一种深水泥沙含量检测设备及检测方法与流程

本发明属于生态领域水保检测技术领域，具体涉及一种深水泥沙含量检测设备及检测方法。

背景技术：

约占地球总面积七成的海洋成为了人类保护自然水资源的重要关键，因此，越来越多的研究人员开始热衷于深层水质水质污染物检测，以便于保护水资源。水质污染物主要为漂浮物、胶体物质、溶解性物质。而胶体物质中的泥沙含量过低，能够吸附漂浮物，净化水环境。但当深层水域中的泥沙含量过高，会影响水中的生态系统，进而导致水质下降。对深层水域中的泥沙含量进行监测，是治理水资源环境的重要内容。

然而，在进行水质泥沙含量检测时，深水流速不仅会影响泥沙传感器测量结果，还会对水质检测设备造成损害。在对水质检测结果处理时，无法进行实时、跨区域、多信息等监测。目前深水泥沙含量检测技术，并未考虑流速对泥沙含量传感器测得数据的影响，同时，并未给出了水位测量值。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种深水泥沙含量检测设备及检测方法，集水位、泥沙含量、流速测定仪于一体，采用无线信号传输传输并在电脑端进行实时的显示，方便更好的了解水资源质量。

本发明采用以下技术方案：

一种深水泥沙含量检测方法，包括以下步骤：

s1、分别采集泥沙的水位信号、泥沙含量值和水流速度；

s2、对步骤s1获得的泥沙含量值和水流速度进行预处理，根据数据的相关度构建实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的函数关系；

s3、根据步骤s2构建的函数关系计算得到实际泥沙含量值和水位值。

具体的，步骤s1具体为：

s101、根据实际水位与设定水位的偏差获取水位信号，将水位信号转变成电信号，确定泥沙含量值对应的水位位置pi；

s102、根据发射光收到浑浊物反射的光强度测得泥沙含量值x1,i，并将水质泥沙含量转变成电信号；

s103、测量水流速度x2,i，i＝1,2,...,n为测量次数。

具体的，步骤s2具体为：

s201、将步骤s1获得的泥沙含量值和水流速度经肖维勒准则剔除奇异值、一阶滞后数据滤波和归一化处理；

s202、分析步骤s201预处理后数据的相关度；

s203、根据步骤s202数据的相关度构建实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的函数关系。

进一步的，步骤s201中，肖维勒准则剔除奇异值具体为：

其中，n为测量次数，xj,i为实验测量数据，为实验测量数据均值；

一阶滞后数据滤波具体为：

xj,i+1＝(1-β)xj,i+βxj,i-1

其中，xj,i+1为第(i+1)次测量数据，β为滤波平滑系数，xj,i-1为第(i-1)次测量数据；

归一化处理具体为：

其中，为归一化处理后的数据，μj为实验数据的均值，σj为实验数据的标准差。

进一步的，步骤s202中，数据相关度ρ1,2具体如下：

其中，为泥沙含量测量的均值，为水流速度测量的均值。

进一步的，步骤s203中，实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的函数关系如下：

其中，α为相关度权值系数，x1,i为泥沙含量值，x2,i为水流速度，y为相关度权值系数。

本发明的另一个技术方案是，一种深水泥沙含量检测设备，包括直立支架，直立支架上设置有控制箱，控制箱通过信号线及电源线分别与水位传感器、泥沙含量传感器和水文铅鱼连接，控制箱内设置有无线信号发射单元，微处理器单元和直流电源，微处理器单元通过无线信号发射单元与云服务器连接，微处理器单元分别与水位传感器、泥沙含量传感器、水文铅鱼和直流电源连接。

具体的，水位传感器设置在泥沙含量传感器的上方，水文铅鱼设置在泥沙含量传感器的下方。

具体的，水文铅鱼包括本体，本体的尾部设置有迎合水流方向的纵尾，以及保持前后平衡的横尾，本体的前端设置有流速测定仪。

具体的，直立支架的顶部设置有太阳能板，太阳能板与直流电源连接。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种深水泥沙含量检测方法，考虑了深水流速对泥沙含量传感器测量结果的影响，构建了实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的模型。具体为：首先，通过水位传感器、泥沙含量传感器、和水流速度传感器分别获取检测水质的高度、泥沙含量值和水流速度结果；其次，对泥沙含量值和水流速度值进行滤波等处理；最后，得到实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的模型。测量的实际泥沙含量和水位值经无线通信技术传输到阿里云服务器，笔记本电脑通过访问阿里云服务器可获悉水质情况和此时水位。因此，该发明能够提高深水区域水质检测结果的准确度，还能够便于工作人员实时监管水质情况。

进一步的，为了获取更详细的水质信息，本发明分别用水位传感器、泥沙含量传感器和水流速度传感器得到测量水质高度、泥沙含量值和水流速度值。各传感器的原理如下：根据实际水位与设定水位的偏差获取水位信号，将水信号变成电信号，确定泥沙含量值对应的水位位置。根据发射光收到浑浊物反射的光强度，将光信号转成电信号，得到泥沙含量值。根据流速于流速仪中的浆形转子的转数、时间周期间的函数关系，可得泥沙含量值对应的水流速度。

进一步的，考虑传感器的固有缺陷会使测量的数值存在偏差，对测量结果进行奇异值剔除和数据滤波为准确构建模型奠定基础。进一步，考虑到泥沙含量和水流速度的量纲不同，进行归一化处理，并计算数据相关度。在此基础上，构建实际泥沙含量值与深水流速间的函数关系。

进一步的，为了得到准确可靠的实验测量数据，需要进行肖维勒准则剔除奇异值和一阶滞后数据滤波。为了消除泥沙含量值和水流速度值的量纲的影响，处理后的数据进行归一化处理。

进一步的，为了得到泥沙含量值和水流速度影响实际泥沙含量值权值，需要对归一化处理后的数据进行数据相关度处理。

进一步的，避免因深水水流速度对泥沙含量测量值造成的影响，构建实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的模型关系，便于检测深水泥沙含量。

一种深水泥沙含量检测设备，考虑了深水流速对泥沙含量传感器测量结果的影响，采用水文铅鱼测得流速值；同时，为方便相关人员更好的研究水资源，给出了泥沙含量测量值下的水位；为便于相关部门监管水资源情况，将测量结果通过无线信号进行传输并实时显示。因此，该发明能够提高深水泥沙含量检测结果，同时，便于采集整个水域不同深度下的泥沙含量值有利于对整体水域水质的把握，跨区域数据传输方便相关部门进行实时监测及时了解水质情况。

进一步的，为了得到更为详细的水质情况，分别用水位传感器得到泥沙含量值对应的水位、用泥沙含量传感器测量水质的泥沙含量值、和用水文铅鱼获取此时泥沙含量值对应的水流速度。

进一步的，为了得到准确可靠的水流速度值。

进一步的，太阳能板用于提供电能进而降低成本。

综上所述，本发明具有深水泥沙含量检测结果高准确性、检测结果水位层次分明、数据跨大区域显示的优点。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明深水式泥沙含量检测系统框架；

图2为本发明深水式泥沙含量检测设备和检测方法示意图；

图3为本发明六个并联的红外发射二极管驱动电路图；

图4为本发明光敏二极管，其中，(a)为驱动电路，(b)为时序图；

图5为本发明泥沙含量传感器示意图；

图6为本发明水位传感器模块电路图；

图7为本发明流速传感器模块电路图；

图8为本发明泥沙含量和水位传感器防水外壳示意图；

图9为本发明泥沙含量和水位传感器以及防水外壳检测设备示意图；

图10为本发明水位、泥沙含量及流速检测设备设计示意图；

图11为本发明中央处理器模块电路图；

图12为本发明电源电路模块电路图；

图13为本发明太阳能蓄能模块电路图；

图14为本发明通信模块电路图；

图15为本发明水速对泥沙含量传感器的影响图；

图16为对比现有检测设备与该发明设备对水质泥沙含量检测结果图。

其中：1.水文铅鱼；2.泥沙含量传感器；3.水位传感器；4.控制箱；5.太阳能板；6.云服务器；7.电脑；8.信号线及电源线；9.螺丝；10.前盖；11.透明件压片；12.镜片；13.o型圈；14.透明件安装座；15.光电式pcb上板；16.铜柱；17.光电式pcb下板；18.铜体；19.后盖；20.防水航插座；21.防水接头后部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

请参阅图1，本发明提供了一种深水泥沙含量检测设备，包括直立支架、水位传感器3、泥沙含量传感器2、水文铅鱼1、控制箱4、云服务器6、电脑7、24v直流电源和太阳能板5。

控制箱4设置在直立支架上，通过信号线及电源线8分别与水位传感器3、泥沙含量传感器2和水文铅鱼1连接，水位传感器3设置在泥沙含量传感器2的上方，水文铅鱼1设置在泥沙含量传感器2的下方，控制箱4内设置有无线信号发射单元，微处理器单元和直流电源，微处理器单元通过无线信号发射单元与云服务器6连接，远端设置的电脑7与云服务器6连接，微处理器单元分别与无线信号发射单元、水位传感器3、泥沙含量传感器2、水文铅鱼1和直流电源连接，水位传感器3、泥沙含量传感器2和水文铅鱼1的信号在微处理器单元进行处理后通过无线信号发射单元发送给云服务器6，直立支架的顶部设置有太阳能板5，太阳能板5与直流电源连接。

水文铅鱼1包括本体，本体的尾部设置有迎合水流方向的纵尾，以及保持前后平衡的横尾，本体的前端设置有流速测定仪，能够测得对应泥沙含量值下的流速。

三角支架与水位传感器3、泥沙含量传感器2与水文铅鱼1之间均通过细软钢丝绳相连。水位传感器3用来测量泥沙含量传感器2测量的深水泥沙含量值对应的位置信息。

泥沙含量传感器2用于检测泥沙含量，包括红外发射二极管和光敏二极管电阻

请参阅图3，电阻r1、r2、r3、r4、r5和r6并联连接，一端与5vdc的正极连接，另一端分别经对应的发射二极管d1、d2、d3、d4、d5和d6与5vdc的负极连接，发射二极管发射的红外光强度与通过其电流成正比例关系。

请参阅图4，光敏二极管驱动电路中，光敏二极管d的正极与5vdc的正极连接，光敏二极管d的负极经电阻r7与5vdc的负极连接，光敏二极管t的一端与vcc连接，另一端分两路，一路与vout连接，第二路经电阻r8与vgnd连接。

请参阅图5，泥沙含量传感器2包括发射二极管、光敏二极管和电阻，用来检测水质泥沙含量；

请参阅图6，水位传感器3用来测量水位，第1引脚分两路，一路与+5vvcc连接，另一路经电阻r14与dq连接，第2引脚与dq连接，第3引脚与vgnd连接，水位测量信号与水位设定信号的偏差，并将偏差转变成电信号，通过电信号换算成水位。

请参阅图7，流速传感器模块用于测量水的流速，第1引脚分两路，一路与+5vvcc连接，另一路经电阻r15与q连接，第2引脚与q连接，第3引脚与vgnd连接，流速传感器位于水文铅鱼内部。

请参阅图8，泥沙含量传感器2的外壳包括：螺丝9、前盖10、透明件压片11、镜片12、o型圈13、透明件安装座14、光电式pcb上板15、铜柱16、光电式pcb下板17、铜体18、后盖19、防水航插座20和防水接头后部21。

防水外壳从前至后依次包括前盖10、透明件压片11、镜片12、透明件安装座14、铜体18、后盖19、防水航插座20和防水接头后部21；镜片12与透明件安装座14，透明件安装座14与铜体18之间均设置有o型圈13，铜体18内间隔设置有光电式pcb上板15和光电式pcb下板17，光电式pcb上板15和光电式pcb下板17之间、以及光电式pcb下板17与后盖19之间设置有铜柱16，铜体18和后盖19之间设置有o型圈13，前盖10通过螺丝9与透明件安装座14连接，防水航插座20和防水接头后部21通过螺丝9与后盖19连接。

请参阅图9，为泥沙含量和水位传感器在图8的结合下该检测设备示意图，光电式pcb上板15和光电式pcb下板17分别为供电板和检测板，进一步，检测板上装有泥沙含量传感器和水位传感器，供电板为泥沙含量传感器和水位传感器提供电能，泥沙含量传感器和水位传感器通过钢丝绳进行连接。

请参阅图10，是集水位测量、水质检测和河水流速测定于一体化的泥沙含量检测设备，水位传感和泥沙含量传感器器通过钢丝绳进行连接，且泥沙含量传感器和水文铅鱼通过钢丝绳进行连接。

请参阅图11，是中央处理模块(stm32)，主要用来处理数据和传输泥沙含量及水位值；传感器模块得到的数值通过微处理进行处理，处理之后的通过无线通信模块传输到阿里云服务器，且电源模块能够为微处理器提供电能。

请参阅图12，是电源电路模块，用于为设备提供电能，包括ht7550-1和ht7553-1，+24v分两路，一路经ht7550-1分别与电容c5的一端，+5v，电容c6的一端以及ht7553-1的一端连接，第二路经电容c4分别与ht7550-1，电容c5的另一端，电容c6的另一端，ht7553-1，电容c7的一端共地连接，电容c7的另一端分别与ht7550-1和+3.3v连接；+24v与太阳能蓄能模块连接(如图13所示)，+3.3v与微处理器的电源接口连接，如图11所示。

请参阅图13，为直流充电的太阳能蓄能模块，包括mc34063，mc34063的tcap引脚经电容c3后接地连接，gnd引脚和iswe引脚接地连接，iswc引脚分两路，一路经电感l后分三路，一路经电阻r11与idc引脚连接，第二路与ipk引脚连接，第三路经电阻r12和电容c2后三路，一路接地，第二路经电容c1分别与正24v、iswc引脚以及电阻r9的一端连接，第三路经电阻r10分两路，一路与comp引脚连接，第二路与电阻r9的另一端连接，mc34063的vcc引脚与太阳能板5连接。

当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在p-n结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。再利用mc34063芯片实现直流电压-直流电压降压，将由太阳能转化成的电能经过电路变换为稳定直流电给微处理器供电。

请参阅图14，为传输数据的通信模块，包括sp485r，sp485r的ro端与rx连接，di端与tx连接，re端和de端均与r/d连接，vcc接+5v，sp485r的b端分四路，分别与电阻r13的一端，瞬态电压抑制二极管d8的正极，瞬态电压抑制二极管d7的正极以及rs485的第1引脚连接，sp485r的a端分四路，分别与电阻r13的另一端，瞬态电压抑制二极管d9的正极，瞬态电压抑制二极管d7的负极以及rs485的第2引脚连接，sp485r的gnd端分四路，分别与瞬态电压抑制二极管d8的负极，瞬态电压抑制二极管d9的负极，接地端以及rs485的第3引脚连接。当r/d为低电平时，发送禁止，接收有效；当r/d为高电平时，发送有效，接收禁止。同时，电路中的电阻r13和瞬态电压抑制二极管d7、d8、d9能够提升电路的抗干扰能力。主要完成接收微处理器发送的数据，并将接收到的数据经4gdtu物联网传输到阿里云服务器。

电脑7通过无线信号访问云服务器获得水质泥沙含量值进而实时显示检测结果，能够提高深水泥沙含量的检测结果，同时，便于采集整个水域不同深度下的泥沙含量值有利于对整体水域水质的把握，跨区域数据传输方便相关部门进行实时监测及时了解水质情况。

请参阅图2，本发明一种深水泥沙含量检测方法，包括以下步骤：

s1、数据采集；

s101、水位传感器根据实际水位与设定水位的偏差进行计算，将水位信号转变成电信号，完成水位的测量以便给出泥沙含量值下的位置pi；

s102、泥沙含量传感器根据发射光收到浑浊物反射回来的光强度测得泥沙含量值x1,i，将水质泥沙含量转变成电信号；

s103、水文铅鱼前端测量水流速度x2,i，i＝1,2,...,n为测量次数。

s2、数据处理；

s201、将步骤s1获得的泥沙含量值x1,i和水流速度x2,i经肖维勒准则剔除奇异值(式1)、一阶滞后数据滤波(式2)和归一化处理(式3)。

xj,i+1＝(1-β)xj,i+βxj,i-1(2)

s202、分析数据相关度，具体如下：

s203、构建实际泥沙含量值与测量泥沙含量值和深水流速间的函数关系，具体如下：

其中，n，xj,i，β，μj，σj，ρ1,2，αq，y，j＝1,2，q＝1,2,...,8分别为测量次数，实验测量数据，滤波平滑系数，实验数据的均值，实验数据的标准差，x1,i和x2,i间的相关度，实际深水泥沙含量值，相关度权值系数。

s3、数据显示。

根据步骤s2得到实际泥沙含量值和水位值，通过无线信号将实际泥沙含量值和水位值发送到云服务器；电脑通过无线信号访问云服务器，进而获取检测结果并实时的显示出来。

为了检测该设备有效性和准确性，设计了两组对比实验，得出如图15和16所示的模拟流速对泥沙含量检测结果的影响和对比现有检测设备与该发明设备对水质的检测结果。

为了验证本发明深水泥沙含量检测设备和检测方法的有效性和检测结果准确性，设置了流速对泥沙含量传感器检测结果的影响和对比该发明与现有检测技术检测水质结果两组实验。针对实验一来说，采集相同地点的水分别进行有流速和无流速的两种情况下的实验；针对实验二来说，对相同的水分别使用该发明设备和现有设备进行水质泥沙含量检测。实验结果如图15和16所示。

请参阅图15和图16，图15中，深色线表示无流速时的水质泥沙含量检测结果，浅色线表征有流速时的水质检测结果，该实验能够说明流速对泥沙含量传感器测量的结果有影响，进一步，论证了本发明能够解决流速带来的影响。图16中，深色线为现有设备(不考虑流速)对水质测量结果，而浅色线则为该发明设备(考虑流速)对泥沙含量检测结果，对比可知，本发明能够提高深水泥沙含量检测的准确性。

综上所述，本发明一种深水泥沙含量检测设备及检测方法，考虑了流速对泥沙含量传感器测量结果的影响因素，同时，为了方便得知每个水位下的泥沙含量值，设计了包含水位、流速测定仪和泥沙含量传感器的深水泥沙含量检测设备和检测方法。与现有技术相比，该发明能够提高深水泥沙含量的检测结果，同时，便于采集整个水域不同深度下的泥沙含量值有利于对整体水域水质的把握，跨区域数据传输方便相关部门进行实时监测及时了解水质情况。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。