新型集成化淤泥探測儀的設計與應用*

楊 閩，潘 煒

(安徽農業(yè)大學信息與計算機學院，安徽合肥230036)

0 引言

隨著河道清淤準確度要求提高，在清淤工作中要求能夠確定清淤起始位置和清淤結束位置，以便指導人員清淤;要求測量數(shù)據(jù)能夠實時保存，以便技術人員了解河道狀況。目前，國內外傳統(tǒng)的測量淤泥方法有以下幾種:鉆孔取樣法，使用鉆機單點采集柱狀淤泥樣本，但鉆孔取樣對淤泥的擾動不能避免;靜力觸探法通過單點測定淤泥層對測桿的比貫入阻力來確定淤泥厚度，無法測定淤泥的密度［1］;放射線探測法是根據(jù)放射線的放射衰減比率來測定淤泥的密度，測定精度較高，但對人員和被測區(qū)域環(huán)境有潛在的放射性危害;多普勒雙頻超聲波測量法原理是以高頻測量泥水界面，再通過低頻測量淤泥底層距水面距離，從而得到淤泥厚度，這種方法較之其他方法高效快速，但淤泥的密度無法測定［2］。

以上測量淤泥方法，存在這樣或那樣的不足。本文研究了一種新的淤泥探測方法，能夠同時測量浮泥層密度和相應的液位以及淤泥底部，從而能夠界定淤泥層深度，起到指導清淤的作用，所測量的物理量數(shù)據(jù)能夠保存在計算機上，供技術人員分析數(shù)據(jù)。該儀器測量時對淤泥擾動小、快速性好、安全性強，使用方便。

1 探測儀系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。用光電傳感器測量浮泥層淤泥密度，用液位傳感器測量浮泥層液位深度，以便確定清淤起始位置;用土強度傳感器測量土強度，以便確定清淤結束位置。各個傳感器的輸出信號經信號調理電路輸出，在單片機控制下進行A/D轉換，A/D轉換后的TTL電平信號通過RS485集成電路轉換成RS485電平信號，此信號經過15 m電纜傳輸后，通過RS485—USB轉換器，由USB接口送給計算機。計算機處理監(jiān)測點的測量數(shù)據(jù)，然后顯示被測物理量值，并將被測物理量值和時間同時保存在計算機上。

2 探測儀設計

2.1 硬件設計

2.1.1 密度傳感器

采用光電法探測浮泥層淤泥密度。光電傳感器主要由紅外LED和硅光電池組成。紅外LED發(fā)射出紅外光，經不同密度的淤泥吸收后，硅光電池接收到的光強度不同，從而產生不同大小的電信號，這樣能夠將淤泥密度轉變成電信號。由三極管和電阻器組成分壓式共射極放大電路，光電池一端接在分壓式偏置電阻器中間結點上，另一端接三極管基極，光電池輸出的電信號放大后從集電極輸出至單片機。

在實驗室中配制出7個不同密度的淤泥樣本，將光電傳感器放入配置好的樣本中，讓泥樣均勻分布在紅外LED和硅光電池中間。在密度為1.00 g/cm3的情況下，三極管飽和導通，輸出電平最小值為0.3 V，隨著泥樣密度的增加，輸出的電平增大，在密度為1.03 g/cm3時，三極管截止，輸出電平最大值為5 V。進行6組試驗取平均值［3］，經A/D轉換和二/十進制轉換，十進制數(shù)電信號與淤泥密度采用對數(shù)曲線擬合，擬合方程為y=0.008ln x+0.98，擬合曲線如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig 1 System block diagram

圖2 十進制數(shù)電信號與淤泥密度值擬合曲線Fig 2 Fitting curve of decimal electric signal and silt density

河道清淤時要確定淤泥層的位置，該層面浮泥密度一般認定為1.04 g/cm3左右，雖然不能精確定義，但基本反映了水體與泥層界面的結合部［4］。本光電傳感器可測量在1.00～1.03 g/cm3密度范圍的浮泥，因此，當探測儀探測到的淤泥密度達到1.03 g/cm3時，即可認為探測儀已到達泥層界面。

2.1.2 液位傳感器

采用防護罩、GE Nova NPI—19A—101GH 型高精度壓力傳感器以及通氣導管構成液位傳感器，采用MAXIM公司的MAX1450作為信號調理芯片，信號調理電路如圖3所示。此傳感器輸出信號經調理電路輸出電壓值。MAX1450外圍電路設置如下;1)A2A1A0=001，即設定放大倍數(shù)為65;2)由于壓力傳感器的電橋驅動要求為1 mA［5］，在最小壓力下，調節(jié)RFSOA使VFSOTRIM=Rin×1 mA(Rin為壓力傳感器輸入阻抗)，調節(jié) RISRC使 VBBUF=VFSOTRIM，將 SOFF接 VDD，調節(jié)ROFFA，改變 VOFFSET，使 MAX1450 輸出 0.5 V。在最大壓力下，調節(jié) RFSOA使 VFSOTRIM=VBIDEAL(VBIDEAL(25℃)=VFSOTRIM(1+調 節(jié) R使 V=ISRCBBUFVBIDEAL，使輸出端輸出 4.5V［6］。如此反復調節(jié)，直到輸出端在0 m液位輸出0.5 V，在10 m液位輸出4.5 V。在上述調節(jié)中，SOTC所接開關斷開、OFFTC接地。

圖3 信號調理電路Fig 3 Signal conditioning circuit

標定時從0～10 m等間距分為10個點，進行3組正反向行程測試，對每個標定點的6個輸出電壓值取平均值，經A/D轉換和二/十進制轉換，十進制數(shù)電信號與液位值近似為理想直線，故擬合直線采用理想直線，如圖4所示。

圖4 十進制數(shù)信號與液位值擬合直線Fig 4 Fitting curve of decimal electric signal and liquid levels

2.1.3 土強度傳感器

采用探測板、壓縮缸、桿狀活塞、GE Nova NPI—19A—101GH型高精度壓力傳感器以及通氣導管構成土強度傳感器，采用MAXIM公司的MAX1450作為信號調理電路，此傳感器輸出信號經調理電路輸出電壓值，MAX1450外圍電路設置與液位傳感器中使用的MAX1450設置相同。經A/D轉換和標量變換，輸出土強度值，將土強度傳感器的輸出值與底泥土強度設定值比較，可判定是否觸底，從而停止清淤。

2.1.4 信號采集與傳輸

采用STC12C5410AD單片機，對上述3個傳感器調理電路的輸出信號進行采集。由于該探測儀按水深10 m設計，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕捎肕AX485集成電路，將A/D轉換后的TTL電平轉變成RS485電平，然后通過通氣電纜將信號送給RS485—USB轉換器，經USB接口送給計算機。

2.2 軟件設計

2.2.1 下位機程序

下位機采樣電路中使用STC12C5410AD單片機作為控制器，主要實現(xiàn)A/D轉換的控制和串行口通信2個功能。采用上位機控制下位機采集淤泥密度信息，下位機控制紅外LED電源的開、關，以減小電源發(fā)熱量。

2.2.2 上位機程序

采用Visual C++編寫上位機程序，通過選擇不同監(jiān)測點區(qū)分不同地點的測量數(shù)據(jù)，串口號可根據(jù)實際使用的串口設定，在軟件界面上可以修改擬合方程的系數(shù)和底泥土強度值，便于對傳感器進行校準和針對不同泥質進行底泥土強度設置，土強度設有報警燈顯示，若未超過設定的底泥土強度值，報警燈顯示綠色，否則，為紅色。液位、密度、土強度數(shù)據(jù)可實時顯示并存儲在計算機中，為避免某個文檔中數(shù)據(jù)量過大，設置每個文檔存儲1 024條數(shù)據(jù)信息，若超過，則自動更換新文檔繼續(xù)記錄。

2.3 機械封裝

將測量密度、液位以及土強度的傳感器封裝在一個探頭上，電路板安裝在探頭內部，采用通氣電纜作為電路供電導線和輸出信號傳輸線，探頭如圖5所示。

圖5 探頭示意圖和實物圖Fig 5 Schematic diagram and actual image of probe

考慮到在水下可能碰到障礙物(如，樹枝、木板、磚塊之類)，在設計中對傳感器采用了防護措施。對光電傳感器中的紅外LED和硅光電池采用透明玻璃保護;對液位傳感器，在其感壓面前端采用帶孔的銅片保護;對土強度傳感器，探測板承受的壓力通過杠桿活塞作用在液壓油上，通過液壓油將壓力傳遞到壓力傳感器感壓面，保證其不會受損。考慮探測頭是密封的，要使探頭內的氣壓等于大氣壓力，因此，采用帶空心導管的通氣電纜。

3 實際應用

在河道中進行實際探測，部分實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實測數(shù)據(jù)Tab 1 Measured datas

4 結束語

該探測儀可同時測量浮泥層淤泥密度和相應的液位以及土強度大小，能夠起到指導清淤人員開始清淤和結束清淤的作用;測量數(shù)據(jù)和時間可同時保存在計算機上，便于技術人員進行數(shù)據(jù)分析和處理;擬合方程系數(shù)和底泥土強度值在軟件界面上可以直接修改，便于對傳感器進行校準和和針對不同泥質進行底泥土強度設置。

［1］朱前維，郭海峰.水下淤泥的測量與計算［J］.黃河水利職業(yè)技術學院學報，2009(1):12－14.

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［3］董永貴.傳感技術與系統(tǒng)［M］.北京:清華大學出版社，2006:28－36.

［4］徐海根，徐海濤，李九發(fā).長江口浮泥層“適航水深”初步研究［J］.華東師范大學學報:自然科學版，1994(2):91－97.

［5］NPI-19 Series medium pressure，media isolated pressure sensor［EB/OL］.［2011—07—30］.http:∥www.datasheets4u.com/NovaSensor-datasheet.html.

［6］Maxim Integrated Products，Inc.Low-cost，1%-accurate signal conditioner for piezoresistive sensors［EB/OL］.［2009—11—05］.http:∥china.maxim-ic.com/datasheet/index.mvp/id/1867.