基于光电法的淤泥密度探测仪的设计

摘要：本探测仪的原理是介质中的光吸收量和它的密度成比例。光源发出的光在介质中传播后被光电传感器接收，光电传感器将光信号转换成电信号，信号放大后输出，单片机将模拟信号转换成数字信号经RS485接口传送至计算机，计算机处理后显示出水下淤泥密度的分布情况，起到指导清淤人员工作的作用。
关键词：探测仪；淤泥密度；光电传感器

0 引言
    随着河道清淤准确度的提高，在清淤工作中要求检测水下淤泥的密度，本设计采用光电传感器检测水下淤泥密度并将结果显示在计算机上，可以指导清淤人员准确高效地清理河道，目前国内外传统的测量淤泥方法有以下几种：钻孔取样法，使用钻机单点采集柱状淤泥样本，但钻孔取样对淤泥的扰动不能避免，浮泥和流泥样本无法采集，无法测量其密度，且其工作量大，价格昂贵，效率低；静力触探法，用专用测杆进行，通过单点测定淤泥层对测杆的比贯入阻力来计算淤泥的承载力，从而确定淤泥厚度，但无法测定淤泥的密度，也无法查明浮泥和流泥的分布；放射线探测法，是根据放射线的放射衰减比率来测定淤泥的密度，测定精度较高，但工作效率低，对人员和被测区域环境有潜在的放射性危害，不适合在工程测量中使用；多普勒双频超声波测量法，原理是以高频测量泥水界面，再通过低频测量淤泥底层距水面距离，从而得到淤泥厚度；这种方法较之其他方法高效快速，但淤泥的密度无法测定。
    本探测仪采用光电法检测水下淤泥分布及密度情况，具有体积小、功耗低、安全性强、准确度较高等特点。能够分辨出不同密度的淤泥，对淤泥的扰动也小。

1 淤泥密度探测仪基本原理及构成
    淤泥密度探测仪采用光电法探测淤泥密度，原理是当光路长度一定，介质对光的吸收量和它的密度成比例。据此，由光源发送一束光，经不同密度的淤泥吸收后，光电传感器接收到的光强度不一样，产生的电信号大小也就不一样，这样能够将淤泥密度转变成电信号。根据实验得到淤泥密度与电信号的关系，可以测量淤泥密度从而区分不同泥层。
    淤泥密度探测仪主要由光电传感器和数据转换与传输系统构成。如图1所示，光电传感器探测淤泥的密度，数据转换与传输系统将光电传感器采集到的电信号进行转换，然后，通过RS485总线串行传输至计算机。

1．1 光电传感器
    光电传感器主要由光源和硅光电池构成。硅光电池是一种能将光能直接转换成电能的半导体器件，对有效入射光的吸收率达到90％以上。光电池的光谱特性曲线如图2所示，它的光谱响应范围为400～1100mm。

    由图2可知，硅光电池对波长为850nm左右的光最为敏感，因此选择波长为850nm的红外LED作为光源。光电传感器如图3所示：

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    红外LED发射出红外光，经不同密度的淤泥吸收后，硅光电池接收到的光强度不同，从而产生不同大小的电信号，经三极管放大后传输至单片机，进行信号处理。

2 光电传感器的标定
2．1 淤泥分层
    由淤泥分层理论可知，不同淤泥层面的划分标准因不同地区泥质而异，按照一般的情况，可以大致按密度变化范围划分出4个层面，如表1所示。

2．2 标定
    在实验室中配置出表1中四个密度范围的淤泥样本，将光电传感器放入事先配置好的泥样中，让泥样均匀分布在红外LED和硅光电池中间，测量不同密度泥样下产生的电信号大小，进行三次试验，实验结果如表2所示。

    由表1、表2可以得出光电传感器产生电信号与所在泥层的对应关系，如表3所示。

    根据光电传感器检测到的电信号大小，可以得出光电传感器所在泥层的密度从而分层。

3 数据转换与传输
    数据转换与传输电路原理图如图4所示。

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3．1 数据转换
    数据转换核心器件是stc12c5410ad型单片机，程序通过在线可编程系统直接烧写到单片机，无需专用编程器，方便对程序的修改。光电传感器产生的电信号经放大后送给单片机上，经AD转换后以数字量输出。信号采集与转换程序如下：
   
3．2 数据传输
    水下测量深度按10m考虑，而RS485电平抗干扰性好，有效传输距离长，故选择将数字信号经RS485总线串行传输至计算机，经计算机进一步处理后显示泥层以及该泥层的密度，从而起到指导工作人员清淤的作用。

4 结束语
    采用淤泥密度探测仪探测水下淤泥分布情况，指导清淤人员工作。这种方法与其他淤泥探测方法相比，具有速度快，精度高，费用省，对水下淤泥扰动小等优点，同时还可以将测量的数据保存起来，便于以后分析。