OBS测沙原理及校准

1、OBS型测沙仪原理及校准一.测量原理2二.仪器结构2三.测量方式2四.校准3五影响OBS反射特性的因素7广州南方测绘仪器有限公司2010一.测量原理OBS浊度计的核心是一个红外光学传感器。光线在水体中传输，由于介质作用会发生吸收和散射，根据散射信号接收角度的不同可分为透射，前向散射（散射角度小于90°）,90°散射和后向散射（散射角度大于90°）。从理论上讲监测任一角度的红外光线散射量均可测量浊度，见下图。图1 光学散射示意图Fig.1 Optical particle detectorsAquaLogger210的监测散射角为15°150°之

2、间的红外光散射信号，此间散射信号稳定。之所以选择红外光线是因为红外辐射在水体中衰减率较高，太阳中的红外部分完全被水体所衰减，这样OBS发射光束不会受到强干扰。第一，散射率随散射角度增大而减小；第二，在后向散射范围内散射率比较稳定；第三，在后向散射接收范围内无机物质的散射强度明显大于气泡和有机物质。二.仪器结构Aqualogger浊度计为英国Aquatec公司的产品，它由传感器、电子单元、接口部分和电源部分组成。红外传感器由一个高效红外发射二极管，四个光敏接收管和一个线性固态温度传感器组成。红外发射二极管在驱动器作用下发射一个与轴平面成50°与发射面成30°的圆锥体光束。红外

3、光束遇到悬浮颗粒后发生散射，红外接收管接收15°150°之间的散射信号，在空气中光敏接收管的有效接收范围在80cm，但在离接收面30cm范围内较为敏感，在水体中光敏接收管的有效接收范围为25cm。接收范围设计确定后所有上述元件由环氧树脂固定。红外光敏接收二极管接收到散射信号送至A/D转接器，将模拟信号转换成数字信号。然后由计算机对转换成的数字信号进行采集，按照OBS浊度计的测量要求进行处理，处理好的数据通过RS-232串口与操作计算机进行通讯联系。三.测量方式Aqualogger210浊度计有两种工作模式，在实时测量(Survey)工作模式，AUALOGGER210将测量的

4、数据传输计算机显示；在自容记录(Log)模式中，Aqualogger210将测量的数据存入浊度计的内存中。 详见操作手册。四.校准OBS测量得到的数值是水体悬浮颗粒的浊度值，这种浊度值校准在仪器出厂时已经过严格的校正。他通常是用4000FTU的浊度校准液，通过稀释而得到不同的浊度校准。由于OBS测得到数据是一个浊度值，需要经过泥沙校准才能得到水体泥沙实际浓度值。泥沙校准可分为现场泥沙标定和室内泥沙标定两种方法。n 现场泥沙标定通过测量时与OBS同步采水样，然后测定现场采集水的含沙浓度,再对OBS浊度进行标定，通常采取垂线测量取样的方法，即将OBS放入不同水深的水体中，用实时观测方法测量，每一层

5、保持2030秒时间；在同一水深,采集水样,称重可得到一组相应泥沙的实际值，然后用回归法对所测得到浊度值进行标定。最好在一个潮周期内作两次采样标定，因为涨急和转流时泥沙颗粒组成和浓度有很大差异，而粒径对OBS浊度值测量影响较大。n 室内标定在现场采集泥沙，经室内烘干，用天平称重。在标定槽中放入OBS浊度计,先放一定容积的蒸馏水，此时浊度,泥沙值均为0，然后再逐渐投入烘干的泥样,每次按总量的510投入，这样可以得到1020组不同泥沙含量和浊度对应值。然后再用回归法来相关，得到泥沙校准的目的。泥沙样本准备是校准工作的一个非常关键的工作。通常使用干泥沙是比较方便的方法，因为干泥沙比较容易精确称重，但这

6、仅对纯沙质样本是合适的。由于烘干及分解样本时会产生新的粒径颗粒，从而使样本属性与野外实际产生差别。比如在港口地区，由于水流缓慢，泥沙容易凝结，与微生物结合变的就有黏性，颗粒聚集成絮状物，这样在实验室里分离分解样本，就会改变原有的粒径，从而改变OBS反射特性。所以现场校准方式在实际中应用较多。含沙量可采用泥沙干重除以样本总重（ppm单位）或除以样本容积（mg/l单位）的计算方法。回归计算用excel表画出含沙量和OBS信号（电压值）或与浊度值的曲线，计算回归系数，利用此公式计算obs值到含沙量转换。以下Figure26为例如下数据：浊度FTU 含沙量 77529.5639776 29.60205

7、77729.640277829.6783477729.6402用Excel图标工具建立分布图标浊度FTU利用趋势分析计算回归参数浊度FTU五影响OBS反射特性的因素泥沙粒径自然河流、海洋水中悬浮沙粒径一般为0.2-500微米，光散射原理表明，在其他条件（形状、颜色等）不变的情况下，光射路径上悬浮物面积决定了反射强度。 1克10微米粒径样本的球面面积是1克100微米粒径样本的10倍，反射强度大约是100微米样本的10倍。试验证明了这样的关系。图28显示了不同水质下，反射强度与含沙量的关系。所以在实际测量中，应考虑现场水样与实验室内粒径变化的因素。泥沙比例的影响如前所述，反射信号强度跟粒径大小成反

8、比关系，见图29，这样在泥沙粒径随时间变化的水域测量就产生一定的困难。例如在经历台风时，水中的泥和沙的比例会在不同时间发生变化。这样校准过的OBS仅对校准期间的泥沙比例的水质是有效的。没有好的办法来解决这个难题。能做的是通过在取不同时期的大量水样进行校准。所以在泥沙状况变换较大的区域，不要仅仅以来OBS测沙这一种测量方法。高泥沙含量测量在泥沙含量很高的时候，特别是悬浮较多泥和粘土时，信号吸收衰减比较严重，反射信号会随泥沙含量的增加而降低。对于泥质水域来讲，当含沙量超过5000mg/l的时候，就会出现这种情况。如figue30所示，当超过4g/l时，输出信号会随含沙量增加而降低。所以建议不要超出

9、该测量量程，除非对该超出量程做了校准。泥沙颜色的影响泥沙颜色是另外一个重要影响因素，颜色改变时，将会降低测量精度。尽管OBS传感器对颜色不敏感，OBS传感器的反射和颜色已经进行了相关改正。但方解石物质如是石灰石、大理石和白垩等就有更强的反射性能，造成OBS反射信号偏强，而有些物质如磁铁矿物质会造成反射偏弱。见图3.1.在泥沙颜色随时间变化的区域来讲，单一的校准曲线也许不能胜任，误差会根据颜色物质的浓度而变化。Water Color水色有些用户比较担心水体颜色（是溶解物质颜色，不是前面泥沙悬浮颜色）对测量值的影响。实际上这方便的影响是比较小的，除非这些溶解物浓度较高，并且能吸收红外IR波长光的情

10、况下有一定影响。但在自然界的河流、海洋、湖泊等自然水中，这些溶解物的浓度是非常小的。Bubbles气泡尽管气泡对红外光的散射能力较强，但大量野外测量结果表明，自然环境中的气泡对测量影响较小。尽管气泡和石英颗粒就有类似的反射特性，但气泡的含量在自然界比泥沙含量低2个数量级。在多数情况下，泥沙含量决定了反射量，而气泡的影响微乎其微。OBS接收反射角度15-150度范围内信号，该反射角度内，反射轻度是不变常数。OBS传感器主要受矿物质颗粒的影响，气泡和有机生物的影响较小，可以被忽略。但有几种情况是例外，如浮游生物繁殖率高但泥沙含量很低的河流，反射主要受浮游生物影响。在船舶航行产生的气泡区及消息冲刷区，由于气泡含量较高，对反射影响也很大。矿物质颗粒、气泡和悬浮有机物的散射特性见