專利名稱：徑流泥沙組合傳感器及泥沙含量測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
徑流泥沙組合傳感器及泥沙含量測量裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及濃度測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種徑流泥沙組合傳感器及泥沙含量測量裝置。
背景技術(shù)：
[0002]現(xiàn)有技術(shù)中測定泥沙含量的方法主要分為以下三種[0003]一、烘干法。烘干法是應(yīng)用比較廣泛的測定泥沙含量的方法。其設(shè)備簡單，方法易行，精度很高，常被作為評價其他方法的標準，但是烘干測量周期長，勞動強度大，不適于頻繁大量測量。另外，一般實驗在野外完成時會采用酒精燃干法，這種方法對于酒精的純度有有一定的要求，所以也容易產(chǎn)生一定的誤差。一般步驟為取一定體積的含沙水樣，沉淀排水后放入烤箱中加熱除去水分(105°C烘箱中烘Mh以上)，冷卻后測量得到泥沙質(zhì)量。這種方法用公式表示如下式 W[0004]pv =—[0005]其中，P v為含沙量(kg/m3)，W為泥沙重量(kg)，V為水沙混合液體體積(m3)。[0006]二、電容法。電容法測量徑流含沙量是最近提出一種測量方法。電容法利用泥水混合物中泥沙含量的變化引起其電容器介電常數(shù)變化這一電物理學性質(zhì)，從而通過測量電容的變化來測量含沙量變化。李小昱等人用這種測量方法研制了兩種結(jié)構(gòu)形式的電容傳感器平板式與同軸圓筒式。含沙量P與傳感器輸出U之間的關(guān)系為[0007]平板式電容傳感器P = 4. 18U-3168. 41[0008]同軸圓筒式電容傳感器P = 4. 98U-5288. 56[0009]實驗測量了徑流中含沙量與傳感器輸出間的關(guān)系，以及溫度、徑流流速、土壤種類、土壤含鹽量等因素對電容傳感器響應(yīng)特性的影響。結(jié)果表明，水流含沙量與電容傳感器的輸出呈線性關(guān)系傳感器的輸出隨溫度的升高而逐漸增大；流速、土壤種類、土壤含鹽量對傳感器的輸出影響比較小。平板電容之間，盡管其介電常數(shù)與含沙量之間不滿足單調(diào)函數(shù)關(guān)系，但在含沙量未達到賓漢體之前，介電常數(shù)隨泥沙含量的變化呈單調(diào)遞增趨勢。通過試驗驗證平板式電容傳感器的非線性誤差為0.2%，重復(fù)性誤差為0. 13 % ；同軸圓筒式電容傳感器的非線性誤差為0. 1 %，重復(fù)性誤差為0. 1 %。[0010]電容傳感器原理簡單，而且電容測量系統(tǒng)構(gòu)造簡單、成本低、使用安全、響應(yīng)速度快，但是電容受溫度影響較大，并且電容兩端輸出電壓隨溫度、土壤含鹽量升高而呈非線性增加趨勢，使得電容法的測量精度和適用條件受到一定限制。尚未開發(fā)適合野外監(jiān)測過程的傳感器。[0011]三、超聲波法。超聲波法分為超聲波衰減法和超聲波反射法。超聲波衰減法的原理是超聲波在媒質(zhì)中傳播時，由于媒質(zhì)對超聲波的散射、吸收以及超聲波自身的擴散因素， 其能量(振幅、聲強等)隨距離增大而逐漸減小的現(xiàn)象，稱為超聲波的衰減。超聲波法利用這種原理的傳感器來測量含沙水流中超聲波的衰減系數(shù)，計算得到徑流含沙量。方彥軍的研究中提出超聲波衰減法包括單一脈沖波幅度法、比值法和面積比值法。超聲波反射法的原理是利用超聲波由于介質(zhì)濃度不同而反射程度不同，即含沙量不同時超聲波的反射會隨之變化的關(guān)系來測量徑流含沙量。超聲波反射法比較適用于低含沙量的測量，而且測量精度較高，但是測量范圍較小0 3kg/m3。[0012]通過超聲波法測量含沙量時，為保證超聲波經(jīng)衰減和散射后的信號能被接收到， 其強度不能過小。但是超聲波強度較大時，當其穿過懸移質(zhì)溶液時，超聲波會與泥沙顆粒發(fā)生相互作用而產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”而影響泥沙含量，同時還會造成較大泥沙顆粒粉碎而改變原有懸移質(zhì)粒子的粒徑組成。此時用事先標定好的公式來計算含沙量將會產(chǎn)生誤差。實用新型內(nèi)容[0013](一)要解決的技術(shù)問題[0014]本實用新型要解決的技術(shù)問題是擴大近紅外線法測量泥沙含量的測量量程、覆蓋低含沙量至極高含沙量范圍；提高測定泥沙含量的便捷性與準確性，以及實現(xiàn)徑流泥沙的自動測量。[0015](二)技術(shù)方案[0016]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種徑流泥沙組合傳感器，其特征在于， 所述徑流泥沙組合傳感器包括至少兩個泥沙傳感器；每個泥沙傳感器均包括微處理單元、近紅外管發(fā)射陣列組、近紅外管接收陣列組、預(yù)處理單元、以及電源信號接口。所述微處理單元分別與所述預(yù)處理單元、以及近紅外管發(fā)射陣列組、電源信號接口連接，所述預(yù)處理單元與所述近紅外管接收陣列組連接，每個徑流泥沙傳感器的近紅外管發(fā)射陣列組和近紅外管接收陣列組之間的距離不同；[0017]所述微處理單元，用于控制所述近紅外管發(fā)射陣列組開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，接收所述預(yù)處理單元發(fā)送的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述電源信號接口 ；[0018]所述近紅外管發(fā)射陣列組，用于發(fā)射近紅外光；[0019]所述近紅外管接收陣列組，用于接收所述近紅外管發(fā)射陣列組所發(fā)出的近紅外光，并將響應(yīng)信號發(fā)送至所述預(yù)處理單元；[0020]所述預(yù)處理單元，用于將所述響應(yīng)信號依次進行信號放大、濾波和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號發(fā)送至所述微處理單元。[0021]優(yōu)選地，所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器還包括功率放大單元， 設(shè)置在所述微處理單元與所述紅外發(fā)射管組之間，用于提高所述近紅外管發(fā)射陣列組所發(fā)射近紅外光的光強。[0022]優(yōu)選地，所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器還包括手柄，所述微處理單元、預(yù)處理單元、以及功率放大單元設(shè)置于所述手柄中，所述近紅外管發(fā)射陣列組和近紅外管接收陣列組設(shè)置于所述手柄一端，且彼此相對，所述電源信號接口設(shè)置于所述手柄另一端。[0023]優(yōu)選地，所述近紅外管發(fā)射陣列組為多個近紅外管發(fā)射陣列，所述近紅外管接收陣列組為與所述多個近紅外發(fā)射陣列相對應(yīng)的多個近紅外管接收陣列。[0024]本實用新型還公開了一種基于所述的徑流泥沙組合傳感器的泥沙含量測量裝置， 其特征在于，包括徑流泥沙組合傳感器和上位機，所述上位機與所述徑流泥沙組合傳感器的電源信號接口連接，用于發(fā)送控制信號給微處理單元，以操縱近紅外管發(fā)射陣列組開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，接收所述電源信號接口發(fā)送的數(shù)字信號，并根據(jù)所述數(shù)字信號選擇不同的傳感器信號計算不同量程的泥沙含量。[0025](三)有益效果[0026]本實用新型中徑流泥沙組合傳感器通過近紅外管發(fā)射陣列組發(fā)射的近紅外光透射待測泥沙溶液，根據(jù)近紅外管接收陣列組所接收紅外線光的衰減程度計算泥沙含量，提高了測定泥沙含量的準確性，并通過徑流泥沙組合傳感器和上位機配合使用，擴大了近紅外線法測量泥沙含量的測量范圍、以及實現(xiàn)徑流泥沙的自動測量。


[0027]圖1是按照本實用新型一種實施方式的徑流泥沙組合傳感器中一個徑流泥沙傳感器的結(jié)構(gòu)框圖；[0028]圖2是圖1所示的徑流泥沙組合傳感器中一個徑流泥沙傳感器的具體結(jié)構(gòu)示意圖；[0029]圖3是一種基于圖1所示的徑流泥沙組合傳感器的泥沙含量測量裝置的具體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
[0030]
以下結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。[0031]圖1是按照本實用新型一種實施方式的徑流泥沙組合傳感器中一個徑流泥沙傳感器的電路框圖，包括微處理單元1、近紅外管發(fā)射陣列組2、近紅外管接收陣列組3、預(yù)處理單元4、以及電源信號接口 5，所述微處理單元1分別與所述預(yù)處理單元4、以及近紅外管發(fā)射陣列組2、電源信號接口 5連接，所述預(yù)處理單元4與所述近紅外管接收陣列組3連接， 每個徑流泥沙傳感器的近紅外管發(fā)射陣列組2和近紅外管接收陣列組3之間的距離不同；[0032]所述微處理單元1，用于控制所述近紅外管發(fā)射陣列組2開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，接收所述預(yù)處理單元4發(fā)送的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述電源信號接 Π 5 ；[0033]所述近紅外管發(fā)射陣列組2，用于發(fā)射近紅外光；[0034]所述近紅外管接收陣列組3，用于接收所述近紅外管發(fā)射陣列組2所發(fā)出的近紅外光，并將響應(yīng)信號發(fā)送至所述預(yù)處理單元4 ；[0035]所述預(yù)處理單元4，用于將所述響應(yīng)信號依次進行信號放大、濾波和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號發(fā)送至所述微處理單元1。[0036]所述徑流泥沙組合傳感器可在市電和太陽能電池(含備用電)支持下工作。正常情況下，所述徑流泥沙組合傳感器處于休眠狀態(tài)。在有降雨或徑流產(chǎn)生時，所述徑流泥沙組合傳感器開始工作。[0037]考慮光的透射能量強度及光譜實現(xiàn)工藝，采用850nm波長的近紅外管發(fā)射陣列及近紅外管接收陣列來透射含沙水流，為使測量截面上入射光強均勻、測量面積大、測量更具有代表性，優(yōu)選地，所述近紅外管發(fā)射陣列組2為多個近紅外管發(fā)射陣列，所述近紅外管接收陣列組3為與所述近紅外管發(fā)射陣列相對應(yīng)的多個近紅外管接收陣列(本實施方式中， 采用3*3排列的近紅外管發(fā)射陣列和近紅外管接收陣列)。[0038]850nm波長的近紅外管發(fā)射陣列采用1/1000秒工作法，每個采樣測量工作中，發(fā)光管瞬時工作1毫秒，發(fā)光功率最大可以達到20瓦。這樣，既減少功耗，又提高了入射光強度以及測量量程，優(yōu)選地，所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器還包括功率放大單元7，設(shè)置在所述微處理單元1與所述紅外發(fā)射管組2之間，用于提高所述近紅外管發(fā)射陣列組2所發(fā)射近紅外光的光強。[0039]為使所述徑流泥沙傳感器便于攜帶，優(yōu)選地，如圖2所示，所述徑流泥沙傳感器中每個徑流泥沙傳感器還包括手柄8，所述微處理單元1、預(yù)處理單元4、以及功率放大單元7 設(shè)置于所述手柄8中，所述近紅外管發(fā)射陣列組2和近紅外管接收陣列組3設(shè)置于所述手柄8 一端，且彼此相對，所述電源信號接口 5設(shè)置于所述手柄8另一端。[0040]本實用新型還公開了一種基于所述的徑流泥沙傳感器的泥沙含量測量裝置，如圖 3所示，包括徑流泥沙組合傳感器和上位機，所述上位機與所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器的電源信號接口 5連接，用于發(fā)送控制信號給微處理單元1，以操縱近紅外管發(fā)射陣列組2開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，并接收所述電源信號接口 5發(fā)送的數(shù)字信號，根據(jù)所述數(shù)字信號選擇不同的傳感器信號計算不同量程的泥沙含量。[0041]本實用新型還公開了一種基于所述的泥沙含量測量裝置的測量方法，包括以下步驟[0042]Sl 上位機發(fā)送控制信號給微處理單元；[0043]S2 所述微處理單元啟動近紅外管發(fā)射陣列組發(fā)射近紅外光；[0044]S3 近紅外管接收陣列組接收近紅外管發(fā)射陣列組發(fā)射的近紅外光，并將響應(yīng)信號發(fā)送至預(yù)處理單元；[0045]S4 所述預(yù)處理單元對所述響應(yīng)信號進行處理，并將處理得到的數(shù)字信號發(fā)送至上位機；[0046]S5 所述上位機根據(jù)所述數(shù)字信號計算泥沙含量。[0047]步驟Sl之前還包括步驟[0048]SO 對所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥傳感器分別進行標定，以獲得數(shù)字信號與泥沙含量之間的映射關(guān)系(由于本實施方式中，所述徑流泥沙組合傳感器包括四個徑流泥沙傳感器，并且每個徑流泥沙傳感器的測量范圍不同，上位機根據(jù)計算結(jié)果，選擇具有合理測量值的傳感器的輸出值，計算得到泥沙含量，因此，所述上位機計算獲得的穩(wěn)定的泥沙含量即為最終的測量值，所述合理測量值即表示在進行泥沙含量測量時，可能會有兩個徑流泥沙傳感器都獲得了某個泥沙含量值，在這種情況時，采用測量泥沙含量較小的徑流泥沙傳感器進行測量)。[0049]所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器是基于近紅外光在介質(zhì)中傳播會受到介質(zhì)的反射、散射和吸收。由于介質(zhì)不同紅外線的衰減作用程度有所不同，將紅外線透過介質(zhì)后的強弱程度轉(zhuǎn)換成電信號，再將電信號通過校正計算得出與光強的計算公式。 紅外線的衰減取決于紅外線通過的路徑上物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和厚度。當光束透過固定厚度的含沙水，水中的泥沙顆粒使光被吸收、反射和散射。光的衰減和水流中的含沙量有關(guān)。光和泥沙顆粒之間的相互作用還取決于泥沙顆粒大小和光的波長。當泥沙粒徑大于光的波長時，含沙量與光強度的關(guān)系，符合Bear定律[0050]I = I0exp(_a 0cl)[0051]其中，I和Itl是透射光強度和入射光強度(單位時間的光子)；1是光束通過的路徑的長度(m) ；c是溶質(zhì)中物質(zhì)的質(zhì)量濃度(kg/m3) ； a C1是消光系數(shù)(m2/kg)，與物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。[0052]下面的關(guān)系成立[0053]I = I0eiL[0054]其中，I和Itl是透射光強度和入射光強度(單位時間的光子)；1是光束通過的長度(m) 是光強衰減系數(shù)(1/m)，μ = μωΡ, 1^是目標衰減系數(shù)(m2/kg) ；P是溶質(zhì)中物質(zhì)的質(zhì)量濃度(kg/m3) ；e為常數(shù)，其取值與自然對數(shù)的底相同。[0055]含沙水流是由兩種物質(zhì)組成，即液態(tài)水和泥沙顆粒。當光束穿透水和泥沙混合物， 它們的綜合影響，給出如下[0056]I = J[0057]其中，μ 禾Π μ ms是分別對水和泥沙的衰減系數(shù)(m2/kg) ； P w和P s是單位體積混合物中水和泥沙的質(zhì)量濃度(kg/m3)。[0058]Bear定律只是適用于理想狀態(tài)。泥沙的顆粒大小和化學成分在含沙水中的時空變化都會影響含沙量與光強之間的關(guān)系。然而，如果泥沙含量與透射光光強有相關(guān)性，就可以對它進行校準。[0059]根據(jù)上述討論，泥沙含量，顆粒大小以及泥沙顆粒的化學成分都會存在時空變化。 因此，如果泥沙含量與透射光強度具有良好的相關(guān)性，那么含沙量就可以直接從透射光強度得出。[0060]由于所述測量裝置的近紅外發(fā)射陣列組與近紅外管接收陣列組之間的距離不同， 會導(dǎo)致近紅外光的透射能力不同。為獲得更大的測量范圍，優(yōu)選地，如圖3所示，本實施方式中，所述徑流泥沙組合傳感器包括了四個徑流泥沙含量傳感器，并且四個徑流泥沙含量傳感器的近紅外發(fā)射陣列組與近紅外管接收陣列組之間的距離分別為5Cm，3Cm，lCm， 0. 5cm，并依次記為為Cl，C2，C3，C4，根據(jù)多組不同已知泥沙含量的樣品來確定數(shù)字信號與泥沙含量之間的換算關(guān)系，經(jīng)試驗獲得以下公式[0061]測量傳感器Cl的數(shù)字信號與泥沙含量之間的換算公式為[0062]y = 0. 0202χ3+0. 4275χ2_25· 091χ+238. 27[0063]測量傳感器C2的數(shù)字信號與泥沙含量之間的換算公式為[0064]y = 0. 0065χ3-1. 0888χ2+53. 798χ_619· 12[0065]測量傳感器C3的數(shù)字信號與泥沙含量之間的換算公式為[0066]y = 0. 025x3-1. 4149x2+13. 743x+198. 28[0067]測量傳感器C4的數(shù)字信號與泥沙含量之間的換算公式為[0068]y = 2e-0. 6χ3_0· 0031χ2+0. 5716χ+244. 44[0069]其中，χ為所述測量裝置的數(shù)字信號，y為泥沙含量(kg/m3)。[0070]本實施方式的泥沙含量測量裝置使用的Cl，C2，C3，C4四個徑流泥沙含量傳感器的測量范圍不同，分別是0. 05 15kg/m3,3 35kg/m3，20 80kg/m3，80 500kg/m3?？梢苑謩e覆蓋不同泥沙含量的范圍，使得測量范圍可覆蓋從0. 05kg/m3到500kg/m3。本實施方式的泥沙含量測量裝置可以實時、動態(tài)的測量徑流中泥沙含量的變化，為土壤侵蝕動態(tài)過程研究更好提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。[0071] 以上實施方式僅用于說明本實用新型，而并非對本實用新型的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實用新型的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本實用新型的范疇，本實用新型的專利保護范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求1.一種徑流泥沙組合傳感器，其特征在于，所述徑流泥沙組合傳感器包括至少兩個泥沙傳感器；每個泥沙傳感器均包括微處理單元(1)、近紅外管發(fā)射陣列組O)、近紅外管接收陣列組(3)、預(yù)處理單元G)、以及電源信號接口(5)，所述微處理單元(1)分別與所述預(yù)處理單元G)、以及近紅外管發(fā)射陣列組O)、電源信號接口( 連接，所述預(yù)處理單元 (4)與所述近紅外管接收陣列組( 連接，每個徑流泥沙傳感器的近紅外管發(fā)射陣列組(2) 和近紅外管接收陣列組( 之間的距離不同；所述微處理單元(1)，用于控制所述近紅外管發(fā)射陣列組( 開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，接收所述預(yù)處理單元(4)發(fā)送的數(shù)字信號，并將該數(shù)字信號轉(zhuǎn)發(fā)至所述電源信號接口⑶；所述近紅外管發(fā)射陣列組O)，用于發(fā)射近紅外光；所述近紅外管接收陣列組(3)，用于接收所述近紅外管發(fā)射陣列組( 所發(fā)出的近紅外光，并將響應(yīng)信號發(fā)送至所述預(yù)處理單元；所述預(yù)處理單元，用于將所述響應(yīng)信號依次進行信號放大、濾波和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號發(fā)送至所述微處理單元(1)。
2.如權(quán)利要求1所述的徑流泥沙組合傳感器，其特征在于，所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器還包括功率放大單元(7)，設(shè)置在所述微處理單元(1)與所述紅外發(fā)射管組( 之間，用于提高所述近紅外管發(fā)射陣列組( 所發(fā)射近紅外光的光強。
3.如權(quán)利要求2所述的徑流泥沙組合傳感器，其特征在于，所述徑流泥沙組合傳感器中每個徑流泥沙傳感器還包括手柄(8)，所述微處理單元(1)、預(yù)處理單元G)、以及功率放大單元(7)設(shè)置于所述手柄(8)中，所述近紅外管發(fā)射陣列組( 和近紅外管接收陣列組(3)設(shè)置于所述手柄(8) —端，且彼此相對，所述電源信號接口( 設(shè)置于所述手柄(8) 另一端。
4.如權(quán)利要求1 3中任一項所述的徑流泥沙組合傳感器，其特征在于，所述近紅外管發(fā)射陣列組O)為多個近紅外管發(fā)射陣列，所述近紅外管接收陣列組(3)為與所述多個近紅外發(fā)射陣列相對應(yīng)的多個近紅外管接收陣列。
5.一種基于權(quán)利要求1 4任一項所述的徑流泥沙組合傳感器的泥沙含量測量裝置， 其特征在于，包括徑流泥沙組合傳感器和上位機，所述上位機與所述徑流泥沙組合傳感器的電源信號接口( 連接，用于發(fā)送控制信號給微處理單元(1)，以操縱近紅外管發(fā)射陣列組(2)開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，接收所述電源信號接口( 發(fā)送的數(shù)字信號，并根據(jù)所述數(shù)字信號選擇不同的傳感器信號計算不同量程的泥沙含量。
專利摘要本實用新型公開了一種徑流泥沙組合傳感器及泥沙含量測量裝置，涉及濃度測量技術(shù)領(lǐng)域，該測量裝置包括徑流泥沙組合傳感器和上位機，上位機與徑流泥沙組合傳感器的電源信號接口連接，用于發(fā)送控制信號給微處理單元，以操縱近紅外管發(fā)射陣列組開始發(fā)射或停止發(fā)射近紅外光，接收數(shù)字信號，并根據(jù)數(shù)字信號計算泥沙含量。本實用新型中徑流泥沙組合傳感器通過近紅外管發(fā)射陣列組發(fā)射的近紅外光透射待測泥沙溶液，根據(jù)近紅外管接收陣列組所接收紅外線光的衰減程度計算泥沙含量，提高了測定泥沙含量的準確性，并通過徑流泥沙組合傳感器和上位機配合使用，選擇不同的傳感器信號計算不同量程的泥沙含量，擴大了近紅外線法測量泥沙含量的范圍。
文檔編號G01N15/06GK202281739SQ20112031731
公開日2012年6月20日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月26日
發(fā)明者劉琳, 啜瑞媛, 夏衛(wèi)生, 屈麗琴, 趙軍, 雷廷武 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學