CN113155691A - 一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法 - Google Patents

一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法，竖直安装三个泥沙含量传感器，跨区域实时采集水质泥沙含量；将获得的数据依次进行格拉布斯准则剔除奇异值、数据限幅滤波和归一化处理；然后进行数据相关度分析，建立数据回归模型，利用数据回归模型测得河水实际径流泥沙含量。本发明具有数据跨区域传输、实时监管泥沙含量、泥沙含量的历史数据查询的优点。

Description

一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法
技术领域
本发明属于水保检测技术领域，具体涉及一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法。
背景技术
我国河流纵横交错，线形曲折，构成了一个复杂的河流网络。为了更好监测水体质量，对清水和浊水汇合处的水质检测，是治理水资源污染的重要内容。对清水和浊水汇合处来说，不同深度的泥沙含量也有所不同。在进行泥沙含量检测时，工作人员需要测量多个不同水位，并求其均值。然而，由于水位测点任意选择会降低泥沙含量检测结果，并且雨天检测无疑会增加工作人员采集数据的风险、浪费了较大的物力人力。随着经济社会的高速发展，我国对水资源检测管理愈加明显，尤其加强了对水质检测结果准确性的重视。
对泾渭不分的区域进行水质检测时，需要测量多个不同水位，并求其均值。水位测点任意选择会降低泥沙含量检测结果，并且雨天检测无疑会增加工作人员采集数据的风险、浪费了较大的物力人力。
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，提供一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法，针对定点检测径流泥沙含量，提高了水质检测的准确度，同时，跨区域数据传输方便相关部门进行实时监管水资源，为相关研究人员制定保护水资源决策提供了可靠的数据支撑。
本发明采用以下技术方案：
一种矩阵式径流泥沙含量检测方法，在待测水质中竖直安装三个泥沙含量传感器，跨区域实时采集水质泥沙含量；将获得的数据依次进行格拉布斯准则剔除奇异值、数据限幅滤波和归一化处理；然后进行数据相关度分析，建立数据回归模型，利用数据回归模型测得河水实际径流泥沙含量。
具体的，格拉布斯准则剔除奇异值具体为：
Figure BDA0003026084900000021
Figure BDA0003026084900000022
其中，N为实验测量数据次数，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
具体的，数据限幅滤波具体为：
Figure BDA0003026084900000023
其中，ξ为允许误差，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
具体的，归一化处理具体为：
Figure BDA0003026084900000024
其中，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
具体的，数据相关度分析具体为：
Figure BDA0003026084900000025
其中，γ1,2为X1,i和X2,i间的相关度，N为实验测量数据次数，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
具体的，数据回归模型为：
Y＝α1X1+α2X2+α3X3
其中，Y为河水实际径流泥沙含量，αj为相关权重系数值，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
本发明的另一个技术方案是，一种矩阵式径流泥沙含量检测设备，包括泥沙含量传感器，泥沙含量传感器设置在支架上，通过信号线及电源线分别与控制箱和太阳能板连接；控制箱用于处理数据并通过无线信号与阿里云服务器连接；阿里云服务器通过无线信号与电脑连接，用于访问阿里云服务器的数据进而在实时显示水质泥沙含量检测结果。
具体的，泥沙含量传感器包括多个，依次间隔设置在支架上。
具体的，泥沙含量传感器设置在壳体内，壳体从前至后依次包括前盖、透明件压片、镜片、透明件安装座、铜体、后盖、防水航插座和防水接头后部；镜片与透明件安装座，透明件安装座与铜体之间均设置有O型圈，铜体内间隔设置有光电式PCB上板和光电式PCB下板，光电式PCB上板和光电式PCB下板之间、以及光电式PCB下板与后盖之间设置有铜柱，铜体和后盖之间设置有O型圈，前盖通过螺丝与透明件安装座连接，防水航插座和防水接头后部通过螺丝与后盖连接。
具体的，控制箱包括无线信号发射单元，微处理器和直流电源，微处理器用于处理径流泥沙含量值，同时经无线信号发射单元将径流泥沙含量值传递给阿里云服务器，直流电源分别与无线信号发射单元和微处理器连接。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种矩阵式径流泥沙含量检测方法，考虑了水层深度对径流泥沙含量检测结果的影响，则采用3个泥沙含量传感器竖直安装放置检测径流泥沙含量。进一步，通过无线信号用来发射和接收水质泥沙含量检测数据，实现跨区域检测结果实时显示。因此，该发明不仅能够提高径流泥沙含量检测结果准确性，还能实现跨区域传输数据方便相关研究人员监测水的质量。
进一步的，剔除因硬件设备等原因测得的泥沙含量的异值。
进一步的，为了得到更加准确的线性回归模型，需要对剔除后的数值做进一步处理。
进一步的，考虑到不同水位对泥沙含量影响具有不同的权重，基于此，需要对数据滤波之后的数据进行归一化。
进一步的，通过数据相关度分析得到不同水位对泥沙含量影响的权值。
进一步的，根据线性回归模型能够提高泥沙含量测量的准确性。
一种矩阵式径流泥沙含量检测设备，将泥沙含量传感器设置在支架上，通过信号线及电源线分别与控制箱和太阳能板连接；控制箱用于处理数据并通过无线信号与阿里云服务器连接；阿里云服务器通过无线信号与电脑连接，用于访问阿里云服务器的数据进而在实时显示水质泥沙含量检测结果；将测量的泥沙含量进行跨区域的传输，并直观的显示出来，便于相关研究人员实时查看泥沙含量。
进一步的，考虑到水位到泥沙含量测量结果的影响，需要将多个泥沙含量传感器竖直安装。
进一步的，为了保护泥沙含量检测设备，因此，泥沙含量传感器的外壳需要设计成防水壳体。
进一步的，将测量的泥沙含量结果实时传输到阿里云服务器，然后客户端通过访问阿里云服务器，实时显示泥沙含量。
综上所述，本发明通过对数据进行处理得到一个提高泥沙含量检测准确度高的线性回归模型；其次，泥沙含量检测设备将测量的泥沙含量结果通过无线传输至阿里云服务器；最后，客户端通过访问阿里云服务器进行查看泥沙含量。具有数据跨区域传输、实时监管泥沙含量、泥沙含量的历史数据查询等优点。
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为本发明矩阵式径流泥沙含量检测设备系统总体设计示意图；
图2为本发明矩阵式径流泥沙含量检测设备和检测方法示意图；
图3为本发明六个并联的红外发射二极管驱动电路图；
图4为本发明光敏二极管示意图；
图5为本发明泥沙含量传感器示意图；
图6为本发明泥沙含量传感器防水外壳设计示意图；
图7为本发明矩阵式径流泥沙含量检测设备示意图；
图8为本发明中央处理器模块示意图；
图9为本发明电源电路模块示意图；
图10为本发明太阳能蓄能模块示意图；
图11为本发明通信模块示意图；
图12为本发明泥沙含量检测显示图，其中(a)为逐渐增加泥沙时，所测的泥沙含量显示图，(b)为逐渐增加水量时，所测的泥沙含量显示图。
其中：1.泥沙含量传感器；2.控制箱；3.太阳能板；4.无线信号；5.阿里云服务器；6.电脑；7.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，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。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2，本发明提供了一种矩阵式径流泥沙含量检测设备，包括直立支架、3个泥沙含量传感器1、控制箱2、太阳能板3、阿里云服务器5和电脑6。
泥沙含量传感器1依次竖直设置在直立支架上，通过信号线及电源线7分别连接控制箱2和太阳能板3；控制箱2用来处理数据并通过无线信号4与阿里云服务器5连接；电脑6通过无线信号4与阿里云服务器5连接，用于访问阿里云服务器5的数据进而在实时显示水质泥沙含量检测结果，太阳能板3用于提供电能进而节约成本。
其中，泥沙含量传感器1包括红外发射二极管驱动电路和光敏二极管驱动电路，用于检测不同水位下的径流泥沙含量结果，完成数据采集任务，红外发射二极管驱动电路与光敏二极管驱动电路并联到直流电压5V上。
请参阅图3，为红外发射二极管并联驱动电路图，包括二极管和电阻，将6个二极管与电阻进行串联的支路并联到直流电压5V上，其发射的红外光强度与直流电压成成比例关系。
请参阅图4，分为两部分：光敏二极管与电阻和直流电源串联起来，三极管与电阻串联起来。进一步，光敏传感器将上述两部分封装起来。该传感器“感知”反射回来的光线强度，继而将光信号转变成电信号，在根据输出电压与光线强度关系输出电压值。
请参阅图5，由图3和图4构成图5泥沙含量传感器设备用来检测径流泥沙含量完成数据采集工作。
控制箱2包括无线信号发射单元，微处理器和直流电源，微处理器(STM32)用于处理径流泥沙含量值，同时经无线信号发射单元将径流泥沙含量值传递给阿里云服务器5，实现数据处理和数据传输，直流电源(24V)分别与无线信号发射单元和微处理器连接。
请参阅图6，泥沙含量传感器1的外壳包括：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。
光电式PCB上板15和光电式PCB下板17分别为供电板和检测板，进一步，检测板上装有泥沙含量传感器，供电板为泥沙含量传感器提供电能。
请参阅图7，为矩阵式径流泥沙含量检测设备示意图，主要由3个泥沙含量传感器组成，用来处理不同水位下的径流泥沙含量值。
请参阅图8，中央处理器用于完成处理数据和传输数据；泥沙含量传感器测量的结果经过微处理器处理后，通过无线传输模块将测量结果传输至阿里云服务器，电源模块为微处理器等模块提供电能。
请参阅图9，电源电路模块用于保障设备持续工作；其中，直流电压24V与太阳能蓄能模块连接，直流电压5V与泥沙含量传感器相连，直流电压3.3V与微处理器连接。
请参阅图10，太阳能蓄能模块用于给直流电源充电；太阳能蓄能得到的直流电压24V与电源电路模块相连，进一步，将24V直流电压经过电源电路模块降低芯片工作电压。
请参阅图11，是通信模块，完成数据的传输；通信模块与微处理器相连，微处理器处理后的数据经过无线传输模块传输到阿里云服务器。
请参阅图12，为本发明所测的泥沙含量显示图，横轴表示测量时间，纵轴为泥沙含量值，图(a)表示逐渐增加泥沙含量时，上面曲线为本发明测量结果，下面曲线为采用其它检测设备测量的结果；图(b)表示逐渐增加水量时，上面曲线为本发明检测设备测得结果，下面曲线为其它检测设备测量的数值。通过对比可知，本发明的检测设备和方法的有效性和可行性。
本发明考虑了水层深度不同对径流泥沙含量检测结果带来的影响，设计了一种不同深度径流泥沙含量检测的矩阵式径流泥沙含量检测设备和检测方法，与现有检测技术相比，该检测设备具有径流泥沙含量检测结果准确度高、数据传输跨区域大、径流泥沙含量结果实时显示等优势。
请参阅图1，本发明一种矩阵式径流泥沙含量检测方法，包括以下步骤：
S1、数据采集；
泥沙含量传感器的基本原理根据水中的光照强度来测量径流泥沙含量，针对此，该发明考虑了不同水位对泥沙含量传感器检测结果的影响，设计将三个泥沙含量传感器竖直安装且跨区域实时显示水质泥沙含量检测结果的矩阵式径流泥沙含量检测设备和检测方法，提高水质泥沙含量检测结果的准确度。
测得的结果分别为X1,i，X2,i，X3,i，其中，i＝1,2,...,N为实验测量次数。
S2、数据处理；
首先，将步骤S1获得的数据经过格拉布斯准则剔除奇异值、数据限幅滤波和归一化处理；然后，进行数据相关度分析，并建立数据回归模型。
经过格拉布斯准则剔除奇异值
Figure BDA0003026084900000101
Figure BDA0003026084900000102
数据限幅滤波
Figure BDA0003026084900000103
归一化处理，实际径流泥沙含量与不同水位泥沙含量传感器测得数据间的函数如下：
Figure BDA0003026084900000111
进行数据相关度分析，具体为
Figure BDA0003026084900000112
根据数据相关度建立数据回归模型
Y＝α1X1+α2X2+α3X3
其中，N，ξ，γ1,2，αj，Xj，Y，j＝1,2,3分别为实验测量数据次数，允许误差，X1,i和X2,i间的相关度，相关权重系数值，3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，河水实际径流泥沙含量。
S3、数据显示。
首先，将步骤S1获得数据经过步骤S2中的数据奇异值剔除、数据滤波；
然后，在回归模型作用下得到实际径流泥沙含量数值，并通过无线信号将径流泥沙含量值发送到阿里云服务器端；
最后，笔记本电脑访问该服务器进而在电脑端实时的显示水质泥沙含量检测结果。
请参阅图12，为本发明所测的泥沙含量显示图，横轴表示测量时间，纵轴为泥沙含量值，图(a)表示逐渐增加泥沙含量时，上面曲线为本发明测量结果，下面曲线为采用其它检测设备测量的结果；图(b)表示逐渐增加水量时，上面曲线为本发明检测设备测得结果，下面曲线为其它检测设备测量的数值。通过对比可知，本发明的检测设备和方法的有效性和可行性。
综上所述，本发明一种矩阵式径流泥沙含量检测设备及检测方法，由于水位差异对泥沙含量传感器检测结果的影响，且数据通过无线传输模块进行传输，可知，该发明具有泥沙含量检测准确度高、数据跨区域传输、结果历史可查询等优势。
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)

1.一种矩阵式径流泥沙含量检测方法，其特征在于，在待测水质中竖直安装三个泥沙含量传感器，跨区域实时采集水质泥沙含量；将获得的数据依次进行格拉布斯准则剔除奇异值、数据限幅滤波和归一化处理；然后进行数据相关度分析，建立数据回归模型，利用数据回归模型测得河水实际径流泥沙含量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，格拉布斯准则剔除奇异值具体为：
Figure FDA0003026084890000011
Figure FDA0003026084890000012
其中，N为实验测量数据次数，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据限幅滤波具体为：
Figure FDA0003026084890000013
其中，ξ为允许误差，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，归一化处理具体为：
Figure FDA0003026084890000014
其中，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据相关度分析具体为：
Figure FDA0003026084890000015
其中，γ1,2为X1,i和X2,i间的相关度，N为实验测量数据次数，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据回归模型为：
Y＝α1X1+α2X2+α3X3
其中，Y为河水实际径流泥沙含量，αj为相关权重系数值，Xj为3个泥沙含量传感器测得径流泥沙含量值，j＝1,2,3。
7.一种矩阵式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，利用权利要求1所述的方法，包括泥沙含量传感器(1)，泥沙含量传感器(1)设置在支架上，通过信号线及电源线(7)分别与控制箱(2)和太阳能板(3)连接；控制箱(2)用于处理数据并通过无线信号(4)与阿里云服务器(5)连接；阿里云服务器(5)通过无线信号(4)与电脑(6)连接，用于访问阿里云服务器(5)的数据进而在实时显示水质泥沙含量检测结果。
8.根据权利要求7所述的矩阵式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，泥沙含量传感器(1)包括多个，依次间隔设置在支架上。
9.根据权利要求7所述的矩阵式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，泥沙含量传感器(1)设置在壳体内，壳体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。
10.根据权利要求7所述的矩阵式径流泥沙含量检测设备，其特征在于，控制箱(2)包括无线信号发射单元，微处理器和直流电源，微处理器用于处理径流泥沙含量值，同时经无线信号发射单元将径流泥沙含量值传递给阿里云服务器(5)，直流电源分别与无线信号发射单元和微处理器连接。
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CN116415508A (zh) * 2023-06-12 2023-07-11 珠江水利委员会珠江水利科学研究院 一种河口二维泥沙模型生成方法及系统

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