[發明專利]一種寬量程和動態最佳分辨率測量含沙量的測量裝置及方法

有效

• 申請號: 201711090653.3
• 申請日: 2017-11-08
• 公開（公告）號: CN107907506B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 李為華;戴志軍
• 申請（專利權）人: 華東師范大學;上海河口海岸科學研究中心
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47;G01N21/59
• 代理公司: 佛山幫專知識產權代理事務所(普通合伙) 44387
• 代理人: 顏春艷

1.一種自適應寬量程和動態最佳分辨率測量含沙量的測量方法，根據測量裝置實現的，其中測量裝置包括包括微處理器、可編程恒流驅動電路、紅外傳感器、信號放大電路和A/D轉換電路，其中所述可編程恒流驅動電路為LED恒流驅動電路，由微處理器GPIO引腳輸出n個占空比不同的PWM脈沖信號控制輸出n檔恒流電流；所述紅外傳感器呈U型結構，其一側安放一個紅外光源并與紅外光源毗鄰平行放置第一光電接收器，其另一側與光源對向的位置安放第二光電接收器，所述第一光電接收器用于接收后向散射光強信號，所述第二光電接收器用于接收透射光強信號，所述微處理器控制可編程恒流驅動電路驅動所述紅外光源發射紅外光，所述紅外光被懸沙顆粒散射后為光源同側的第一光電接收器接收，并由所述放大電路放大后經A/D轉換電路發送至所述微處理器變為后向散射光強信號電壓值存儲；所述紅外光源所發出的紅外光透過U型槽內含沙水體后為對向第二光電接收器接收，并由所述放大電路放大后經AD轉換電路發送至所述微處理器變為透射光強信號電壓值存儲，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1：將可編程恒流驅動電路電流輸出共固定分為n檔，電流從大到小排列依次為I₁、I₂、I₃……I_n，完成一次測量的硬件控制邏輯，控制光源以I₁和I_n，I₂和I_n-1，……，I_n/2和I_n/2+1的大、小驅動電流配對的順序交替發光，光源每發光一次即測量一次透射光強，但僅在最大功率發光時測量一次后向散射光強，n為大于1的整數；

步驟S2：建立含沙量與不同發光功率紅外透射光強信號電壓和紅外后向散射光強信號電壓的標定模型，并確定光源驅動電流最低有效輸出檔位；

步驟S3：將測量裝置放入待測水體內，根據有效光源驅動電流輸出檔位，按照硬件操作邏輯快速完成測量，并記錄測得的光透射和后向散射光強信號電壓，最終按照標定模型轉換出所測量水體的含沙量數值；

其中，步驟S2具體包括：

步驟S201：將傳感器浸入配置好的懸浮泥沙懸濁液中，啟用:測量裝置中可編程恒流驅動電路的全部預置電流檔，按照硬件控制邏輯測量最大電流檔對應后向散射光強信號電壓和所有電流檔對應透射光強信號電壓，并測量多次取均值；

步驟S202：點繪所有含沙量與功率檔透射光強信號電壓的對應關系曲線，以及含沙量與后向散射光強信號電壓的對應關系曲線；

步驟S203：從后向散射光強信號電壓與含沙量關系曲線中判讀出后向散射光強信號電壓峰值對應含沙量數值，取該峰值對應含沙量加2kg/m³——SSC_cr(0)作為后向散射光強信號的有效測量區間下限；

步驟S204：讀取所有檔位透射光強信號電壓達到A/D轉換電路轉換上限時對應含沙量數值，從小到大順序排列依次為SSC_cr(1)、SSC_cr(2)……SSC_cr(m)，分別對應I₁、I₂……I_m個從大到小的驅動電流檔位；

步驟S205：讀取清水中透射光強信號電壓仍未達到A/D轉換電路轉換上限的最大電流檔位，該電流檔位即為光源驅動電流最低有效輸出檔位，更低電流輸出檔在后續實際測量中將不再使用，有效光源驅動電流輸出檔共計為m+1個；

步驟S206：構建驅動電流最低有效輸出檔I_m+1透射光強信號電壓與含沙量在全量程內的標定方程，粗算含沙量SSC_test：

SSC_test＝f(V_{OT_I(m+1)})

基于粗算含沙量與臨界含沙量值，構建精細分段標定方程：

其中：V_OB為光后向散射信號電壓值，為電流檔光透射信號電壓值，各分段函數均采用多項式形式擬合形式。