專利名稱：一種光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水體中懸移質(zhì)泥沙濃度測量的裝置及其方法，適用于泥沙顆粒粒徑小于0. 02mm的粉砂含沙量測量。
背景技術(shù)：
含沙量測量是水文測量要素，也是水利工程模型實(shí)驗(yàn)中不可或缺的測量要素，對分析河流演變和解決泥沙問題至關(guān)重要。目前常用測量的方法有烘干稱重法、比重瓶稱重法、光電測沙儀、同位素測沙儀、超聲波測沙儀和激光測沙法。河流懸移質(zhì)泥沙顆粒粒徑多小于0. Olmm,部分河流懸移質(zhì)粒徑更小至0. 004mm,對于該部分懸移質(zhì)泥沙濃度測量,上述方法要么自動化程度低、操作復(fù)雜，要么系統(tǒng)復(fù)雜、價格昂貴；影響了粉砂濃度的精確測量。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種適用于泥沙粒徑小于0. 02mm的粉砂含沙量測量的光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置及其測量方法。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置及其測量方法，基于光的折射定律，光的折射率與密度相關(guān)，密度與含沙量溶液濃度相關(guān)，不同含沙量溶液濃度不同，并存在一定對應(yīng)關(guān)系，因此，光的折射率與泥沙溶液含沙量相對應(yīng)，通過標(biāo)定建立泥沙溶液濃度與折射率的關(guān)系，從而根據(jù)標(biāo)定關(guān)系實(shí)現(xiàn)利用折射率反算泥沙溶液含沙量濃度。光從空氣傳輸至另外一種介質(zhì)時，將發(fā)生折射現(xiàn)象，折射率等于入射角正弦與折射角正弦之比，通過獲取入射角和折射角，可計(jì)算出折射率。折射率與介質(zhì)密度、溫度等參數(shù)相關(guān)，保證溫度等環(huán)境參數(shù)不變，經(jīng)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取折射率與粉砂溶液濃度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，粉砂濃度測量時，激光以固定入射角入射靜止融合液，通過測量折射角，利用標(biāo)定建立的轉(zhuǎn)換關(guān)系即可計(jì)算出溶液泥沙濃度。本發(fā)明的一種光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置，包括測量缸、調(diào)節(jié)基座、黑白線陣CCD模塊和半導(dǎo)體激光器，黑白線陣CCD模塊位于測量缸底部，黑白線陣CCD模塊與激光中心線位于同一平面，黑白線陣CXD模塊通過A/D轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)連接?；谏鲜龉鈱W(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置的測量方法，包括以下步驟第一，調(diào)制若干組均勻的不同濃度的泥沙溶液，供標(biāo)定實(shí)驗(yàn)使用，泥沙溶液濃度《的范圍為0 < CO彡5kg/m3,泥沙溶液濃度CO分別為％、《2、《3、W4......;第二，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將濃度為w工的泥沙溶液裝入測量缸中，泥沙溶液高度為tvh0取值為I 40cm ；第三，半導(dǎo)體激光器發(fā)射出激光，控制調(diào)節(jié)基座使激光以固定角度a照射測量缸中的泥沙溶液，0< a <90°，激光從空氣中進(jìn)入泥沙溶液，產(chǎn)生折射，投射在黑白線陣CXD模塊上，黑白線陣CCD模塊獲取激光光斑中心坐標(biāo)X，計(jì)算得到激光在泥沙溶液中的折射率n，具體方法如下 激光從空氣中進(jìn)入泥沙溶液經(jīng)歷折射，根據(jù)以下關(guān)系式求出泥沙溶液折射率n
權(quán)利要求
1.ー種光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置，其特征在于包括測量缸(I)、調(diào)節(jié)基座(2)、黑白線陣C⑶模塊(3)和半導(dǎo)體激光器(4)，黒白線陣C⑶模塊(3)位于測量缸(I)底部，黒白線陣CXD模塊(3)與激光中心線位于同一平面，黒白線陣CXD模塊(3)通過A/D轉(zhuǎn)換卡(5)與計(jì)算機(jī)(6)連接。
2.基于權(quán)利要求I所述的光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下步驟 第一，調(diào)制若干組均勻的不同濃度的泥沙溶液，供標(biāo)定實(shí)驗(yàn)使用，泥沙溶液濃度《的范圍為0 < to彡5kg/m3,泥沙溶液濃度to分別為w2> o3、o4......; 第二，進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將濃度為Q1的泥沙溶液裝入測量缸(I)中，泥沙溶液高度為tvh0取值為I 40cm ； 第三，半導(dǎo)體激光器(4)發(fā)射出激光，控制調(diào)節(jié)基座(2)使激光以固定角度a照射測量缸(I)中的泥沙溶液，0 < a <90°，激光從空氣中進(jìn)入泥沙溶液，產(chǎn)生折射，投射在黒白線陣CXD模塊(3)上，黒白線陣CXD模塊(3)獲取激光光斑中心坐標(biāo)X，計(jì)算得到激光在泥沙溶液中的折射率n，具體方法如下 激光從空氣中進(jìn)入泥沙溶液經(jīng)歷折射，根據(jù)以下關(guān)系式求出泥沙溶液折射率n Lin^ = (X-X0)ZyI(X-X0)2+H20 I n - sin a / sin p 其中，X是黑白線陣CCD獲取的激光光斑中心投影坐標(biāo)，X。為激光與泥沙溶液表面焦點(diǎn)橫坐標(biāo)，a為入射角，P為折射角； 第四，改變泥沙溶液的濃度《進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，重復(fù)上述第二、第三步驟獲取相應(yīng)的折射率，建立折射率n與對應(yīng)濃度《的相關(guān)關(guān)系 改變泥沙溶液濃度《，入射角a不變，獲取……對應(yīng)的折射率I^n2.n3、n4……，經(jīng)曲線擬合，得到濃度《與折射率n間的相互關(guān)系Co = an3+bn2+cn+d 測量時，獲取折射率n即可計(jì)算出含沙量濃度
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量方法，其特征在于標(biāo)定實(shí)驗(yàn)次數(shù)至少為4組。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)泥沙溶液含沙量測量裝置及其測量方法，測量裝置包括測量缸、調(diào)節(jié)基座、黑白線陣CCD模塊和半導(dǎo)體激光器，黑白線陣CCD模塊位于測量缸底部，黑白線陣CCD模塊通過A/D轉(zhuǎn)換卡與計(jì)算機(jī)連接；測量方法是基于光的折射定律，光的折射率與密度相關(guān)，密度與含沙量溶液濃度相關(guān)，不同含沙量溶液濃度不同，并存在一定對應(yīng)關(guān)系，因此，光的折射率與泥沙溶液含沙量對應(yīng)，通過標(biāo)定建立泥沙溶液濃度與折射率的關(guān)系，從而根據(jù)標(biāo)定關(guān)系實(shí)現(xiàn)利用折射率反算泥沙溶液含沙量濃度。本發(fā)明的測量裝置易于搭建，測量精度及自動化程度高；本發(fā)明的測量方法，原理簡單，易于操作，便于制作適于不同場地使用的含沙量測量儀器，適用性廣泛。
文檔編號G01N15/06GK102645394SQ20121015180
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月16日
發(fā)明者劉芹, 唐洪武, 唐立模, 張匯明, 徐藝緋, 王浩, 陳紅 申請人:河海大學(xué)