滲透流速熒光監(jiān)測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

陳俊華 黃悅?cè)A 孟永東

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002）

0 引言

巖土邊坡失穩(wěn)是地表常見的地質(zhì)災(zāi)害，地質(zhì)滑坡災(zāi)害不僅嚴(yán)重威脅著人類的生命安全，還會給國家和人民造成巨大的財產(chǎn)損失。研究表明，90%的滑坡與水有關(guān)[1]，主要表現(xiàn)為自然降雨、水庫水位循環(huán)漲落、地下水變動等。地下水的無規(guī)律運動是造成滑坡的主要因素，現(xiàn)有的一些測速儀和測量技術(shù)雖然為地下水滲透流速測量的進(jìn)步作出了較大貢獻(xiàn)，但在測量方面卻各有不足。

本文基于稀釋法理論，應(yīng)用水基熒光劑作為介質(zhì)來測定滑坡體地下水滲透流速流向。水基熒光劑自然本底值低、靈敏度高、易于檢測、易溶于水、無毒、易于制取或購得，使用其作為介質(zhì)進(jìn)行測量是對以往測速法的一種創(chuàng)新嘗試，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 設(shè)計思路

巖土體滲透流速熒光監(jiān)測方法主要原理：使鉆孔內(nèi)地下的水柱與投入的少量熒光試劑均勻混合，隨著水流過鉆孔內(nèi)，熒光溶液被稀釋，熒光試劑被稀釋的速度與地下水滲透流速相關(guān)，根據(jù)此種關(guān)系，可以求出滲透流速。

稀釋模型主要有以下兩種[2]：

（1）傳統(tǒng)單孔稀釋法。適用于較為理想的條件下：熒光試劑與水體混合均勻；鉆孔內(nèi)無垂向流的干擾；不考慮示蹤劑的彌散性；不考慮水流對流。

（2）基于質(zhì)量守恒原理的單孔熒光稀釋模型。基于單孔稀釋原理對傳統(tǒng)的單孔稀釋法做出了相應(yīng)改進(jìn)：測孔內(nèi)熒光溶液混合不均勻，考慮垂向流影響，利用微元思想，建立了廣義稀釋模型[3]。

通過對比，選用基于溶質(zhì)質(zhì)量守恒原理，在傳統(tǒng)的單孔稀釋法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的方法建立稀釋模型，將垂向流以及溶質(zhì)與地下水混合不均勻等情況列入考慮。

2 元器件的組成

基于單孔熒光稀釋法的地下水滲透流速監(jiān)測儀器，主要包括熒光劑定量投放裝置、熒光檢測探頭（組成包括光源、光電轉(zhuǎn)換器光電二極管、濾光片、平透鏡）、水下監(jiān)視及影像采集模塊、光電信號后置放大電路、數(shù)據(jù)采集模塊、電源、電流計等。

熒光定量投放裝置用于在鉆孔中特定位置、特定時間投放定量的熒光試劑。

檢測探頭是監(jiān)測儀的核心元件，其基本原理為：熒光溶液在一定強度的激發(fā)光照射下，其中的熒光試劑會發(fā)出熒光，經(jīng)過濾光片過濾，只允許特定波長的熒光穿過照射到光電二極管，光電二極管可以將此時的熒光光強轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流并將數(shù)據(jù)顯示在電流計上。

水下監(jiān)視及影像采集模塊是利用步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)角度對微攝像系統(tǒng)框架定量旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)對鉆孔內(nèi)水下全景的成像監(jiān)測。

光電信號后置放大電路是在光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號之后設(shè)置的，具有抗干擾功能，穩(wěn)定性高，增益誤差小。

數(shù)據(jù)自動采集模塊可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時高效的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并及時地將測量數(shù)據(jù)傳輸給后臺服務(wù)器，后臺服務(wù)器也能通過指令控制熒光監(jiān)測系統(tǒng)的運行，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集。

圖1 熒光檢測探頭

3 各功能模塊電路設(shè)計

3.1 熒光檢測探頭設(shè)計

熒光檢測探頭是整個熒光監(jiān)測系統(tǒng)中最為重要的部分，主要由激發(fā)光源LED燈、平透鏡、濾光片以及光電二極管幾個部分組成，如圖1所示。

任何發(fā)射熒光的物質(zhì)都具備兩個特征光譜，激發(fā)光譜和熒光光譜，它們是熒光分析中定性檢測和定量檢測的基礎(chǔ)，熒光物質(zhì)的最大激發(fā)波長和最大熒光波長是鑒定物質(zhì)的根據(jù)，也是定量測量時最靈敏的條件。激發(fā)光源便是用來照射熒光試劑以便熒光試劑能夠吸收能量從而發(fā)生能級躍遷的穩(wěn)定能源。

根據(jù)所選熒光試劑Luyor-6200的熒光特性，我們所需要的激發(fā)光源中心波長必須為550nm，為此選用了體積小、設(shè)計輕便、發(fā)光過程中能量損失小、性價比高、綜合系統(tǒng)成本低的LED（半導(dǎo)體激光器）為激發(fā)光源。經(jīng)研究比選，紫外LED（Light-EmittingDiode）可滿足上述所有要求[4]。

平透鏡需要兩個，上下對稱布置，下平透鏡的主要作用是將激發(fā)光源LED所發(fā)射的散光折射為比較規(guī)則的平行光，然后照射到熒光溶液中刺激熒光溶液發(fā)光，熒光溶液吸收足夠能量躍遷到激發(fā)態(tài)后為釋放能量從而發(fā)射出熒光，此時熒光和部分激發(fā)光會穿過上平透鏡轉(zhuǎn)換為匯聚光，經(jīng)過濾光片，只允許特定波長的熒光穿透，其余波長的熒光全部被吸收掉，透過濾光片的光將會匯聚于一點，而這一點則剛好照射在光電二極管上，通過光電二極管將匯聚的光點轉(zhuǎn)化為可以在電腦客戶端實時顯示的光電流數(shù)據(jù)。

所謂濾光片即只能通過特定波長的光而過濾掉其他波長的光，排除干擾。根據(jù)所選熒光試劑Luyor-6200的波長特性，所選濾光片需讓熒光試劑所發(fā)波長550nm的光通過，吸收掉其他波長段的光，尤其是防止激發(fā)光的干擾。

光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流極其微弱，此時的微弱電流稱為暗電流；有光照時，反向電流迅速增加到幾十微安，熒光強度越大，光電流越大，光的強弱變化會引起光電二極管的電流變化，因此我們可以通過光電二極管轉(zhuǎn)換的光電流間接求出地下水流速。

3.2 鉆孔水下影像采集模塊及電子電路設(shè)計

圖2 鉆孔水下監(jiān)視及影像采集裝置

自制鉆孔水下全景成像裝置由探頭框架、步進(jìn)電機和微攝像系統(tǒng)框架組成，如圖2所示。

探頭頂面3、探頭側(cè)面6、探頭底面16和探頭側(cè)面下方的安裝玻璃14共同構(gòu)成密封的探頭框架2，電纜1與探頭框架2上頂面3相連。

步進(jìn)電機4通過螺栓和螺母固定在圓板5上，圓板5與探頭側(cè)面壁6相連，步進(jìn)電機軸承7與微攝像系統(tǒng)框架8的頂蓋9相連。

微攝像系統(tǒng)框架8通過螺母固定在步進(jìn)電機軸承7上，微攝像系統(tǒng)框架8內(nèi)包含系統(tǒng)電路板10及其上面的攝像頭和發(fā)光二極管、圓形透明玻璃11和反光鏡12。反光鏡12內(nèi)置于微攝像系統(tǒng)框架8下方側(cè)面開有孔13的部分，孔13與探頭側(cè)面壁6下方安裝玻璃14的部分相對應(yīng)，微攝像系統(tǒng)框架8的底面15與探頭框架2的底面16有一定距離。

步進(jìn)電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件，每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。電機的轉(zhuǎn)速由輸入脈沖頻率決定，回轉(zhuǎn)角由輸入脈沖數(shù)決定。

步進(jìn)電機有很多品種，按電磁設(shè)計不同可分為反應(yīng)式（VR）步進(jìn)電機、永磁式（PM）步進(jìn)電機和混合式（HB）步進(jìn)電機：

（1）反應(yīng)式步進(jìn)電機：其轉(zhuǎn)子由軟磁材料沖片疊裝而成一個帶齒的鐵芯，每對磁極上都裝有控制繞組。其雖然構(gòu)造簡易，成本也低，但動態(tài)性能比較差。

（2）永磁式步進(jìn)電機：其轉(zhuǎn)子由永久磁鐵制成，而定子磁極裝有兩相或多相控制繞組。其在動態(tài)性能方面很有優(yōu)勢，功率消耗也很低，但對于啟動運行來說，其頻率較低。

（3）混合式步進(jìn)電機：兼具反應(yīng)式電機和永磁式電機二者的優(yōu)點，其在運轉(zhuǎn)過程中噪聲低、比較平穩(wěn)、低頻振動小。因為控制系統(tǒng)比較簡單且能開環(huán)運行，所以該電機在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用普遍[5]。

由于鉆孔水下監(jiān)視及影像采集裝置所處環(huán)境比較惡劣，操作精度要求高，而混合式步進(jìn)電機比較平穩(wěn)、噪聲低、低頻振動小，故本文選用三相混合式步進(jìn)電機。

本設(shè)計應(yīng)用在鉆孔水下監(jiān)視及影像采集的高清攝像機，能實時監(jiān)控收集地下鉆孔地質(zhì)特征及環(huán)境概況的影像資料。該模塊應(yīng)用LJ-DSC03系列串口攝像頭硬件，應(yīng)用中心處理單元對圖像傳感器捕捉來的光信號進(jìn)行處理，然后將其顯示于外顯示器上，同時將處理的信息保存至存儲器[6]。

3.3 熒光劑定量投放裝置設(shè)計

熒光劑定量投放裝置的設(shè)計目的是實現(xiàn)坡體鉆孔內(nèi)溶液的定量精準(zhǔn)投放，針對的是野外測試或試驗。裝置由三部分組成：儲液室、動力控制部分、加長組件部分。各部分參數(shù)如下：儲液室近似于圓柱體，直徑約80mm，高約150mm，針頭部分用3mm的針管投放液體，旁邊有刻度，能很好地直觀表明所投放的體積數(shù)。動力控制部分可以與儲液室進(jìn)行拼接，連接部分是一塊金屬片，中間有直徑為20mm的孔，用于螺旋桿的移動，金屬片上有對稱的兩個直流電機，用于控制螺旋桿上下移動。最上面的加長組件，結(jié)構(gòu)類似于動力控制部分，只是用于拼接，加長裝置測量的深度。

動力控制部分的圓柱壁上對稱開兩個小孔，用于電機外接電源和時間繼電器等相關(guān)裝置。時間繼電器可以通過設(shè)置裝置運行的時間來間接控制試驗液體投放的體積，電機型號可以根據(jù)需要自己選擇。若無時間繼電器，也可使用步進(jìn)電機，通過步進(jìn)電機，此裝置可以精確控制熒光劑投放量。

3.4 光電信號后置放大電路及數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

由于熒光本身發(fā)光很微弱，經(jīng)過光電元件轉(zhuǎn)換后，從熒光轉(zhuǎn)化的光電信號則更加微弱，再加上各種噪音（背景噪聲、電路噪聲、元器件噪聲等）的干擾影響，要做到較為精確的測量比較困難，因此在光電轉(zhuǎn)換元件后設(shè)計了抗干擾、增益誤差小的高穩(wěn)定信號放大電路。

經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的電流信號很弱，并且極易受到噪聲干擾，因此必須削減電路中的噪聲。減弱噪聲有兩種方法：

（1）降低噪聲增益。主要是在反饋電阻Rf上并聯(lián)一個電容Cf，則噪聲增益此時為1+Ci/（Cs+Cf）。而根據(jù)實際操作可知，Cf并沒有使得總輸出噪聲明顯減少。

（2）限制噪聲帶寬。主要有減小放大器開環(huán)增益帶寬和補償退耦相位的兩種方法。相位補償原理如圖3所示。

圖3 相位補償電路

通過SIM900A模塊，集成串口通信，完成STM32和SIM900A之間的數(shù)據(jù)交換，同時可以利用GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)SIM900A和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流通，與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行通信，進(jìn)一步將熒光監(jiān)測系統(tǒng)所測得的地下水滲透流速數(shù)據(jù)實時傳送到遠(yuǎn)程客戶端。具體實施方法如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)通信原理

4 結(jié)論

本文研究了利用熒光劑作為載體進(jìn)行巖土地下水滲透流速監(jiān)測的熒光監(jiān)測儀，對熒光檢測探頭、鉆孔水下監(jiān)視及影像采集模塊、熒光劑定量投放裝置、光電信號后置放大電路及數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了分析設(shè)計。該儀器具有以下特點：

（1）根據(jù)工程實際設(shè)計了熒光劑定量投放裝置，光電信號后置放大電路可對熒光轉(zhuǎn)化的光電信號進(jìn)行優(yōu)化，從而很好地對地下水流速進(jìn)行分析；

（2）利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，可以實現(xiàn)巖土邊坡遠(yuǎn)程監(jiān)測及多監(jiān)測點同時監(jiān)測，以適應(yīng)巖土工程監(jiān)測需求。

［參考文獻(xiàn)］

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[3]朱偉璽.巖土滲透流速熒光監(jiān)測的廣義稀釋模型[D].宜昌：三峽大學(xué)，2015.

[4]何樹榮，徐洪峰.綠光LED激發(fā)熒光的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2002，28（1）：9-10，15.

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[6]焦旸.高分辯率CCD硬件系統(tǒng)的設(shè)計與研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.