專利名稱：一種反射式含沙量測量方法及測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種含沙量測量方法及測量裝置，特別是關于一種適用于高含沙量的反射式含沙量測量方法及測量裝置。
背景技術：
我國是水土流失比較嚴重的國家之一，突出的問題是河流含沙量較高，例如黃河流域，根據《中國河流泥沙公報》資料，1950 2005年黃河干流下游重要水文站實測多年平均輸沙量為9億噸左右，每年的平均含沙量為25kg/m3左右，局部河段可達幾百甚至上千千克每立方米。含沙量的測量是水土流失自動監(jiān)測體系中的重要內容，如何快速、準確、連續(xù)測量含沙量對于土壤侵蝕研究、引水灌溉、港口航運和水利工程運行安全等具有重要意義。目前，測量河流含沙量的方法有直接測量法和間接測量法，直接測量法一般采用 烘干法，烘干法人為因素影響較大，不僅費時費力，而且不能很好地監(jiān)測水流含沙量的動態(tài)變化過程；間接測量法有振動法、超聲波法、激光法、遙感法、光電法和紅外線法等。上述測量方法基本用于測量泥沙含沙量較低的情況，測量精度較高，但是測量范圍有限，特別是含沙量超過50kg/m3時，無法滿足測量要求。與本發(fā)明最接近的技術是紅外測沙儀，它是采用近紅外線后向反射方法或透射方法測量含沙量。通常情況下，紅外測沙儀所能測量的含沙量也在50kg/m3以下，受泥沙組成等的影響較大，不適用于高含沙量的測量。由于我國水土流失嚴重，坡面和河道含沙量均較高，所以限制了紅外測沙儀的應用。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能夠準確、快速測量含沙水流中高含沙量的反射式含沙量測量方法及測量裝置。為實現上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種反射式含沙量測量方法，包括以下步驟1)設置一包括有近紅外傳感器、單片機、光源驅動電路、放大電路和數據采集器的含沙量測量裝置，所述近紅外傳感器包括有光源、光電探測器和玻璃板；2)測量前，對待測的含沙水流的含沙量進行標定試驗，建立標定模型，具體過程為①將近紅外傳感器放置到已知含沙量的水流中，單片機通過光源驅動電路控制光源發(fā)出近紅外光，近紅外光透過玻璃板照射到含沙水流中；②光電探測器接收經泥沙反射的光信號，并將接收到信號轉換成電信號后經放大電路發(fā)送到單片機，經單片機進行A/D轉換后輸出到數據采集器中，數據采集器根據設定的采集時間存儲并顯示反射光的電壓信號強度值；③根據反射光的電壓信號強度值與已知含沙量濃度值之間的關系得到標定模型Y = Ax+B,式中，A和B分別為回歸系數和回歸常數；3)測量時，將近紅外傳感器放置到待測的含沙水流中，重復上述步驟采集經泥沙反射的光信號，并得到反射光的電壓信號強度值，根據所述標定模型，反求出待測含沙水流的含沙量。所述步驟2)中所述標定模型的建立過程為1)將近紅外傳感器固定設置在一攪拌容器中，并向攪拌容器中加入一定量的純凈水，將已知質量的待測含沙水流中的泥沙放入攪拌容器中，得到含有待測泥沙的含沙水流；2)對攪拌容器中的泥沙進行攪拌，通過光源發(fā)出近紅外光照射，數據采集器通過光電探測器采集得到反射光信號的強度值；3)測量完成后，繼續(xù)向攪拌容器中加入已知質量的泥沙，重復步驟2) ；4)根據測量得到的一組反射光信號的強度值Y及對應的含沙量值X，通過擬合，求解得出回歸系數A和回歸常數B，將A和B代入，既求解得到反射光的電壓信號強度值與已知含沙量濃度值之間的關系得到標定模型Y = Ax+B。實現所述測量方法的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于它包括有單片機、光源驅動電路、放大電路和數據采集器；所述近紅外傳感器呈碗狀，所述近紅外傳感器的底部中心設置有一光電探測器，圍繞所述光電探測器的四周內側面上設置有一個以上的光源，與所述光電探測器相對一側設置一玻璃板，使整個所述近紅外傳感器形成一中空密閉結構；所述單片機控制所述光源驅動電路連接所述光源驅動其發(fā)出近紅外光，所述近紅外光經泥沙反射后被所述光電探測器接收，經所述放大電路發(fā)送到所述單片機，所述單片機將接收到的信號進行A/D轉換后發(fā)送到所述數據采集器進行存儲顯示。 所述光源與所述光電探測之間的夾角為45度。所述光源波長采用1800nm和1940nm中的一種以上。所述光源米用基于GaInAsSb型光電二極管。所述光電探測器采用GaInAsSb的TO24型的光電二極管。本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于在含沙水流中設置一個近紅外傳感器，且在其上設置有一個以上光源、一光電探測器和一玻璃板，因此在對含沙水流進行測量時，光電探測器可以直接接收含沙水流中經泥沙反射的光信號，并根據已知的標定模型準確快速地得到含沙量值。2、本發(fā)明由于采用近紅外反射方式對含沙水流中的含沙量進行測量，與已有技術中后向反射方法或透射方法相比，本發(fā)明特別適用于對高含沙量的含沙水流進行測量。3、本發(fā)明的光源波長可以采用1800nm和1940nm中的一種，或者兩種波長組合使用，因此可以根據使用需要，對測量量程進行方便的選擇。4、本發(fā)明的光電探測器采用基于GaInAsSb的TO24型的光電二極管，由于光電二級管具有快速的響應時間，因此本發(fā)明能夠快速、準確的完成含沙量的測量；同時由于采用的光電探測器只接收光源波段的近紅外光，因此不受自然光線的影響。5、本發(fā)明的光源采用基于GaInAsSb型的光電二極管，由于基于GaInAsSb型的光電二極管體積小,耗能少,壽命長,響應速度快，因此本發(fā)明含沙量的測量裝置的穩(wěn)定性良好。本發(fā)明可以廣泛應用于水土流失嚴重的地區(qū)使用，尤其適用于高含沙量的泥沙水流的測量過程中。


圖1(a)是本發(fā)明的測量裝置的結構示意圖；圖1(b)是圖1(a)中近紅外傳感器的左視示意圖；圖2是本發(fā)明的試驗裝置示意圖；圖3是本發(fā)明含沙量與數據采集器讀取的反射光信號強度值之間的關系圖，橫坐標表示含沙量，單位是kg/m3，縱坐標表示反射光信號強度值；圖3(&)采用ISOOnm光源對黃河泥沙的含沙量的測量結果，決定系數R2 = O. 90 ;圖3 (b)是采用1940nm光源對黃河泥沙的含沙量的測量結果，決定系 數R2 = O. 96 ;圖3(c)是采用ISOOnm光源對渭河泥沙的含沙量的測量結果，決定系數R2 = O. 99;圖3(d)采用1940nm光源對渭河泥沙的含沙量的測量結果，決定系數R2 = O. 96 ;圖3(e)是采用ISOOnm光源對天水泥沙的含沙量的測量結果，決定系數R2 = 0.96;圖3(f)是采用1940nm光源對天水泥沙的含沙量的測量結果，決定系數R2 = O. 97 ；圖4是本發(fā)明的實際水流含沙量與采用標定模型計算水流含沙量的結果比較示意圖，“ ”表示黃河泥沙含沙量的計算結果，“ ■”表示渭河泥沙的含沙量的計算結果，“ ▲”表示天水泥沙的含沙量的計算結果，橫坐標表示實際含沙量，單位為kg/m3，縱坐標表示通過標定模型計算得出的計算含沙量，單位是kg/m3;圖4(a)是采用ISOOnm光源的實際水流含沙量與采用標定模型計算得到的含沙量的結果比較圖，三種泥沙實際值和模型計算值均在I : I直線附近，且擬合方程決定系數R2均大于0.91 ;圖4(b)是采用1940nm光源的實際水流含沙量與采用標定模型計算得到的含沙量的結果比較圖，三種泥沙實際值和模型計算值均在I : I直線附近，且擬合方程決定系數R2均大于O. 95。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。含沙水流是泥沙和水組成的固液二相流體，當光照射在含沙水流中時，一部分光線通過含沙水流透射，一部分被水流及泥沙吸收，一部分被水流及泥沙反射。在含沙水流含沙量較小的情況下，大部分光線通過含沙水流透射，只有很少一部分被水流及泥沙反射。隨著含沙量不斷增加，泥沙對光的反射增強，有更多的光被泥沙反射，因此只要能夠測量得到經泥沙反射的光信號的強度，并建立光信號強度與不同水流含沙量的標定模型，通過此標定模型就可以測量出不同含沙水流的含沙量。如圖1(a)所示，本發(fā)明的含沙量測量裝置包括有一近紅外傳感器I、一單片機2、一光源驅動電路3、一放大電路4和一數據采集器5 ;其中，近紅外傳感器I呈碗狀設計，近紅外傳感器I的底部中心(碗底)設置有一光電探測器11，圍繞光電探測器11的四周側面上(碗狀側面上)設置有一個或一個以上的光源12，與光電探測器11相對一側(碗口)設置一玻璃板13，使整個近紅外傳感器I形成一中空密閉結構。單片機2控制光源驅動電路3連接光源12驅動光源發(fā)出近紅外光，近紅外光經泥沙反射后被光電探測器11接收經放大電路4發(fā)送到單片機2，單片機2將接收到的信號進行A/D轉換后發(fā)送到數據采集器5進行存儲顯示。如圖1(b)所示，上述實施例中，為了增強含沙水流中光信號的穩(wěn)定性，近紅外傳感器I的內壁側面可以設置為六面，近紅外傳感器I的底部(碗底)中心設置一光電探測器11，六面的每一面分別間隔設置一光源12，六個光源12可以分成兩組，其中一組光源121可以采用的波長為1800nm，另外一組光源122采用的波長為1940nm，兩組光源中的每一光源分別交替設置，且每一光源與其相鄰的不同光源之間的角度可以設置為60度，且每一光源12與光電探測11之間的夾角設置為45度。光源12的實際數量可以根據需要確定，如果采用一個光源，光源12的波長可以采用1800nm或者1940nm，如果采用兩個或兩個以上的光源，光源12的波長可以采用ISOOnm或1940nm的組合。所有光源12的工作模式選擇恒流源的工作模式，即輸入光源的電流與光源發(fā)出的光強成正比關系。
上述各實施例中，光源12采用基于GaInAsSb型光電二極管，光源12的性能參數為直徑5mm,最大脈沖模式電流1A,最大連續(xù)模式電流220mA,光斑的直徑3_。
上述各實施例中，光電探測器11采用基于GaInAsSb的TO24型的光電二極管，其性能參數為敏感區(qū)域直徑O. 3mm,截止波長2· 4μ m，暗電流O. 7-3 μ Α,峰值波長
2.0-2. 2 μ m ;上述性能參數的光電探測器對1800nm和1940nm波段的光具有很強的感應特性。上述各實施例中，玻璃板13可以采用有機玻璃板。上述各實施例中，光源驅動電路3需要保證光源的輸入電流恒定，因此可以選用脈沖模式發(fā)光，不僅使光源12不受破壞，而且輸入電流和輸出光強有很大提高。上述各實施例中，由于光電探測器11接收到的反射光的信號較微弱，本發(fā)明的放大電路4可以選用二級放大電路4，二級放大電路4可以由兩個單級放大電路構成，輸入信號進入前級輸入端，經放大后進入后級的輸入端，再經過后級放大，使反射光強度信號得到增強，具有高速、低噪音等優(yōu)點，由于采用的二級放大電路為常規(guī)電路，因此不再贅述。如圖1(a)所示，采用上述的含沙量測量裝置對某一含沙水流的含沙量進行測量的方法包括以下步驟I)測量前，對待測的泥沙進行標定試驗，建立標定模型，具體過程為①將近紅外傳感器I放置到已知含沙量的含沙水流中，單片機2通過光源驅動電路3控制所有光源12發(fā)出近紅外光，近紅外光透過玻璃板13照射到含沙水流中；②光電探測器11接收經泥沙反射的光信號，并將接收到信號轉換成電信號后經放大電路4發(fā)送到單片機2，經單片機2進行A/D轉換后輸出到數據采集器中5中，數據采集器5根據設定的采集時間存儲并顯示反射光的電壓信號強度值。③根據反射光的電壓信號強度值與已知含沙量值之間的關系得到標定模型Y =Ax+B,式中，A和B分別為回歸系數和回歸常數。2)測量時，將近紅外傳感器I放置到待測的含沙水流中，重復上述步驟采集經泥沙反射的光信號，并得到反射光的電壓信號強度值，根據上述標定模型，反求出含沙水流的含沙量。如圖3所示，上述實施例中，上述步驟I)中的標定過程為選取待測的含沙水流的泥沙，采用天平稱取過篩并烘干的泥沙重量，將近紅外傳感器I固定設置在一容積為1500mL的試驗用攪拌容器6中，并向攪拌容器6中加入IOOOmL純凈水，將已知質量的泥沙放入到攪拌容器6中，配制成一定濃度的含沙水流，此濃度為含沙水流的含沙量的設計含沙量，實際含沙量為單位含沙水流中泥沙的質量，實際含沙量C的計算公式為
權利要求
1.一種反射式含沙量測量方法，包括以下步驟 1)設置一包括有近紅外傳感器、單片機、光源驅動電路、放大電路和數據采集器的含沙量測量裝置，所述近紅外傳感器包括有光源、光電探測器和玻璃板； 2)測量前，對待測的含沙水流的含沙量進行標定試驗，建立標定模型，具體過程為 ①將近紅外傳感器放置到已知含沙量的水流中，單片機通過光源驅動電路控制光源發(fā)出近紅外光，近紅外光透過玻璃板照射到含沙水流中； ②光電探測器接收經泥沙反射的光信號，并將接收到信號轉換成電信號后經放大電路發(fā)送到單片機，經單片機進行A/D轉換后輸出到數據采集器中，數據采集器根據設定的采集時間存儲并顯示反射光的電壓信號強度值； ③根據反射光的電壓信號強度值與已知含沙量濃度值之間的關系得到標定模型Y=Ax+B,式中，A和B分別為回歸系數和回歸常數； 3)測量時，將近紅外傳感器放置到待測的含沙水流中，重復上述步驟采集經泥沙反射的光信號，并得到反射光的電壓信號強度值，根據所述標定模型，反求出待測含沙水流的含沙量。
2.如權利要求I所述的一種反射式含沙量測量方法，其特征在于所述步驟2)中所述標定模型的建立過程為 1)將近紅外傳感器固定設置在一攪拌容器中，并向攪拌容器中加入一定量的純凈水，將已知質量的待測含沙水流中的泥沙放入攪拌容器中，得到含有待測泥沙的含沙水流； 2)對攪拌容器中的泥沙進行攪拌，通過光源發(fā)出近紅外光照射，數據采集器通過光電探測器采集得到反射光信號的強度值； 3)測量完成后，繼續(xù)向攪拌容器中加入已知質量的泥沙，重復步驟2)； 4)根據測量得到的一組反射光信號的強度值Y及對應的含沙量值X，通過擬合，求解得出回歸系數A和回歸常數B，將A和B代入，既求解得到反射光的電壓信號強度值與已知含沙量濃度值之間的關系得到標定模型Y = Αχ+Β ο
3.實現如權利要求I或2所述測量方法的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于它包括有單片機、光源驅動電路、放大電路和數據采集器；所述近紅外傳感器呈碗狀，所述近紅外傳感器的底部中心設置有一光電探測器，圍繞所述光電探測器的四周內側面上設置有一個以上的光源，與所述光電探測器相對一側設置一玻璃板，使整個所述近紅外傳感器形成一中空密閉結構；所述單片機控制所述光源驅動電路連接所述光源驅動其發(fā)出近紅外光，所述近紅外光經泥沙反射后被所述光電探測器接收，經所述放大電路發(fā)送到所述單片機，所述單片機將接收到的信號進行A/D轉換后發(fā)送到所述數據采集器進行存儲顯示。
4.如權利要求3所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光源與所述光電探測之間的夾角為45度。
5.如權利要求3或4所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光源波長采用1800nm和1940nm中的一種以上。
6.如權利要求3或4所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光源采用基于GaInAsSb型光電二極管。
7.如權利要求5所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光源采用基于GaInAsSb型光電二極管。
8.如權利要求3或4或7所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光電探測器采用GaInAsSb的TO24型的光電二極管。
9.如權利要求5所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光電探測器采用GaInAsSb的TO24型的光電二極管。
10.如權利要求6所述的一種反射式含沙量測量裝置，其特征在于所述光電探測器采用GaInAsSb的TO24型的光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種反射式含沙量測量方法及測量裝置，包括以下步驟1)設置一包括有近紅外傳感器、單片機、光源驅動電路、放大電路和數據采集器的含沙量測量裝置，所述近紅外傳感器包括有光源、光電探測器和玻璃板；2)測量前，對待測的含沙水流的含沙量進行標定試驗，建立標定模型；3)測量時，將近紅外傳感器放置到待測的含沙水流中，重復上述步驟采集經泥沙反射的光信號，并得到反射光的電壓信號強度值，根據所述標定模型，反求出待測含沙水流的含沙量。本發(fā)明可以廣泛應用于水土流失嚴重的地區(qū)使用，尤其適用于高含沙量的泥沙水流的測量過程中。
文檔編號G01N15/06GK102621047SQ20121010135
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權日2012年3月31日
發(fā)明者張宜清, 殷哲, 趙軍, 雷廷武 申請人:中國農業(yè)大學