[发明专利]一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器及监测方法

说明书

本发明公开了一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器，其包括依次连接的光学放大器、近红外面阵CCD传感器、嵌入式信号处理单元以及设置于悬浮物与光学放大器之间的能量激发器；近红外面阵CCD传感器用于感知水体中的悬浮物，获取悬浮物的视亮度信息；光学放大器与其匹配的能量激发器作用，放大被测悬浮物的视亮度信息，以增强感光度；嵌入式信号处理单元用于所述近红外面阵CCD传感器感知的悬浮物视亮度信息进行分析计算得出浓度数值；另相应公开了其监测方法。本发明灵敏度高，稳定性好，适应性强，提高了浓度信息处理与识别速度，整个测量过程实现了空间上连续性、时间上的瞬时性，可全天候实时在线监测。

技术领域

本发明涉及水体中的悬浮物浓度监测领域，尤其涉及一种水体悬浮物浓度实时在线监测传感器及监测方法。

背景技术

土壤侵蚀中的径流含沙量是衡量水土流失的重要参数之一。无论是评价流域还是河道的侵蚀程度，都必须测定其悬浮物浓度。只有合理测定含沙量才有可能准确模拟土壤侵蚀动力过程，并为水土流失治理决策提供合理的科学依据。多年来科技人员一直在探索河道、径流水体中悬浮物浓度的动态测量方法。

目前悬浮物浓度的测量方法按形式可分为两种：直接测量法和间接测量法。

直接测量法，也就是取样法。直接测量法又包括:烘干法(也叫称重法)和比重(瓶)法；直接测量法均存在取样代表性差和取样麻烦以及精度受人工操作影响大等缺陷。

如烘干法，即取一定量的样品，测量其原重和烘干后的重量，从而确定泥水中的悬浮物浓度。采用烘干法可测量重量含沙量和体积含沙量，被认为是目前最准确的方法之一。但由于烘干法需对待测样品进行烘干，而烘干温度一般为105℃，加热需10h以上，高温与长期加热会造成土壤中有机质被碳化，而使测量的含沙量偏小，对烘干温度和加热时间的要求也使得整个测量过程费时费力。另外，在称重过程中必不可少的测量误差和手工操作损失，极大的影响了此种方法的精确度。

而比重法是根据悬浮物对比重的影响来确定浓度，测量时可采用比重计，也可用天平和量筒进行测量，用此方法测量悬浮物浓度所用设备简单，测量方法更快更直接。但在悬浮物浓度较高时，由于量筒的数据很难读准，大大的影响了测量精度。还有，该方法获得数据时间过长,不能满足试验中根据悬浮物浓度实时控制的需要,严重影响了试验的效率。

间接测量方法，也就是不取样法。间接测量法有电学方法、光学方法、声学方法和核物理方法等。这些方法各有千秋,但由于测量原理各有不同，仪器设备也是千差万别，不同程度地受到水流中悬浮物浓度运动情况及其粒径组结果成的影响，从而使悬浮物浓度的测量结果存在不同步性和局限性，要精确测量水流中的悬浮物浓度还需要进一加以改进。

如电容法是利用水体中悬浮物浓度的变化会引起其介电常数变化这一电物理学性质，通过测量电容的变化来测量悬浮物浓度变化。由于电容受温度和盐分影响较大，电容两端输出电压随温度、土壤含盐量升高而呈非线形增加趋势，加之水流流速的影响，使得电容法的适用条件受到很大限制。特别是在自然降雨条件下的坡面产流侵蚀过程中，通过测量电容变化来确定水流中的悬浮物浓度变化难以实现。

红外光电法的原理是光束通过含悬浮物水体被吸收、散射后,剩余的透射部分的光通量符合消光散射定律。其主要关键的是K值的确定,它与光的波长、悬浮物颗粒的折光系数、颜色及粒径等有关。悬浮物浓度变化大、悬浮物粒径变幅大的水流,K值很难确定，特别是当悬浮物浓度大于55％时，相对误差大于40％,测量的准确性和可靠性较差，所以用红外光电法测量就受到很大限制，甚至不可用。