CN113447411A - 一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法，包括：超声换能器、光纤传感器和数据处理模块；超声换能器用于向水体中发射超声波；光纤传感器用于接收入射光并感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。本发明可以实现高泥沙浓度条件下水样的泥沙测量工作，泥沙浓度测量范围为10g/l‑500g/l。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，涉及一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法。
背景技术
自然水体中的泥沙含量问题关系到水利机械、农业灌溉、河道演变、航道通航以及生态环境等多方面的问题。泥沙含量的动态测量和标定至关重要。水体中泥沙含量的测定是水质监测的重要指标之一。尤其是在我国的西北地区，黄河的高含沙量一直以来为众多水利学者所关注。
目前测量泥沙浓度主要分为三大类方法。第一种为传统的水样本法。在若干代表垂线上，泊船定时分层采取水样，经实验室分析后采用两点法或三点法等，用2000ml采样器采样；样品分析严格按规范和协议书的要求，在过滤前每个水样都先摇均再量样，过滤中待海水全部滤干后再加蒸馏水冲洗数次盐酸；在实验室中，用马丁炉灰化滤纸，然后用万分之一的分析天平称量，测定泥沙含量，从而求出悬浮泥沙的浓度。这种方法所测结果较为准确，但是操作过程繁琐冗杂，耗时耗力，效率低下，要想测得河道某个断面的泥沙含量浓度，需要多次分层取样。第二类为光学观测法，通过水下光波发射装置向水体发射红外光、射线等光波，光波在泥沙浓度不同的水体中的光透率、折射率、光衰减系数不同，再通过一定的数学函数来计算泥沙浓度。这种方法不必取样，直接将传感探头放入待测水样中即可，效率高，结果较为准确，但是所测结果受到外界因素影响较大且只能观测探头位置所在泥沙浓度，价格较昂贵。第三类方法为声学观测法，通过声波发射装置向水体发射声波，在低浓度条件下，声波遇泥沙颗粒发生后向散射，通过测量接收到散射回来的声波信号的强度大小来标定泥沙含量；在高浓度条件下，声波在泥沙中主要发生衰减作用，泥沙浓度越高，接收到的声波信号强度越小，反之亦然。目前已有的声学观测法所用声波换能器多为压电陶瓷换能器，这种换能器的核心部件是压电晶片。压电晶片可以在外部声压的作用下发生形变，从而将待测的声压信号转化为电信号，再通过解调，过滤信号等措施，得到待测样本泥沙浓度信息。该种换能器的聚焦性能远不如光学仪器，探测精度小，对泥沙颗粒成像时，所成光斑较大，所成泥沙颗粒图像分辨率较低，无法识别高泥沙浓度条件下的泥沙颗粒，图像色彩纯度易饱和，所成泥沙颗粒光斑较暗，无法准确与背景区分，故大多只能适用于低浓度条件下的泥沙测量工作，其测量浓度范围约为5g/l-10g/l，且检测结果受泥沙颗粒大小、速度的影响较大。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法，可以实现高泥沙浓度条件下水样的泥沙测量工作。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，包括：超声换能器、光纤传感器和数据处理模块。
超声换能器用于向水体中发射超声波；
光纤传感器用于接收入射光并感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；
数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。
优选的，还包括光源，光源用于为光纤传感器提供入射光。
优选的，数据处理模块包括波分复用器、光电探测器、图像数据采集卡和计算机；波分复用器对光纤传感器输出的光信号进行解调、光波耦合处理，提取带有超声波信号的光波信号；光电探测器将波分复用器提取的光波信号转换为电信号；图像数据采集卡对光电探测器转换得到的电信号进行数据采集，并传输给计算机处理后成像及水体中泥沙浓度。
优选的，还包括圆环；超声换能器和光纤传感器均设置若干个，超声换能器和光纤传感器沿周向交错布置在圆环内表面。
进一步的，超声换能器和光纤传感器均设置三个，相邻光纤传感器和超声换能器在圆环上的圆心角为度。
优选的，光纤传感器包括光纤纤芯和透声橡胶套管；光纤纤芯沿轴向从透声橡胶套管中心穿过；透声橡胶套管中段内壁上设置有保护层，保护层两端分别连接有与透声橡胶套管呈垂直设置的膜片，光纤纤芯位于保护层与膜片形成的密封腔体内的部分设置有光纤传感探头。
进一步的，光纤传感探头设置多个，光纤传感探头采用串联方式设置。
进一步的，保护层与膜片形成的密封腔体内填充有惰性液体。
一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的方法，基于所述的系统，包括：
将超声换能器和光纤传感器置于水体中；
超声换能器向水体中发射超声波；
光纤传感器接收入射光并探测感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；
数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。
优选的，数据处理模块提取光信号中的超声波频率，并将该超声波频率与超声换能器发射的超声波频率对比，计算泥沙颗粒的运动速度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：一
本发明系统，通过超声波传感器发射超声波作用与泥沙颗粒，光纤传感器探测感知由水下泥沙颗粒反射回来的超声波信号，导致输出光信号的相位，偏振形态产生变化，在高泥沙浓度条件下，反射回来的声波沿程衰减启主导作用，因此泥沙浓度越高，光纤传感器接收到的声压越小，光信号的相位，偏振形态变化越小，反之亦然，根据这个原理得到泥沙浓度。并且本发明通过光纤传感器感知超声波信号，能成像，可以实现水下悬浮泥沙颗粒可视化，更加直观地展现水下泥沙的空间分布状态。本发明可以实现高泥沙浓度条件下水样的泥沙测量工作，泥沙浓度测量范围为10g/l-500g/l。
进一步的，超声换能器和光纤传感器沿周向交错布置在圆环内表面，采用这种环阵换能器排列的方式，相比传统的一维线阵和二维面阵，环阵换能器的单个换能器尺寸较小且为完全轴对称分布，能用较少的阵元数量在中心轴线上产生高分辨率的聚焦声场，有更高的检测信噪比和定量精度。
进一步的，采用密封透声橡胶套管实现密封，使光纤传感器能在水下正常工作。
进一步的，采用多个光纤传感探头串联的方式，使光纤传感器成像更为精准，感测信号更为灵敏。
进一步的，采用惰性液体包裹光纤传感探头，以此增加光纤传感探头感测信号的灵敏程度，同时启到减震的作用，减小光纤传感探头感测信号的误差。
本发明方法，通过超声波传感器发射超声波作用与泥沙颗粒，光纤传感器探测感知由水下泥沙颗粒反射回来的超声波信号，导致输出光信号的相位，偏振形态产生变化，根据这个原理得到泥沙浓度。并且本发明通过光纤传感器感知超声波信号，能成像，可以实现水下悬浮泥沙颗粒可视化，更加直观地展现水下泥沙的空间分布状态。
进一步的，本发明由于声波发射装置和接收装置的位置固定，所接收到的反射波的频率只与泥沙颗粒运动速度有关，光纤传感器接收反射回的不同频率的声波，相对应地，光纤中输出光信号的频率也不同，通过解调光信号，得到相应的声波频移信息，根据多普勒频移方程，计算其频率偏移量，以此可以测得泥沙颗粒的运动速度，测量流速范围约为2m/s-5m/s。
附图说明
图1是泥沙浓度测量原理图：(a)超声波发射及感知；(b)信号处理流程；
图2是测量装置整体示意图；
图3是测量装置(a)轴向剖视图与(b)径向剖视图；
图4是光纤传感器结构示意图；(a)轴向剖面图与(b)径向剖面图；
图5是机柜示意图。
图中：02、第一超声换能器电缆；03、第二超声换能器电缆；04、第一光缆输入端；05、第二光缆输入端；06、第一超声换能器；07、第一光纤传感器；08、第二超声换能器；09、第二光纤传感器；10、第三光纤传感器；11、第三超声换能器；12、机柜；13、机柜门；14、机柜把手；15、计算机；16、波分复用器；17、光电转化器；18、激发电路机箱；19、滚轮；20、惰性液体；21、光纤传感探头；22、密闭不透水空腔；23、保护层；24、透声橡胶套管；25、膜片；27、光纤纤芯；31、橡胶螺帽；32、线缆凹槽；33、圆环。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明利用光纤传感器感知超声波成像来测量高浓度泥沙含量的系统，包括：超声换能器、光纤传感器、数据处理模块、光源。
超声换能器用于向水体中发射超声波；
光源用于为光纤传感器提供入射光；
光纤传感器用于接收光源的入射光并感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；
数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。在高泥沙浓度条件下，反射回来的声波主要作衰减运动，光纤传感器所受声压小，膜片位移小，输出光与输入光信号的相位差与偏振幅度小，对所有数据进行时域和谱分析，得到多条关系曲线，将浓度值-颗粒运动速度和回波信号的特征参数进行对应，利用背向散射法，基于瑞利散射原理，建立含沙量和速度的反演关系式，以此测得泥沙浓度和颗粒运动速度。
如图1中(b)所示，数据处理模块包括波分复用器16、光电探测器17、图像数据采集卡、计算机15；波分复用器16对光纤传感器输出的光信号进行解调、光波耦合处理，提取带有超声信号的光波；光电探测器17将波分复用器16提取的光波转换为电信号；图像数据采集卡对光电探测器17转换得到的电信号进行数据采集，并传输给计算机处理后成像，通过比对处理输入光信号与输出光信号的相位差，偏振幅度，对数据进行时域分析，建立浓度值、颗粒运动速度和回波信号的反演关系，以此来计算泥沙浓度和颗粒运动速度。
如图2、图3和图5，本发明系统的具体结构，包括圆环33、机柜12和计算机15。
圆环33内沿周向交错布置超声换能器和光纤传感器。具体的，圆环33内沿周向依次设置第一超声换能器06、第一光纤传感器07、第二超声换能器08、第二光纤传感器09、第三超声换能器11和第三光纤传感器10。相邻光纤传感器和超声换能器在圆环33上的圆心角为60度。光纤传感器通过圆环33表面小孔伸入圆环33内部，并用橡胶螺帽31固定，接缝处采用密封橡胶圈。
机柜12内设置波分复用器16、光电探测器17和激发电路机箱18。
激发电路机箱18为超声换能器和光纤传感器的激发电路机箱，第一超声换能器06通过第一电缆03与激发电路机箱18连接，第二超声换能器06通过第二电缆02与激发电路机箱18连接，第三超声换能器11通过第三电缆与激发电路机箱18连接。第一光纤传感器07通过第一光缆输入端04与激发电路机箱18连接，输出端光缆布置在凹槽32中，并接入到波分复用器16中，第二光纤传感器09通过第二光缆输入端05与激发电路机箱18连接，输出端与第一光纤传感器布置同理，第三光纤传感器10通过第三光缆输入端与激发电路机箱18连接，输出端与第一光纤传感器布置同理。
为了使光纤传感器能在水下正常工作，该光纤传感器采用封装增敏措施，如图4所示，光纤纤芯27外部采用密封透声橡胶套管24，并且为了承受水压，透声橡胶套管24外部涂覆高强度抗压涂料，通常可选用聚氨酯涂料，该涂料耐低温，可适应水下较低温度；其承压范围最大可达0.5MPa，满足一般河流水深条件。所述光纤传感器采用DFB反馈式双膜结构，即在内部谐振腔两端设置二氧化硅膜片25，具体的，透声橡胶套管24中段内壁上设置有保护层23，保护层23两端分别连接有与透声橡胶套管24呈垂直设置的膜片25，膜片25材料通常为二氧化硅等。
保护层23与膜片25形成的密封腔体内填充有惰性液体20，惰性液体20通常为硅油；从而采用惰性液体20包裹光纤传感探头21，以此增加光纤传感探头21感测信号的灵敏程度，同时启到减震的作用，减小光纤传感探头21感测信号的误差。
透声橡胶套管24与膜片25之间形成密闭不透水空腔22。
为了使光纤传感器成像更为精准，感测信号更为灵敏，采用8个光纤传感探头21串联的方式。即光纤纤芯27沿轴向从透声橡胶套管24中心穿过，光纤纤芯27位于保护层23与膜片25形成的密封腔体内的部分沿轴向依次设置有8个光纤传感探头21。光纤传感探头21采用光纤激光探头，光纤传感器采用微型光纤传感探头，体积小，光纤感应灵敏度高，增益效果好，聚焦性能好，成像光斑小，图像饱和极限高，量程大，可实现高泥沙浓度条件下的测量成像要求。光纤传感器所用光纤纤芯27采用二氧化硅掺杂如铒、钦、镨等稀土族元素作为光纤基质材料，具有极好的温度稳定性，散热快，工作物质的热负荷小，无需冷却系统，能产生高亮度和高峰值率，既是激光的增益介质，也是光的导波介质，制造工艺成熟，可在极其恶劣的条件下工作。
所述光纤传感器选用980nm泵辅光源，该光源所成光束质量好，具有很好的单色性、稳定性、方向性。
圆环33采用聚合材料制成，外表涂覆聚氨酯抗高压涂料，可抗水压高达0.5MPa，抗腐蚀，圆环内径约为5-6cm，长度约为3-4cm；圆环内部设有约为2cm宽的线缆凹槽32，便于输出端光缆安装布置。
所用超声换能器发射超声频率为10MHz，其探测距离可达50-100米，满足一般河流条件；该超声换能器最大承压可达0.5MPa，满足一般河流水深要求；该换能器采用防水密封壳，耐低温，满足水下工作要求。
机柜12设置有机柜门13、机柜把手14，机柜12底部设置滚轮19，方便移动化作业测量。
为了方便说明，图中所示光纤传感器尺寸不代表实际尺寸，光纤传感器外部密封套筒实际尺寸约为3-4cm。
本发明装置可适应水下较低温度，其工作温度范围约为-10℃-50℃；该装置可在水下较大压强下正常工作，其承压最大可达0.5MPa；该装置可适应一般性山区河流及平原河流流速，其适应范围约为2m/s-5m/s；该装置可测量高泥沙浓度含量下的水样，其测量浓度范围约为10g/l-500g/l。
本发明利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的方法，如下：
将超声换能器和光纤传感器置于水体中，打开光源；
超声换能器向水体中发射超声波；
光纤传感器探测感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，并输出光信号给数据处理模块；
数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。
本发明的原理为：本发明通过置于水下的光纤传感器探测感知由水下泥沙颗粒反射回来的超声波信号，声压引起光纤的形变，带动光纤传感器两端的膜片发生振动位移，导致输出光信号的相位，偏振形态产生变化，再通过解调光信号，进行光波耦合处理，提取带有超声信号的光波，由光电探测器转换为电信号，经过数据采集，计算机处理后成像；在高泥沙浓度条件下，反射回来的声波沿程衰减启主导作用，因此泥沙浓度越高，光纤传感器接收到的声压越小，光信号的相位，偏振形态变化越小，反之亦然。本发明泥沙浓度测量范围为10g/l-500g/l。
本发明可同时测得泥沙颗粒的流速等相关信息。超声波在介质中传播时，波源、接收探头、传播介质或散射物质的运动，都会使超声波的频率发生变化，当波源和接收探头位置固定时，频率的改变只与散射物质的运动有关。本发明由于声波发射装置和接收装置的位置固定，所接收到的反射波的频率只与泥沙颗粒运动速度有关，光纤传感器接收反射回的不同频率的声波，相对应地，光纤中输出光信号的频率也不同，通过解调光信号，根据多普勒频移方程，计算频率偏移量，以此可以测得泥沙颗粒的运动速度，测量流速范围约为2m/s-5m/s。
实验过程：
在实验室水槽中，配置待测泥沙样本，泥沙样本浓度为200g/l，水温为4℃，水槽开动后，水槽中水流流速2m/s，水槽水深为2米，将整套测量装置组装连接成功，随后将光纤传感器和超声换能器置于水下1米处，如图2示意图所示。开始测量时，水流沿轴向通过圆环内部，接通电路，超声换能器向泥沙发射超声波，工作频率为10MHz，打开光源，这里光源采用980nm泵辅光源，超声波遇泥沙颗粒反射，反射超声波穿过光纤传感器外部的透声橡胶套筒24，被光纤传感器探头21感知，光纤纤芯27受到反射超声波声压作用发生形变，带动两端膜片25产生位移，导致光纤中传输光的相位、偏振形态发生变化，发生变化后的光信号由输出端传输给波分复用器16，经过解调过滤，提取出含有反射超声波信号的光波，再由光电探测器17将光信号转化为电信号，最后经过计算机15处理得到泥沙光斑图像。通过声衰减原理，在高泥沙浓度条件下，泥沙浓度越高，反射声波强度越弱，光纤传感器所受声压小，膜片位移小，输出光与输入光信号的相位差与偏振幅度小，对所有数据进行时域和谱分析，得到多条关系曲线，将浓度值-颗粒运动速度和回波信号的特征参数进行对应，利用背向散射法，基于瑞利散射原理，建立含沙量反演关系式，以此来计算泥沙浓度；通过光纤传感器接收反射回的不同频率的声波，相对应地，光纤中输出光信号的频率也不同，解调光信号，根据多普勒频移方程，计算多普勒频率偏移量，以此获得泥沙颗粒的运动速度。
综上所述，本发明结构简单，可以实现高含沙率水样的成像要求，能够较为准确直观地观测水下泥沙颗粒的空间分布形态，根据声衰减理论测得泥沙浓度，同时根据接收到声波频率的不同测得泥沙颗粒速度。
Claims (10)
1.一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，包括：超声换能器、光纤传感器和数据处理模块；
超声换能器用于向水体中发射超声波；
光纤传感器用于接收入射光并感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；
数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。
2.根据权利要求1所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，还包括光源，光源用于为光纤传感器提供入射光。
3.根据权利要求1所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，数据处理模块包括波分复用器(16)、光电探测器(17)、图像数据采集卡和计算机(15)；波分复用器(16)对光纤传感器输出的光信号进行解调、光波耦合处理，提取带有超声波信号的光波信号；光电探测器(17)将波分复用器(16)提取的光波信号转换为电信号；图像数据采集卡对光电探测器(17)转换得到的电信号进行数据采集，并传输给计算机(15)处理后成像及水体中泥沙浓度。
4.根据权利要求1所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，还包括圆环(33)；超声换能器和光纤传感器均设置若干个，超声换能器和光纤传感器沿周向交错布置在圆环(33)内表面。
5.根据权利要求4所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，超声换能器和光纤传感器均设置三个，相邻光纤传感器和超声换能器在圆环(33)上的圆心角为(60)度。
6.根据权利要求1所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，光纤传感器包括光纤纤芯(27)和透声橡胶套管(24)；光纤纤芯(27)沿轴向从透声橡胶套管(24)中心穿过；透声橡胶套管(24)中段内壁上设置有保护层(23)，保护层(23)两端分别连接有与透声橡胶套管(24)呈垂直设置的膜片(25)，光纤纤芯(27)位于保护层(23)与膜片(25)形成的密封腔体内的部分设置有光纤传感探头(21)。
7.根据权利要求6所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，光纤传感探头(21)设置多个，光纤传感探头(21)采用串联方式设置。
8.根据权利要求6所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，其特征在于，保护层(23)与膜片(25)形成的密封腔体内填充有惰性液体(20)。
9.一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的方法，其特征在于，基于权利要求1-8任意一项所述的系统，包括：
将超声换能器和光纤传感器置于水体中；
超声换能器向水体中发射超声波；
光纤传感器接收入射光并探测感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；
数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。
10.根据权利要求9所述的利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的方法，其特征在于，数据处理模块提取光信号中的超声波频率，并将该超声波频率与超声换能器发射的超声波频率对比，计算泥沙颗粒的运动速度。
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