CN113155690A - 一种便携式径流泥沙含量检测设备及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式径流泥沙含量检测设备及检测方法，控制红外发射二极管的发射强度，通过红外发射二极管向检测水质发射红外光；控制光敏二极管的输出电压，通过光敏二极管接收红外光反射的光线强度；通过温度传感器检测泥沙含量下的水温，得到径流泥沙含量值和温度值；采用3σ准则对径流泥沙含量值和温度值进行奇异值剔除和数据滤波，构建实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器之间的模型，得到实际径流泥沙含量，实现径流泥沙含量检测。本发明通过数据剔除和数据滤波等数据处理技术，进而构建温度与实际泥沙含量间的模型，能够满足工作人员对径流泥沙含量检测结果准确性高、实时性、易携带的条件。
Description
技术领域
本发明属于生态领域的水保检测技术领域，具体涉及一种便携式径流泥沙含量检测设备及检测方法。
背景技术
水是一切生命体赖以生存的基础，水资源的污染不仅危害人类生命，还严重制约着经济发展和社会效益。水中污染物主要为水中的泥沙含量，对水质进行泥沙含量检测是治理水资源的关键一步。然而，针对流速低、浅窄径流区域的水质进行泥沙含量检测时，现有泥沙含量检测技术大多通过采样、沉淀、过滤、烘干和天平称重等主要步骤，这种水质检测周期长、费时费力、检测结果误差大。
现有的标准径流小区径流泥沙自动监测仪可实现实时监测的径流泥沙监测仪器设备，对径流流量监测的量程受限，但是只适用于监测最大量程为0.5L/s的径流流量。为了更好的治理水资源，需要对对流速低、浅窄径流区域的水质进行检测。
常用的烘干称重法，需要进行采样、沉淀、过滤、烘干和天平称重等主要步骤，水质检测周期长且费时费力，检测人员的工作强度大，检测结果准确度不高，且无法满足相关研究人员对水质检测便捷和检测结果实时性的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种便携式径流泥沙含量检测设备及检测方法，考虑了温度对泥沙含量传感器检测结果的影响，能够满足相关研究人员对检测结果的准确性高和非定点水域水质检测设备携带方便性的要求。
本发明采用以下技术方案：
一种便携式径流泥沙含量检测方法，包括以下步骤：
S1、控制红外发射二极管的发射强度，通过红外发射二极管向检测水质发射红外光；控制光敏二极管的输出电压，通过光敏二极管接收红外光反射的光线强度；通过温度传感器检测泥沙含量下的水温，得到径流泥沙含量值Xi和温度值Ti；
S2、采用3σ准则对步骤S1得到的径流泥沙含量值Xi和温度值Ti进行奇异值剔除和数据滤波，构建实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器之间的模型，得到实际径流泥沙含量Y，实现径流泥沙含量检测。
具体的，步骤S1中，红外发射二极管的发射强度与电流成正比例关系如下：
其中，VCC，Ri分别为输入电压和第i个电阻，IF为正向电流，VF为正向压降。具体的，步骤S1中，光敏二极管的输出电压与光的强度关系如下：
VOUT＝g(β)
其中，g(·)为光线强度和输出电压间函数关系，VOUT为输出电压。
具体的，步骤S2中，奇异值剔除具体为：
其中，X为泥沙量，
为泥沙量均值，i＝1,2,...,N为测量次数。
具体的，步骤S2中，数据滤波具体为：
其中，X为泥沙量，
为测量的均值，δ为允许误差，i＝1,2,...,N为测量次数。
具体的，步骤S2中，实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器之间的模型为：
其中，αj为泥沙含量传感器测得的权重系数，j＝1,2,3,4，Y为实际径流泥沙含量，i＝1,2,...,N为测量次数。
本发明的另一个技术方案是，一种便携式径流泥沙含量检测装置，包括泥沙含量传感器和温度传感器，泥沙含量传感器和温度传感器分别经信号线及电源线与中央处理模块和直流电源连接，中央处理模块连接有显示器和开关。
具体的，泥沙含量传感器和温度传感器设置在隔板上，隔板上连接有长杆，直流电源、中央处理模块、显示器和开关均嵌入设置在长杆上。
进一步的，长杆的端部设置有把手。
具体的，温度传感器采用DS18B20。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种便携式径流泥沙含量检测方法，将检测到的泥沙含量进行奇异值剔除和数据滤波，进一步构建温度变量与实际泥沙含量间的函数模型，提高泥沙含量测量的准确性。
进一步的，确定发射红外光源的发射强度与电流的比例关系，便于径流泥沙含量检测。
进一步的，确定光敏二极管的输出电压与光的强度关系，通过感应红外反射回的光的强度而得到泥沙含量。
进一步的，对测量的泥沙含量数值进行剔除，以便提高检测准确性。
进一步的，对剔除后的泥沙含量数值进行数据滤波，构建更为精准的实际泥沙含量模型。
进一步的，建立实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器之间的模型，进一步提高泥沙含量的测量效率和准确性。
一种便携式径流泥沙含量检测装置，通过泥沙含量传感器和温度传感器经信号线与电源和中央处理单元连接，检测到的结果通过显示屏显示。
进一步的，隔板上载有泥沙含量传感器和温度传感器用于检测泥沙含量和温度值，长杆便于检测径不同深度下的流泥沙含量。
进一步的，长杆的端部设置有把手，方便工作人员手持该检测设备。
进一步的，温度传感器采用DS18B20，具有抗干扰能力强、体积小、精度高等优点。
综上所述，本发明通过数据剔除和数据滤波等数据处理技术，进而构建温度与实际泥沙含量间的模型。因此，该检测设备能够满足工作人员对径流泥沙含量检测结果准确性高、实时性、易携带等条件。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明系统框图；
图2为本发明红外发射二极管并联驱动电路图；
图3为本发明光敏二极管示意图，其中，(a)为驱动电路图，(b)时序图；
图4为本发明泥沙含量传感器图；
图5为本发明DS18B20温度传感器图；
图6为本发明泥沙含量和温度传感器防水外壳设计示意图；
图7为本发明电源电路模块图；
图8为本发明便携式径流泥沙含量检测设备示意图；
图9为本发明泥沙含量显示图，其中，(a)为第一天，(b)为第二天。
其中：1.泥沙含量传感器；2.温度传感器；3.直流电源；4.中央处理器模块；5.显示器；6.开关；7.把手；8.信号线及电源线；9.螺丝；10.前盖；11.透明件压片；12.镜片；13.O型圈；14.透明件安装座；15.光电式PCB上板；16.铜柱；17.光电式PCB下板；18.铜体；19.后盖；20.防水航插座；21.防水接头后部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
请参阅图8，本发明提供了一种便携式径流泥沙含量检测设备，包括长杆和隔板；长杆且与隔板连接，长杆上嵌入设置有开关6、显示器5、中央处理模块4和直流电源3(24V)，隔板上设置有泥沙含量传感器1和温度传感器2，中央处理模块4通过信号线及电源线8分别与开关6、显示器5、直流电源3、泥沙含量传感器1和温度传感器2连接。
泥沙含量传感器1包括6个红外发射二极管(IR)、6个光敏二极管(TR)电阻和三极管，其中，发射二极管与电源和电阻相连，光敏二极管与电阻和电源相连，且三极管与电阻相连。
温度传感器2采用DS18B20，用于完成径流泥沙含量数据的采集工作。
中央处理器模块4包含泥沙含量传感器接口、温度传感器接口、数模转换接口、数码管显示接口，用于对传感器采集的数据进行处理和显示。
显示器5包括泥沙量和温度值两个显示单元，方便使用者记录此时的温度和径流泥沙含量以便更好的了解水质情况。
请参阅图1，本发明便携式径流泥沙含量检测设备包括泥沙量和温度值的获得、构建实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器测量值和温度测量值间的函数模型、实际泥沙量和温度值的显示。
请参阅图2，为红外发射二极管并联驱动电路图，包括直流电源、电阻和红外二极管，红外二极管与电阻和电源相连，用以向径流发射红外线。
请参阅图3，为光敏二极管驱动电路及时序图，驱动电路包括直流电源、三极管、光敏二极管、电阻，光敏二极管与电阻和电源相连，三极管与电阻相连，完成由光信号转变成电信号，其中，图3(a)中，光照强度增强会降低光敏二极管压降，电流增加从而三极管中电流增加，输出电压增加。图3(b)为二极管驱动时序图。
请参阅图4，将红外发射二极管并联驱动电路和光敏二极管驱动电路封装成泥沙含量传感器，用来测量泥沙含量。
请参阅图5，为测量径流温度的DS18B20温度传感器，完成径流温度测量。
请参阅图6，为泥沙含量和温度传感器的防水外壳设计示意图，主要起到防水作用以保护电路；包括：
螺丝9、前盖10、透明件压片11、镜片12、O型圈13、透明件安装座14、光电式PCB上板15、铜柱16、光电式PCB下板17、铜体18、后盖19、防水航插座20和防水接头后部21。
防水外壳从前至后依次包括前盖10、透明件压片11、镜片12、透明件安装座14、铜体18、后盖19、防水航插座20和防水接头后部21；镜片12与透明件安装座14，透明件安装座14与铜体18之间均设置有O型圈13，铜体18内间隔设置有光电式PCB上板15和光电式PCB下板17，光电式PCB上板15和光电式PCB下板17之间、以及光电式PCB下板17与后盖19之间设置有铜柱16，铜体18和后盖19之间设置有O型圈13，前盖10通过螺丝9与透明件安装座14连接，防水航插座20和防水接头后部21通过螺丝9与后盖19连接。
请参阅图7，为直流电源3，用于为电路供电；将直流电压12V通过HT7550-1芯片降到直流电压5V，将直流电压5V通过HT7533-1芯片降到直流电压3.3V，目的是为了满足各个器件对工作电压的要求。
请参阅图9，为该设备检测水质的泥沙含量显示图，横轴表示测量时间，纵轴表示泥沙含量，图9(a)中上面曲线为逐次添加泥土模拟泥沙含量的示意图，下面曲线表示无添加时的泥沙含量示意图；图9(b)按照上述步骤重复该实验，得到的泥沙含量示意图，进一步，验证该发明设备和检测方法的有效性。
本发明一种便携式径流泥沙含量检测方法，包括以下步骤：
S1、数据采集
包括红外发射二极管(如图2所示)和光敏二极管(如图2所示)，通过红外发射二极管向检测水质发射红外光，发射强度与电流成正比例关系如式(1)所示；具有输出特性线性度好响应时间快的特点的光敏二极管(如图3所示)主要是用来“感知”红外光遇到泥沙等物体反射回来的光线强度，输出电压与光的强度间的关系如式(2)所示。温度传感器用来此时泥沙含量下的水温。
VOUT＝g(β) (2)
其中，VCC，Ri，g(·)，VOUT分别为输入电压，第i个电阻，光线强度和输出电压间函数关系，输出电压。
S2、数据处理
首先，将检测设备放置水中10秒，在步骤S1传感器的作用下可得到径流泥沙含量值Xi和温度值Ti；
然后，对测得的数据根据“3σ准则”进行奇异值剔除(如式(3)所示)、数据滤波(如式(4)所示)操作；
最后，构建实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器间的模型(如式(5)所示)
其中，X、
分别为泥沙量和泥沙量测量的均值，Ti为温度值，αj，j＝1,2,3,4为泥沙含量传感器测得的权重系数，δ为允许误差，Y为实际径流泥沙含量，i＝1,2,...,N为测量次数。
S3、数据显示。
将步骤S1得到的数据经处理过后在步骤S2模型的作用下得到实际径流泥沙含量，然后，该实际径流泥沙含量经过中央处理器(STM32)系统上的数码管接口在数码显示管上显示泥沙含量和温度值，方便相关科研人员更好的获得水质信息。
请参阅图9，为了验证本发明的检测装置和检测方法的有效性，首先，选取同一地点的河水装在大小一样的玻璃瓶内(室温26.6℃)，其次，向其中一瓶河水依此添加沙土模拟水质泥沙含量，最后，将本检测装置放在水中进行监测，给出对比实验数据。
图9中，横轴表示时间，纵轴表示泥沙含量。图9(a)为第一天水质检测结果，其中，深色线表示逐次添加泥土模拟水质泥沙量的那瓶水，浅色线表示无添加；图9(b)为第二天水质检测结果，其中，深色线表示逐次添加泥土模拟水质泥沙量的那瓶水，浅色表示无添加；其中，深色线段随着时间延长泥沙含量递增，表明该检测设备和检测方法能够检测水质泥沙含量，同时，通过两天进行实验，根据显示的数据结果能够表征该检测设备的可靠性。因此，本发明检测设备可以应用相关水质检测领域。
综上所述，本发明一种便携式径流泥沙含量检测设备及检测方法，具有携带方便、结果实时性强、准确性高等优势。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种便携式径流泥沙含量检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制红外发射二极管的发射强度，通过红外发射二极管向检测水质发射红外光；控制光敏二极管的输出电压，通过光敏二极管接收红外光反射的光线强度；通过温度传感器检测泥沙含量下的水温，得到径流泥沙含量值Xi和温度值Ti；
S2、采用3σ准则对步骤S1得到的径流泥沙含量值Xi和温度值Ti进行奇异值剔除和数据滤波，构建实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器之间的模型，得到实际径流泥沙含量Y，实现径流泥沙含量检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，红外发射二极管的发射强度与电流成正比例关系如下：
其中，VCC，Ri分别为输入电压和第i个电阻，IF为正向电流，VF为正向压降。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，光敏二极管的输出电压与光的强度关系如下：
VOUT＝g(β)
其中，g(·)为光线强度和输出电压间函数关系，VOUT为输出电压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，奇异值剔除具体为：
其中，X为泥沙量，
为泥沙量均值，i＝1,2,...,N为测量次数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，数据滤波具体为：
其中，X为泥沙量，
为测量的均值，δ为允许误差，i＝1,2,...,N为测量次数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，实际径流泥沙含量与泥沙含量传感器和温度传感器之间的模型为：
其中，αj为泥沙含量传感器测得的权重系数，j＝1,2,3,4，Y为实际径流泥沙含量，i＝1,2,...,N为测量次数。
7.一种便携式径流泥沙含量检测装置，其特征在于，利用权利要求1所述的检测方法，包括泥沙含量传感器(1)和温度传感器(2)，泥沙含量传感器(1)和温度传感器(2)分别经信号线及电源线(8)与中央处理模块(4)和直流电源(3)连接，中央处理模块(4)连接有显示器和开关(6)。
8.根据权利要求7所述的便携式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，泥沙含量传感器(1)和温度传感器(2)设置在隔板上，隔板上连接有长杆，直流电源(3)、中央处理模块(4)、显示器(5)和开关(6)均嵌入设置在长杆上。
9.根据权利要求8所述的便携式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，长杆的端部设置有把手(7)。
10.根据权利要求7所述的便携式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，温度传感器(2)采用DS18B20。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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