[发明专利]一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法

说明书

本发明提供一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法，包括：超声换能器、光纤传感器和数据处理模块；超声换能器用于向水体中发射超声波；光纤传感器用于接收入射光并感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。本发明可以实现高泥沙浓度条件下水样的泥沙测量工作，泥沙浓度测量范围为10g/l‑500g/l。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，涉及一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法。

背景技术

自然水体中的泥沙含量问题关系到水利机械、农业灌溉、河道演变、航道通航以及生态环境等多方面的问题。泥沙含量的动态测量和标定至关重要。水体中泥沙含量的测定是水质监测的重要指标之一。尤其是在我国的西北地区，黄河的高含沙量一直以来为众多水利学者所关注。

目前测量泥沙浓度主要分为三大类方法。第一种为传统的水样本法。在若干代表垂线上，泊船定时分层采取水样，经实验室分析后采用两点法或三点法等，用2000ml采样器采样；样品分析严格按规范和协议书的要求，在过滤前每个水样都先摇均再量样，过滤中待海水全部滤干后再加蒸馏水冲洗数次盐酸；在实验室中，用马丁炉灰化滤纸，然后用万分之一的分析天平称量，测定泥沙含量，从而求出悬浮泥沙的浓度。这种方法所测结果较为准确，但是操作过程繁琐冗杂，耗时耗力，效率低下，要想测得河道某个断面的泥沙含量浓度，需要多次分层取样。第二类为光学观测法，通过水下光波发射装置向水体发射红外光、射线等光波，光波在泥沙浓度不同的水体中的光透率、折射率、光衰减系数不同，再通过一定的数学函数来计算泥沙浓度。这种方法不必取样，直接将传感探头放入待测水样中即可，效率高，结果较为准确，但是所测结果受到外界因素影响较大且只能观测探头位置所在泥沙浓度，价格较昂贵。第三类方法为声学观测法，通过声波发射装置向水体发射声波，在低浓度条件下，声波遇泥沙颗粒发生后向散射，通过测量接收到散射回来的声波信号的强度大小来标定泥沙含量；在高浓度条件下，声波在泥沙中主要发生衰减作用，泥沙浓度越高，接收到的声波信号强度越小，反之亦然。目前已有的声学观测法所用声波换能器多为压电陶瓷换能器，这种换能器的核心部件是压电晶片。压电晶片可以在外部声压的作用下发生形变，从而将待测的声压信号转化为电信号，再通过解调，过滤信号等措施，得到待测样本泥沙浓度信息。该种换能器的聚焦性能远不如光学仪器，探测精度小，对泥沙颗粒成像时，所成光斑较大，所成泥沙颗粒图像分辨率较低，无法识别高泥沙浓度条件下的泥沙颗粒，图像色彩纯度易饱和，所成泥沙颗粒光斑较暗，无法准确与背景区分，故大多只能适用于低浓度条件下的泥沙测量工作，其测量浓度范围约为5g/l-10g/l，且检测结果受泥沙颗粒大小、速度的影响较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统及方法，可以实现高泥沙浓度条件下水样的泥沙测量工作。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种利用光纤传感器测量水体中泥沙浓度的系统，包括：超声换能器、光纤传感器和数据处理模块。

超声换能器用于向水体中发射超声波；

光纤传感器用于接收入射光并感知超声换能器发射的超声波经水体中泥沙反射后的超声波信号，输出光信号给数据处理模块；

数据处理模块接收光纤传感器输出的光信号，并对比超声换能器工作前后的光信号的相位、偏振形态变化，处理得到水体中泥沙浓度。

优选的，还包括光源，光源用于为光纤传感器提供入射光。

优选的，数据处理模块包括波分复用器、光电探测器、图像数据采集卡和计算机；波分复用器对光纤传感器输出的光信号进行解调、光波耦合处理，提取带有超声波信号的光波信号；光电探测器将波分复用器提取的光波信号转换为电信号；图像数据采集卡对光电探测器转换得到的电信号进行数据采集，并传输给计算机处理后成像及水体中泥沙浓度。