（物理海洋学专业论文）实时无线测沙系统研发及其在环形水槽中的应用.pdf

摘要 环形水槽是研究细颗粒泥沙运动的理想实验装置，但传统的取样测沙方法制 约了它的推广应用，本文以改变环槽传统测沙技术为出发点，研发完全开放式的 实时在线测沙仪器，力求在水槽中实验水样的自然流态下实时测量垂线悬浮泥沙 含量，主要研究内容如下： 首先，从理论上分析了含沙量与光强之间的关系，尝试用红外后向散射方法 在完全开放背景下测量含沙量。采用光源调制的方法并结合独特的光路设计，有 效地避免了背景光的影响，消除水中气泡和有机物质的影响；在发射电路中采取 稳流措施，保证流经发光管的电流不受温度影响，从而保证了光强恒定。对传感 器探头中的红外发光管和光敏二极管分别采用双芯屏蔽线作为信号传输线，以便 微弱的泥沙信号能有效放大。 其次，突破一般设计模式，为光电信号增设信号调理电路，对信号进行放大、 滤波、解调等处理，将信号调整为0 - 5 v 标准电压输出；这一环节与后续的软件 处理环节相配合，能最大限度滤除噪声，提高信噪比，有效保证测量信号的真实 有效性。 最后，采用系统的柔性设计思想，以a t 8 9 s 5 2 单片机为采集电路的核心部件， m a x l 9 7 作a d 采集器件，设计相对独立的单片机数据采集子系统。鉴于环形 水槽旋转运动的特殊工作方式，采用无线传输方式，选用先进的透明接口数传模 块，简化外围电路和程序设计。同时设计了p c 机数据同步分析软件，承担系统 控制、仪器标定和数据分析的任务，极大降低工作量，提高实验效率。 关键词：环形水槽；实时测沙；自动采集；无线传输 a b s t r a c t r o c u l a rf l u m ei si d e a le x p e r i m e n td e v i c et or e s e a r c hf i n eg r a i ns e d i m e n t m o v e m e n t b u ti t s p o p u l a ra p p l i c a t i o n i sr e s t r i c t e df o rt h et r a d i t i o n a i s e d i m e n t - s a m p l i n gm e a s u r e m e n tm e t h o d t h i sp a p e ra i m st oc h a n g et h e t r a d i t i o n a is e d i m e n tm e a s u r e m e n tm e t h o d r e s e a r c h e st h ec o m p l e t e l yo p e n r e a l - t i m eo n l i n es e d i m e n tm e a s u r e m e n td e v i c ew h i c hc a nm e a s u r et h ev e r t i c a l s u s p e n d e ds e d i m e n to ft h ef l u m ew a t e rs a m p l i n gi nt h en a t u r a if l o wp a t t e r n t h em a i nt o p i c sa r ea sf o i l o w i n g s ： f i r s t l y t h er e l a t i o no fs e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n d i g h ti n t e n s i t yi sa n a l y z e d t h e o r e t i c a l l y t h ei n f r a r e db a c k w a r dd i s p e r s i o nm e t h o dl su s e dt om e a s u r et h e s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o nu n d e rt h e c o m p l e t e l yo p e n c i r c u m s t a n c e t h e i n f l u e n c eo fb a c ki i g h t a i rb u b b l e sa n do r g a n i cm a t t e ri sa v o i d e db yu s i n gt h e i i g h ts o u r c em o d u l a t e dm e t h o da n dt y p i c a lo p t i c sd e s i g n t h ep e r m a n e n tf l o w m e t h o dl nt h et r a n s m i t t i n gc i r c u i ti su s e dt om a k et h ei i g h ti n t e n s i t yu n c h a n g e d a n dg u a r a n t e ee l e c t r i cc u r r e n ti nt h el u m i n o t r o nn o ti n f l u e n c e db yt e m p e r a t u r e d o u b l e - c o r es h i e l di i n ei nt h ei n f r a r e di u m i n o t r o na n dd h o t o s e n s i t l v ed i o d ei s u s e dt ow e a k e nt h es e d i m e n ts i g n a l s s e c o n d l y , s e v e r a iu n u s u a lm e t h o di su s e di nt h ep a p e r , s u c ha s ：s i g n a l o p s o n i cc i r c u i ti sa d d e di np h o t os i g n a l t oi n c r e a s e 。f i l t e r , d e m o d u l a t es i g n a l s ， a n dt h es i g n a l si sa d j u s t e dt ot h es t a n d a r dv o l t a g eo u t p u t ( 0 5 v ) ：t h i sm e t h o d l sc o m b i n e dw i t ht h es o f tp r o g r a mt of i l t e rt h en o i s eb yt h eg r e a t e s te x t e n t i n c r e a s et h e s i g n a l - t o n o i s e ，g u a r a n t e et h er e a l i t y a n dv a l i d i t yo ft h e m e a s u r e m e n ts i g n a l se f f e c t i v e l y f i n a l l y , t h i sp a p e ru s e st h es y s t e m i cf l e x i b l ed e s i g ni d e a t a k e st h e a t 8 9 s 5 2s i n g l e c h i pa st h ec o r ep a r t so fc o l l e c t i o np a r t s t a k e sm a x l9 7 a sa ，d c o l l e c t i o np a r t s 。d e s i g n sr e l a t i v e l yi n d e p e n d e n ts i n g l e c h i pd a t ac o l l e c t i o n s u b s y s t e m w i r e l e s st r a n s m i s s i o ni su s e df o rt h et y p i c a lw o r k i n gm a n n e ro f t h e r o c u l a rf l u m e a d v a n c e dt r a n s p a r e n ti n t e r f a c em o d e mm o d u l ei su s e dt o s i m p l i r yt h ep e r i p h e r yc i r c u i ta n dp r o g r a md e s i g n ；t h ep cd a t aa n a l y z i n gs o f t p r o g r a m ，w h i c hl sd e s i g n e dt oc o n t r o lt h es y s t e m ，d e m a r c a t e st h ed e v i c ea n d a n a l y z et h ed a t a d r a m a t i c a l l yr e d u c e st h ev o l u m eo fw o r k ，r a i s e se x p e r i m e n t e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：r o c u l a rf l u m e ；r e a l t i m e s e d i m e n tm e a s u r e m e n t ；a u t o m a t i c c o l l e c t i o n ；w i r e l e s st r a n s m i s s i o n 前言 第一章前言 1 1 研究背景及意义 我国河流众多，这些河流分布在我雹广阔的士地上，存在两个突出的特点： 一个特点是水资源在时空上分布极不均匀：另一个特点是不少的河流，特别是北 方河流，水流失严重，大量的泥沙从流域内侵蚀而下，并被输移到河流中，使 得河流挟带了大量的泥沙造成河道和水库的严重淤积抬高，这不仅给水利水电 工程建设带来了许多问题，也给河道防洪、沿岸工农业发展和人民生活带来了严 重的影响。水资源和泥沙的不均匀分布使我国江河治理工作变得异常复杂，在许 多江河的治理中仅考虑水资源，或仅考虑泥沙都难以从根本上解决问题，而需要 将水、沙资源综合考虑。与水资源问题相比，泥沙问题在我国尤为突出，许多江 河流域内水土流失严重，据统计全国水土滚失面积为1 8 0 多万，约占全国国土面 积的18 7 ，其中七大江河水土流失两积约占总流失面积的8 6 以上，据不完 全统计，全国主要江河多年平均输沙量约为2 7 亿t ，而世界各国主要河流的输沙 量约为3 6 亿t ，可见我国江河泥沙问题的严重性江河挟带的大量泥沙，造成了 河道与水库长期的累积性淤积，随着国民经济建设的迅猛发展，人类活动对河流 的来水来沙产生了重要的影响，使得这一情况更加恶化【l 】【“。因此，泥沙问题是 河流发展演变、规划治理及综合利用的一个重要问题。 长江、黄河等主要河流挟带的泥沙也是粘性细颗粒泥沙，而我国海岸线有三 分之一是淤泥质海岸，所以研究细颗粒泥沙的特性是解决港口回淤、土地圜垦、 海岸河口演变的重要手段p 】。淤泥质泥沙颗粒沉降速度很小，在试验室内进行水 流泥沙沉降试验，完成全部沉降过程需要很长的水槽，普通的直槽通常不能满足 距离要求，而且用直槽研究粘性泥沙会带来水泵搅动破坏絮团的问题。环形水槽 装置把直槽的长度尺度转换为时间尺度，以模拟无限长的均匀水流，能满足细颗 粒泥沙絮凝沉降所需的距离要求，因此是研究细颗粒泥沙运动的理想装置。 从已有资料看，各国的环形水槽外形尺寸，控制运动形式虽不完全相同，但 基本构造大致是相同的，即都由环形槽、剪力环和使环形槽、剪力环运转的驱动 部三部分组成5 1 ，见圈l ： 硕士研究生学位论文环形水榴实时无线测沙系统研究与开发 图1 环彤水槽结构图 下盘底板上安装两个直径分别为1 0 8 c m 和1 5 0 c m 有机破璃同心圆环，成为 水槽的内壁和外壁，两壁之间宽( 即水槽宽) 为2 l c m ，壁高4 1 c m ，上盘的高度可 以调节以控制水潦上下盘各由一台无级调速直流电动机带动水槽工作时将 水注入水槽至预定深度，并将上盘置于水面上下盘同时反向转动，在上下盘切 力作用下。产生水流运动。水槽外侧面沿槽商每隔2 c m 设有取水嘴，内侧设有 流速仪安放槽坤j 。 坏形水槽能产生进行泥沙水力特性试验所要求的均匀紊动水流： a 当环形槽转动时，由相对运动原理。水槽内便形成与永槽运转方向相反的 水流。同时受离心力的作用，产生向外的横向次流。这种运动状态下泥沙靠水槽 外侧运动，如图2 a ； b - 5 剪力环嵌入水槽并和槽内水面接触运转时，受环圈剪切的作用，水槽内 便形成与剪力环运转方向相同的水流。与此同时，由于沿槽览受环圈剪切作用大 小的差异( 外侧大内则小) ，产生向内的横向次流。这种运动状态下泥沙靠水槽内 侧运动，如图2 - b ； c 若使剪力环和环形槽以一定比例的旋转速度同时转动，且其转动方向相 反，则水槽内的横向次流大部分互相抵消，限制在很小的程度上。而合成较均匀 的紊动水流。在这种水流作用下泥沙便会如图2 c 所示的路线运动。 圈2 环聪水槽内形成均匀紊流原理 因此，在环形水槽使用前，只要先利用塑料沙等示踪物进行率定，确定出环 形槽运转周期t r 与剪力环相对应的运转周期t t 的关系 5 】，就能在水槽中产生泥 沙实验要求的无限均匀流。另外由于水槽体积小，实验所霈沙量少，盐水量少， 所以可精确模拟现场环境的不同流速、不同含沙量、不同盐度条件下泥沙的起动 流速、动水沉速、冲刷率等，进行实验研究【6 】。 长时间以来，含沙量的测量都是采用取样称重的方法，如图3 所示，在水槽 的外环沿垂向呈弧形安装着一列取样橡胶管，器有钢夹作取样开关，取样方法是 在水槽旋转过程中，实验人员一手拿取样瓶，一手打开橡胶管上的钢夹跟随水槽 取样，取水量要合适，以便比薰称量。这只是取到了单点的水样，如果需要测垂 线含沙量，更是需要多人同时拿瓶跟随取样。 圈3 环形水榴传统取样测沙方法 这种方法的缺点在于： 随机误差大：虽然现在的电子天平技术可以让称量的精确度很高，可是 在取样过程本身就存在着人为误差影响大的问题，比如多人取样时间不 同，实验水槽由于水沙量逐渐减少改变水流天然流态等。 连续性差，耗时长：只能勉强应对已经处于相对平衡状态的含沙量测量， 而对瞬时发生的泥沙脉动现象无能为力，而且在浑水模型试验中，要研究 含沙水流的瞬时浓度、垂线分布及沿时间的变化过程，取样的方法就显德 力不从，t j , - f t 7 】； 与现代实验技术脱轨：出于取样的全人工实施。使含沙量成为孤立的参 数，不能将悬浮泥沙浓度参数( s s c ) 与泥沙粒径，流速，含卉 ；：度，温 度等参数综合地分析，极大地限制了实验数据对理论研究的作用。 由于实验技术的制约，使得环形水槽自出现以来，虽本身在泥沙实验中具有 优势和相当的发展潜力，但没有得到推广【8 】【9 m 1 ，因此改进环形水槽测沙技术势 在必行。 顾_ 士研究生学位论文 环形水槽实时无线测沙系统研究与开发 1 2 测沙技术研究现状 虽泥沙研究的重要性大家都是知道的，但泥沙测量仪器远不及其他领域成熟 ”。不论现场或模型中使用的仪器都有待继续研究。使用历史最长的是采样器， 至今还在国内外大多数水文测站使用，并且通常作为其他类型测沙仪的校准装 置。近年来随着对测量自动化的要求以及数据准确性要求的提高，出现很多测沙 仪，它们的共同特点是将含沙量信号转化为现代计算技术易于处理的信号，比如 电信号，以便实现在线检测，据代表性的有振动式，射线，超声波，光电式，以 及先进的卫星遥感测沙技术等。根据测量的时间间隔，可以将它们分为非实时测 量和实时测量两大类。 一、非实时测量 这类仪器以泥沙采样器为代表，按照各类采样器的采样性能，分为瞬时式和 积时式两大类。其中瞬时式采样器是首先被发明( 1 8 0 8 ，欧洲) 并在水文泥沙测 验中得到广泛应用。在此后的几十年间，得到不断改进和提高，已经发展成为一 种较成熟的通用测沙仪器。后来，随着对泥沙实验的精度，实验效率等要求的提 高，特别是缆道测沙和巡测的出现，二十世纪中叶左右，包括我国在内的许多国 家开展了对积时式采样器的研究，至今，已经开发出调压式，皮囊式和瓶式等多 个系列【2 1 。 现在国际泥沙测验仪器仍然以器测法为主，即使发达国家也不例夕 【l “。这类 仪器的最大弱点在于测量过程是不连续的，无法实现自动化监测。我国对采样器 的研究，在仪器的设计理论、水力特性及电气控制特性方面都达到了国际同类型 产品的先进水平。因为采样器的研究发展历史最长，各种配套设备齐全，以及相 应的测量标准和操作规范都比较完善，因此常作为在对其他新型仪器作标定比测 时的校准装置。 二、实时测量 l ，机械： 压力测沙仪【l 1 如图4 所示，测量探头底部的a 室和b 室是两个容积相等的仓室，将差压式集 成化压力传感器设置在测量探头的底部，在a 中装清水，b 室中装入待测水样， 由于其密度不同重量不同，对容器底部产生不同压力，不同的压羡代表着不同的 含沙量。 图4 压力式传藏器结构原理圈 前盲 振动式测沙仪f 1 4 1 - 1 1 7 】 振动管的振动周期只与被测混合液的密度有关，而密度与含沙量之间存在着 定量关系。因此，传感器内振动管的不同振动周期代表着被测水体的不同含沙量， 振动式适用对高、中泥沙的检测，原理如图5 示： 水 输出振动信号 圈5 振动测沙仪结构原理图 2 声学 超声波叫2 0 】 如图6 把一对相隔一定距离( d ) 的发射和接收超声换能器，面对面地安装在 一个水下探头的钳形基座的底部。一个深度( 即压力 传感器安装在基座的上部， 高出发射和接收超声换能嚣0 5 m ，随着水下探头由钢缆逐渐释放而沉入悬浮泥 沙( 泥浆) 之中，超声换能器不断发射和接收声信号，深度传感器也不断输出深度信 号。经过一定的信号处理后，就能得到悬浮泥沙( 泥浆) 熏度随深度变化的剖面测 量记录。 图6 超芦波测沙仪 a d c p 2 l 】 声学多普勒流速剖面仪( a d c p ) 是位测定流速恧设计的，但在它的输出数 据中食有声学的浊度信息，因此a d c p 具有测定悬沙浓度的潜力。如图7 宽幅 a d c p 不断发射声波脉冲，脉冲被水中悬浮物质( 悬沙) 散射返回并被a d c p 的4 个探头接收，根据多普勒效应，可以同时测定沿水深各水层单元的三维( 垂 向、东西、南川b ) 流速，并i 9 j 6 定各水层单元悬沙散射的强度，即回声强度，回 声强度的大小能够间接反映水中悬沙浓度的大小。 堡主堕窒生兰堡堡塞 ! 丝查焦壅堕蒌塑型鲨墨些塑塞量翌叁 图7 霓幅a d c p 发射声波脉冲 3 射线( 同位素) 1 2 2 】 测量基本原理是利用r 射线透过物体时，其强度因吸收和散射丽减弱，减弱 强度与射线所透过物质的厚度( l ) 和密度( p ) 有关，也和射线的能量有关，利用y 射线透过泥沙溶液后其强度发生衰减且衰减的大小与径流中泥沙含量大小有关 的规律来测量径流泥沙含量。 4 摄影1 2 3 2 4 圈8 摄影测沙系统 如图8 是典型的数码摄像系统，由两个呈一定夹角的数码相机和个水下探 照灯组成。探照灯发射一定频率的脉冲光，与两个数码相机相配合，通过专用图 像处理软件，反演出悬浮泥沙含量，除此之外，还可同时测量纹波和水流参数。 这种装置适用子测一定区域内总体的含沙量变化值。 5 遥感 2 5 这些年来，利用遥感技术进行水文测量已取得较大进展，实验表明。随着悬 沙含量的增加，反射光能也增加，因此，通过悬浮泥沙反射光谱特性实验，建立 遥感数据和悬浮泥沙含量之间的定量关系，就可以反演出含沙量数据。这种方法 适用于对实地大范围，多年的悬浮泥沙运动规律的研究。 6 光电 光源发出的光束射入液体试样时，由于试样中悬浮微粒的作用，会使光束发 生散射。由于这种散射光的强度与试样中的悬浮微粒含量成正比，所以通过测定 散射光的强度即可求得悬浮微粒浓度。从测定的散射光和入射光的角度关系来 看，可分为前向散射方式、后向散射方式、9 0 。散射方式、透射式，以及这几种 基本形式的复合使用方式【2 q ，如图9 所示： 6 前斋 吻 、， 违 。，o 。) 9 0 9 竺竺式 d ) 后向散射式 甲 励与，o 壶n 衄 盘q4 岔。 试样 。 探测器 散射光 圈9 光学测沙仪光路原理田 从采用的光源上可分为单色光( 如分光光度计，比色计，红外光，激光) 和复色 光( 如白炽灯，标准蜡烛，特种灯等) 两大类【2 7 】 2 8 j 。应用于测沙领域的代表性仪器 是激光测沙仪和红外锲9 沙仪。这类仪器适用于泥沙颗粒级配变化不大的含沙水体 f 2 9 】叶33 1 。 激光测沙仪旧【3 4 】 激光测沙仪外观如图1 0 所示， 圈1 0 激光测沙仪 水样在泵的作用下经进水口流入探头内，经消泡处理后，进入激光探溯室， 多余水样由溢水口排出，探测后水样由出水口流出。水体中悬浮颗粒在经过探头 时，照射在颗粒上的激光束将其大部分能量散射到特定的角度上，颗粒越小散射 角度越大，而颗粒越大散射角度越小。在不同的角度上将散射的图像经光栅板筛 选后投影到信号采集器上，信号采集器采集的信号经一系列转换后再由计算机进 行处理，计算机通过不同的计算方法可得到水体中悬浮颗粒的浓度和平均粒径。 红外测沙仪 代表仪器为美国d a 公司的o b s ，外观如图1 1 所示。 硕士研究生学位论文 环蟛水槽实时无线溯沙系统研究与开发 圈 红外后向散射测沙仪 o b s 测沙仪的核心是一个红外光学传感器。红外传感器由一个高效红外发射 二极管，四个光敏接收管组成。红外光束遇到悬浮颗粒届发生散射，红外光敏接 收二极管接收到散射信号系列处理后通过专用通讯接口传输到电脑中，由计算 机对带有含沙量信息的数字信号进行采集处理。这种仪器在国外早在上世纪八十 年代就广泛应用于实验室或现场的含沙量测量【3 7 1 【5 3 】。特点如下： 选择红外线，是因为红外辐射在水中衰减率较高，太阳光中的红外部分 则完全为水体所衰减，这就为自然光环境下使用提供司能； 采用后向散射原理，不使用消泡器，突破传统的收发管夹角设计模式， 可以在完全开放的条件下，有效地避免水中气泡和有机物质对测量值的 干扰； 专利四光束( u sp a t e n tn o ，4 ，8 4 1 ，1 5 7 ) 设计【3 ”，增加有效信号强度，提 高测量精度； 有顼部发光和侧面发光两种测量方式，可以满足不同实验的使用要求： 实时在线测量，通过专用数据传输线将数据传回电脑，进行同步数据处 理： 以t 介绍的各类测沙技术的特点可以归纳到表1 中，小结如下： 首先，与水文测量的其他领域对比来看，含沙量测量仪器的总体水平不够成 熟，尤其是针对实验室使用的小型实时测沙仪，更加缺乏。即使是在国外的先进 实验室里( 如加拿大国家水动力学实验室) ，应用在环形水槽这种小型泥沙实验 装置上的仍然是传统的取样称重测沙法阶【1 0 】： 其次，从国内外技术水平对比来看，除传统采样器水平相当，其他的在线仪 器无论从测量方式还是可提供的安装方式上都明显落后于国外，而且大多是模仿 国外成型仪器的设计，但精度和稳定度都远不及国外同类仪器。目前，大多数国 内厂商，都是以代理国外测沙仪为主，大多数实验机构也是采用国外的先进测沙 仪，由于国内没有同类仪器与之竞争，价格都十分昂贵。 前言 表备类测沙技术特点对比 是否取水样 适用场合 测量原理是否实时测量方式价格 取样不取样实验室现场 采样器非实时 点低 压力式 点 ：详细 机械 振动式 点 中 射线 面中 超声波 面 商 声学 a d c p实时面高 摄影数码相机 面 遥感 面很高 激光 点高 光学 红外 点高 因此，针对环形水槽的构造和旋转运动的特殊工作方式，要求使用具有实时 不取水样，适用于实验室点测方式的小型测沙装置。其中，能准确测出垂线含沙 量的关键在于传感器不能取水样，甚至不能浸入水样，以免扰流。从上表的比较 中可以看出，最接近要求的是红外测沙仪，代表仪器为美国d & a 公司的o b s ， 但由于这种仪器是主要为现场测量设计的，用在环形水槽上体积偏大，而且价格 昂贵。因此，为改进环形水槽测沙技术，实现实时在线测量悬浮泥沙浓度的目的， 急需研究开发一种能够连续实时测量，无需取水样或浸入水样，并且可以实现点 测，体积足够小的测沙装置。 9 碗士研咒生学位论冀 环形水槽嬖时无线测沙系统研究与开发 1 3 论文的研究思路 根据本课题的研究背景和目的，并针对目前实验室测沙技术研究中存在的问 题制定了如图1 2 所示的研究思路： ，+ 一 一聆瓠数据i 黪磐衿j 、- 。二 一一 数据 一一指令 图 2 测涉装置整体结构框图 主要分为四个部分展开研究： 1 研究利用红外后向散射原理设计红外测沙传感器及光源调制电路，有三 个重点：首先在理论证明的基础上，设计测沙仪光路，实现在不设消泡 装置的条件下，削减水中气泡对试验数据的影响其次尝试利用光源调制 技术，在全开放的背景下，避免环境光及开光灯等低频电磁干扰的影响； 第三是合理设计红外发光管的驱动电路，保持光源的光强稳定： 2根据红外光学传感器返回的信号特点设计模拟信号处理电路，这是整个 开发最关键也是难度塌大的部分，重点在于提高仪器的灵敏度的同时保 持输出信号的稳定性。首先，由于测到的泥沙信号很微弱，要设计合理 的放大电路，采取选频放大等措施，能够有效区分出低台沙水样的禽沙 量值；其次，因提高信号电路放大倍数的同时也将干扰噪声一起放大， 所以任何的外界电磁干扰或电路本身的噪声都会对输出产生影响，所以 要设计可靠的滤波电路，尽可能的消除干扰噪声同时减少滤波电路自身 的噪声贡献，提高信噪比；然后对信号处理电路的各环节设计合适的阻 抗比，使各环节协调工作，提高输出信号的稳定度，这是避终仪器能否 使用的关键： 3设计单片机数据采集系统这是整个系统数据传输和指令发送的纽带部 分，力面快速准确采集测沙传感器输出的电压信号并对其进行a 7 d 转 换，转换成计算机可以识别的数字信号，同时通过无线传输通道，将古 沙量数据实时传输到p c 机进幸j | 处理和分析：另一方面接收l 位机发出 的控制指令，对系统进行控制； 4 设计p c 机数据同步处理软件，功能上主要分为三个部分：一是剿量控 制，完成对采样参数的设置和对串口的控制；二是仪器标定，按照严格 的标定步骤，利用软件进行非线性补偿，确定标定系数；三是数据处理 与分析，设计多种滤波方式，有选择的对接收到的数据进行单一或复合 式数字滤波，之后根据试验需要进行数据分析，生成相应的实验报表 式数字滤波，之后根据试验需要进行数据分析，生成相应的实验报表 红外测沙传感器及光源调制电路设计 第二章红外测沙传感器及光源调制电路设计 鉴于环形水槽结构和工作方式的特殊性，光学红外后向散射方式传感器成为 首选，因为这样传感器不必浸入水样，保证了能在无限均匀水流的自然流态下测 量，而且体积上有更大的灵活性，只受制于红外收发管本身的体积和排列方式， 最重要的是，将带有含沙量信息的光信号转化为电信号可以方便地实现实时在线 测量。 红外测沙传感器结构示意如图1 3 所示，将一对红外收发管固定在树脂管中， 各由一根双芯屏蔽线引出作信号线。传感器探头垂直嵌入环形水槽外壁安装，其 光学前端面与水槽内壁面齐平，这样，传感器探头虽接触水样，但并不干扰水流 流态，光源调制电路驱动红外发光管发出i k h z 调制红外光，照射槽内水样，返 回的散射光信号由匹配的光敏二极管接收，传输给后级信号调理电路。 两根蚁芯屏蔽线 光源调制电路 到信号调理电路 图13 红外溯沙传感器结构示意圈 同时，在具体设计时要注意三个问题：一是研究如何在不增设消泡器的情况 下避免水中气泡对测量值带来的影响：二是研究如何降低在全开放环境下测量带 来的背景光干扰的影响；三是研究如何有效地保证光源光强的稳定，从而保证输 出信号的稳定度。 2 1 光学测沙原理 、 广遵 图1 4 削弱= 吸收+ 散射 研究图1 4 中平行光线束入射在一颡不是太小的球形粒子上的情况口”，直接 入射到球形粒子表面上的光线，例如光线l ，其能量的一部分为粒子所吸收，转 变成其他形式的能量如热能。由于粒子和周围介质折射率不同，一部分从粒子表 面反射为光线2 ，一部分折射并穿透粒子为光线3 ( 包括经多次内反射后反射出 的光) ，从粒子近旁通过的光线4 也由于光的衍射而改变了原来的方向，傻原光 线的强度削弱。所咀由于粒子的存在，引起一部分光偏离原来方向，散向空间各 个方向。我们称它为散射。( 其成因包括粒予表面反射、透射、衍射总称散射) 。 顼士研究生学位论文 环形水槽实时无线测沙系统研究与开发 另一部分为粒子内部吸收。这是粒子消光作用的两种不同方式，可以把这种能量 关系写为等式： 削弱= 吸收+ 散射 悬沙是一种浑浊液。当束平行光通过均匀分布的浊液后，透射光的强度减 弱了。被减弱的光，一部分被吸收，一部分被散射到其他方向去。投射过来的圯 只是入射光的部分。 ( 一) 光吸收作用 光通过任何物质时，总要或多或少地被吸收，光通过悬浮体也不例外。当光 通过泥沙悬浮体时将引起这个系统介质电子的强迫振动。这些震动电子所需要的 能量就是由光能所提供的。平行光通过悬浮体其吸收效应由比尔( b e a r ) 定律确 定【1 1 】： m = o 。e 一“ ( 1 ) 式中o 入射光通薰； o 一渗透光通量： 上悬浮体宽度； k 一吸收系数。 比尔定律在光度学里是一个基本的定律，许多文献误认为它也是光电测沙的 基本定律。但是比尔定律不能解释测沙中遇到的下述两个主要物理事实： 1 ) 浓度达3 0 的含盐量对光的消弱作用远比浓度为0 1 3 的含沙量对光 的消弱作用还要小； 2 )粗颗粒泥沙对光的消弱作用远比细颗粒泥沙要小。 这两个事实说明光的吸收效应不是光电测沙的基本效应。 ( 二) 光的散射作用 粒子的光散射效应问题在物理学里已经解决，瑞利( r a r l y ) 解决了细粒散射 问题，梅( m i e ) 将其推广到般情况。 有一个直径为d 、截面积为a 、体积为v 的粒子，面对着强度为中的入射光， 被这个粒子散射的总能量为f 。入射光强和散射总能量f 及截面积a 之间关系 可由一个称为散射截面系数k 。所描述：其定义式k s = f 由a 。这个系数k s 对于 球形颗粒在单色光作用下，据梅散射理论： 珞= 2 _ 4 ps i n p + p 4 ( 1 - c o s p ) p ：2 r d ( 研一1 ) 式中p 一舛目移指标： m 折光系数： a 入射光波长。 对于白光源，狭缝散射，广度接收的情况，k ：规律由下式给出 红外测沙传感器及光源调制电路设计 t = 民 - 一志 k o = 2 - 丢了挚y + 去i 学y 设入射光通量为m ，穿过宽度为d l 悬沙体，被散射的量为d e 。得到d 中= 一中k a n d l ，其中n 为单位体积内泥沙颗粒数，a 为每颗泥沙在垂直投影面上的 投影面积，总透光宽度为l ，初始入射光通量中o 。由a = 3 v 2 d ，n = c vys ，解 微分方程得散射定律： 一些! 中= 巾。e 2 y s 6 ( 6 ) 式中c 含沙量； 工光在水样中的传播距离； 以一泥沙容重； k 一消光系数。 对于不均匀的系统，实践证明，消光系数符合迭加原理。粒径则改为光学平 均粒径以。，令b = 3 k 2y 。，则式6 化为： 一b l 三 o = 中。e 4 “ ( 7 ) d 。，= i 二 ( 8 ) c , a ， 上式便是混合沙散射消光定律，式7 能够完满解释含沙薰c 与散射光通量中， 有严格的函数关系，通过测量返回的散射光通量，能得到水中悬浮泥沙含量。 颊 ：研究生学位论文 环形水槠实时光线测沙系统研究与开糙 2 2 红外测沙传感器设计 根据理论证明的结论，只要通过合理的光路设计，可以实现用光学的方法测 出自然流态中水样中的含沙量，设计方案如图1 5 所示； t2 立 i ，l l 辩 d = 2 0 中：歪i 在三耋聋1 8 圈1 5 光路设计方纂示意图 环形水稽实时测沙系统要完全保证在水样的自然流态下测量，这样必然会带 来自然光的影响，而自然光中，红外光的衰减率较高，因此，采用红外光作探测 光源，则探测器接收到的红外光基本上来自发光器件，同时为避免有机物的吸收 对测浊的干扰，选用的光波长为8 8 0 n m t ”j l ”j 。 发光器件选用注入型电致发光器中的砷化稼红外发光二极管睁，发射红外光 的峰值波长在8 8 0 n m 左右，发光效率高，结温低于硅材料，响应速度在1 0 一1 0 4 s ， 寿命长达1 0 万h 以上，只要工作电流恒定，发光亮度也恒定。在微量检测中， 为了提高探测灵敏度，宜选用额定电流大的管孑或用脉冲驱动方式增大其工作电 流，使发光强度尽可能地大。另外砷化稼二极管还具有独特的优点：驱动电路比 较简单，输出功率无需反馈控制，体积小，寿命长，可在很宽的温度范围内工作。 发光二极管的输出光功率p o 与工作电流i f 的关系如图1 6 所示。 光 功 睾 乳 = 怍邀流l “m ) 图1 6 输出光功率与工作电流关系图 由图可见，在i f 较小时，输出光功率p 。与i f 成线性关系，当i f 较大时，p o 与i f 不再成线性关系而进入饱和区。在实验中应当保证发光管工作在线性区。 4 罐 红外测沙传感 发光源渊制i 乜路设计 探测器件选用光伏效应器件中与红外发光二：极管匹配的硅光敏二极管，将辐 射光照度转变为电信号输出。红外光敏二极管其有很高的光照灵敏度、良好的线 性和宽广的光谱响应，波长在0 3 1 2 u m ，峰值波长在9 0 0 r i m 左右。硅与砷化稼 的峰值波长接近而且甚为匹配，有利于提高传递效率和抗干扰能力。同时，砷化 稼发光强度随着温度上升而降低，而光敏二极管的电流温度系数为+ 7 8 u a ，随 着温度升高而增加，因此将两者结合使用时，可以得到互相 偿，更利于工作稳 定。 光敏二极管在探测传感器中作为测量元件，在光伏模式一零偏雹状态下工 作，所利用的是由辐射照度产生的电流( 光电流) ，在负载短路或负载电阻r 。很 小时，输出电流i 近似等于光敏二极管短路电流i d s ，其与照度e 的关系为 i i d s = s e ( 9 ) s 为光电流的辐射灵敏度，其取决于管子参数。 光敏二极管输出电流与辐射照度呈线性，负载电阻愈小，线性范围愈宽，且 频度响应也愈好，因此宜用具有深度负反馈的运算放大器作为光敏二极管负载， 可使输出电流得到较高的线性度。光敏二极管在零偏置状态下运用时，器件噪声 引发的暗电流几乎等于零。这在弱光信号探测中，可大大改善光电流起始位置的 线性度。光敏二极管的封装形式常用的是金属外壳加入射窗口封装，入射窗口又 有凸镜和平镜之分。凸镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。而且由于聚焦位置与 入射光方向有关，因此还能减小杂散背景光的干扰，所以实验中采用金属加凸镜 的封装形式。 如果管道中存在气泡，当投射光遇上它时光效应将产生严重畸变，造成测量 值大幅度波动。因此，通常的同类仪器都会专门设计消泡器。但根据我们的设计 中不扰流的要求，不能采用这样的方案。我们采用设计特殊的收发管夹角口5 j 来解 决，如所示： 泥沙 气泡 有机物 图1 7 散射率与散射角关系圈 图1 7 中表明了三种特征【5 7 】：第一，散射率随散射角度增大而减小；第二， 在后向散射范围内散射率比较稳定；第三，在后向散射接收范围内无机物质的散 硕士研究生学位论文环形水槽实时无线测沙系统研究与开笈 射强度明显大于气泡和有机物质。尤其是散射角为1 4 0 。1 6 0 。之间的红外光 散射信号比较稳定，因此设计两管夹角为4 5 度。 信号传输线根据反复实验的结果，对红外发光管和光敏二极管分别选用两根 双芯屏蔽线，削弱由于线路的电容耦台产生的本底信号( 当水样纯净，即光敏二二 极管没有接收到被散射回的光信号时传输线上输出的电压) 。这样，在后级信号 调理电路对微弱的光电信号进行放大时，可以更灵活的选择增益，将极大提高传 感器灵敏度。 红井澍沙传感器及光源调制电路设计 2 3 光源调制电路设计 对发光二极管的驱动，除直流方式外，还有交流和脉动电流驱动方式p 。恒 定直流驱动郎平均发射方式是指通过启动直流供电电源直接驱动发光二极管发 出恒定的红外光。因为红外发光二极管的功率一般较小( o 时，必然使集成运放的输出 u ： o ，从而导致二极管d ：导通，d ，截止，电路实现反比例运算，输出电压 “：一r“(43) 心一百叫l 当u 。 o ，从而导致二极管d 。导通，d ：截 止，r ，中电流为零，因此输出电压u 。= o 。如果设二极管的导通电压为0 7 v ，集 成运放的开环差模放大倍数为5 0 万倍那么为使二极管d ，导通，集成运放的净 输入电压 ? , g p - - un = 品v o 5 v 乩4 芦v 同理可估算出为使d ，导通集成运放所需的净输入电压，也是同数量级。可 见，只要输入电压u i 使集成运放的净输入电压产生非常小的变化，就可以改变 d ，和d ：工作状态，从而达到精密整流的目的。 硕士研究生学位论文 环形水槽实时无线测沙系统研究与开发 3 4 低通滤波 本级低通滤波有三大功能；一是配合全波整流电路，对调制光信号进行解调 处理，将缓变的含沙量信号分离出来；二是配合调零电路进行信号调理，将信号 调整为o - - - 5 v 标准电压输出；三是进一步滤除噪声信号，增强输出信号的真实有 效性。 低通滤波器通常有同相输入和反相输入两种方式7 “。下面分别分析如下： 同相输入 圈3 5i 田相输入低通滤波电路圈 同相输入低通滤波电路如图3 5 所示。电路中既引入了负反馈，又引入了正 反馈。当信号频率趋于零时，由于c l 的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当 信号频率趋于无穷大时，由于c 2 的电抗趋于零，因而u “s ) 趋于零。可以想象， 如果正反馈引入得当，就既可能在f = f o 时使电压放大倍数数值增大，又不会因难 反馈过强而产生自激振荡。因为同相输入端电位控制由集成运放和r l 、r 2 组成 的电压源，故也称之为压控电压源滤波电路。现在来分析一下这个电路： 设c l = c 2 = c o ，m 点的电流方程为 坠蛐二盟：蛐二丝盟+ ! 丝塑：型塑 r 1 r s c ( 4 4 ) p 点的电流方程为 u m ( s ) - u o ( s ) ：笠盟 月 1 s c ( 4 5 ) 式( 4 5 ) 和( 4 5 ) 联立，解出传递函数 舭，= 而凉 ( 4 6 ) 从式( 4 6 ) 中可以推导出，只有当如( j ) 小于3 时，即通带放大倍数要限制在3 倍以内，才能保证分母中s 的一次项系数大于零，电路才能稳定工作，而不产生 自激振荡，这样就极大限制了这级低通滤波电路的放大功能，因此，再来分析一 f 反相输入的低通滤波电路特性。 反相输入 信号调理t u 路跛计 反相输入低通滤波电路如图3 6 所示电路中，当f = 0 时，c 。和c ：均为开路， 故通带放大倍数 厄；一生(47) 。一素 m 点的电流方程为 i t ( s ) = i ，( s ) + i2 ( s ) + ic ( s ) ( 4 8 ) 掣r = 掣r + 掣肌( s ) s c - ，。，足 其中 u 。( s 产一丽1 u m ( 5 ) 7 - 4 2 2 ) 5 0 ) 解试( 5 0 ) 和( 5 0 ) 组成的联立方程，得到传递函数 a u ( 旷而巧赫 ) 与式( 4 6 ) 对比，可得 f o ： !( 5 2 ) 2 x _ 、c i c 2 r 2 吩 q = ( r i l r2 r t ) ( 5 3 ) 从式( 5 1 ) 的分母可以看出，滤波器不会因通常放大倍数数值过犬而产生自 激振荡。因为图3 6 电路中的运放可看成理想运放，q 可认为其增益无穷大，故 称该电路为无限增益多路反馈滤波电路。 因此，采用反相输入方式，以便对微弱的含沙量信号进行分档放大时可以根 磊 硕士研究生学位论文 环形承槽实对无线测沙系统研究与开发 据需要设定放大倍数。最终本级低通滤波器如图3 7 所示 图3 7 无限增益多路反馈滤波电路囤 图3 7 中标注出的是调零电路，利用加法电路，给低通滤波电路的输入端附 加一个电压信号，通过调节可变电阻来改变该电压的大小，抵消本底信号，从而 使红外测沙传感器置于清水中时，该信号调理电路的输出为0 。同时，将第：二级 低通滤波的反馈电阻设为可调，结合调零电路。将信号调整为5 v 标准电压输 出。 信号调理电路设计 3 5 实测实验与分析 为了检验仪器性能，在实验板上进行了实测实验。实验不采取任何遮光措施， 完全在自然光和普通照明光的条件下进行。实验前，确保仪器在清水中调零，且 满量程输出为5 v 。 1 最小水域宽度实验 泥沙实验中，测沙传感器将垂直安装在环形水槽的边壁上，而环形水槽的边 壁是有机玻璃，在水样中传播的红外光遇到透明质阻挡物会发生强烈的折射和反 射现象，这些光线中将可能有一部分进入红外接收管，并在输出端产生突变的错 误信号，因此，有必要验证避免测沙传感器受边壁反射信号影响所需要最小距离。 这个实验在清水中进行，实验方法为将传感器探头沿磨口瓶垂线方向由上至下缓 慢移动，同时观察数字电压表读数，精确到0 0 1 。当