一种泥沙起动观测仪的研制

2013-09-17张尚丁磊潘惠陈杨刘伟

山西水利科技 2013年1期

张尚丁磊潘惠陈杨刘伟

（河海大学水利水电学院江苏南京 210098）

0 引言

本装置将光电计数与河流动力学知识相结合，把光电传感器应用于泥沙起动的实验中，通过传感器来检测过水断面上通过泥沙的数量，从而确定泥沙的起动程度，它的优点在于：完全通过数字信号代替人眼的观测，用具体的仪器显示数值来代替一个人为的主观判断，这在泥沙起动研究中是一个很大的进步，使得对泥沙起动的研究进一步数字化与信息化。这套装置解放了人力，同时也减小了人为的误差，可以提高泥沙起动方面研究的准确性与研究结果的说服力。研发本装置的意义在于：一方面，利用所观测的基于该实验装置的不同粒径泥沙起动标准，可以为以后的应用者应用该装置提供一个数据参考，有利于我们这套实验装置在河流动力学界的推广；另一方面，通过我们以及其他专家在以后的研究中逐渐完善该套实验装置，调高其灵敏度，本装置将在河流动力学的研究方面产生巨大的影响。

1 泥沙起动、颗粒计数有关课题国内外研究现状

在解决许多河流动力学问题时，例如确定泥沙流量、河床稳定、水库岸壁演变等，需要知道泥沙起动流速。因此对泥沙起动流速的研究就有很大的实际意义。正是因为这些原因，许多学者对此问题给予了极大的重视，并进行了一系列的研究。

顾名思义，泥沙起动流速，是指床面泥沙开始移动时的水流流速。这个概念首先是由沙任（1871年），继而由艾里（1885年）提出的。考虑到河床沙粒受水流的推移作用与流速平方成正比，沙粒在水中的重量与粒径的立方成正比，艾里提出了起动流速与沙粒直径平方根成正比的规律。应当指出，虽然这个关系式是当时根据及其简单的受力情况得到的，然而它还能够反映出粗砂及卵石起动的大致规律，在现在仍然具有指导意义。金德春在《关于泥沙的起动问题》中指出，泥沙起动的临界条件是泥沙特性的重要参数。但是判断泥沙起动的临界条件通常以人为主观地定性，而不是科学客观地定量决定。因此，观测资料存在某种程度的分散性是不足为奇的[1]。

在泥沙起动标准研究方面，H.Kramer最早对泥沙起动的随机性进行了描述和划分，他把推移质的运动分为四个阶段：无泥沙运动，轻微的泥沙运动，中等强度的泥沙运动和普遍的泥沙运动。韩其为，何明民在《泥沙起动标准的研究》中阐述了泥沙起动标准的理论，描述了泥沙运动状态的有关参数，引进无因次输沙率作为泥沙起动的标准，提出了不同场合的3种具体标准，指出了基本标准与他们之间的关系；论证了所提出的起动标准符合以往研究的习惯，符合实际资料和实验、测量的具体情况，同时讨论了其他研究者提出的几种起动标准[2]。

近年来，更多的研究者在更深层次的领域展开研究。刘亮，何建新等从水动力学和渗流力学的角度出发，通过自行设计的渗流作用下泥沙起动流速实验装置，定量研究电源渗流力作用下，泥沙起动流速变化规律，为人工线源渗流力起动泥沙和输送泥沙提供可靠的实验数据和理论依据。刘公致等根据泥沙起动特性理论，制作了泥沙起动特性测试仪，该仪器可测量水流流过泥沙表面时水流速度和泥沙浮起量的函数关系，仪器采用自制的变光型浊度传感器测量浊度，确定泥沙的起动。

在颗粒计数方面，不同的行业也有着一定的研究，对于特定的一些微粒，制作了相应的计数装置。

江玉姣，向娟提到激光粒度分析仪可用于测定测试样品的粒度；激光器发出单色光，衍射、散射后产生的光投向布置在不同方向的光信息接收器，经光电转换器将衍射、散射转换的信息传给微机进行处理，得到测试样品较为准确的粒度分布[3]。

严伟在一篇论文中介绍了一种测定水中微粒的方法——高速显微摄影法，这种方法能在不影响微粒所处的水流条件下，测定水中微粒的形状、大小、数量和微粒的成长发展过程。它是根据现代摄影和光学原理的理论研制而成的一种高速显微摄影装置，这种装置对研究处在水流运动状态下的小微粒（约0.001~1 mm）具有独特效果。

黄延磊，李敏在设计了一种检测装置，用来对洁净介质中的颗粒粒径大小和数量进行统计。用该装置对标准颗粒物质进行了检测试验，结果表明：对于2μm以上颗粒计数，效率能达90%；对于1μm以下的颗粒也有较好的分辨能力，计数效率在70%左右[4]。数值计算和实验结果证实了该装置具有较好的计数能力；另一篇论文中，黄延磊和郑刚提出了一种在激光器内腔测量亚微米颗粒，以此能获得较强信号，同时利用LabVIEW控制数据采集、数据分析的方案。经实验表明，该方案既解决了弱信号的检测问题，又缩短了仪器的开发周期，为超细颗粒的分析应用提供了一种新途径。此外，黄延磊还研究了一种旋转式液体颗粒计数器装置，该装置将光束以一定转速旋转穿过待测液体，由光电探测器接受颗粒产生的散射光能，从而确定颗粒大小，并根据一定时间内接受的脉冲数确定颗粒数。

谢敏、刘小波在论文中基于颗粒计数在水质检测中的优点，介绍了透光率脉动检测仪（PDA）用于颗粒计数的原理及方法。PDA计数不需要知道颗粒的光学特性，即可测出水中颗粒数量浓度，具有操作简便，适用粒径范围广，无须标定和经常清洗等特点[5]。

2 本装置的基本情况

2.1 主要功能

根据泥沙起动实验的需要，该光电传感器能够满足如下要求：

（1）能够在水槽某一固定的断面上放置光源发射出片光，同时被另一岸的光敏电阻所接收；

（2）光敏电阻能够灵活感应出断面通过不同量泥沙时光强的变化；

（3）微处理器能够建立断面泥沙数量，光敏电阻接收的光照强度，电路电流变化之间的关系，将模拟信号转化为数字信号，通过电流的变化感应断面泥沙数量的变化；

（4）能够根据不同的实验环境以及泥沙的种类在不同的实验中调整观察仪中泥沙起动标准所对应的电流值；

（5）完全用数字信号代替人的肉眼观测，以减小在人肉眼观测中所带来的误差，节约人力。

2.2 实现思路

（1）通过不同型号的光敏电阻的性能，根据泥沙起动灵敏度的需要，通过实验，选择合适的光敏电阻；

（2）根据数据记录的要求选择合适的单片机，结合实验，进行单片机程序的编写；

（3）进行光电传感器电路的组装，完善硬件模型；

（4）投入水槽实验，选择同种标准的泥沙，观测不同的泥沙起动程度下光电传感器的输出数据；

（5）反复调试，直到该光敏电阻能够投入到正常的实验运作中，起到代替人眼观测的作用。

2.3 创新之处

将河流动力学的知识与电光学的知识相结合，用光敏电阻，单片机编程这样的光学元件以及信息技术为河流动力学的研究服务。在信息与电气领域，光敏电阻被应用到了广泛的领域中，单片机编程也是一个已经日趋成熟的技术。将这些技术引入到泥沙起动的研究中，既解放了研究者用肉眼观测可能带来的眼疲劳，也降低了人肉眼观测可能带来的主观误差，如果能够在我们所研制出来的基于光敏电阻的实验室泥沙起动观测仪上加以改进，必然会在泥沙动力学方面带来新的进展，会对泥沙起动方面的研究起到促进作用。

3 本装置的实现

3.1 装置制作

实验模型主体由水槽、光电传感器、单片机构成；水槽宽几十厘米，由有机玻璃制成，可通过水头的变化和三角堰进行水流流速的调节；光电传感器的发射器安装在水槽的侧壁上，其发出的片光包含整个过水断面，以便检测整个断面上光的透过率的变化，透过的光由安装在水槽另一侧侧壁的光敏电阻吸收，随后光信号由光电传感器转化为电信号，再由模数转换器将电信号转换为数字信号；单片机用于对数字信号进行运算、处理，将数字信号转换为透过率指标与判断泥沙起动的指标，同时单片机连有PC机与存储器，与PC机通过USB接口连接，可用于显示这两个指标的数值，存储器用于存储测量数据，掉电后数据不会丢失。电子部分结构见图1。

图1 泥沙起动观测仪电子部分总体结构

模型的具体部件的实现方案我们将对其进一步细化，分为河流动力学部分与电子部分：

3.1.1 模型河流动力学部分的实现

本实验是利用可变坡水槽开展的。该水槽长度为10 m，宽度为0.30 m，高度为0.45 m。两边为光滑玻璃壁面。底部为大理石底板，在大理石底板上铺放一定厚度的有机玻璃板，用以放置沙粒，沙粒通过购买获得，有不同粒径和大小可供选择。水槽及供水系统为自循环系统入口端设有直径为1.5 cm的花墙，由水槽下面的离心泵调节流量，在保持流量恒定的情况下，通过调节尾门开度对水槽水深进行调节；同时利用平水格栅对水槽上游进行平水，使水流均匀、平稳，为实验提供稳定的水流条件。水槽的大小，沙粒的类型等也可进行调整。水槽见图2。

3.1.2 模型电子部分的实现

图2 水槽

光敏电阻装置的研制涉及光源设计、电阻的自动测量、数据的采集与处理、单片机和计算机的数据传输、显示及控制等部分，其中PC机控制单片机来进行A/D采集，完成透过度等参数的采集，采集后的数据由USB接口传送至PC机，由PC机完成参数的后续处理，算出指标值，最后由PC机程序界面显示泥沙起动信息。

光源的照度和色温与电源电压的关系极大，微小的电压波动就会使照度有较大的波动。直流电源的稳压效果比交流稳压电源好的多，而且便于通过外界调节而自动控制光线的强弱；数据采集模块由信号调理电路、A/D采样、单片机处理部分组成，单片机是整个数据采集、处理的核心。选择微处理器将主要从控制USB接口芯片、A/D转换器及功耗等方面考虑。

单片机端程序设计主要有两部分：一是为实现数据采集而进行的编程，二是为实现与电脑主机间的通讯而进行的USB固件编程。A/D转换时，PC计算机通过USB接口向单片机发出命令，单片机发出控制信号以启动A/D转换器进行采样，然后将转换结果通过USB接口送往PC机进行处理。

单片机采用CYG-NAL公司的C8051F020型单片机，该单片机是一种处理混合信号系统级芯片，芯片上有12位100ksps、8通道带可编程增益放大器的ADC，使用该芯片可使系统结构紧凑，稳定性和速度等性能指标更高；采用45DB081Flash存储器，其工作电压为2.7V至3.6V，SPI串行接口适合于嵌入系统的程编。它共计8650752bit的存储容量，体积小，引脚数量少。

4 装置使用方法与步骤

本装置的功能在于测定出不同泥沙起动程度所对应的标准指标值。当使用该仪器时，可以通过样本指标值与标准指标值的比较来判断泥沙起动的程度，从而实现该仪器的功能。

实验时，首先将一堆沙粒放置于水槽底部，光电传感器的发射器位于沙堆沿水流方向的一侧，调节水头与三角堰，使流速由小到大逐渐变化。根据相关研究成果与经验，人为地对泥沙起动的程度进行判断，将判断的结果作为规定，并对所规定的泥沙起动程度进行详细的描述，然后利用仪器测出不同泥沙起动程度所对应的指标值，将泥沙起动程度的描述与相应的指标值列成表格，写入仪器的说明书以供使用者参照。必须指出，对泥沙起动程度的标准在学术界尚未达到统一，但我们所设计仪器解决问题的重点并不在于此，而是在于用指标值代替人肉眼观测来判断相应泥沙起动状态，我们认为，使用者使用该仪器之前，也可对其实验条件下的泥沙起动状态标准进行自己的规定，建立标准泥沙起动指标值表格，以便更好地发挥仪器的作用。

5 测试结果

我们对该装置进行了测试，步骤如下：

沙子选择某黏土质粉砂表层沉积物样品300 g，将样品置于水槽中段渠底，取片光断面为紧挨沙堆的下游过水断面，分别取流量为10 L/s，20 L/s，30 L/s，必须指出，每做完一次试验后，将沙子放置3 h后进行下次试验。固定流量后，将开始实验时刻记为零时刻，设置仪器每隔10 s进行记录（浊度、时间），测得各浊度时间曲线如图3（图中SSC为浊度值）。