基于光電法的淤泥密度探測儀的設計

摘要：本探測儀的原理是介質中的光吸收量和它的密度成比例。光源發出的光在介質中傳播后被光電傳感器接收，光電傳感器將光信號轉換成電信號，信號放大后輸出，單片機將模擬信號轉換成數字信號經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，起到指導清淤人員工作的作用。
關鍵詞：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，本設計采用光電傳感器檢測水下淤泥密度并將結果顯示在計算機上，可以指導清淤人員準確高效地清理河道，目前國內外傳統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，對人員和被測區域環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，介質對光的吸收量和它的密度成比例。據此，由光源發送一束光，經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，產生的電信號大小也就不一樣，這樣能夠將淤泥密度轉變成電信號。根據實驗得到淤泥密度與電信號的關系，可以測量淤泥密度從而區分不同泥層。
淤泥密度探測儀主要由光電傳感器和數據轉換與傳輸系統構成。如圖1所示，光電傳感器探測淤泥的密度，數據轉換與傳輸系統將光電傳感器采集到的電信號進行轉換，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成。硅光電池是一種能將光能直接轉換成電能的半導體器件，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：