摘要：本探測儀的原理是介質(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轉(zhuǎn)換成電信號，信號放大后輸出，單片機將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號經(jīng)RS485接口傳送至計算機，計算機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：探測儀；淤泥密度；光電傳感器

0 引言
    隨著河道清淤準確度的提高，在清淤工作中要求檢測水下淤泥的密度，本設(shè)計采用光電傳感器檢測水下淤泥密度并將結(jié)果顯示在計算機上，可以指導(dǎo)清淤人員準確高效地清理河道，目前國內(nèi)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，浮泥和流泥樣本無法采集，無法測量其密度，且其工作量大，價格昂貴，效率低；靜力觸探法，用專用測桿進行，通過單點測定淤泥層對測桿的比貫入阻力來計算淤泥的承載力，從而確定淤泥厚度，但無法測定淤泥的密度，也無法查明浮泥和流泥的分布；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，但工作效率低，對人員和被測區(qū)域環(huán)境有潛在的放射性危害，不適合在工程測量中使用；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。
    本探測儀采用光電法檢測水下淤泥分布及密度情況，具有體積小、功耗低、安全性強、準確度較高等特點。能夠分辨出不同密度的淤泥，對淤泥的擾動也小。

1 淤泥密度探測儀基本原理及構(gòu)成
    淤泥密度探測儀采用光電法探測淤泥密度，原理是當光路長度一定，介質(zhì)對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度不一樣，產(chǎn)生的電信號大小也就不一樣，這樣能夠?qū)⒂倌嗝芏绒D(zhuǎn)變成電信號。根據(jù)實驗得到淤泥密度與電信號的關(guān)系，可以測量淤泥密度從而區(qū)分不同泥層。
    淤泥密度探測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進行轉(zhuǎn)換，然后，通過RS485總線串行傳輸至計算機。

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，對有效入射光的吸收率達到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，硅光電池對波長為850nm左右的光最為敏感，因此選擇波長為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度不同，從而產(chǎn)生不同大小的電信號，經(jīng)三極管放大后傳輸至單片機，進行信號處理。

2 光電傳感器的標定
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準因不同地區(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個層面，如表1所示。

2．2 標定
    在實驗室中配置出表1中四個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，測量不同密度泥樣下產(chǎn)生的電信號大小，進行三次試驗，實驗結(jié)果如表2所示。

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

    根據(jù)光電傳感器檢測到的電信號大小，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，程序通過在線可編程系統(tǒng)直接燒寫到單片機，無需專用編程器，方便對程序的修改。光電傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)放大后送給單片機上，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量輸出。信號采集與轉(zhuǎn)換程序如下：
   
3．2 數(shù)據(jù)傳輸
    水下測量深度按10m考慮，而RS485電平抗干擾性好，有效傳輸距離長，故選擇將數(shù)字信號經(jīng)RS485總線串行傳輸至計算機，經(jīng)計算機進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
    采用淤泥密度探測儀探測水下淤泥分布情況，指導(dǎo)清淤人員工作。這種方法與其他淤泥探測方法相比，具有速度快，精度高，費用省，對水下淤泥擾動小等優(yōu)點，同時還可以將測量的數(shù)據(jù)保存起來，便于以后分析。