本发明涉及水面蒸发量测量，具体的说是一种高精度水面蒸发量测量装置及测量方法。
背景技术：
蒸发是地表热量平衡的组成部分，又是水量平衡的组成部分，是水循环要素中最直接受下垫面条件和气候变化影响的一项，蒸发又可减少辐射向感热的转化，增加空气湿度，提高最低气温及降低最高气温，起到调节气候的作用。水面蒸发是气象与水文研究的重要观测项目，指在一定时段内水分经蒸发而散布到空气中的量，它表征了陆面水分蒸发的特性，是水循环的重要组成。目前所使用的测定方法来看无外乎有两种：一是对于20cm口径的小型蒸发器（皿）采用量筒定时测定水量变化，二是对于口径大于20cm的中大型蒸发器（池），采用标尺（测针）测定水位变化。其中，小型蒸发器以其简单廉价、操作简便、模拟蒸发情况接近实际以及测量精度满足大多数工况需求的优点而被广泛应用。而目前主流的小型蒸发器装置的测量原理是超声波原理，它们均存在一定的局限性。其中，超声波原理主要存在以下局限性：测量精度低；在零下温度环境下测量不准确；在蒸发皿内缺水的条件下，容易造成传感器损坏。
技术实现要素：
本发明的目的之一是提供一种高精度水面蒸发量测量装置，以解决现有水面蒸发量检测装置测量精度低、缺水条件下容易损坏的问题；另外，本发明同时提供一种基于该水面蒸发量测量装置的测量方法，达到简单、精确、快速测量蒸发量的目的。
本发明的目的之一是这样实现的：
一种高精度水面蒸发量测量装置，包括测量部分和配合测量的用于显示水位高度的水尺部分；所述测量部分包括接收水尺部分反射光的测量探头、为测量探头供电的供电模块和将测量探头的输出信号上传至上位机的通讯模块；
所述测量探头设置于水尺部分对面，其至少由照明光源、数据采集器以及设置于外壳内的透镜组和线阵ccd构成，其中，所述线阵ccd设置于所述透镜组后方并通过数据线连接所述数据采集器；所述数据采集器包括单片机、驱动电路、放大滤波电路和比较器电路：
所述单片机连接所述通讯模块和驱动电路、比较器电路，用于通过驱动电路实现对线阵ccd的驱动和捕获比较器电路的输出波形信号，并通过通讯模块将数据上传至上位机；
所述驱动电路连接单片机和线阵ccd，用于供单片机实现对线阵ccd的驱动；
所述放大滤波电路连接线阵ccd和比较器电路，用于对线阵ccd的输出信号进行放大滤波；
所述比较器电路连接放大滤波电路和单片机，用于对放大滤波后的信号进行二值化并输出波形信号。
所述的高精度水面蒸发量测量装置，在所述测量探头上设置有矫正机构，所述矫正机构可根据测量探头相对位置的变化矫正数据。
本发明的目的之二是这样实现的：
基于所述高精度水面蒸发量测量装置的水面蒸发量测量方法，包括以下步骤：
（1）开启照明光源，水尺部分对照射光线的反射光透过透镜组后成像在线阵ccd上，从而在线阵ccd的数据输出端得到与水尺部分呈一定比例的电信号；
（2）对线阵ccd进行一次扫描采集，驱动电路利用单片机实现对线阵ccd的驱动，经驱动的线阵ccd输出os、dos两路信号进入放大滤波电路，然后输出信号v1，比较器电路对经过放大滤波后输出的信号v1进行整流和包络检波，输出波形va，在比较器电路对输出波形va以设定的阈值vr用比较器lm331进行二值处理，得到二值化后的输出vp信号，vp信号由单片机的ta单元捕获，以得到光照分界边沿所在的像素位置数据；
（3）单片机所得数据经通讯模块传入上位机，经过最初一次校准标定后，可以得到液面的位置，对比可以计算水面蒸发量，从而实现水面蒸发量的精确测量。
本发明的装置操作简单，适用范围广，测量成本低，具有极高的测量精度，可用于对测量精度有较高要求的科学试验中。同时，本发明的方法测量过程中采样速度极快，采集到的数据经数字滤波后可精确测量蒸发量。
附图说明
图1是本发明所使用装置机构示意图。
图1中：1、水尺，2、支架，3、外壳，4、照明光源，5、矫正机构，6、透镜组，7、线阵ccd，8、数据采集器，9、供电模块。
图2是电信号处理过程图。
图3是单片机和驱动电路图。
图4是放大滤波电路图。
图5是比较器电路图。
具体实施方式
本发明的装置包括两部分，如图1所示，其一是测量部分，其二是配合测量的水尺部分。本发明中，水尺部分可以是一个独立的水尺，如图1所示，水尺1垂直于水面设置，考虑安装时的实际情况，一般将其固定于水体边缘，附于水体边壁之上。水尺1为水文专用水尺，为保证在低暗度条件下，在水尺1的表面附有荧光漆，这样在夜晚时也能起到很好的反光作用，使水尺1的表面与水面形成一定照度差。除此之外，水尺部分也可以是与储水容器一体的结构。
测量部分设置于水尺1对面适合距离的地面上，其是在支架2上安装有测量探头，并通过供电模块9为测量探头供电和通过通讯模块（图中未示出）将测量探头的输出信号上传至上位机。
本发明的测量探头的高度及测量探头与支架2间的夹角可根据水尺1与支架2间距离以及测量探头的透镜组性能（即90°视场范围和2m测量距离）计算得到。测量探头由照明光源4、矫正机构5、数据采集器8及设置于外壳3内的透镜组6和线阵ccd7构成，线阵ccd7设置于透镜组6的后方，经水尺1反射的反射光线经透镜组6成像在线阵ccd7上，本例中，数据采集器8也设置于外壳3内，线阵ccd7通过数据线与数据采集器8连接。
本例外壳3中，透镜组6为一组像方远心光路，参数为：保护片：蓝宝石玻璃，材质：k9，孔径：φ66mm，视场：90°，焦距：60mm，放大倍率：1∶40。透镜组6后方的线阵ccd7用于将光信号转化为与水位高度成一定对应关系的电信号，本例中线阵ccd7型号为tcd142d（日本东芝公司），参数为：传感像元：2048，光敏元尺寸：14μm，光敏元间距：14μm，总体传输效率：92%，动态范围：1500∶1，时钟频率：0.1~20mhz，工作温度：-25℃~60℃，供电电源：+12v。
照明光源4其采用532nm波长的激光二极管制成，以为系统提供光源。
矫正机构5为一个三轴陀螺仪，当因为环境或人为原因，测量探头的相对位置发生改变后，其可根据测量探头当前位置与原始位置的角度变化修正数据。
数据采集器8（参见图2）由单片机、驱动电路、放大滤波电路、比较器电路组成，单片机和驱动电路如图3所示，本例单片机控制核心是ti公司的msp430f149用以驱动、存储及通讯。驱动电路利用msp430f149单片机丰富的pwm引脚资源实现对tcd142d的sh、rs、clk1、clk2四路逻辑信号的输出，采用74lvc4245芯片来提高单片机对线阵ccd7的驱动能力，使其在驱动脉冲的作用下依次输出2048个像素单元的电压值。放大滤波电路包括两组电阻、电容及由3个高速运算放大器组成的仪表放大器，用于消除复位脉冲的串扰、信号放大、信号倒相及低通滤波。放大滤波电路如图4所示，经驱动的线阵ccd工作时输出os、dos两路信号进入放大滤波电路。电路工作时，信号通过r1、c1、r2、c2滤波，然后送入由3个高速运算放大器a1、a2、a3组成的仪表放大器中，求得dos和os的差分放大信号就是线阵ccd7像素的光信号，通过v1输出。这里线阵ccd7输出数字视频信号的频率设定为800khz，运算放大器的型号是ne5532，20db带宽是2mhz。比较器电路如图5，比较器电路对经过放大滤波后输出的信号v1进行整流和包络检波输出波形，这部分功能由a4、二极管和r3、c3完成。然后用r4、c4取得输出波形va的最大值vmax，为了取得最大值，图5中r4、c4组成的时间常数取值远远大于r3和c3时间常数，实际中r4可以省去，利用c4本身的漏电流电阻，因为漏电流很小，所以c4被充电至最大值，就把最大值保存下来；同时允许其漏电，原因是当峰值持续多个周期下降时vmax也应跟随下降，以保证能正确地跟随最大值；用r5、c5对va滤波取得直流基准值作为最小值vmin；vmax和vmin经过a6、a7电压跟随后用电阻r6和r7分压电阻（r6与r7的比值从1∶4~1∶1比较理想）设置阈值参考电压vr。对输出波形va以设定的阈值vr用比较器lm331进行二值处理，得到二值化后输出波形vp，vp非常便于单片机msp430f149准确捕获。
供电模块9优选采用环保节能的太阳能板和蓄电池构成，用于为测量探头的相关部件提供工作电压，如其通过电源线连接数据采集器8以为其提供工作电压。
通讯模块为一个无线通讯模块，本例中采用gprs/gsm通讯模块。
本装置的最终系统技术指标如下：
测量范围：1～2000mm；测量分辨率：≤±0.014mm；测量精度：<0.01mm；耐温：-35℃～85℃；测量方式：连续或定时；采样频率：1s；接受端口：服务器/客户端；防护：防尘/防砂/防雨淋/防雷电；输出接口：rtu/gprs/rs485；供电方式：太阳能。
采用上述装置进行水面蒸发量测定的过程是：
（1）开启照明光源4，由于水对照射的光线有吸收，水尺1对照射光线有很强的反射，反射光透过透镜组6后成像在线阵ccd7上，当线阵ccd7上的光敏元件接收到水尺1的反射光时，其对应的视频信号输出为高电平，而未收到水尺1反射光的光敏元件对应输出为低电平，于是线阵ccd7上的数据输出端便得到与水尺呈一定比例的电信号。
（2）在对线阵ccd进行的一次扫描采集中，数据采集器8的驱动电路利用单片机丰富的pwm引脚资源实现对线阵ccd7四路逻辑信号的输出，然后经驱动的线阵ccd7输出os、dos两路信号进入放大滤波电路，然后输出信号v1，比较器电路对经过放大滤波后输出的信号v1进行整流和包络检波，输出波形va，比较器电路对输出波形va以设定的阈值vr用比较器lm331进行二值处理，得到二值化后的输出波形vp，从而实现将放大滤波后的信号分为水尺反射信号与水面反射信号，vp信号送入单片机的ta捕获引脚，vp的位置代表了光照的位置，这样单片机的ta捕获单元可以直接得到光照分界边沿（上升沿和降沿）所在的像素位置数据，所得数据再经无线通讯模块传入上位机，经过最初一次校准标定后，可以得到液面的实时位置，对比可以计算液位变化量即水面蒸发量，从而实现水面蒸发量的精确测量。