摘要：本探測(cè)儀的原理是介質(zhì)中的光吸收量和它的密度成比例。光源發(fā)出的光在介質(zhì)中傳播后被光電傳感器接收，光電傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，信號(hào)放大后輸出，單片機(jī)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS485接口傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)處理后顯示出水下淤泥密度的分布情況，起到指導(dǎo)清淤人員工作的作用。
關(guān)鍵詞：探測(cè)儀；淤泥密度；光電傳感器

0 引言
    隨著河道清淤準(zhǔn)確度的提高，在清淤工作中要求檢測(cè)水下淤泥的密度，本設(shè)計(jì)采用光電傳感器檢測(cè)水下淤泥密度并將結(jié)果顯示在計(jì)算機(jī)上，可以指導(dǎo)清淤人員準(zhǔn)確高效地清理河道，目前國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的測(cè)量淤泥方法有以下幾種：鉆孔取樣法，使用鉆機(jī)單點(diǎn)采集柱狀淤泥樣本，但鉆孔取樣對(duì)淤泥的擾動(dòng)不能避免，浮泥和流泥樣本無(wú)法采集，無(wú)法測(cè)量其密度，且其工作量大，價(jià)格昂貴，效率低；靜力觸探法，用專用測(cè)桿進(jìn)行，通過(guò)單點(diǎn)測(cè)定淤泥層對(duì)測(cè)桿的比貫入阻力來(lái)計(jì)算淤泥的承載力，從而確定淤泥厚度，但無(wú)法測(cè)定淤泥的密度，也無(wú)法查明浮泥和流泥的分布；放射線探測(cè)法，是根據(jù)放射線的放射衰減比率來(lái)測(cè)定淤泥的密度，測(cè)定精度較高，但工作效率低，對(duì)人員和被測(cè)區(qū)域環(huán)境有潛在的放射性危害，不適合在工程測(cè)量中使用；多普勒雙頻超聲波測(cè)量法，原理是以高頻測(cè)量泥水界面，再通過(guò)低頻測(cè)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(wú)法測(cè)定。
    本探測(cè)儀采用光電法檢測(cè)水下淤泥分布及密度情況，具有體積小、功耗低、安全性強(qiáng)、準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)。能夠分辨出不同密度的淤泥，對(duì)淤泥的擾動(dòng)也小。

1 淤泥密度探測(cè)儀基本原理及構(gòu)成
    淤泥密度探測(cè)儀采用光電法探測(cè)淤泥密度，原理是當(dāng)光路長(zhǎng)度一定，介質(zhì)對(duì)光的吸收量和它的密度成比例。據(jù)此，由光源發(fā)送一束光，經(jīng)不同密度的淤泥吸收后，光電傳感器接收到的光強(qiáng)度不一樣，產(chǎn)生的電信號(hào)大小也就不一樣，這樣能夠?qū)⒂倌嗝芏绒D(zhuǎn)變成電信號(hào)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到淤泥密度與電信號(hào)的關(guān)系，可以測(cè)量淤泥密度從而區(qū)分不同泥層。
    淤泥密度探測(cè)儀主要由光電傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。如圖1所示，光電傳感器探測(cè)淤泥的密度，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸系統(tǒng)將光電傳感器采集到的電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后，通過(guò)RS485總線串行傳輸至計(jì)算機(jī)。

1．1 光電傳感器
    光電傳感器主要由光源和硅光電池構(gòu)成。硅光電池是一種能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，對(duì)有效入射光的吸收率達(dá)到90％以上。光電池的光譜特性曲線如圖2所示，它的光譜響應(yīng)范圍為400～1100mm。

    由圖2可知，硅光電池對(duì)波長(zhǎng)為850nm左右的光最為敏感，因此選擇波長(zhǎng)為850nm的紅外LED作為光源。光電傳感器如圖3所示：

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    紅外LED發(fā)射出紅外光，經(jīng)不同密度的淤泥吸收后，硅光電池接收到的光強(qiáng)度不同，從而產(chǎn)生不同大小的電信號(hào)，經(jīng)三極管放大后傳輸至單片機(jī)，進(jìn)行信號(hào)處理。

2 光電傳感器的標(biāo)定
2．1 淤泥分層
    由淤泥分層理論可知，不同淤泥層面的劃分標(biāo)準(zhǔn)因不同地區(qū)泥質(zhì)而異，按照一般的情況，可以大致按密度變化范圍劃分出4個(gè)層面，如表1所示。

2．2 標(biāo)定
    在實(shí)驗(yàn)室中配置出表1中四個(gè)密度范圍的淤泥樣本，將光電傳感器放入事先配置好的泥樣中，讓泥樣均勻分布在紅外LED和硅光電池中間，測(cè)量不同密度泥樣下產(chǎn)生的電信號(hào)大小，進(jìn)行三次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

    由表1、表2可以得出光電傳感器產(chǎn)生電信號(hào)與所在泥層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表3所示。

    根據(jù)光電傳感器檢測(cè)到的電信號(hào)大小，可以得出光電傳感器所在泥層的密度從而分層。

3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸
    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸電路原理圖如圖4所示。

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3．1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換
    數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換核心器件是stc12c5410ad型單片機(jī)，程序通過(guò)在線可編程系統(tǒng)直接燒寫到單片機(jī)，無(wú)需專用編程器，方便對(duì)程序的修改。光電傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)放大后送給單片機(jī)上，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量輸出。信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換程序如下：
   
3．2 數(shù)據(jù)傳輸
    水下測(cè)量深度按10m考慮，而RS485電平抗干擾性好，有效傳輸距離長(zhǎng)，故選擇將數(shù)字信號(hào)經(jīng)RS485總線串行傳輸至計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理后顯示泥層以及該泥層的密度，從而起到指導(dǎo)工作人員清淤的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)
    采用淤泥密度探測(cè)儀探測(cè)水下淤泥分布情況，指導(dǎo)清淤人員工作。這種方法與其他淤泥探測(cè)方法相比，具有速度快，精度高，費(fèi)用省，對(duì)水下淤泥擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還可以將測(cè)量的數(shù)據(jù)保存起來(lái)，便于以后分析。