基于光电检测的淤泥密度探测仪的设计

 

　　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：

　　

 

　　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。

　　

 

　　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。