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与流程

本发明涉及含沙量测量技术领域，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。

背景技术：

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。如中国发明专利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；如中国发明专利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。如中国发明专利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，故正如发明专利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。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明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，本发明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信号电压值vobs和n个与不同发光功率一一对应的红外透射光强信号电压值。

上述技术方案中，步骤s2具体包括：

步骤s201：将传感器浸入配置好的悬浮泥沙悬浊液中，启用:测量装置中可编程恒流驱动电路的全部预置电流档，按照硬件控制逻辑测量最大电流档对应后向散射光强信号电压和所有电流档对应透射光强信号电压，并测量多次取均值；

步骤s202：点绘所有含沙量与功率档透射光强信号电压的对应关系曲线，以及含沙量与后向散射光强信号电压的对应关系曲线；

步骤s203：从后向散射光强信号电压与含沙量关系曲线中判读出后向散射光强信号电压峰值对应含沙量数值，取该峰值对应含沙量加2kg/m³——ssccr(0)作为后向散射光强信号的有效测量区间下限；

步骤s204：读取所有档位透射光强信号电压达到a/d转换电路转换上限时对应含沙量数值，从小到大顺序排列依次为ssccr(1)、ssccr(2)……ssccr(m)，分别对应i1、i2……im个从大到小的驱动电流档位；

步骤s205：读取清水中透射光强信号电压仍未达到a/d转换电路转换上限的最大电流档位，该电流档位即为光源驱动电流最低有效输出档位，更低电流输出档在后续实际测量中将不再使用，有效光源驱动电流输出档共计为m+1个；

步骤s206：构建驱动电流最低有效输出档im+1透射光强信号电压与含沙量在全量程内的标定方程，粗算含沙量ssctest：

ssctest＝f(vot_i(m+1))

基于粗算含沙量与临界含沙量值，构建精细分段标定方程：

其中：vob为光后向散射信号电压值，vot_i(1)∽vot_i(m)为1∽m电流档光透射信号电压值，各分段函数均采用多项式形式拟合形式。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明解决了光透射原理测沙宽量程和高分辨率难以兼顾、光后向散射原理测沙光电信号与含沙量对应关系不唯一的难题，实现了仅使用单组光透射和光后向散射传感器即可完成宽量程覆盖并获得最佳测沙分辨率的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明的测量装置硬件组成示意图；

图2为本发明的测量装置完成一次测量的硬件控制逻辑示意图；

图3为本发明的的测量装置的后向散射光强信号电压和透射光强信号电压与含沙量关系曲线示意图；

图4为本发明的的测量装置在长江口南港下段水域含沙水体中的后向散射光强信号电压和透射光强信号电压与含沙量关系曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

图1为本发明的测量装置硬件组成示意图；本发明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，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。

因可编程led恒流驱动电路为常规电路，信号放大电路和a/d转换电路为常规电路，这里不再赘述。

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。

为避免气泡对含沙量测量干扰，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。

如图2所示，本发明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。

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信号电压值vobs和n个与不同发光功率一一对应的红外透射光强信号电压值。

本发明的步骤s2具体包括：

步骤s201：将传感器浸入配置好的悬浮泥沙悬浊液中，启用:测量装置中可编程恒流驱动电路的全部预置电流档，按照硬件控制逻辑测量最大电流档对应后向散射光强信号电压和所有电流档对应透射光强信号电压，并测量多次取均值；

步骤s202：点绘所有含沙量与功率档透射光强信号电压的对应关系曲线，以及含沙量与后向散射光强信号电压的对应关系曲线；

步骤s203：从后向散射光强信号电压与含沙量关系曲线中判读出后向散射光强信号电压峰值对应含沙量数值，取该峰值对应含沙量加2kg/m³——ssccr(0)作为后向散射光强信号的有效测量区间下限；

步骤s204：读取所有档位透射光强信号电压达到a/d转换电路转换上限时对应含沙量数值，从小到大顺序排列依次为ssccr(1)、ssccr(2)……ssccr(m)，分别对应i1、i2……im个从大到小的驱动电流档位；

步骤s205：读取清水中透射光强信号电压仍未达到a/d转换电路转换上限的最大电流档位，该电流档位即为光源驱动电流最低有效输出档位，更低电流输出档在后续实际测量中将不再使用，有效光源驱动电流输出档共计为m+1个；

步骤s206：构建驱动电流最低有效输出档im+1透射光强信号电压与含沙量在全量程内的标定方程，粗算含沙量ssctest：

ssctest＝f(vot_i(m+1))

基于粗算含沙量与临界含沙量值，构建精细分段标定方程：

其中：vob为光后向散射信号电压值，vot_i(1)∽vot_i(m)为1∽m电流档光透射信号电压值，各分段函数均采用多项式形式拟合形式。

本发明的具体实施例如图3所示，包括有一个微处理器1、一个可编程恒流驱动电路2、一个红外传感器3、一个2路a/d转换电路4及信号放大电路5和6。

本实施例中，微处理器1可采用意法半导体公司的stm32f103ret6型号单片机集成电路，也可以使用其他能够实现数据处理和控制的芯片。stm32f103ret6是一款时钟频率72mhz的32位armcortexm3架构的低功耗微处理器，内置多路usart接口并可多路gpio引脚输出pwm脉冲信号。微处理器1可通过pwm输出直接驱动编程恒流驱动电路2。

本实施例中，可编程恒流驱动电路2采用常规的可编程恒流led驱动电路，其性能参数设定为输出最大电流300ma，输出精度优于1ma，通过编程控制微处理器1的pwm引脚输出10组不同占空比的脉冲信号，驱动可编程恒流驱动电路2输出15ma(i10)、30ma(i9)、45ma(i8)、60ma(i7)、75ma(i6)、90ma(i5)、110ma(i4)、150ma(i3)、200ma(i2)和250ma(i1)共计10档驱动电流。

本实施例中，红外传感器3呈u型结构，其一侧安放1个红外光源31并与光源毗邻平行放置第一光电接收器32(用于接收后向散射光强)，其另一侧与光源对向的位置安放第二光电接收器33(用于接收透射光强)。其中，红外光源31可采用峰值波长为970nm区间的砷铝化镓(gaalas)型红外led，第一光电接收器32和第二光电接收器33均采用峰值波长970nm的硅pin光电二极管。且所述第一光电接收器32相对u型结构中点与红外光源31呈18°夹角安置，所述第二光电接收器33相对u型结构中点与红外光源31对向呈198°夹角安置。

本实施例中，红外传感器3接收到的透射光强信号和后向散射光强信号均极为微弱，需要分别经过信号放大电路5和6放大后才能供2路a/d转换电路4使用。相应地，信号放大电路5和6均采用常规的二级放大电路且二者相同。

本实施例中，2路a/d转换电路为常规双路隔离a/d转换电路，a/d转换精度可为16bit。

本实施例中，所述微处理器1控制可编程恒流驱动电路2驱动所述红外传感器3的红外光源31发射红外光，所述红外光被悬沙颗粒散射后为光源同侧第一光电接收器32接收，并由所述放大电路5放大后经a/d转换电路4发送至所述微处理器1变为后向散射光强信号电压值存储；所述红外光透过u型槽内含沙水体后为光源对向第二光电接收器33接收，并由所述放大电路6放大后经a/d转换电路4发送至所述微处理器变为透射光强信号电压值存储。

本本发明的一个具体实施例中，待测含沙水体为长江口南港下段水域，悬浮泥沙平均中值粒径0.012mm。测量前需要先对待测含沙水体进行标定试验，构建标定模型。具体步骤如下：

(1)使用现场取样原状泥沙样品和纯净水配制一系列0∽200kg/m³悬浮泥沙悬浊液，并低速搅拌均匀。

(2)将红外传感器3放置到悬浮泥沙悬浊液中，微处理器1控制完成1测次测量，得到该悬浮泥沙悬浊液含沙量与最大电流档后向散射信号电压和全部10个电流档的透射光强信号电压的对应数据，测量10次并分别取均值；

(3)重复步骤(2)直至完成全部悬浮泥沙悬浊液测量，并得到已知含沙量与最大电流档后向散射信号电压和全部10个电流档的透射光强信号电压的对应数据序列。

(4)如图4所示，点绘全部10个功率档(输出电流档)透射光强信号电压(x轴)与含沙量(y轴)的对应关系曲线，以及后向散射光强信号电压(x轴)与含沙量(y轴)的对应关系曲线；

(5)根据图4中后向散射光强信号电压与含沙量关系曲线，判读出后向散射光强信号电压峰值对应含沙量数值为12.00kg/m³，取该峰值对应含沙量加2kg/m³即ssccr(0)＝14.00kg/m³作为后向散射光强信号的有效测量区间下限；

(6)根据图4中透射光强信号电压与含沙量关系曲线，读取所有5个档位透射光强信号电压达到a/d转换电路转换上限时对应含沙量数值，从小到大顺序排列依次为ssccr(1)＝3.30kg/m³、ssccr(2)＝2.51kg/m³、ssccr(3)＝1.85kg/m³、ssccr(4)＝1.12kg/m³、ssccr(5)＝0.40kg/m³，分别对应i1、i2……i5个从大到小的驱动电流档位。

(7)根据图4中透射光强信号电压与含沙量关系曲线，读取清水(含沙量为0kg/m³)中透射光强信号电压仍未达到a/d转换电路转换上限的最大电流档位为i6档，该i6电流档位即为光源驱动电流最低有效输出档位(j＝6)，i7、i8、i9和i10等4个更低电流输出档在后续实际测量中将不再使用。相应地，有效光源驱动电流输出档共计为6个。

(8)构建最低有效电流输出档(i6)透射光强与含沙量在全量程内的标定方程，粗算含沙量ssctest：

ssctest＝f(vot_i(6))

(9)基于粗算含沙量与步骤5)所得临界含沙量值，构建精细分段标定方程，各分段函数均采用四阶多项式f(v)＝av⁴+bv³+cv²+dv+e形式，基于最小二乘法求得各分段函数的a、b、c和d系数取值。

其中：vob为光后向散射信号电压值，vot_i(1)～vot_i(6)为1～6电流档(电流由大到小顺序)光透射信号电压值。

图4中阴影包含范围即为本次标定所得各光强信号电压值在标定模型中的有效信号区间。

本发明的具体实施例实际含沙水体测量为：

(1)将所组成的测量装置放入待测水体内；

(2)设置最低有效电流输出档为第6档(75ma)，按照步骤一所述硬件操作逻辑，快速完成测量，并记录原始光强信号电压；

(3)按照步骤二所得标定模型转换出所测量水体的含沙量数值。

本发明基于上述技术方案，耦合了光透射原理测量含沙量和光后向散射原理测量含沙量两种技术手段，解决了光透射原理测沙宽量程和高分辨率难以兼顾、光后向散射原理测沙光电信号与含沙量对应关系不唯一的难题，实现了仅使用单组光透射和光后向散射传感器即可完成宽量程覆盖并获得最佳测沙分辨率的功能，使得高分辨率、宽量程测沙探头小型化成为可能。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。