专利名称：一种反射式含沙量测量方法及测量装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种含沙量测量方法及测量装置，特别是关于一种适用于高含沙量的反射式含沙量测量方法及测量装置。
背景技术：
我国是水土流失比较严重的国家之一，突出的问题是河流含沙量较高，例如黄河流域，根据《中国河流泥沙公报》资料，1950 2005年黄河干流下游重要水文站实测多年平均输沙量为9亿吨左右，每年的平均含沙量为25kg/m3左右，局部河段可达几百甚至上千千克每立方米。含沙量的测量是水土流失自动监测体系中的重要内容，如何快速、准确、连续测量含沙量对于土壤侵蚀研究、引水灌溉、港口航运和水利工程运行安全等具有重要意义。目前，测量河流含沙量的方法有直接测量法和间接测量法，直接测量法一般采用 烘干法，烘干法人为因素影响较大，不仅费时费力，而且不能很好地监测水流含沙量的动态变化过程；间接测量法有振动法、超声波法、激光法、遥感法、光电法和红外线法等。上述测量方法基本用于测量泥沙含沙量较低的情况，测量精度较高，但是测量范围有限，特别是含沙量超过50kg/m3时，无法满足测量要求。与本发明最接近的技术是红外测沙仪，它是采用近红外线后向反射方法或透射方法测量含沙量。通常情况下，红外测沙仪所能测量的含沙量也在50kg/m3以下，受泥沙组成等的影响较大，不适用于高含沙量的测量。由于我国水土流失严重，坡面和河道含沙量均较高，所以限制了红外测沙仪的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够准确、快速测量含沙水流中高含沙量的反射式含沙量测量方法及测量装置。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案一种反射式含沙量测量方法，包括以下步骤1)设置一包括有近红外传感器、单片机、光源驱动电路、放大电路和数据采集器的含沙量测量装置，所述近红外传感器包括有光源、光电探测器和玻璃板；2)测量前，对待测的含沙水流的含沙量进行标定试验，建立标定模型，具体过程为①将近红外传感器放置到已知含沙量的水流中，单片机通过光源驱动电路控制光源发出近红外光，近红外光透过玻璃板照射到含沙水流中；②光电探测器接收经泥沙反射的光信号，并将接收到信号转换成电信号后经放大电路发送到单片机，经单片机进行A/D转换后输出到数据采集器中，数据采集器根据设定的采集时间存储并显示反射光的电压信号强度值；③根据反射光的电压信号强度值与已知含沙量浓度值之间的关系得到标定模型Y = Ax+B,式中，A和B分别为回归系数和回归常数；3)测量时，将近红外传感器放置到待测的含沙水流中，重复上述步骤采集经泥沙反射的光信号，并得到反射光的电压信号强度值，根据所述标定模型，反求出待测含沙水流的含沙量。所述步骤2)中所述标定模型的建立过程为1)将近红外传感器固定设置在一搅拌容器中，并向搅拌容器中加入一定量的纯净水，将已知质量的待测含沙水流中的泥沙放入搅拌容器中，得到含有待测泥沙的含沙水流；2)对搅拌容器中的泥沙进行搅拌，通过光源发出近红外光照射，数据采集器通过光电探测器采集得到反射光信号的强度值；3)测量完成后，继续向搅拌容器中加入已知质量的泥沙，重复步骤2) ；4)根据测量得到的一组反射光信号的强度值Y及对应的含沙量值X，通过拟合，求解得出回归系数A和回归常数B，将A和B代入，既求解得到反射光的电压信号强度值与已知含沙量浓度值之间的关系得到标定模型Y = Ax+B。实现所述测量方法的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于它包括有单片机、光源驱动电路、放大电路和数据采集器；所述近红外传感器呈碗状，所述近红外传感器的底部中心设置有一光电探测器，围绕所述光电探测器的四周内侧面上设置有一个以上的光源，与所述光电探测器相对一侧设置一玻璃板，使整个所述近红外传感器形成一中空密闭结构；所述单片机控制所述光源驱动电路连接所述光源驱动其发出近红外光，所述近红外光经泥沙反射后被所述光电探测器接收，经所述放大电路发送到所述单片机，所述单片机将接收到的信号进行A/D转换后发送到所述数据采集器进行存储显示。 所述光源与所述光电探测之间的夹角为45度。所述光源波长采用1800nm和1940nm中的一种以上。所述光源米用基于GaInAsSb型光电二极管。所述光电探测器采用GaInAsSb的TO24型的光电二极管。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于在含沙水流中设置一个近红外传感器，且在其上设置有一个以上光源、一光电探测器和一玻璃板，因此在对含沙水流进行测量时，光电探测器可以直接接收含沙水流中经泥沙反射的光信号，并根据已知的标定模型准确快速地得到含沙量值。2、本发明由于采用近红外反射方式对含沙水流中的含沙量进行测量，与已有技术中后向反射方法或透射方法相比，本发明特别适用于对高含沙量的含沙水流进行测量。3、本发明的光源波长可以采用1800nm和1940nm中的一种，或者两种波长组合使用，因此可以根据使用需要，对测量量程进行方便的选择。4、本发明的光电探测器采用基于GaInAsSb的TO24型的光电二极管，由于光电二级管具有快速的响应时间，因此本发明能够快速、准确的完成含沙量的测量；同时由于采用的光电探测器只接收光源波段的近红外光，因此不受自然光线的影响。5、本发明的光源采用基于GaInAsSb型的光电二极管，由于基于GaInAsSb型的光电二极管体积小,耗能少,寿命长,响应速度快，因此本发明含沙量的测量装置的稳定性良好。本发明可以广泛应用于水土流失严重的地区使用，尤其适用于高含沙量的泥沙水流的测量过程中。
图1(a)是本发明的测量装置的结构示意图；图1(b)是图1(a)中近红外传感器的左视示意图；图2是本发明的试验装置示意图；图3是本发明含沙量与数据采集器读取的反射光信号强度值之间的关系图，横坐标表示含沙量，单位是kg/m3，纵坐标表示反射光信号强度值；图3(&)采用ISOOnm光源对黄河泥沙的含沙量的测量结果，决定系数R2 = O. 90 ;图3 (b)是采用1940nm光源对黄河泥沙的含沙量的测量结果，决定系 数R2 = O. 96 ;图3(c)是采用ISOOnm光源对渭河泥沙的含沙量的测量结果，决定系数R2 = O. 99;图3(d)采用1940nm光源对渭河泥沙的含沙量的测量结果，决定系数R2 = O. 96 ;图3(e)是采用ISOOnm光源对天水泥沙的含沙量的测量结果，决定系数R2 = 0.96;图3(f)是采用1940nm光源对天水泥沙的含沙量的测量结果，决定系数R2 = O. 97 ；图4是本发明的实际水流含沙量与采用标定模型计算水流含沙量的结果比较示意图，“ ”表示黄河泥沙含沙量的计算结果，“ ■”表示渭河泥沙的含沙量的计算结果，“ ▲”表示天水泥沙的含沙量的计算结果，横坐标表示实际含沙量，单位为kg/m3，纵坐标表示通过标定模型计算得出的计算含沙量，单位是kg/m3;图4(a)是采用ISOOnm光源的实际水流含沙量与采用标定模型计算得到的含沙量的结果比较图，三种泥沙实际值和模型计算值均在I : I直线附近，且拟合方程决定系数R2均大于0.91 ;图4(b)是采用1940nm光源的实际水流含沙量与采用标定模型计算得到的含沙量的结果比较图，三种泥沙实际值和模型计算值均在I : I直线附近，且拟合方程决定系数R2均大于O. 95。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。含沙水流是泥沙和水组成的固液二相流体，当光照射在含沙水流中时，一部分光线通过含沙水流透射，一部分被水流及泥沙吸收，一部分被水流及泥沙反射。在含沙水流含沙量较小的情况下，大部分光线通过含沙水流透射，只有很少一部分被水流及泥沙反射。随着含沙量不断增加，泥沙对光的反射增强，有更多的光被泥沙反射，因此只要能够测量得到经泥沙反射的光信号的强度，并建立光信号强度与不同水流含沙量的标定模型，通过此标定模型就可以测量出不同含沙水流的含沙量。如图1(a)所示，本发明的含沙量测量装置包括有一近红外传感器I、一单片机2、一光源驱动电路3、一放大电路4和一数据采集器5 ;其中，近红外传感器I呈碗状设计，近红外传感器I的底部中心(碗底)设置有一光电探测器11，围绕光电探测器11的四周侧面上(碗状侧面上)设置有一个或一个以上的光源12，与光电探测器11相对一侧(碗口)设置一玻璃板13，使整个近红外传感器I形成一中空密闭结构。单片机2控制光源驱动电路3连接光源12驱动光源发出近红外光，近红外光经泥沙反射后被光电探测器11接收经放大电路4发送到单片机2，单片机2将接收到的信号进行A/D转换后发送到数据采集器5进行存储显示。如图1(b)所示，上述实施例中，为了增强含沙水流中光信号的稳定性，近红外传感器I的内壁侧面可以设置为六面，近红外传感器I的底部(碗底)中心设置一光电探测器11，六面的每一面分别间隔设置一光源12，六个光源12可以分成两组，其中一组光源121可以采用的波长为1800nm，另外一组光源122采用的波长为1940nm，两组光源中的每一光源分别交替设置，且每一光源与其相邻的不同光源之间的角度可以设置为60度，且每一光源12与光电探测11之间的夹角设置为45度。光源12的实际数量可以根据需要确定，如果采用一个光源，光源12的波长可以采用1800nm或者1940nm，如果采用两个或两个以上的光源，光源12的波长可以采用ISOOnm或1940nm的组合。所有光源12的工作模式选择恒流源的工作模式，即输入光源的电流与光源发出的光强成正比关系。
上述各实施例中，光源12采用基于GaInAsSb型光电二极管，光源12的性能参数为直径5mm,最大脉冲模式电流1A,最大连续模式电流220mA,光斑的直径3_。
上述各实施例中，光电探测器11采用基于GaInAsSb的TO24型的光电二极管，其性能参数为敏感区域直径O. 3mm,截止波长2· 4μ m，暗电流O. 7-3 μ Α,峰值波长
2.0-2. 2 μ m ;上述性能参数的光电探测器对1800nm和1940nm波段的光具有很强的感应特性。上述各实施例中，玻璃板13可以采用有机玻璃板。上述各实施例中，光源驱动电路3需要保证光源的输入电流恒定，因此可以选用脉冲模式发光，不仅使光源12不受破坏，而且输入电流和输出光强有很大提高。上述各实施例中，由于光电探测器11接收到的反射光的信号较微弱，本发明的放大电路4可以选用二级放大电路4，二级放大电路4可以由两个单级放大电路构成，输入信号进入前级输入端，经放大后进入后级的输入端，再经过后级放大，使反射光强度信号得到增强，具有高速、低噪音等优点，由于采用的二级放大电路为常规电路，因此不再赘述。如图1(a)所示，采用上述的含沙量测量装置对某一含沙水流的含沙量进行测量的方法包括以下步骤I)测量前，对待测的泥沙进行标定试验，建立标定模型，具体过程为①将近红外传感器I放置到已知含沙量的含沙水流中，单片机2通过光源驱动电路3控制所有光源12发出近红外光，近红外光透过玻璃板13照射到含沙水流中；②光电探测器11接收经泥沙反射的光信号，并将接收到信号转换成电信号后经放大电路4发送到单片机2，经单片机2进行A/D转换后输出到数据采集器中5中，数据采集器5根据设定的采集时间存储并显示反射光的电压信号强度值。③根据反射光的电压信号强度值与已知含沙量值之间的关系得到标定模型Y =Ax+B,式中，A和B分别为回归系数和回归常数。2)测量时，将近红外传感器I放置到待测的含沙水流中，重复上述步骤采集经泥沙反射的光信号，并得到反射光的电压信号强度值，根据上述标定模型，反求出含沙水流的含沙量。如图3所示，上述实施例中，上述步骤I)中的标定过程为选取待测的含沙水流的泥沙，采用天平称取过筛并烘干的泥沙重量，将近红外传感器I固定设置在一容积为1500mL的试验用搅拌容器6中，并向搅拌容器6中加入IOOOmL纯净水，将已知质量的泥沙放入到搅拌容器6中，配制成一定浓度的含沙水流，此浓度为含沙水流的含沙量的设计含沙量，实际含沙量为单位含沙水流中泥沙的质量，实际含沙量C的计算公式为
权利要求
1.一种反射式含沙量测量方法，包括以下步骤 1)设置一包括有近红外传感器、单片机、光源驱动电路、放大电路和数据采集器的含沙量测量装置，所述近红外传感器包括有光源、光电探测器和玻璃板； 2)测量前，对待测的含沙水流的含沙量进行标定试验，建立标定模型，具体过程为 ①将近红外传感器放置到已知含沙量的水流中，单片机通过光源驱动电路控制光源发出近红外光，近红外光透过玻璃板照射到含沙水流中； ②光电探测器接收经泥沙反射的光信号，并将接收到信号转换成电信号后经放大电路发送到单片机，经单片机进行A/D转换后输出到数据采集器中，数据采集器根据设定的采集时间存储并显示反射光的电压信号强度值； ③根据反射光的电压信号强度值与已知含沙量浓度值之间的关系得到标定模型Y=Ax+B,式中，A和B分别为回归系数和回归常数； 3)测量时，将近红外传感器放置到待测的含沙水流中，重复上述步骤采集经泥沙反射的光信号，并得到反射光的电压信号强度值，根据所述标定模型，反求出待测含沙水流的含沙量。
2.如权利要求I所述的一种反射式含沙量测量方法，其特征在于所述步骤2)中所述标定模型的建立过程为 1)将近红外传感器固定设置在一搅拌容器中，并向搅拌容器中加入一定量的纯净水，将已知质量的待测含沙水流中的泥沙放入搅拌容器中，得到含有待测泥沙的含沙水流； 2)对搅拌容器中的泥沙进行搅拌，通过光源发出近红外光照射，数据采集器通过光电探测器采集得到反射光信号的强度值； 3)测量完成后，继续向搅拌容器中加入已知质量的泥沙，重复步骤2)； 4)根据测量得到的一组反射光信号的强度值Y及对应的含沙量值X，通过拟合，求解得出回归系数A和回归常数B，将A和B代入，既求解得到反射光的电压信号强度值与已知含沙量浓度值之间的关系得到标定模型Y = Αχ+Β ο
3.实现如权利要求I或2所述测量方法的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于它包括有单片机、光源驱动电路、放大电路和数据采集器；所述近红外传感器呈碗状，所述近红外传感器的底部中心设置有一光电探测器，围绕所述光电探测器的四周内侧面上设置有一个以上的光源，与所述光电探测器相对一侧设置一玻璃板，使整个所述近红外传感器形成一中空密闭结构；所述单片机控制所述光源驱动电路连接所述光源驱动其发出近红外光，所述近红外光经泥沙反射后被所述光电探测器接收，经所述放大电路发送到所述单片机，所述单片机将接收到的信号进行A/D转换后发送到所述数据采集器进行存储显示。
4.如权利要求3所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光源与所述光电探测之间的夹角为45度。
5.如权利要求3或4所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光源波长采用1800nm和1940nm中的一种以上。
6.如权利要求3或4所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光源采用基于GaInAsSb型光电二极管。
7.如权利要求5所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光源采用基于GaInAsSb型光电二极管。
8.如权利要求3或4或7所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光电探测器采用GaInAsSb的TO24型的光电二极管。
9.如权利要求5所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光电探测器采用GaInAsSb的TO24型的光电二极管。
10.如权利要求6所述的一种反射式含沙量测量装置，其特征在于所述光电探测器采用GaInAsSb的TO24型的光电二极管。
全文摘要
本发明涉及一种反射式含沙量测量方法及测量装置，包括以下步骤1)设置一包括有近红外传感器、单片机、光源驱动电路、放大电路和数据采集器的含沙量测量装置，所述近红外传感器包括有光源、光电探测器和玻璃板；2)测量前，对待测的含沙水流的含沙量进行标定试验，建立标定模型；3)测量时，将近红外传感器放置到待测的含沙水流中，重复上述步骤采集经泥沙反射的光信号，并得到反射光的电压信号强度值，根据所述标定模型，反求出待测含沙水流的含沙量。本发明可以广泛应用于水土流失严重的地区使用，尤其适用于高含沙量的泥沙水流的测量过程中。
文档编号G01N15/06GK102621047SQ20121010135
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月31日 优先权日2012年3月31日
发明者张宜清, 殷哲, 赵军, 雷廷武 申请人:中国农业大学