本发明涉及一种含沙量检测方法，特别是涉及一种具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，属于含沙量检测技术领域。
背景技术：
河道或者海洋中，悬移质泥沙恢复饱和过程是一个悬移质与床沙颗粒之间的补充-交换-粗化耦合过程，试验或原观测量中需观测近底层泥沙运动的基本轨迹、断面含沙量分布等要素，这些需要测量一个断面或断面某一垂线的含沙量，目前，国内外含沙量测量方法有光电测量法、超声波测量法、电容法、图像测量法、γ射线法等，每种测量方法具有其独特测量性质、测量范围及优缺点。光电式含沙量测方法技术成熟、结构简单、体积小，是目前使用范围最广、认可度最高的一种含沙量测量方法，但现有的光电式含沙量测量方法主要有以下几点原因无法满足宽范围、高精度的测量要求：
(1)目前含沙量测量方法多为点式测量法，若要测量水体中某一断面或垂线的含沙量分布情况，需要放置多台含沙量仪器，这样会严重破坏扰流，且多台测量的方法取样时往往不能同步采集，这样会造成含沙浓度测量结果失真。
(2)光电法测量含沙量受被测粒子尺寸、颜色、甚至折射率等因素影响，对灰色、黑色、白色粒子测试范围尤其差，影响方法的适用范围、测量量程及测量的准确度。
(3)光电法测量含沙量范围有限，不能适用于絮凝状态或超高含沙量及粘稠情况下的含沙量检测，影响方法的使用范围。
目前，市场上光电法测量含沙量都是测量某一点的含沙量，无法满足测量一个断面、一条垂线的含沙量，所以本发明提出在此方法上合理设计光电结构，增加多个光电测量点，确保多个测量点聚焦在同一条直线上，实现一条线上的含沙量的测量。常见的光电测量方法有透射法、90度散射法、135度散射法，透射法与90度散射法相结合的测量方法。在前期研究的过程中发现，透射法适用于中等浓度含沙量测量，90度散射法适用于低含沙量测量，135度散射法对低含沙量检测不灵敏，只适用于中高含沙量，所以本发明提出在使用90度散射法的基础上增加135度散射法扩大含沙量测量范围。又因目前光电式含沙量测量为单点测量，所以本发明提出采用多组光源发射led、90度散射接收led与135度散射接收led相结合，实现水体含沙量的垂线测量。又因光电法测量含沙量受颗粒颜色影响较大，因此本发明提出增加采用颜色传感器，对水下颗粒物进行颜色感应，为含沙量提供颜色补偿。又因水体中的中颗粒是不均匀的，一些沙样在水体中会产生絮凝现象，降低光电法测量的准确性，因此需要提出增加电容传感器，使测试数据更准确。
技术实现要素：
本发明的主要目的是为了提供一种测量范围大、可靠性高的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，采用多个光电传感器与电容传感器、颜色传感器相结合的含沙量检测方法，特别适用于实验室和现场含沙量测量，能够同步测量所要测量的断面或垂线的含沙量分布情况。
本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：
一种具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统，包括发光控制电路、光源、探测器、数据采集处理单元、电容控制电路、电容传感器、颜色控制电路、颜色传感器、数据传输模块和计算机控制及数据分析装置，所述计算机控制及数据分析装置分别与所述发光控制电路、所述数据采集处理单元、所述电容控制电路、所述颜色控制电路和所述数据传输模块电连接，所述发光控制电路与所述光源连接，所述数据采集处理单元还分别与探测器和探测器电连接，所述光源经分光镜分为两路相同光束，所述探测器接收所述光源经分光镜直接获得的光束，所述探测器和所述探测器接收经水沙混合液体折射或反射后的光束，所述电容控制电路与所述电容传感器电连接，所述颜色控制电路与所述颜色传感器电连接，所述数据采集处理单元与所述数据传输模块电连接。
优选的，所述探测器、所述探测器和所述探测器均为光纤传感器，所述光纤传感器由光导纤维和光传感器原件组成，所述光导纤维包括90度光导纤维和135度光导纤维，所述90度光导纤维的延伸方向与照射光线方向成90度角，所述135度光导纤维的延伸方向与照射光线方向成135度角。
优选的，所述光源为红外led灯或激光led灯，包括led灯发射光源、90度角led灯接收模块和135度角led灯接收模块。
优选的，所述红外led灯和所述激光led灯均包括led灯及设置在led灯前方的透镜，led灯光线经透镜折射为平行光线。
优选的，所述led灯发射光源、所述90度角led灯接收模块和所述135度角led灯接收模块均由多个相同光源发射模块及接收模块组成，这些模块的交汇点形成一个探测面。
优选的，所述电容传感器感应测量水体中的介电常数，并与温度补偿模块连接。
优选的，所述颜色传感器感应水体中颗粒的颜色，为所述计算机控制及数据分析装置提供颜色补充，降低颗粒颜色对测量结果的影响。
优选的，还包括显示单元，所述显示单元用于实时显示垂线段各测量点的含沙量数据，所述显示单元分别与所述数据采集处理单元和所述计算机控制及数据分析装置电连接，所述数据采集处理单元用于采集所述电容传感器和所述颜色传感器输出的模拟信号，将模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过数据传输模块传输至所述计算机控制及数据分析装置，所述计算机控制及数据分析装置用于通过数据传输模块控制所述数据采集处理单元进行数据采集，并对采集的数据进行计算，获得垂线上多点含沙量数据，并通过所述显示模块给予显示。
一种具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测方法，包括如下步骤：
步骤1：控制led光源处于打开状态，分别采集光源参考光强数据、90度角散射光强数据和135度角散射光强数据；
步骤2：控制led光源处于关闭状态，分别采集上述三路光强数据；
步骤3：分别计算二者的差值光强，消除了光电探测器本身的暗电流对测试的影响；
步骤4：对三路差值数据，利用参考光强作分母做除法运算，计算相对值，消除参考光光强波动对测试的影响；
步骤5：将90度角光强做参考，选取一定加权因子，将90度光强值与135度角光强值做比较运算，结果作为含沙量测量值；
步骤6：重复以上步骤，计算多组含量测量值；
步骤7：控制颜色传感器处于工作状况，读取颜色传感器数值，对含沙量测量结果做一次修正；
步骤8：控制电容传感器处于工作状态，读取电容传感器数值、温度传感器数据，对电容传感器数据做修正，其结果对含沙量值结果做二次修正计算。
进一步的，所述步骤8中，采用线性插值法，对各测量点之间未在测量范围内的含沙量做插值处理，获得估计值，从而得到探测面的含沙量数据及含沙量分布趋势图。
本发明的有益技术效果：
1、按照本发明的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，本发明提供的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，对比使用多个传统单点光电式含沙量与多传感器垂线含沙量测量同一断面含沙量情况，对实验中的各检测点获得的数据比较分析，传统使用多个单点含沙量测量仪测量探测面的含沙量，多个仪器叠加在同一个断面上，严重影响检测点的水流方向与沙含量分布，检测测量的准确性低，可靠性不高，采用具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，多个传感器紧凑、科学、合理排列，体积较小，不扰流，探测面测量与实际实验演算测量结果误差不大，因此该方法测量对光电法测量断面含沙量浓度具有重大突破。同时增加的电容传感器与颜色传感器，即使在测量黑色、灰色沙样，沙粒尺寸不均匀，水中出现颗粒絮凝、黏稠等苛刻条件，都能得到很精确的结果和较宽的测量范围，有很大的实用价值，也是对光电法测量含沙量性能的一个很大的提升。
2、按照本发明的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，本发明提供的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，能够提高对模型河床形态采集和认识的效率和精度，实现悬移质泥沙浓度沿程垂线分布的自动化、微干扰测量功能，使之达到在模型试验中对悬移质泥沙运动的智能量测，避免因人为因素过多而带来的误差和效率低下。可为悬移质泥沙微观运动规律、非饱和输沙过程等研究提供更为准确的实验数据，将大为推动泥沙运动基本规律和河床演变机理研究，以及不平衡泥沙输移过程模拟等领域的发展进步。
附图说明
图1为按照本发明的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统的一优选实施例的电路连接图；
图2为按照本发明的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统的一优选实施例的传感器连接结构图。
图中：1-发光控制电路，2-光源，3-探测器，4-探测器，5-探测器，6-数据采集处理单元，7-电容控制电路，8-电容传感器，9-颜色控制电路，10-颜色传感器，11-数据传输模块，12-计算机控制及数据分析装置。
具体实施方式
为使本领域技术人员更加清楚和明确本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1和图2所示，本实施例提供的一种具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统，包括发光控制电路1、光源2、探测器3、数据采集处理单元6、电容控制电路7、电容传感器8、颜色控制电路9、颜色传感器10、数据传输模块11和计算机控制及数据分析装置12，所述计算机控制及数据分析装置12分别与所述发光控制电路1、所述数据采集处理单元6、所述电容控制电路7、所述颜色控制电路9和所述数据传输模块11电连接，所述发光控制电路1与所述光源2连接，所述数据采集处理单元6还分别与探测器4和探测器5电连接，所述光源2经分光镜分为两路相同光束，所述探测器3接收所述光源2经分光镜直接获得的光束，所述探测器4和所述探测器5接收经水沙混合液体折射或反射后的光束，所述电容控制电路7与所述电容传感器8电连接，所述颜色控制电路9与所述颜色传感器10电连接，所述数据采集处理单元6与所述数据传输模块11电连接。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述探测器3、所述探测器4和所述探测器5均为光纤传感器，所述光纤传感器由光导纤维和光传感器原件组成，所述光导纤维包括90度光导纤维和135度光导纤维，所述90度光导纤维的延伸方向与照射光线方向成90度角，所述135度光导纤维的延伸方向与照射光线方向成135度角。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述光源2为红外led灯或激光led灯，包括led灯发射光源、90度角led灯接收模块和135度角led灯接收模块；所述红外led灯和所述激光led灯均包括led灯及设置在led灯前方的透镜，led灯光线经透镜折射为平行光线；所述led灯发射光源、所述90度角led灯接收模块和所述135度角led灯接收模块均由多个相同光源发射模块及接收模块组成，这些模块的交汇点形成一个探测面。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，所述电容传感器8感应测量水体中的介电常数，并与温度补偿模块连接，为系统在被测沙样有絮凝、黏稠或高含沙量等情况下，提供补偿，所述颜色传感器10感应水体中颗粒的颜色，为所述计算机控制及数据分析装置12提供颜色补充，降低颗粒颜色对测量结果的影响。
进一步的，在本实施例中，如图1和图2所示，还包括显示单元，所述显示单元用于实时显示垂线段各测量点的含沙量数据，所述显示单元分别与所述数据采集处理单元6和所述计算机控制及数据分析装置12电连接，所述数据采集处理单元6用于采集所述电容传感器8和所述颜色传感器10输出的模拟信号，将模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过数据传输模块11传输至所述计算机控制及数据分析装置12，所述计算机控制及数据分析装置12用于通过数据传输模块11控制所述数据采集处理单元6进行数据采集，并对采集的数据进行计算，获得垂线上多点含沙量数据，并通过所述显示模块给予显示。
进一步的，在本实施例中，本实施例提供的一种具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测方法，包括如下步骤：
步骤1：控制led光源处于打开状态，分别采集光源参考光强数据、90度角散射光强数据和135度角散射光强数据；
步骤2：控制led光源处于关闭状态，分别采集上述三路光强数据；
步骤3：分别计算二者的差值光强，消除了光电探测器本身的暗电流对测试的影响；
步骤4：对三路差值数据，利用参考光强作分母做除法运算，计算相对值，消除参考光光强波动对测试的影响；
步骤5：将90度角光强做参考，选取一定加权因子，将90度光强值与135度角光强值做比较运算，结果作为含沙量测量值；
步骤6：重复以上步骤，计算多组含量测量值；
步骤7：控制颜色传感器处于工作状况，读取颜色传感器数值，对含沙量测量结果做一次修正；
步骤8：控制电容传感器处于工作状态，读取电容传感器数值、温度传感器数据，对电容传感器数据做修正，其结果对含沙量值结果做二次修正计算。
进一步的，在本实施例中，所述步骤8中，采用线性插值法，对各测量点之间未在测量范围内的含沙量做插值处理，获得估计值，从而得到探测面的含沙量数据及含沙量分布趋势图。
进一步的，在本实施例中，所述光源为红外led灯或激光led等，包括led灯发射光源、90度角led灯接收模块，135度角led灯接收模块。所述光源包括led灯和设置在led灯前方的透镜，led灯光线经透镜折射为平行光线。采用led灯冷光源，发光效率高，稳定性好，长时间照射，温度特性好。
进一步的，在本实施例中，所述发射光源led灯、90度角led灯接收模块，135度角led灯接收模为多个相同光源发射模块与接收模块组成，这些模块的交汇点形成一个探测面，提高水中断面线含沙量测量的准确性。
进一步的，在本实施例中，所述电容传感器感应测量水体中的介电常数，并增加温度补偿模块，提高电容传感器的准确性，从而降低颗粒尺寸、水中颗粒絮凝、黏稠等条件下对测量结果的影响。
进一步的，在本实施例中，所述颜色传感器感应水体中颗粒的颜色，为光电模块提供颜色补充，降低颗粒颜色对测量结果的影响。
进一步的，在本实施例中，所述多传感器垂线含沙量测量方法还包括数据采集与处理单元、计算机控制及数据分析和显示单元等组成；所述数据采集与处理单元用于采集所述光传感器元件、电容传感器原件、颜色传感器元件输出的模拟信号，将模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过数据传输模块传输至所述计算机控制及数据分析模块。所述计算机控制及数据分析装置，用于通过数据传输模块，控制数据采集电路进行数据采集，并对采集的数据进行计算，获得垂线上多点含沙量数据，并通过显示模块给予显示。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测方法，由发光控制电路1，光源2a,2b，探测器3a,3b,4a,4b,5a,5b,电容控制电路7，电容传感器8，颜色控制电路9，颜色传感器10，数据采集处理单元6，数据传输模块11和计算机控制及数据分析装置12组成。
进一步的，在本实施例中，如图2所示，光电探测器3a,3b,4a,4b,5a,5b,由光导纤维和光传感器原件组成，其中，探测器3a，3b，分别接收由光源2a,2b经分光镜分光后的参考光源，探测器4a，4b的接收方向与相对应的光源2a,2b光线方向成90度。探测器5a,5b的接收方向与相对应的光源2a,2b光线方向成135度。光源2a,2b包括led灯和设置在led灯前方的透镜，led灯发射出的光线经透镜折射为平行的光源光线。该方法根据实际测量需要设置多组光源，90度探测器，135度探测器，形成垂线含沙量检测器，从而能够测量探测面上的含沙量数据。
进一步的，在本实施例中，如图1所示，计算机控制及数据分析装置12用于控制发光控制电路1，电容控制电路7，颜色控制电路9及数据采集处理单元6的工作状态，数据采集与处理单元6用于采集多路光源探测器输出的模拟信号，压力传感器输出的模拟信号以及颜色传感器输出的模拟信号，并将这些模拟信号进行数模转换和调制放大，并通过数据传输模块11(如无线/有线网络)传输至计算机控制及数据分析装置12；计算机控制及数据分析装置12，用于通过数据传输网络控制数据采集电路进行数据采集，并对采集的数据进行计算，根据计算的结果显示含沙量。
进一步的，在本实施例中，计算机控制及数据分析装置12执行下列步骤(1)控制led光源处于打开状态，分别采集光源参考光强数据，90度角散射光强数据、135度角散射光强数据；(2)控制led光源处于关闭状态，分别采集上述三路光强数据；(3)分别计算二者的差值光强，这样就有效消除了光电探测器本身的暗电流对测试的影响；4)对三路差值数据，利用参考光强作分母做除法运算，计算相对值，这样就消除参考光光强波动对测试的影响；(5)将90度角光强做参考，选取一定加权因子，将90度光强值与135度角光强值做比较运算，结果作为含沙量测量值。(5)重复以上步骤，计算多组含量测量值；该步骤是实现多点垂线测量的技术措施(6)控制颜色传感器处于工作状况，读取颜色传感器数值，对含沙量测量结果做一次修正；(7)控制电容传感器处于工作状态，读取电容传感器数值，温度传感器数据，对电容传感器数据做修正，其结果对含沙量值结果做二次修正计算；该步骤是提高光电测量方法的适用范围，提高测量准确性的技术措施。
进一步的，在本实施例中，多种传感器垂线含沙量测量系统的测量原理如下：由于本发明选用红外光或红外激光，其光波长度远远小于水中沙粒的粒径，当悬浮颗粒直径大于等于入射光波长度时，各个方向的散射光强度基本相等，可以用如式(1)的mie定律表示，即:
imscat＝kmanisrc(1)
式中,isrc为入射光强度，imscat为mie散射光强度，km为mie散射系数，a为悬浮颗粒表面积，n为单位体积水中的悬浮颗粒个数。可见，在稳定的入射光强度以及固定波长的情况下，散射光强度与水中含沙的总量成正比，即与水中的含沙量成正比。mie散射光的强度与角度的分布有关。后向散射探测是将探测器放在相对入射光线135到180度范围的位置上。该角度对后向散射光敏感，反映了中高含沙量的特征，而对低含沙量不敏感。90°探测是常用的一种探测角度，因为它对粒子尺寸有着较大的灵敏度。它对颜色干扰非常敏感，对低含沙量探测非常有用。本发明选用90度散射光与135度散射光对于提高低含沙量测试的灵敏性及高含沙量的可靠性具有重要理论依据。
进一步的，在本实施例中，光源发射光束照射含沙水样，根据光束照射到90度角探测器与135度探测器，获得90度散射光强与135度散射光强的强弱变化，就可以将水中含沙量的实时变化转化为不同大小的电信号。载有含沙量的电信号在信号采集与调制电路中经滤波、放大等处理后输出到单片机中。单片机将数据经输出传输模块(有线/无线网络)把数据传输到计算机中，而上位计算机就是整个系统的控制中心，承担着发送指令与处理数据的任务。
进一步的，在本实施例中，为了能够测量某一条探测面上的含沙量，本发明通过增加成对多组光源、90度角探测器与135度角探测器，获得一条垂线上的沙含量分布情况，为了增加测量点的连续性，根据实际需要，采用线性插值法，估测垂线上检测点之间的含沙量数据，提高检测结果的可视性。
进一步的，在本实施例中，为了增加光电法测量灰色、黑色等沙样测量的准确性，本发明通过增加颜色传感器，获得水中颗粒颜色，来修正含沙量检测结果，从而提高含沙量的测量范围。
进一步的，在本实施例中，为了增加含沙量在颗粒不均匀、絮凝、黏稠或透明沙粒等情况下，含沙量检测结果的可靠性，本发明提出再用电容法修正含沙量检测结果。沙与水的混合实际上是固、液两相统计混合物，利用沙与水的混合物引起的介电常数差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理可将被测的沙含量变化转换成电容量的变化。为了验证方法的可靠性，在相同条件下，随机配比不均匀沙样颗粒组成的水沙混合液，一组只获取90度散射与135度散射所求取的含沙量值，一组在此基础上电容传感器做补偿修正，实验表明，当水中沙样颗粒尺寸明显差异没有絮凝的条件下，采用电容传感器修正的含沙量测量结果更准确。所以可见，多传感器共同检测含沙量的方法，更加能够适应各种测试环境，有一定的优点。
进一步的，在本实施例中，本实施例提供的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，对比使用多个传统单点光电式含沙量与多传感器垂线含沙量测量同一断面含沙量情况，对实验中的各检测点获得的数据比较分析，传统使用多个单点含沙量测量仪测量探测面的含沙量，多个仪器叠加在同一个断面上，严重影响检测点的水流方向与沙含量，检测测量的准确性低，可靠性不高，采用具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，多个传感器紧凑、科学、合理排列，体积较小，不扰流，探测面测量与实际实验演算测量结果误差不大，因此该方法测量对光电法测量断面含沙量浓度具有重大突破。同时增加的电容传感器与颜色传感器，即使在测量黑色、灰色沙样，沙粒尺寸不均匀，水中出现颗粒絮凝等苛刻条件，都能得到很精确的结果和较宽的测量范围，有很大的实用价值，也是对光电法测量含沙量性能的一个很大的提升。
进一步的，在本实施例中，本实施例提供的具有电容及颜色补偿的光电式垂线含沙量检测系统及方法，能够提高对模型河床形态采集和认识的效率和精度，实现悬移质泥沙浓度沿程垂线分布的自动化、微干扰测量功能，使之达到在模型试验中对悬移质泥沙运动的智能量测，避免因人为因素过多而带来的误差和效率低下。可为悬移质泥沙微观运动规律、非饱和输沙过程等研究提供更为准确的实验数据，将大为推动泥沙运动基本规律和河床演变机理研究，以及不平衡泥沙输移过程模拟等领域的发展进步。
以上所述，仅为本发明进一步的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。