CN202281739U - 径流泥沙组合传感器及泥沙含量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种径流泥沙组合传感器及泥沙含量测量装置，涉及浓度测量技术领域，该测量装置包括：径流泥沙组合传感器和上位机，上位机与径流泥沙组合传感器的电源信号接口连接，用于发送控制信号给微处理单元，以操纵近红外管发射阵列组开始发射或停止发射近红外光，接收数字信号，并根据数字信号计算泥沙含量。本实用新型中径流泥沙组合传感器通过近红外管发射阵列组发射的近红外光透射待测泥沙溶液，根据近红外管接收阵列组所接收红外线光的衰减程度计算泥沙含量，提高了测定泥沙含量的准确性，并通过径流泥沙组合传感器和上位机配合使用，选择不同的传感器信号计算不同量程的泥沙含量，扩大了近红外线法测量泥沙含量的范围。

Description

径流泥沙组合传感器及泥沙含量测量装置

技术领域

本实用新型涉及浓度测量技术领域，特别涉及一种径流泥沙组合传感器及泥沙含量测量装置。

背景技术

现有技术中测定泥沙含量的方法主要分为以下三种：

一、烘干法。烘干法是应用比较广泛的测定泥沙含量的方法。其设备简单，方法易行，精度很高，常被作为评价其他方法的标准，但是烘干测量周期长，劳动强度大，不适于频繁大量测量。另外，一般实验在野外完成时会采用酒精燃干法，这种方法对于酒精的纯度有有一定的要求，所以也容易产生一定的误差。一般步骤为：取一定体积的含沙水样，沉淀排水后放入烤箱中加热除去水分(105℃烘箱中烘24h以上)，冷却后测量得到泥沙质量。这种方法用公式表示如下式：

${\mathrm{\ρ}}_v=\frac{W}{V}$

其中，ρ_v为含沙量(kg/m³)，W为泥沙重量(kg)，V为水沙混合液体体积(m³)。

二、电容法。电容法测量径流含沙量是最近提出一种测量方法。电容法利用泥水混合物中泥沙含量的变化引起其电容器介电常数变化这一电物理学性质，从而通过测量电容的变化来测量含沙量变化。李小昱等人用这种测量方法研制了两种结构形式的电容传感器：平板式与同轴圆筒式。含沙量ρ与传感器输出U之间的关系为：

平板式电容传感器ρ＝4.18U-3168.41

同轴圆筒式电容传感器ρ＝4.98U-5288.56

实验测量了径流中含沙量与传感器输出间的关系，以及温度、径流流速、土壤种类、土壤含盐量等因素对电容传感器响应特性的影响。结果表明，水流含沙量与电容传感器的输出呈线性关系：传感器的输出随温度的升高而逐渐增大；流速、土壤种类、土壤含盐量对传感器的输出影响比较小。平板电容之间，尽管其介电常数与含沙量之间不满足单调函数关系，但在含沙量未达到宾汉体之前，介电常数随泥沙含量的变化呈单调递增趋势。通过试验验证平板式电容传感器的非线性误差为0.2％，重复性误差为0.13％；同轴圆筒式电容传感器的非线性误差为0.1％，重复性误差为0.1％。

电容传感器原理简单，而且电容测量系统构造简单、成本低、使用安全、响应速度快，但是电容受温度影响较大，并且电容两端输出电压随温度、土壤含盐量升高而呈非线性增加趋势，使得电容法的测量精度和适用条件受到一定限制。尚未开发适合野外监测过程的传感器。

三、超声波法。超声波法分为超声波衰减法和超声波反射法。超声波衰减法的原理是：超声波在媒质中传播时，由于媒质对超声波的散射、吸收以及超声波自身的扩散因素，其能量(振幅、声强等)随距离增大而逐渐减小的现象，称为超声波的衰减。超声波法利用这种原理的传感器来测量含沙水流中超声波的衰减系数，计算得到径流含沙量。方彦军的研究中提出超声波衰减法包括单一脉冲波幅度法、比值法和面积比值法。超声波反射法的原理是：利用超声波由于介质浓度不同而反射程度不同，即含沙量不同时超声波的反射会随之变化的关系来测量径流含沙量。超声波反射法比较适用于低含沙量的测量，而且测量精度较高，但是测量范围较小：0～3kg/m³。

通过超声波法测量含沙量时，为保证超声波经衰减和散射后的信号能被接收到，其强度不能过小。但是超声波强度较大时，当其穿过悬移质溶液时，超声波会与泥沙颗粒发生相互作用而产生“空化现象”而影响泥沙含量，同时还会造成较大泥沙颗粒粉碎而改变原有悬移质粒子的粒径组成。此时用事先标定好的公式来计算含沙量将会产生误差。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型要解决的技术问题是：扩大近红外线法测量泥沙含量的测量量程、覆盖低含沙量至极高含沙量范围；提高测定泥沙含量的便捷性与准确性，以及实现径流泥沙的自动测量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种径流泥沙组合传感器，其特征在于，所述径流泥沙组合传感器包括：至少两个泥沙传感器；每个泥沙传感器均包括：微处理单元、近红外管发射阵列组、近红外管接收阵列组、预处理单元、以及电源信号接口。所述微处理单元分别与所述预处理单元、以及近红外管发射阵列组、电源信号接口连接，所述预处理单元与所述近红外管接收阵列组连接，每个径流泥沙传感器的近红外管发射阵列组和近红外管接收阵列组之间的距离不同；

所述微处理单元，用于控制所述近红外管发射阵列组开始发射或停止发射近红外光，接收所述预处理单元发送的数字信号，并将该数字信号转发至所述电源信号接口；

所述近红外管发射阵列组，用于发射近红外光；

所述近红外管接收阵列组，用于接收所述近红外管发射阵列组所发出的近红外光，并将响应信号发送至所述预处理单元；

所述预处理单元，用于将所述响应信号依次进行信号放大、滤波和模拟/数字转换，并将转换得到的数字信号发送至所述微处理单元。

优选地，所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器还包括：功率放大单元，设置在所述微处理单元与所述红外发射管组之间，用于提高所述近红外管发射阵列组所发射近红外光的光强。

优选地，所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器还包括：手柄，所述微处理单元、预处理单元、以及功率放大单元设置于所述手柄中，所述近红外管发射阵列组和近红外管接收阵列组设置于所述手柄一端，且彼此相对，所述电源信号接口设置于所述手柄另一端。

优选地，所述近红外管发射阵列组为多个近红外管发射阵列，所述近红外管接收阵列组为与所述多个近红外发射阵列相对应的多个近红外管接收阵列。

本实用新型还公开了一种基于所述的径流泥沙组合传感器的泥沙含量测量装置，其特征在于，包括：径流泥沙组合传感器和上位机，所述上位机与所述径流泥沙组合传感器的电源信号接口连接，用于发送控制信号给微处理单元，以操纵近红外管发射阵列组开始发射或停止发射近红外光，接收所述电源信号接口发送的数字信号，并根据所述数字信号选择不同的传感器信号计算不同量程的泥沙含量。

(三)有益效果

本实用新型中径流泥沙组合传感器通过近红外管发射阵列组发射的近红外光透射待测泥沙溶液，根据近红外管接收阵列组所接收红外线光的衰减程度计算泥沙含量，提高了测定泥沙含量的准确性，并通过径流泥沙组合传感器和上位机配合使用，扩大了近红外线法测量泥沙含量的测量范围、以及实现径流泥沙的自动测量。

附图说明

图1是按照本实用新型一种实施方式的径流泥沙组合传感器中一个径流泥沙传感器的结构框图；

图2是图1所示的径流泥沙组合传感器中一个径流泥沙传感器的具体结构示意图；

图3是一种基于图1所示的径流泥沙组合传感器的泥沙含量测量装置的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

图1是按照本实用新型一种实施方式的径流泥沙组合传感器中一个径流泥沙传感器的电路框图，包括：微处理单元1、近红外管发射阵列组2、近红外管接收阵列组3、预处理单元4、以及电源信号接口5，所述微处理单元1分别与所述预处理单元4、以及近红外管发射阵列组2、电源信号接口5连接，所述预处理单元4与所述近红外管接收阵列组3连接，每个径流泥沙传感器的近红外管发射阵列组2和近红外管接收阵列组3之间的距离不同；

所述微处理单元1，用于控制所述近红外管发射阵列组2开始发射或停止发射近红外光，接收所述预处理单元4发送的数字信号，并将该数字信号转发至所述电源信号接口5；

所述近红外管发射阵列组2，用于发射近红外光；

所述近红外管接收阵列组3，用于接收所述近红外管发射阵列组2所发出的近红外光，并将响应信号发送至所述预处理单元4；

所述预处理单元4，用于将所述响应信号依次进行信号放大、滤波和模拟/数字转换，并将转换得到的数字信号发送至所述微处理单元1。

所述径流泥沙组合传感器可在市电和太阳能电池(含备用电)支持下工作。正常情况下，所述径流泥沙组合传感器处于休眠状态。在有降雨或径流产生时，所述径流泥沙组合传感器开始工作。

考虑光的透射能量强度及光谱实现工艺，采用850nm波长的近红外管发射阵列及近红外管接收阵列来透射含沙水流，为使测量截面上入射光强均匀、测量面积大、测量更具有代表性，优选地，所述近红外管发射阵列组2为多个近红外管发射阵列，所述近红外管接收阵列组3为与所述近红外管发射阵列相对应的多个近红外管接收阵列(本实施方式中，采用3*3排列的近红外管发射阵列和近红外管接收阵列)。

850nm波长的近红外管发射阵列采用1/1000秒工作法，每个采样测量工作中，发光管瞬时工作1毫秒，发光功率最大可以达到20瓦。这样，既减少功耗，又提高了入射光强度以及测量量程，优选地，所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器还包括：功率放大单元7，设置在所述微处理单元1与所述红外发射管组2之间，用于提高所述近红外管发射阵列组2所发射近红外光的光强。

为使所述径流泥沙传感器便于携带，优选地，如图2所示，所述径流泥沙传感器中每个径流泥沙传感器还包括：手柄8，所述微处理单元1、预处理单元4、以及功率放大单元7设置于所述手柄8中，所述近红外管发射阵列组2和近红外管接收阵列组3设置于所述手柄8一端，且彼此相对，所述电源信号接口5设置于所述手柄8另一端。

本实用新型还公开了一种基于所述的径流泥沙传感器的泥沙含量测量装置，如图3所示，包括：径流泥沙组合传感器和上位机，所述上位机与所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器的电源信号接口5连接，用于发送控制信号给微处理单元1，以操纵近红外管发射阵列组2开始发射或停止发射近红外光，并接收所述电源信号接口5发送的数字信号，根据所述数字信号选择不同的传感器信号计算不同量程的泥沙含量。

本实用新型还公开了一种基于所述的泥沙含量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

S1：上位机发送控制信号给微处理单元；

S2：所述微处理单元启动近红外管发射阵列组发射近红外光；

S3：近红外管接收阵列组接收近红外管发射阵列组发射的近红外光，并将响应信号发送至预处理单元；

S4：所述预处理单元对所述响应信号进行处理，并将处理得到的数字信号发送至上位机；

S5：所述上位机根据所述数字信号计算泥沙含量。

步骤S1之前还包括步骤：

S0：对所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥传感器分别进行标定，以获得数字信号与泥沙含量之间的映射关系(由于本实施方式中，所述径流泥沙组合传感器包括四个径流泥沙传感器，并且每个径流泥沙传感器的测量范围不同，上位机根据计算结果，选择具有合理测量值的传感器的输出值，计算得到泥沙含量，因此，所述上位机计算获得的稳定的泥沙含量即为最终的测量值，所述合理测量值即表示在进行泥沙含量测量时，可能会有两个径流泥沙传感器都获得了某个泥沙含量值，在这种情况时，采用测量泥沙含量较小的径流泥沙传感器进行测量)。

所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器是基于近红外光在介质中传播会受到介质的反射、散射和吸收。由于介质不同红外线的衰减作用程度有所不同，将红外线透过介质后的强弱程度转换成电信号，再将电信号通过校正计算得出与光强的计算公式。红外线的衰减取决于红外线通过的路径上物质的结构和厚度。当光束透过固定厚度的含沙水，水中的泥沙颗粒使光被吸收、反射和散射。光的衰减和水流中的含沙量有关。光和泥沙颗粒之间的相互作用还取决于泥沙颗粒大小和光的波长。当泥沙粒径大于光的波长时，含沙量与光强度的关系，符合Bear定律：

I＝I₀exp(-α₀cl)

其中，I和I₀是透射光强度和入射光强度(单位时间的光子)；l是光束通过的路径的长度(m)；c是溶质中物质的质量浓度(kg/m³)；α₀是消光系数(m²/kg)，与物质性质有关。

下面的关系成立：

I＝I₀e^-μL

其中，I和I₀是透射光强度和入射光强度(单位时间的光子)；l是光束通过的长度(m)；μ是光强衰减系数(1/m)，μ＝μ_mρ，μ_m是目标衰减系数(m²/kg)；ρ是溶质中物质的质量浓度(kg/m³)；e为常数，其取值与自然对数的底相同。

含沙水流是由两种物质组成，即液态水和泥沙颗粒。当光束穿透水和泥沙混合物，它们的综合影响，给出如下：

$I=I_0{e}^{-({\mathrm{\μ}}_{\mathrm{mw}}{\mathrm{\ρ}}_w+{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ms}}{\mathrm{\ρ}}_s)L}$

其中，μ_mw和μ_ms是分别对水和泥沙的衰减系数(m²/kg)；ρ_w和ρ_s是单位体积混合物中水和泥沙的质量浓度(kg/m³)。

Bear定律只是适用于理想状态。泥沙的颗粒大小和化学成分在含沙水中的时空变化都会影响含沙量与光强之间的关系。然而，如果泥沙含量与透射光光强有相关性，就可以对它进行校准。

根据上述讨论，泥沙含量，颗粒大小以及泥沙颗粒的化学成分都会存在时空变化。因此，如果泥沙含量与透射光强度具有良好的相关性，那么含沙量就可以直接从透射光强度得出。

由于所述测量装置的近红外发射阵列组与近红外管接收阵列组之间的距离不同，会导致近红外光的透射能力不同。为获得更大的测量范围，优选地，如图3所示，本实施方式中，所述径流泥沙组合传感器包括了四个径流泥沙含量传感器，并且四个径流泥沙含量传感器的近红外发射阵列组与近红外管接收阵列组之间的距离分别为5cm，3cm，1cm，0.5cm，并依次记为为C1，C2，C3，C4，根据多组不同已知泥沙含量的样品来确定数字信号与泥沙含量之间的换算关系，经试验获得以下公式：

测量传感器C1的数字信号与泥沙含量之间的换算公式为：

y＝0.0202x³+0.4275x²-25.091x+238.27

测量传感器C2的数字信号与泥沙含量之间的换算公式为：

y＝0.0065x³-1.0888x²+53.798x-619.12

测量传感器C3的数字信号与泥沙含量之间的换算公式为：

y＝0.025x³-1.4149x²+13.743x+198.28

测量传感器C4的数字信号与泥沙含量之间的换算公式为：

y＝2e-0.6x³-0.0031x²+0.5716x+244.44

其中，x为所述测量装置的数字信号，y为泥沙含量(kg/m³)。

本实施方式的泥沙含量测量装置使用的C1，C2，C3，C4四个径流泥沙含量传感器的测量范围不同，分别是：0.05～15kg/m³，3～35kg/m³，20～80kg/m³，80～500kg/m³。可以分别覆盖不同泥沙含量的范围，使得测量范围可覆盖从0.05kg/m³到500kg/m³。本实施方式的泥沙含量测量装置可以实时、动态的测量径流中泥沙含量的变化，为土壤侵蚀动态过程研究更好提供基础数据。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种径流泥沙组合传感器，其特征在于，所述径流泥沙组合传感器包括：至少两个泥沙传感器；每个泥沙传感器均包括：微处理单元(1)、近红外管发射阵列组(2)、近红外管接收阵列组(3)、预处理单元(4)、以及电源信号接口(5)，所述微处理单元(1)分别与所述预处理单元(4)、以及近红外管发射阵列组(2)、电源信号接口(5)连接，所述预处理单元(4)与所述近红外管接收阵列组(3)连接，每个径流泥沙传感器的近红外管发射阵列组(2)和近红外管接收阵列组(3)之间的距离不同；

所述微处理单元(1)，用于控制所述近红外管发射阵列组(2)开始发射或停止发射近红外光，接收所述预处理单元(4)发送的数字信号，并将该数字信号转发至所述电源信号接口(5)；

所述近红外管发射阵列组(2)，用于发射近红外光；

所述近红外管接收阵列组(3)，用于接收所述近红外管发射阵列组(2)所发出的近红外光，并将响应信号发送至所述预处理单元(4)；

所述预处理单元(4)，用于将所述响应信号依次进行信号放大、滤波和模拟/数字转换，并将转换得到的数字信号发送至所述微处理单元(1)。

2.如权利要求1所述的径流泥沙组合传感器，其特征在于，所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器还包括：功率放大单元(7)，设置在所述微处理单元(1)与所述红外发射管组(2)之间，用于提高所述近红外管发射阵列组(2)所发射近红外光的光强。

3.如权利要求2所述的径流泥沙组合传感器，其特征在于，所述径流泥沙组合传感器中每个径流泥沙传感器还包括：手柄(8)，所述微处理单元(1)、预处理单元(4)、以及功率放大单元(7)设置于所述手柄(8)中，所述近红外管发射阵列组(2)和近红外管接收阵列组(3)设置于所述手柄(8)一端，且彼此相对，所述电源信号 接口(5)设置于所述手柄(8)另一端。

4.如权利要求1～3中任一项所述的径流泥沙组合传感器，其特征在于，所述近红外管发射阵列组(2)为多个近红外管发射阵列，所述近红外管接收阵列组(3)为与所述多个近红外发射阵列相对应的多个近红外管接收阵列。

5.一种基于权利要求1～4任一项所述的径流泥沙组合传感器的泥沙含量测量装置，其特征在于，包括：径流泥沙组合传感器和上位机，所述上位机与所述径流泥沙组合传感器的电源信号接口(5)连接，用于发送控制信号给微处理单元(1)，以操纵近红外管发射阵列组(2)开始发射或停止发射近红外光，接收所述电源信号接口(5)发送的数字信号，并根据所述数字信号选择不同的传感器信号计算不同量程的泥沙含量。 

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