一種泥沙起動(dòng)觀測(cè)儀的研制

張 尚 丁 磊 潘 惠 陳 楊 劉 偉

（河海大學(xué)水利水電學(xué)院 江蘇南京 210098）

0 引言

本裝置將光電計(jì)數(shù)與河流動(dòng)力學(xué)知識(shí)相結(jié)合，把光電傳感器應(yīng)用于泥沙起動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，通過傳感器來檢測(cè)過水?dāng)嗝嫔贤ㄟ^泥沙的數(shù)量，從而確定泥沙的起動(dòng)程度，它的優(yōu)點(diǎn)在于：完全通過數(shù)字信號(hào)代替人眼的觀測(cè)，用具體的儀器顯示數(shù)值來代替一個(gè)人為的主觀判斷，這在泥沙起動(dòng)研究中是一個(gè)很大的進(jìn)步，使得對(duì)泥沙起動(dòng)的研究進(jìn)一步數(shù)字化與信息化。這套裝置解放了人力，同時(shí)也減小了人為的誤差，可以提高泥沙起動(dòng)方面研究的準(zhǔn)確性與研究結(jié)果的說服力。研發(fā)本裝置的意義在于：一方面，利用所觀測(cè)的基于該實(shí)驗(yàn)裝置的不同粒徑泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，可以為以后的應(yīng)用者應(yīng)用該裝置提供一個(gè)數(shù)據(jù)參考，有利于我們這套實(shí)驗(yàn)裝置在河流動(dòng)力學(xué)界的推廣；另一方面，通過我們以及其他專家在以后的研究中逐漸完善該套實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)高其靈敏度，本裝置將在河流動(dòng)力學(xué)的研究方面產(chǎn)生巨大的影響。

1 泥沙起動(dòng)、顆粒計(jì)數(shù)有關(guān)課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在解決許多河流動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，例如確定泥沙流量、河床穩(wěn)定、水庫岸壁演變等，需要知道泥沙起動(dòng)流速。因此對(duì)泥沙起動(dòng)流速的研究就有很大的實(shí)際意義。正是因?yàn)檫@些原因，許多學(xué)者對(duì)此問題給予了極大的重視，并進(jìn)行了一系列的研究。

顧名思義，泥沙起動(dòng)流速，是指床面泥沙開始移動(dòng)時(shí)的水流流速。這個(gè)概念首先是由沙任（1871年），繼而由艾里（1885年）提出的?？紤]到河床沙粒受水流的推移作用與流速平方成正比，沙粒在水中的重量與粒徑的立方成正比，艾里提出了起動(dòng)流速與沙粒直徑平方根成正比的規(guī)律。應(yīng)當(dāng)指出，雖然這個(gè)關(guān)系式是當(dāng)時(shí)根據(jù)及其簡單的受力情況得到的，然而它還能夠反映出粗砂及卵石起動(dòng)的大致規(guī)律，在現(xiàn)在仍然具有指導(dǎo)意義。金德春在《關(guān)于泥沙的起動(dòng)問題》中指出，泥沙起動(dòng)的臨界條件是泥沙特性的重要參數(shù)。但是判斷泥沙起動(dòng)的臨界條件通常以人為主觀地定性，而不是科學(xué)客觀地定量決定。因此，觀測(cè)資料存在某種程度的分散性是不足為奇的[1]。

在泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)研究方面，H.Kramer最早對(duì)泥沙起動(dòng)的隨機(jī)性進(jìn)行了描述和劃分，他把推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)分為四個(gè)階段：無泥沙運(yùn)動(dòng)，輕微的泥沙運(yùn)動(dòng)，中等強(qiáng)度的泥沙運(yùn)動(dòng)和普遍的泥沙運(yùn)動(dòng)。韓其為，何明民在《泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的研究》中闡述了泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的理論，描述了泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)，引進(jìn)無因次輸沙率作為泥沙起動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，提出了不同場(chǎng)合的3種具體標(biāo)準(zhǔn)，指出了基本標(biāo)準(zhǔn)與他們之間的關(guān)系；論證了所提出的起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)符合以往研究的習(xí)慣，符合實(shí)際資料和實(shí)驗(yàn)、測(cè)量的具體情況，同時(shí)討論了其他研究者提出的幾種起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

近年來，更多的研究者在更深層次的領(lǐng)域展開研究。劉亮，何建新等從水動(dòng)力學(xué)和滲流力學(xué)的角度出發(fā)，通過自行設(shè)計(jì)的滲流作用下泥沙起動(dòng)流速實(shí)驗(yàn)裝置，定量研究電源滲流力作用下，泥沙起動(dòng)流速變化規(guī)律，為人工線源滲流力起動(dòng)泥沙和輸送泥沙提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。劉公致等根據(jù)泥沙起動(dòng)特性理論，制作了泥沙起動(dòng)特性測(cè)試儀，該儀器可測(cè)量水流流過泥沙表面時(shí)水流速度和泥沙浮起量的函數(shù)關(guān)系，儀器采用自制的變光型濁度傳感器測(cè)量濁度，確定泥沙的起動(dòng)。

在顆粒計(jì)數(shù)方面，不同的行業(yè)也有著一定的研究，對(duì)于特定的一些微粒，制作了相應(yīng)的計(jì)數(shù)裝置。

江玉姣，向娟提到激光粒度分析儀可用于測(cè)定測(cè)試樣品的粒度；激光器發(fā)出單色光，衍射、散射后產(chǎn)生的光投向布置在不同方向的光信息接收器，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器將衍射、散射轉(zhuǎn)換的信息傳給微機(jī)進(jìn)行處理，得到測(cè)試樣品較為準(zhǔn)確的粒度分布[3]。

嚴(yán)偉在一篇論文中介紹了一種測(cè)定水中微粒的方法——高速顯微攝影法，這種方法能在不影響微粒所處的水流條件下，測(cè)定水中微粒的形狀、大小、數(shù)量和微粒的成長發(fā)展過程。它是根據(jù)現(xiàn)代攝影和光學(xué)原理的理論研制而成的一種高速顯微攝影裝置，這種裝置對(duì)研究處在水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的小微粒（約0.001~1 mm）具有獨(dú)特效果。

黃延磊，李敏在設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)裝置，用來對(duì)潔凈介質(zhì)中的顆粒粒徑大小和數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。用該裝置對(duì)標(biāo)準(zhǔn)顆粒物質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明：對(duì)于2μm以上顆粒計(jì)數(shù)，效率能達(dá)90%；對(duì)于1μm以下的顆粒也有較好的分辨能力，計(jì)數(shù)效率在70%左右[4]。數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該裝置具有較好的計(jì)數(shù)能力；另一篇論文中，黃延磊和鄭剛提出了一種在激光器內(nèi)腔測(cè)量亞微米顆粒，以此能獲得較強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)利用LabVIEW控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的方案。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該方案既解決了弱信號(hào)的檢測(cè)問題，又縮短了儀器的開發(fā)周期，為超細(xì)顆粒的分析應(yīng)用提供了一種新途徑。此外，黃延磊還研究了一種旋轉(zhuǎn)式液體顆粒計(jì)數(shù)器裝置，該裝置將光束以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)穿過待測(cè)液體，由光電探測(cè)器接受顆粒產(chǎn)生的散射光能，從而確定顆粒大小，并根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)接受的脈沖數(shù)確定顆粒數(shù)。

謝敏、劉小波在論文中基于顆粒計(jì)數(shù)在水質(zhì)檢測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)，介紹了透光率脈動(dòng)檢測(cè)儀（PDA）用于顆粒計(jì)數(shù)的原理及方法。PDA計(jì)數(shù)不需要知道顆粒的光學(xué)特性，即可測(cè)出水中顆粒數(shù)量濃度，具有操作簡便，適用粒徑范圍廣，無須標(biāo)定和經(jīng)常清洗等特點(diǎn)[5]。

2 本裝置的基本情況

2.1 主要功能

根據(jù)泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)的需要，該光電傳感器能夠滿足如下要求：

（1）能夠在水槽某一固定的斷面上放置光源發(fā)射出片光，同時(shí)被另一岸的光敏電阻所接收；

（2）光敏電阻能夠靈活感應(yīng)出斷面通過不同量泥沙時(shí)光強(qiáng)的變化；

（3）微處理器能夠建立斷面泥沙數(shù)量，光敏電阻接收的光照強(qiáng)度，電路電流變化之間的關(guān)系，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過電流的變化感應(yīng)斷面泥沙數(shù)量的變化；

（4）能夠根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及泥沙的種類在不同的實(shí)驗(yàn)中調(diào)整觀察儀中泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的電流值；

（5）完全用數(shù)字信號(hào)代替人的肉眼觀測(cè)，以減小在人肉眼觀測(cè)中所帶來的誤差，節(jié)約人力。

2.2 實(shí)現(xiàn)思路

（1）通過不同型號(hào)的光敏電阻的性能，根據(jù)泥沙起動(dòng)靈敏度的需要，通過實(shí)驗(yàn)，選擇合適的光敏電阻；

（2）根據(jù)數(shù)據(jù)記錄的要求選擇合適的單片機(jī)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫；

（3）進(jìn)行光電傳感器電路的組裝，完善硬件模型；

（4）投入水槽實(shí)驗(yàn)，選擇同種標(biāo)準(zhǔn)的泥沙，觀測(cè)不同的泥沙起動(dòng)程度下光電傳感器的輸出數(shù)據(jù)；

（5）反復(fù)調(diào)試，直到該光敏電阻能夠投入到正常的實(shí)驗(yàn)運(yùn)作中，起到代替人眼觀測(cè)的作用。

2.3 創(chuàng)新之處

將河流動(dòng)力學(xué)的知識(shí)與電光學(xué)的知識(shí)相結(jié)合，用光敏電阻，單片機(jī)編程這樣的光學(xué)元件以及信息技術(shù)為河流動(dòng)力學(xué)的研究服務(wù)。在信息與電氣領(lǐng)域，光敏電阻被應(yīng)用到了廣泛的領(lǐng)域中，單片機(jī)編程也是一個(gè)已經(jīng)日趨成熟的技術(shù)。將這些技術(shù)引入到泥沙起動(dòng)的研究中，既解放了研究者用肉眼觀測(cè)可能帶來的眼疲勞，也降低了人肉眼觀測(cè)可能帶來的主觀誤差，如果能夠在我們所研制出來的基于光敏電阻的實(shí)驗(yàn)室泥沙起動(dòng)觀測(cè)儀上加以改進(jìn)，必然會(huì)在泥沙動(dòng)力學(xué)方面帶來新的進(jìn)展，會(huì)對(duì)泥沙起動(dòng)方面的研究起到促進(jìn)作用。

3 本裝置的實(shí)現(xiàn)

3.1 裝置制作

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭黧w由水槽、光電傳感器、單片機(jī)構(gòu)成；水槽寬幾十厘米，由有機(jī)玻璃制成，可通過水頭的變化和三角堰進(jìn)行水流流速的調(diào)節(jié)；光電傳感器的發(fā)射器安裝在水槽的側(cè)壁上，其發(fā)出的片光包含整個(gè)過水?dāng)嗝?，以便檢測(cè)整個(gè)斷面上光的透過率的變化，透過的光由安裝在水槽另一側(cè)側(cè)壁的光敏電阻吸收，隨后光信號(hào)由光電傳感器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算、處理，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為透過率指標(biāo)與判斷泥沙起動(dòng)的指標(biāo)，同時(shí)單片機(jī)連有PC機(jī)與存儲(chǔ)器，與PC機(jī)通過USB接口連接，可用于顯示這兩個(gè)指標(biāo)的數(shù)值，存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。電子部分結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 泥沙起動(dòng)觀測(cè)儀電子部分總體結(jié)構(gòu)

模型的具體部件的實(shí)現(xiàn)方案我們將對(duì)其進(jìn)一步細(xì)化，分為河流動(dòng)力學(xué)部分與電子部分：

3.1.1 模型河流動(dòng)力學(xué)部分的實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)是利用可變坡水槽開展的。該水槽長度為10 m，寬度為0.30 m，高度為0.45 m。兩邊為光滑玻璃壁面。底部為大理石底板，在大理石底板上鋪放一定厚度的有機(jī)玻璃板，用以放置沙粒，沙粒通過購買獲得，有不同粒徑和大小可供選擇。水槽及供水系統(tǒng)為自循環(huán)系統(tǒng)入口端設(shè)有直徑為1.5 cm的花墻，由水槽下面的離心泵調(diào)節(jié)流量，在保持流量恒定的情況下，通過調(diào)節(jié)尾門開度對(duì)水槽水深進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)利用平水格柵對(duì)水槽上游進(jìn)行平水，使水流均勻、平穩(wěn)，為實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定的水流條件。水槽的大小，沙粒的類型等也可進(jìn)行調(diào)整。水槽見圖2。

3.1.2 模型電子部分的實(shí)現(xiàn)

圖2 水槽

光敏電阻裝置的研制涉及光源設(shè)計(jì)、電阻的自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)的采集與處理、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸、顯示及控制等部分，其中PC機(jī)控制單片機(jī)來進(jìn)行A/D采集，完成透過度等參數(shù)的采集，采集后的數(shù)據(jù)由USB接口傳送至PC機(jī)，由PC機(jī)完成參數(shù)的后續(xù)處理，算出指標(biāo)值，最后由PC機(jī)程序界面顯示泥沙起動(dòng)信息。

光源的照度和色溫與電源電壓的關(guān)系極大，微小的電壓波動(dòng)就會(huì)使照度有較大的波動(dòng)。直流電源的穩(wěn)壓效果比交流穩(wěn)壓電源好的多，而且便于通過外界調(diào)節(jié)而自動(dòng)控制光線的強(qiáng)弱；數(shù)據(jù)采集模塊由信號(hào)調(diào)理電路、A/D采樣、單片機(jī)處理部分組成，單片機(jī)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集、處理的核心。選擇微處理器將主要從控制USB接口芯片、A/D轉(zhuǎn)換器及功耗等方面考慮。

單片機(jī)端程序設(shè)計(jì)主要有兩部分：一是為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集而進(jìn)行的編程，二是為實(shí)現(xiàn)與電腦主機(jī)間的通訊而進(jìn)行的USB固件編程。A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，PC計(jì)算機(jī)通過USB接口向單片機(jī)發(fā)出命令，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)以啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過USB接口送往PC機(jī)進(jìn)行處理。

單片機(jī)采用CYG-NAL公司的C8051F020型單片機(jī)，該單片機(jī)是一種處理混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，芯片上有12位100ksps、8通道帶可編程增益放大器的ADC，使用該芯片可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性和速度等性能指標(biāo)更高；采用45DB081Flash存儲(chǔ)器，其工作電壓為2.7V至3.6V，SPI串行接口適合于嵌入系統(tǒng)的程編。它共計(jì)8650752bit的存儲(chǔ)容量，體積小，引腳數(shù)量少。

4 裝置使用方法與步驟

本裝置的功能在于測(cè)定出不同泥沙起動(dòng)程度所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值。當(dāng)使用該儀器時(shí)，可以通過樣本指標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的比較來判斷泥沙起動(dòng)的程度，從而實(shí)現(xiàn)該儀器的功能。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將一堆沙粒放置于水槽底部，光電傳感器的發(fā)射器位于沙堆沿水流方向的一側(cè)，調(diào)節(jié)水頭與三角堰，使流速由小到大逐漸變化。根據(jù)相關(guān)研究成果與經(jīng)驗(yàn)，人為地對(duì)泥沙起動(dòng)的程度進(jìn)行判斷，將判斷的結(jié)果作為規(guī)定，并對(duì)所規(guī)定的泥沙起動(dòng)程度進(jìn)行詳細(xì)的描述，然后利用儀器測(cè)出不同泥沙起動(dòng)程度所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值，將泥沙起動(dòng)程度的描述與相應(yīng)的指標(biāo)值列成表格，寫入儀器的說明書以供使用者參照。必須指出，對(duì)泥沙起動(dòng)程度的標(biāo)準(zhǔn)在學(xué)術(shù)界尚未達(dá)到統(tǒng)一，但我們所設(shè)計(jì)儀器解決問題的重點(diǎn)并不在于此，而是在于用指標(biāo)值代替人肉眼觀測(cè)來判斷相應(yīng)泥沙起動(dòng)狀態(tài)，我們認(rèn)為，使用者使用該儀器之前，也可對(duì)其實(shí)驗(yàn)條件下的泥沙起動(dòng)狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自己的規(guī)定，建立標(biāo)準(zhǔn)泥沙起動(dòng)指標(biāo)值表格，以便更好地發(fā)揮儀器的作用。

5 測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)該裝置進(jìn)行了測(cè)試，步驟如下：

沙子選擇某黏土質(zhì)粉砂表層沉積物樣品300 g，將樣品置于水槽中段渠底，取片光斷面為緊挨沙堆的下游過水?dāng)嗝妫謩e取流量為10 L/s，20 L/s，30 L/s，必須指出，每做完一次試驗(yàn)后，將沙子放置3 h后進(jìn)行下次試驗(yàn)。固定流量后，將開始實(shí)驗(yàn)時(shí)刻記為零時(shí)刻，設(shè)置儀器每隔10 s進(jìn)行記錄（濁度、時(shí)間），測(cè)得各濁度時(shí)間曲線如圖3（圖中SSC為濁度值）。

圖3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從結(jié)果可以看出，流量越大泥沙起動(dòng)越快，該儀器頗有成效。

［1］金德春.關(guān)于泥沙的起動(dòng)問題［J］.泥沙研究，1991（2）:79.

［2］韓其為，何明民.泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)的研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1996,29（4）：1.

［3］江玉姣.采用激光衍射法分析泥沙顆粒級(jí)配適用性探討［J］.水利水電快報(bào)，2012，33（7）：17.

［4］黃廷磊.一種旋轉(zhuǎn)式液體顆粒計(jì)數(shù)裝置的研究［J］.中國粉體計(jì)術(shù)，2001，7（2）：41.

［5］謝敏.透光率脈動(dòng)檢測(cè)儀PDA在水中顆粒計(jì)數(shù)中的應(yīng)用［J］.凈水技術(shù)，2009，28（4）：71.