張 尚 丁 磊 潘 惠 陳 楊 劉 偉

（河海大學水利水電學院 江蘇南京 210098）

0 引言

本裝置將光電計數(shù)與河流動力學知識相結(jié)合，把光電傳感器應用于泥沙起動的實驗中，通過傳感器來檢測過水斷面上通過泥沙的數(shù)量，從而確定泥沙的起動程度，它的優(yōu)點在于：完全通過數(shù)字信號代替人眼的觀測，用具體的儀器顯示數(shù)值來代替一個人為的主觀判斷，這在泥沙起動研究中是一個很大的進步，使得對泥沙起動的研究進一步數(shù)字化與信息化。這套裝置解放了人力，同時也減小了人為的誤差，可以提高泥沙起動方面研究的準確性與研究結(jié)果的說服力。研發(fā)本裝置的意義在于：一方面，利用所觀測的基于該實驗裝置的不同粒徑泥沙起動標準，可以為以后的應用者應用該裝置提供一個數(shù)據(jù)參考，有利于我們這套實驗裝置在河流動力學界的推廣；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驗裝置，調(diào)高其靈敏度，本裝置將在河流動力學的研究方面產(chǎn)生巨大的影響。

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

在解決許多河流動力學問題時，例如確定泥沙流量、河床穩(wěn)定、水庫岸壁演變等，需要知道泥沙起動流速。因此對泥沙起動流速的研究就有很大的實際意義。正是因為這些原因，許多學者對此問題給予了極大的重視，并進行了一系列的研究。

顧名思義，泥沙起動流速，是指床面泥沙開始移動時的水流流速。這個概念首先是由沙任（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，艾里提出了起動流速與沙粒直徑平方根成正比的規(guī)律。應當指出，雖然這個關(guān)系式是當時根據(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的大致規(guī)律，在現(xiàn)在仍然具有指導意義。金德春在《關(guān)于泥沙的起動問題》中指出，泥沙起動的臨界條件是泥沙特性的重要參數(shù)。但是判斷泥沙起動的臨界條件通常以人為主觀地定性，而不是科學客觀地定量決定。因此，觀測資料存在某種程度的分散性是不足為奇的[1]。

在泥沙起動標準研究方面，H.Kramer最早對泥沙起動的隨機性進行了描述和劃分，他把推移質(zhì)的運動分為四個階段：無泥沙運動，輕微的泥沙運動，中等強度的泥沙運動和普遍的泥沙運動。韓其為，何明民在《泥沙起動標準的研究》中闡述了泥沙起動標準的理論，描述了泥沙運動狀態(tài)的有關(guān)參數(shù)，引進無因次輸沙率作為泥沙起動的標準，提出了不同場合的3種具體標準，指出了基本標準與他們之間的關(guān)系；論證了所提出的起動標準符合以往研究的習慣，符合實際資料和實驗、測量的具體情況，同時討論了其他研究者提出的幾種起動標準[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，何建新等從水動力學和滲流力學的角度出發(fā)，通過自行設(shè)計的滲流作用下泥沙起動流速實驗裝置，定量研究電源滲流力作用下，泥沙起動流速變化規(guī)律，為人工線源滲流力起動泥沙和輸送泥沙提供可靠的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。劉公致等根據(jù)泥沙起動特性理論，制作了泥沙起動特性測試儀，該儀器可測量水流流過泥沙表面時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量濁度，確定泥沙的起動。

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

江玉姣，向娟提到激光粒度分析儀可用于測定測試樣品的粒度；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)換的信息傳給微機進行處理，得到測試樣品較為準確的粒度分布[3]。

嚴偉在一篇論文中介紹了一種測定水中微粒的方法——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，這種裝置對研究處在水流運動狀態(tài)下的小微粒（約0.001~1 mm）具有獨特效果。

黃延磊，李敏在設(shè)計了一種檢測裝置，用來對潔凈介質(zhì)中的顆粒粒徑大小和數(shù)量進行統(tǒng)計。用該裝置對標準顆粒物質(zhì)進行了檢測試驗，結(jié)果表明：對于2μm以上顆粒計數(shù)，效率能達90%；對于1μm以下的顆粒也有較好的分辨能力，計數(shù)效率在70%左右[4]。數(shù)值計算和實驗結(jié)果證實了該裝置具有較好的計數(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)腔測量亞微米顆粒，以此能獲得較強信號，同時利用LabVIEW控制數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析的方案。經(jīng)實驗表明，該方案既解決了弱信號的檢測問題，又縮短了儀器的開發(fā)周期，為超細顆粒的分析應用提供了一種新途徑。此外，黃延磊還研究了一種旋轉(zhuǎn)式液體顆粒計數(shù)器裝置，該裝置將光束以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)穿過待測液體，由光電探測器接受顆粒產(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數(shù)在水質(zhì)檢測中的優(yōu)點，介紹了透光率脈動檢測儀（PDA）用于顆粒計數(shù)的原理及方法。PDA計數(shù)不需要知道顆粒的光學特性，即可測出水中顆粒數(shù)量濃度，具有操作簡便，適用粒徑范圍廣，無須標定和經(jīng)常清洗等特點[5]。

2 本裝置的基本情況

2.1 主要功能

根據(jù)泥沙起動實驗的需要，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，同時被另一岸的光敏電阻所接收；

（2）光敏電阻能夠靈活感應出斷面通過不同量泥沙時光強的變化；

（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度，電路電流變化之間的關(guān)系，將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過電流的變化感應斷面泥沙數(shù)量的變化；

（4）能夠根據(jù)不同的實驗環(huán)境以及泥沙的種類在不同的實驗中調(diào)整觀察儀中泥沙起動標準所對應的電流值；

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

2.2 實現(xiàn)思路

（1）通過不同型號的光敏電阻的性能，根據(jù)泥沙起動靈敏度的需要，通過實驗，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，結(jié)合實驗，進行單片機程序的編寫；

（3）進行光電傳感器電路的組裝，完善硬件模型；

（4）投入水槽實驗，選擇同種標準的泥沙，觀測不同的泥沙起動程度下光電傳感器的輸出數(shù)據(jù)；

（5）反復調(diào)試，直到該光敏電阻能夠投入到正常的實驗運作中，起到代替人眼觀測的作用。

2.3 創(chuàng)新之處

將河流動力學的知識與電光學的知識相結(jié)合，用光敏電阻，單片機編程這樣的光學元件以及信息技術(shù)為河流動力學的研究服務(wù)。在信息與電氣領(lǐng)域，光敏電阻被應用到了廣泛的領(lǐng)域中，單片機編程也是一個已經(jīng)日趨成熟的技術(shù)。將這些技術(shù)引入到泥沙起動的研究中，既解放了研究者用肉眼觀測可能帶來的眼疲勞，也降低了人肉眼觀測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驗室泥沙起動觀測儀上加以改進，必然會在泥沙動力學方面帶來新的進展，會對泥沙起動方面的研究起到促進作用。

3 本裝置的實現(xiàn)

3.1 裝置制作

實驗模型主體由水槽、光電傳感器、單片機構(gòu)成；水槽寬幾十厘米，由有機玻璃制成，可通過水頭的變化和三角堰進行水流流速的調(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)出的片光包含整個過水斷面，以便檢測整個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，隨后光信號由光電傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，再由模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；單片機用于對數(shù)字信號進行運算、處理，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為透過率指標與判斷泥沙起動的指標，同時單片機連有PC機與存儲器，與PC機通過USB接口連接，可用于顯示這兩個指標的數(shù)值，存儲器用于存儲測量數(shù)據(jù)，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。電子部分結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 泥沙起動觀測儀電子部分總體結(jié)構(gòu)

模型的具體部件的實現(xiàn)方案我們將對其進一步細化，分為河流動力學部分與電子部分：

3.1.1 模型河流動力學部分的實現(xiàn)

本實驗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)尾門開度對水槽水深進行調(diào)節(jié)；同時利用平水格柵對水槽上游進行平水，使水流均勻、平穩(wěn)，為實驗提供穩(wěn)定的水流條件。水槽的大小，沙粒的類型等也可進行調(diào)整。水槽見圖2。

3.1.2 模型電子部分的實現(xiàn)

圖2 水槽

光敏電阻裝置的研制涉及光源設(shè)計、電阻的自動測量、數(shù)據(jù)的采集與處理、單片機和計算機的數(shù)據(jù)傳輸、顯示及控制等部分，其中PC機控制單片機來進行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，由PC機完成參數(shù)的后續(xù)處理，算出指標值，最后由PC機程序界面顯示泥沙起動信息。

光源的照度和色溫與電源電壓的關(guān)系極大，微小的電壓波動就會使照度有較大的波動。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)而自動控制光線的強弱；數(shù)據(jù)采集模塊由信號調(diào)理電路、A/D采樣、單片機處理部分組成，單片機是整個數(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。

單片機端程序設(shè)計主要有兩部分：一是為實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集而進行的編程，二是為實現(xiàn)與電腦主機間的通訊而進行的USB固件編程。A/D轉(zhuǎn)換時，PC計算機通過USB接口向單片機發(fā)出命令，單片機發(fā)出控制信號以啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行采樣，然后將轉(zhuǎn)換結(jié)果通過USB接口送往PC機進行處理。

單片機采用CYG-NAL公司的C8051F020型單片機，該單片機是一種處理混合信號系統(tǒng)級芯片，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更高；采用45DB081Flash存儲器，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8650752bit的存儲容量，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定出不同泥沙起動程度所對應的標準指標值。當使用該儀器時，可以通過樣本指標值與標準指標值的比較來判斷泥沙起動的程度，從而實現(xiàn)該儀器的功能。

實驗時，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，人為地對泥沙起動的程度進行判斷，將判斷的結(jié)果作為規(guī)定，并對所規(guī)定的泥沙起動程度進行詳細的描述，然后利用儀器測出不同泥沙起動程度所對應的指標值，將泥沙起動程度的描述與相應的指標值列成表格，寫入儀器的說明書以供使用者參照。必須指出，對泥沙起動程度的標準在學術(shù)界尚未達到統(tǒng)一，但我們所設(shè)計儀器解決問題的重點并不在于此，而是在于用指標值代替人肉眼觀測來判斷相應泥沙起動狀態(tài)，我們認為，使用者使用該儀器之前，也可對其實驗條件下的泥沙起動狀態(tài)標準進行自己的規(guī)定，建立標準泥沙起動指標值表格，以便更好地發(fā)揮儀器的作用。

5 測試結(jié)果

我們對該裝置進行了測試，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斷面，分別取流量為10 L/s，20 L/s，30 L/s，必須指出，每做完一次試驗后，將沙子放置3 h后進行下次試驗。固定流量后，將開始實驗時刻記為零時刻，設(shè)置儀器每隔10 s進行記錄（濁度、時間），測得各濁度時間曲線如圖3（圖中SSC為濁度值）。

圖3 實驗結(jié)果

從結(jié)果可以看出，流量越大泥沙起動越快，該儀器頗有成效。

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

［2］韓其為，何明民.泥沙起動標準的研究［J］.武漢水利電力大學學報，1996,29（4）：1.

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

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

［5］謝敏.透光率脈動檢測儀PDA在水中顆粒計數(shù)中的應用［J］.凈水技術(shù)，2009，28（4）：71.