[发明专利]一种光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水体中悬移质泥沙浓度测量的装置及其方法，适用于泥沙颗粒粒径小于0.02mm的粉砂含沙量测量。

背景技术

含沙量测量是水文测量要素，也是水利工程模型实验中不可或缺的测量要素，对分析河流演变和解决泥沙问题至关重要。目前常用测量的方法有烘干称重法、比重瓶称重法、光电测沙仪、同位素测沙仪、超声波测沙仪和激光测沙法。河流悬移质泥沙颗粒粒径多小于0.01mm，部分河流悬移质粒径更小至0.004mm，对于该部分悬移质泥沙浓度测量，上述方法要么自动化程度低、操作复杂，要么系统复杂、价格昂贵；影响了粉砂浓度的精确测量。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种适用于泥沙粒径小于0.02mm的粉砂含沙量测量的光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种光学泥沙溶液含沙量测量装置及其测量方法，基于光的折射定律，光的折射率与密度相关，密度与含沙量溶液浓度相关，不同含沙量溶液浓度不同，并存在一定对应关系，因此，光的折射率与泥沙溶液含沙量相对应，通过标定建立泥沙溶液浓度与折射率的关系，从而根据标定关系实现利用折射率反算泥沙溶液含沙量浓度。光从空气传输至另外一种介质时，将发生折射现象，折射率等于入射角正弦与折射角正弦之比，通过获取入射角和折射角，可计算出折射率。折射率与介质密度、温度等参数相关，保证温度等环境参数不变，经标定实验获取折射率与粉砂溶液浓度的转换关系，粉砂浓度测量时，激光以固定入射角入射静止融合液，通过测量折射角，利用标定建立的转换关系即可计算出溶液泥沙浓度。

本发明的一种光学泥沙溶液含沙量测量装置，包括测量缸、调节基座、黑白线阵CCD模块和半导体激光器，黑白线阵CCD模块位于测量缸底部，黑白线阵CCD模块与激光中心线位于同一平面，黑白线阵CCD模块通过A/D转换卡与计算机连接。

基于上述光学泥沙溶液含沙量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

第一，调制若干组均匀的不同浓度的泥沙溶液，供标定实验使用，泥沙溶液浓度ω的范围为：0＜ω≤5kg/m³，泥沙溶液浓度ω分别为ω₁、ω₂、ω₃、ω₄……；

第二，进行标定实验，将浓度为ω₁的泥沙溶液装入测量缸中，泥沙溶液高度为h₀，h₀取值为1～40cm；

第三，半导体激光器发射出激光，控制调节基座使激光以固定角度α照射测量缸中的泥沙溶液，0＜α＜90°，激光从空气中进入泥沙溶液，产生折射，投射在黑白线阵CCD模块上，黑白线阵CCD模块获取激光光斑中心坐标X，计算得到激光在泥沙溶液中的折射率n，具体方法如下：

激光从空气中进入泥沙溶液经历折射，根据以下关系式求出泥沙溶液折射率n

sinβ=(X-X0)/(X-X0)2+h02n=sinα/sinβ]]>

其中，X是黑白线阵CCD获取的激光光斑中心投影坐标，X₀为激光与泥沙溶液表面焦点横坐标，α为入射角，β为折射角；