电推扫曲线的极值点与零值点处发送采集信号，从而将产生的特定采集时序发送给所述的MEMS光谱探测芯片，MEMS光谱探测芯片实时将相应时间的水质光谱探测数据返回；
(5)根据光学深度探测的原理，将所述压电陶瓷驱动阵列产生的推扫运动幅值δ与光谱线束和水面具体交点处的水面推扫幅值(δh+δl)相对应，在给定深度或通过激光传感的情况下即可通过所述光谱单点探测器感知当前点的水质状态参数；
(6)循环步骤(3)-(5)，不断进行水面扫描，将所有扫描过的点集中在时域内扩展即可形成一条水面推扫曲线，进而获取一个微小的带形区域内的水质状态参数；
(7)通过水面运载平台进行特定状态的运动，结合步骤(6)中获取的带形区域水质参数，即可获取整个平面内的水质状态参数；
(8)利用所述主控MCU，每隔特定时间获取某一部分平面的水质状态参数，如果某一区域内的水质状态参数在正常范围之内，即再次通过所述光谱单点探测器进行水质状态检测；如果某一区域内的水质状态参数超出正常水质参数区域范围之外，即可通过深度学习方法对当前区域的性状进行分类识别，即可识别出包括水面暗礁及垃圾漂浮物在内的异物；
(9)重复以上步骤实现水质状态的光谱单点探测，并可实现水面暗礁、垃圾漂浮物等异物的检测。
作为优选，在步骤(3)中利用所述主控MCU发送脉冲控制信号，控制所述压电陶瓷驱动阵列按照固定幅值与频率的正弦推扫曲线进行运动。
作为优选，在步骤(8)中，所述的特定时间≤(fmax*2)-1，其中fmax为正弦推扫曲线的最大频率。同时，在本步骤中，常测的水质参数包括：浊度、PH值、COD/BOD/TOC等。
本发明的有益效果：本发明通过压电陶瓷驱动阵列精确地控制了光学单点探测器的单点推扫运动，使其推扫频率更高、推扫幅度达到微米级。为了使光谱探测到某一特定水面区域的水质状态参数，仅需要极低成本的MEMS光谱探测器即可实现水质状态单点检测，结合水面运载平台的运动可进一步实现水面暗礁、垃圾漂浮物等异物的检测，避免了水面运载平台在自主移动时触礁，防止了安全事故发生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，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。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的安装结构示意图；
图3为本发明压电驱动局部单点光谱的推扫示意图；
图中：1.水面运载平台，2.多轴旋转支架，3.压电陶瓷驱动阵列，4.光学单点探测器，5.压电陶瓷驱动器，6.机械外壳，7.承压板，8.主控MCU，9.MEMS光谱探测芯片，10.光学透镜，11.机械紧固装置。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，公开了一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，包括设置在水面运载平台1上的多轴旋转支架2，还包括压电陶瓷驱动阵列3及光学单点探测器4，所述压电陶瓷驱动阵列3由若干中心对称布置的压电陶瓷驱动器5垂直阵列而成，并形成于机械外壳6内，所述光学单点探测器4与压电陶瓷驱动阵列3之间通过承压板7连接；所述承压板7与光学单点探测器4固定连接，与压电陶瓷驱动阵列3的机械外壳6柔性连接，且压电陶瓷驱动阵列3的机械外壳6固定在多轴旋转支架2上。
所述光学单点探测器4包括主控MCU8、MEMS光谱探测芯片9和光学透镜10，所述主控MCU8通过SPI总线与MEMS光谱探测芯片9电连接，所述MEMS光谱探测芯片9的输出端接光学透镜10；所述主控MCU8与压电陶瓷驱动阵列3连接。
在本专利中光学单点探测器通过光敏器件，将物体自身发出的不同波长的电磁信息捕获，光学透镜10则用于将更广范围的光谱信息集中到这个光学器件上。
所述多轴旋转支架2安装在水面运载平台1的顶部，且其前端无遮挡，如果前端有遮挡会影响光学单点探测器的光谱收集。
所述光学单点探测器4用于进行水质状态单点监测。
所述压电陶瓷驱动阵列3驱动MEMS光谱探测芯片9局部单点推移，实现水质状态参数的监测，并结合水面运载平台1的前、后运动获取全部近地光谱信息。
所述主控MCU8通过深度学习方法对水面暗礁、垃圾等异物进行分类识别，这样可以有效避免水质检测装置在自主移动时触礁，防止了安全事故发生。
所述机械外壳6和承压板7之间通过机械紧固装置11进行机械固定，所述机械紧固装置包括螺丝、螺栓、螺柱或者螺钉等。
本发明同时还提供了一种基于该装置的推扫方法，包括以下步骤：
(1)将压电陶瓷驱动阵列及光学单点探测器通过多轴旋转支架固定在水面运载平台上；
(2)水面无波动时，主控MCU检测所述压电陶瓷驱动阵列输出的压电推移曲线模型，用于后续同步校正与关联，同时将光学透镜的光学参数进行校正，获取包括焦距f在内的校正参数；
(3)利用所述主控MCU发送脉冲控制信号，控制所述压电陶瓷驱动阵列按照特定的压电推扫曲线进行运动，使所述光学单点探测器在预期压电推移曲线上进行周期往复运动；
在本步骤中，特定的压电推扫曲线是指利用所述主控MCU发送脉冲控制信号，控制所述压电陶瓷驱动阵列按照固定幅值与频率的正弦推扫曲线进行运动；
(4)所述主控MCU根据发送的脉冲控制信号，通过在压电推扫曲线的极值点与零值点处发送采集信号，从而将产生的特定采集时序发送给所述的MEMS光谱探测芯片，MEMS光谱探测芯片实时将相应时间的水质光谱探测数据返回；
(5)根据光学深度探测的原理，将所述压电陶瓷驱动阵列产生的推扫运动幅值δ与光谱线束和水面具体交点处的水面推扫幅值(δh+δl)相对应，在给定深度或通过激光传感的情况下即可通过所述光谱单点探测器感知当前点的水质状态参数；
(6)循环步骤(3)-(5)，不断进行水面扫描，将所有扫描过的点集中在时域内扩展即可形成一条水面推扫曲线，进而获取一个微小的带形区域内的水质状态参数；
(7)通过水面运载平台进行特定状态的运动，结合步骤(6)中获取的带形区域水质参数，即可获取整个平面内的水质状态参数；
(8)利用所述主控MCU，每隔特定时间获取某一部分平面的水质状态参数，如果某一区域内的水质状态参数在正常范围之内，即再次通过所述光谱单点探测器进行水质状态检测；如果某一区域内的水质状态参数超出正常水质参数区域范围之外，即可通过深度学习方法对当前区域的性状进行分类识别，即可识别出包括水面暗礁及垃圾漂浮物在内的异物；
在本步骤中，所述的特定时间≤(fmax*2)-1，其中fmax为正弦推扫曲线的最大频率；
本水质状态检测装置能检测的水质参数包括：浊度、PH值、COD/BOD/TOC等。
(9)重复以上步骤实现水质状态的光谱单点探测，并可实现水面暗礁、垃圾漂浮物的检测。
本发明通过压电陶瓷驱动阵列精确地控制了光学单点探测器的单点推扫运动，使其推扫频率更高、推扫幅度达到微米级。为了使光谱探测到某一特定水面区域的水质状态参数，仅需要极低成本的MEMS光谱探测器即可实现水质状态单点检测，结合水面运载平台的运动可进一步实现水面暗礁、垃圾漂浮物等异物的检测，避免了水面运载平台在自主移动时触礁，防止了安全事故发生。
所描述的实施例只是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，包括设置在水面运载平台(1)上的多轴旋转支架(2)，其特征在于，还包括压电陶瓷驱动阵列(3)及光学单点探测器(4)，所述压电陶瓷驱动阵列(3)由若干中心对称布置的压电陶瓷驱动器(5)垂直阵列而成，并形成于机械外壳(6)内，所述光学单点探测器(4)与压电陶瓷驱动阵列(3)之间通过承压板(7)连接；所述承压板(7)与光学单点探测器(4)固定连接，与压电陶瓷驱动阵列(3)的机械外壳(6)柔性连接，且压电陶瓷驱动阵列(3)的机械外壳(6)固定在多轴旋转支架(2)上。
2.根据权利要求1所述的压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，其特征在于，所述光学单点探测器(4)包括主控MCU(8)、MEMS光谱探测芯片(9)和光学透镜(10)，所述主控MCU(8)通过SPI总线与MEMS光谱探测芯片(9)电连接，所述MEMS光谱探测芯片(9)的输出端接光学透镜(10)；所述主控MCU(8)与压电陶瓷驱动阵列(3)连接。
3.根据权利要求1或2所述的压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，其特征在于，所述多轴旋转支架(2)安装在水面运载平台(1)的顶部，且其前端无遮挡。
4.根据权利要求2所述的压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，其特征在于，所述光学单点探测器(4)用于进行水质状态单点监测。
5.根据权利要求4所述的压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动阵列(3)驱动MEMS光谱探测芯片(9)局部单点推移，实现水质状态参数的监测，并结合水面运载平台(1)的前、后运动获取全部近地光谱信息。
6.根据权利要求5所述的压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，其特征在于，所述主控MCU(8)通过深度学习方法对水面暗礁、垃圾进行分类识别。
7.根据权利要求1所述的压电驱动局部单点推扫的水质状态探测装置，其特征在于，所述机械外壳(6)和承压板(7)之间通过机械紧固装置(11)进行机械固定。
8.一种基于权利要求1所述装置的推扫方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将压电陶瓷驱动阵列及光学单点探测器通过多轴旋转支架固定在水面运载平台上；
(2)水面无波动时，主控MCU检测所述压电陶瓷驱动阵列输出的压电推移曲线模型，用于后续同步校正与关联，同时将光学透镜的光学参数进行校正，获取包括焦距f在内的校正参数；
(3)利用所述主控MCU发送脉冲控制信号，控制所述压电陶瓷驱动阵列按照特定的压电推扫曲线进行运动，使所述光学单点探测器在预期压电推移曲线上进行周期往复运动；
(4)所述主控MCU根据发送的脉冲控制信号，通过在压电推扫曲线的极值点与零值点处发送采集信号，从而将产生的特定采集时序发送给所述的MEMS光谱探测芯片，MEMS光谱探测芯片实时将相应时间的水质光谱探测数据返回；
(5)根据光学深度探测的原理，将所述压电陶瓷驱动阵列产生的推扫运动幅值δ与光谱线束和水面具体交点处的水面推扫幅值(δh+δl)相对应，在给定深度或通过激光传感的情况下即可通过所述光谱单点探测器感知当前点的水质状态参数；
(6)循环步骤(3)-(5)，不断进行水面扫描，将所有扫描过的点集中在时域内扩展即可形成一条水面推扫曲线，进而获取一个微小的带形区域内的水质状态参数；
(7)通过水面运载平台进行特定状态的运动，结合步骤(6)中获取的带形区域水质参数，即可获取整个平面内的水质状态参数；
(8)利用所述主控MCU，每隔特定时间获取某一部分平面的水质状态参数，如果某一区域内的水质状态参数在正常范围之内，即再次通过所述光谱单点探测器进行水质状态检测；如果某一区域内的水质状态参数超出正常水质参数区域范围之外，即可通过深度学习方法对当前区域的性状进行分类识别，即可识别出包括水面暗礁及垃圾漂浮物在内的异物；
(9)重复以上步骤实现水质状态的光谱单点探测，并可实现水面暗礁、垃圾漂浮物的检测。
9.根据权利要求8所述的推扫方法，其特征在于，在步骤(3)中利用所述主控MCU发送脉冲控制信号，控制所述压电陶瓷驱动阵列按照固定幅值与频率的正弦推扫曲线进行运动。
10.根据权利要求8所述的推扫方法，其特征在于，在步骤(8)中，所述的特定时间≤(fmax*2)-1，其中fmax为正弦推扫曲线的最大频率。
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