一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置以及方法，装置包括微处理器、可编程恒流驱动电路、红外传感器、信号放大电路和A/D转换电路，可编程恒流驱动电路电流输出共分为n档，控制光源以大、小驱动电流配对顺序交替发光，光源每发光一次即测量一次透射光强，但仅在最大功率发光时测量一次后向散射光强，建立含沙量与不同发光功率红外透射光强信号电压和红外后向散射光强信号电压的标定模型，按照模型转换出测量水体的含沙量数值。本发明专利技术解决了光透射原理测沙宽量程和高分辨率难以兼顾、光后向散射测沙光电信号与含沙量对应关系不唯一的难题，仅使用单组光透射和光后向散射传感器可完成宽量程覆盖并获得最佳测沙分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置及方法
本专利技术涉及含沙量测量
，具体而言，涉及一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置及方法。
技术介绍
水体含沙量测量是水文要素观测的一项十分重要的基础内容。目前水体含沙量测量方法主要包括以下几种：1、取样烘干称重法。取样烘干称重方法是一种直接测量方法。其原理为取标准体积含沙水样，过滤后烘干或直接烘干后称重的方式测得水体含沙量。这种方法测量精度高，但效率低，无法实现连续、自动测量目的。2、振动测量法。其原理为含沙水体密度(含沙量)与振子谐振频率平方成反比，通过测量振子谐振频率的变化可以间接测得水体含沙量。该方法低含沙量测量精度不高，受水温干扰较大，主要适用于高含沙水体连续测量。3、透射衰减强度测量法。其原理为光波、超声波或放射性射线在含沙水体中传播时，受泥沙颗粒散射、吸收等影响，其固定传播距离上的能量随含沙量的增大而衰减。通过测量光波或超声波的衰减量可以间接测得水体含沙量。但已有技术手段中，基于该方法测量含沙量时，一方面存在发射功率越高或透射传输距离越短则测沙量程上限越高而测沙量程下限盲区越大的矛盾，且为了提高接收强度多采用缩短接收距或提高发射功率的方案，连续测量容易产生温升进而影响测量结果的准确性；另一方面，透射衰减强度与含沙量呈对数变化规律，随着含沙量升高测量分辨率呈急剧变差趋势。如中国专利技术专利CN102305773B即采用4组不同接收光程的光透射传感器来弥补低量程段盲区缺陷，但不可避免地引入了接收元器件过多导致仪器体积偏大不利于实现测沙探头的小型化，且过于缩短光程在现场条件下易被水中的漂浮物等杂质堵塞；如中国专利技术专利CN10246112A则直接放弃使用透射衰减强度测量低含沙量，仅用其测量高含沙量量程段，完全舍弃了该测量方法中含沙量越低分辨率越高的优势。目前尚未出现能够以单组光透射传感器同时满足极低含沙量至较高含沙量测量需求的测沙仪器，亦无测沙仪在测量过程中能够实现根据被测水体环境动态调整至较佳分辨率的功能。4、后向散射强度测量法。它通过接收0～90°范围内的光或超声后向波散射强度间接测量含沙量。后向散射强度在低含沙量时随含沙量增大而增大，高至一定临界含沙量时转而呈减小趋势，即理论上同一后向散射强度对应一高一低两个含沙量数值，且标定关系曲线近临界含沙量段的测量误差较高。因此，基于该原理方法的测沙仪量程普遍较低，河口海岸粘性泥沙环境内有效量程一般仅至5kg/m3(薛元忠，何青，王元叶，2004)。如CN10246112A专利即基于该原理实现0～4kg/m3低含沙量量程段测量。5、光反射强度测量法。该方法主要原理在透明介质与含沙水体构成反射镜面，镜面的反射率与含沙量(浑浊度)密切相关，相应地光反射强度亦与含沙量存在正向相关关系。如中国专利技术专利CN102621047B即基于该测量方法实现。但因低含沙量时镜面反射率变化较为微弱，相应测量分辨率较低，误差较大，故正如专利技术专利CN102621047B中指出的，该测量方法主要用于高含沙量测量。综上所述，目前尚缺乏一种能够同时胜任极低和较高含沙量测量的宽量程测沙仪器，且现有测沙仪器在测量时测沙分辨率少有具备根据被测水体环境动态优化的功能。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术的目的在于提供了一种宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量方法以及方法，能够自适应宽量程并获得动态最佳分辨率的含沙量测量。为实现上述目的，本专利技术是根据以下技术方案实现的：一种自适应宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置，其特征在于：包括微处理器、可编程恒流驱动电路、红外传感器、信号放大电路和A/D转换电路，其中所述可编程恒流驱动电路为LED恒流驱动电路，由微处理器GPIO引脚输出n个占空比不同的PWM脉冲信号控制输出n档恒流电流；所述红外传感器呈U型结构，其一侧安放一个红外光源并与红外光源毗邻平行放置第一光电接收器，其另一侧与光源对向的位置安放第二光电接收器，所述第一光电接收器用于接收后向散射光强信号，所述第二光电接收器用于接收透射光强信号，所述微处理器控制可编程恒流驱动电路驱动所述红外光源发射红外光，所述红外光被悬沙颗粒散射后为光源同侧的第一光电接收器接收，并由所述放大电路放大后经A/D转换电路发送至所述微处理器变为后向散射光强信号电压值存储；所述红外光源所发出的红外光透过U型槽内含沙水体后为对向第二光电接收器接收，并由所述放大电路放大后经AD转换电路发送至所述微处理器变为透射光强信号电压值存储。上述技术方案中，所述红外光源采用峰值波长在850∽970nm区间的砷铝化镓型红外LED，所述第一光电接收器和第二光电接收器采用与红外光源峰值波长相同的硅PIN光电二极管。上述技术方案中，所述红外传感器的第一光电接收器相对U型结构中点与红外光源呈18°夹角安置，所述红外传感器的第二光电接收器相对U型结构中点与红外光源对向呈198°夹角安置。一种自适应宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量方法，根据上述测量装置实现的，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将可编程恒流驱动电路电流输出共固定分为n档，电流从大到小排列依次为I1、I2、I3……In，完成一次测量的硬件控制逻辑为：控制光源以I1和In，I2和In-1，……，In/2和In/2+1的大、小驱动电流配对的顺序交替发光，光源每发光一次即测量一次透射光强，但仅在最大功率发光时测量一次后向散射光强；步骤S2：建立含沙量与不同发光功率红外透射光强信号电压和红外后向散射光强信号电压的标定模型，并确定光源驱动电流最低有效输出档位。步骤S3：将测量装置放入待测水体内，根据有效光源驱动电流输出档位，按照硬件操作逻辑快速完成测量，并记录测得的光透射和后向散射光强信号电压，最终按照标定模型转换出所测量水体的含沙量数值。上述技术方案中，步骤S1中的硬件控制逻辑包括：步骤S101：由微处理器以PWM脉冲信号控制可编程恒流驱动电路输出最大电流I1至红外光源使其发射红外光；其次，由第二光电接收器接收一次，所接收信号经信号放大电路放大后，经A/D转换电路输出至微处理器得透射光强信号电压值VOTI1；再次由第一光电接收器接收一次并由信号放大电路放大后经A/D转换电路输出至微处理器得后向散射光强信号电压值VOBS；接着由微处理器控制可编程恒流驱动电路输出最小电流In至红外光源使其发射红外光，并由第二光电接收器接收一次并由信号放大电路放大后经A/D转换电路输出至微处理器得透射光强信号电压值VOTIn；步骤S102：由微处理器以PWM脉冲信号控制可编程恒流驱动电路输出偏大电流Ik至红外光源使其发射红外光，其中k＝2,3…n/2，并由第二光电接收器接收一次并由信号放大电路放大后经A/D转换电路输出至微处理器得透射光强信号电压值VOTIk；接着由微处理器控制可编程恒流驱动电路输出偏小脉冲电流In-k+1至红外光源使其发射红外光，并由第二光电接收器接收一次并由信号放大电路放大后经A/D转换电路输出至微处理器得透射光强信号电压值VOTIn-k+1，重复直至光源以全部等级电流强度均完成发光测量一次；步骤S103：由微处理器控制可编程恒流驱动电路关闭电流输出，使光源停止发光，最终单测次所获得的原始数据为一个红外后向散射光强本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置，其特征在于：包括微处理器、可编程恒流驱动电路、红外传感器、信号放大电路和A/D转换电路，其中所述可编程恒流驱动电路为LED恒流驱动电路，由微处理器GPIO引脚输出n个占空比不同的PWM脉冲信号控制输出n档恒流电流；所述红外传感器呈U型结构，其一侧安放一个红外光源并与红外光源毗邻平行放置第一光电接收器，其另一侧与光源对向的位置安放第二光电接收器，所述第一光电接收器用于接收后向散射光强信号，所述第二光电接收器用于接收透射光强信号，所述微处理器控制可编程恒流驱动电路驱动所述红外光源发射红外光，所述红外光被悬沙颗粒散射后为光源同侧的第一光电接收器接收，并由所述放大电路放大后经A/D转换电路发送至所述微处理器变为后向散射光强信号电压值存储；所述红外光源所发出的红外光透过U型槽内含沙水体后为对向第二光电接收器接收，并由所述放大电路放大后经AD转换电路发送至所述微处理器变为透射光强信号电压值存储。

【技术特征摘要】
1.一种自适应宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量装置，其特征在于：包括微处理器、可编程恒流驱动电路、红外传感器、信号放大电路和A/D转换电路，其中所述可编程恒流驱动电路为LED恒流驱动电路，由微处理器GPIO引脚输出n个占空比不同的PWM脉冲信号控制输出n档恒流电流；所述红外传感器呈U型结构，其一侧安放一个红外光源并与红外光源毗邻平行放置第一光电接收器，其另一侧与光源对向的位置安放第二光电接收器，所述第一光电接收器用于接收后向散射光强信号，所述第二光电接收器用于接收透射光强信号，所述微处理器控制可编程恒流驱动电路驱动所述红外光源发射红外光，所述红外光被悬沙颗粒散射后为光源同侧的第一光电接收器接收，并由所述放大电路放大后经A/D转换电路发送至所述微处理器变为后向散射光强信号电压值存储；所述红外光源所发出的红外光透过U型槽内含沙水体后为对向第二光电接收器接收，并由所述放大电路放大后经AD转换电路发送至所述微处理器变为透射光强信号电压值存储。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述红外光源采用峰值波长在850∽970nm区间的砷铝化镓型红外LED，所述第一光电接收器和第二光电接收器采用与红外光源峰值波长相同的硅PIN光电二极管。3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述红外传感器的第一光电接收器相对U型结构中点与红外光源呈18°夹角安置，所述红外传感器的第二光电接收器相对U型结构中点与红外光源对向呈198°夹角安置。4.一种自适应宽量程和动态最佳分辨率测量含沙量的测量方法，根据权利要求1-3任一项所述的测量装置实现的，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将可编程恒流驱动电路电流输出共固定分为n档，电流从大到小排列依次为I1、I2、I3……In，完成一次测量的硬件控制逻辑，控制光源以I1和In，I2和In-1，……，In/2和In/2+1的大、小驱动电流配对的顺序交替发光，光源每发光一次即测量一次透射光强，但仅在最大功率发光时测量一次后向散射光强，n为大于1的整数；步骤S2：建立含沙量与不同发光功率红外透射光强信号电压和红外后向散射光强信号电压的标定模型，并确定光源驱动电流最低有效输出档位；步骤S3：将测量装置放入待测水体内，根据有效光源驱动电流输出档位，按照硬件操作逻辑快速完成测量，并记录测得的光透射和后向散射光强信号电压，最终按照标定模型转换出所测量水体的含沙量数值。5.根据权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤S1中的硬件控制逻辑包括：步骤S101：由微处理器以PWM脉冲信号控制可编程恒流驱动电路输出最大电流I1至红外光源使其发射红外光；其次，由第二光电接收器接收一次，所接收信号经信号放大电路放大后，经A/D转换电路输出至微处理器得透射光强信号电压值VOTI1；再次由第一光电接收器接收一次并由信号放大电路放大后经A/D转换电路输出至微处理器得后向散射光强信号电压值VOBS；接着由微处理器控制可编程恒流驱动电路输出最小电流In至红外光源使其发射红外光，并由第二光电接收器接收一次并由信号放大电路放大后经A/D转换电路输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李为华，戴志军，
申请(专利权)人：华东师范大学，上海河口海岸科学研究中心，
类型：发明
国别省市：上海,31