专利名称：水中沉积物检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及水质检测技术领域，尤其涉及一种水中沉积物检测系统及方法。
背景技术：
在农村生活用水和饮水中，水中沉积物是衡量水质的重要标准，可以其判断饮水是否需要净化；在灌溉用水中，水中沉积物可辅助诊断灌溉造成的水土流失情况；在生态环境研究中，水体沉积物是区域乃至全球环境演变的天然档案，记录着水体所经历的环境变化信息。因此，对水中沉积物进行在线检测具有重要意义。现有的水中沉积物检测方法(水生沉积物分析样品的制备和初步检验，化学清洗，12卷，第1期，43-46页；SW-Shollow-Ι型浅水水体沉积物-界面水采样器的研制，地址地球化学，四卷，第2期，91-93页)一般需对水体进行采样，再经过一段时间的沉积或过滤，对沉积进行称重，从而测量水中的沉积物质量。虽然可以达到对水中的沉积物进行测定的目的，但其有如下缺陷(1)需要对水样本进行采样；(2)需要对样本进行处理，耗时长；(3)采样过程有一定的误差，不能准备反应水体的真实沉积物状态；(4)由于有取样过程，故不适合时间上的动态观测研究。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是提供一种可实时、精确地测定水中沉积物的水中沉积物检测系统及方法。(二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种水中沉积物检测系统，该系统包括阻抗频谱测量�？椋啥喔銎叫星壹涓舴胖玫募し搴徒邮瞻骞钩桑黾し逵胨鼋邮瞻宓淖苁课际恍藕欧⑸？椋胨黾し逑嗔糜谏缮瓒ㄆ德实募だ藕挪⒎⑺椭了黾し迳希皇莶杉？椋胨鼋邮瞻逑嗔糜诘彼黾だ藕欧⑺椭了黾し迨保� 采集所述接收板上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理�？椋淮砟？椋胨鍪莶杉？橄嗔糜诟菟鍪中藕牛崛〖だ藕诺南辔惶匦裕治龃馑逶谒錾瓒ㄆ德实乃ゼ跸凳扑愕玫剿谐粱锏闹柿俊Ｆ渲校鲂藕欧⑸？槲捎孟殖】杀喑堂耪罅蠪PGA设计的数字频率合成器 DDS,生成的激励信号频率为400ΜΗζ-600ΜΗζ，波形为正弦波或方波。其中，所述激发板和/或所述接收板为FR-4材料制成，且表面镀铜或铝。
其中，该系统还包括显示�？椋胨龃砟？橄嗔糜谙允舅鏊谐粱锏闹柿俊Ｆ渲校孟低郴拱ㄎ露却衅鳎胨龃砟？橄嗔糜诓杉鲎杩蛊灯撞饬磕？榈奈露龋⒔杉降奈露仁莘⑺椭了龃砟？椋凰龃砟？榛褂糜诟菟鑫露仁莶钩ニ鏊逶谏瓒ㄆ德实慕榈缙灯子晌露纫鸬奈蟛�。其中，所述数据采集�？榘ㄊ莶杉ピ胨鼋邮瞻逑嗔糜诘彼黾だ藕欧⑺椭了黾し迨保杉鼋邮瞻迳喜南煊π藕牛皇荽淼ピ胨鍪莶杉ピ约八龃砟？橄嗔糜诙运鱿煊π藕沤新瞬ㄒ约胺糯蟠恚⒔心Ｊ唬玫绞中藕欧⑺椭了龃砟？�。其中，所述数据处理单元包括依次相连的PN结型场效应管输入缓冲器、增益1-64 可变的程控放大器、滤波器以及模数转换器。其中，所述数字频率合成器DDS还与所述模数转换器相连，用于产生数字定时信号作为所述模数转换器的触发信号。本发明还提供了一种基于上述系统的水中沉积物检测方法，该方法包括步骤Si.将由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成的阻抗频谱测量�？榉湃氪馑逯校黾し逵胄藕欧⑸？橄嗔邮瞻逵胧莶杉？橄嗔宜黾し逵胨鼋邮瞻宓淖苁课际籗2.信号发生�？樯缮瓒ㄆ德实募だ藕挪⒎⑺椭了黾し迳希籗3.当所述激励信号发送至所述激发板时，数据采集�？椴杉鼋邮瞻迳喜南煊π藕牛云浣心Ｊ缓螅玫绞中藕欧⑺椭链砟？椋籗4.处理�？楦菟鍪中藕牛崛〖だ藕诺南辔惶匦裕治鏊逶谒錾瓒ㄆ德实乃ゼ跸凳扑愕玫酱馑逯谐粱锏闹柿浚黄渲校诓街鑃4中，利用下式分析水体在所述设定频率的衰减系数Ksample 一 Ktest-KspaceKsample为待测水体在所述设定频率的衰减系数，Kspace数值为由所述激发板及接收板构成的电容器空载时测量得到的衰减系数，且^toi =20 ，
K)E0为初始激发电场，E⑴为终端测得电场。其中，该方法还包括采集所述阻抗频谱测量�？榈奈露龋⒔杉降奈露仁莘⑺椭了龃砟？榈牟街瑁诓街鑃4中，所述处理�？楦菟鑫露仁莶钩ニ鏊逶谏瓒ㄆ德实慕榈缙灯子晌露纫鸬奈蟛睢�(三)有益效果本发明的系统及方法通过在水体样品周围施加扫频电�。饬科浣榈缙灯椎姆绞剑稍诓蝗⊙那榭鱿拢谙呖焖俨饬克械某粱镏柿�。系统简单便携，适合于农村饮用水、灌溉水的沉积物检测。相对于现有技术，极大程度节约了人力、物力和时间。
图1为依照本发明一种实施方式的水中沉积物检测系统结构框5
图2为依照本发明一种实施方式的水中沉积物检测方法流程图。
具体实施例方式本发明提出的水中沉积物检测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。本发明提供了一种基于介电频谱的水中沉积物检测系统及方法，其测量机理为 水中沉积物一般为绝缘物质，沉积物的含量会影响水体的电子学性质。介电频谱是分子中的束缚电荷对外加电场的响应特性的反映。物质的介电参数不是恒值，它们受频率、温度、 极化特性、压力、材料组成成分、分子结构等因素的影响。因此，通过分析水体在某一频域的介电频谱，可测量水体中的沉积物质量。如图1所示，依照本发明一种实施方式的水中沉积物检测系统，整个系统置于箱体3上，该系统包括阻抗频谱测量模块，由多个平行且间隔放置的激发板1和接收板2构成，激发板1 与接收板2数量不限，但应保证总数量为偶数，例如图中的激发板1与接收板2各三块。激发板1与接收板2的尺寸也不限，例如10cm*10cm或20cm*20cm。激发板1和/或接收板2 为FR-4 (环氧玻璃布层压板)材料制成，且表面镀铜或铝。信号发生模块6，与激发板1相连，用于生成设定频率的激励信号并发送至激发板1上。该信号发生�？�6优选为采用现场可编程门阵列FPGA设计的数字频率合成器DDS，生成的激励信号频率为400MHz-600MHz， 该波段可反映水中沉积物的质量，波形为正弦波或方波。数据采集�？�4，与接收板2相连，用于当激励信号发送至激发板1时，采集接收板 2上产生的响应信号，对其进行模数转换后，将得到数字信号发送至处理�？�5。该数据采集�？�4包括数据采集单元，与接收板2相连，用于当激励信号发送至激发板1时，采集接收板2上产生的响应信号；数据处理单元，与数据采集单元以及处理�？�5相连，用于对响应信号进行滤波以及放大处理，并进行模数转换，将得到数字信号发送至处理模块6，该数据处理单元包括依次相连的PN结型场效应管输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器、滤波器以及模数转换器。该数字频率合成器DDS还与模数转换器相连，用于产生数字定时信号作为模数转换器的触发信号。激发板1和接收板2系统的其他部分绝缘。处理�？�5，与数据采集模块4相连，用于根据该数字信号，提取激励信号的相位特性，分析待测水体在该设定频率的衰减系数，计算得到水中沉积物的质量。该系统还包括显示�？椋氪砟？�6相连，用于显示水中沉积物的质量。温度传感器7，安装在箱体3上，与处理�？�6相连，用于采集阻抗频谱测量�？榈奈露龋⒔杉降奈露仁莘⑺椭链砟？�6，处理�？�6根据温度数据补偿水体在设定频率的介电频谱由温度引起的误差。该系统还包括控制�？椋中藕糯鞤SP芯片，用于对该检测系统整体进行控制，协调各部分运作。本发明还提供了一种基于上述系统的水中沉积物检测方法，如图2所示，该方法包括步骤Si.将由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成的阻抗频谱测量�？榉湃氪馑逯校黾し逵胄藕欧⑸？橄嗔邮瞻逵胧莶杉？橄嗔宜黾し逵胨鼋邮瞻宓淖苁课际籗2.信号发生�？樯缮瓒ㄆ德实募だ藕挪⒎⑺椭了黾し迳希籗3.当所述激励信号发送至所述激发板时，数据采集�？椴杉鼋邮瞻迳喜南煊π藕牛云浣心Ｊ缓螅玫绞中藕欧⑺椭链砟？椋籗4.处理�？楦菟鍪中藕牛崛〖だ藕诺南辔惶匦裕治鏊逶谒錾瓒ㄆ德实乃ゼ跸凳扑愕玫酱馑逯谐粱锏闹柿浚黄渲校诓街鑃4中，利用下式分析水体在所述设定频率的衰减系数Ksample 一 Ktest-KspaceKsample为待测水体在所述设定频率的衰减系数，Kspace数值为由所述激发板及接收板构成的电容器空载时测量得到的衰减系数，且Ktest =20\g(-^-),E0为初始激发电�。珽⑴为终端测得电场。另外，该方法还包括采集所述阻抗频谱测量模块的温度，并将采集到的温度数据发送至所述处理�？榈牟街瑁诓街鑃4中，所述处理�？楦菟鑫露仁莶钩ニ鏊逶谏瓒ㄆ德实慕榈缙灯子晌露纫鸬奈蟛睢Ｒ陨鲜凳┓绞浇鲇糜谒得鞅痉⒚鳎⒎嵌员痉⒚鞯南拗�。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种水中沉积物检测系统，其特征在于，该系统包括阻抗频谱测量�？椋啥喔銎叫星壹涓舴胖玫募し搴徒邮瞻骞钩桑黾し逵胨鼋邮瞻宓淖苁课际恍藕欧⑸？椋胨黾し逑嗔糜谏缮瓒ㄆ德实募だ藕挪⒎⑺椭了黾し迳希皇莶杉？椋胨鼋邮瞻逑嗔糜诘彼黾だ藕欧⑺椭了黾し迨保杉鼋邮瞻迳喜南煊π藕牛云浣心Ｊ缓螅玫绞中藕欧⑺椭链砟？椋淮砟？椋胨鍪莶杉？橄嗔糜诟菟鍪中藕牛崛〖だ藕诺南辔惶匦裕治龃馑逶谒錾瓒ㄆ德实乃ゼ跸凳扑愕玫剿谐粱锏闹柿俊�
2.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述信号发生�？槲捎孟殖】杀喑堂耪罅蠪PGA设计的数字频率合成器DDS，生成的激励信号频率为 400MHz-600MHz，波形为正弦波或方波。
3.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述激发板和/或所述接收板为FR-4材料制成，且表面镀铜或铝。
4.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，该系统还包括显示�？椋胨龃砟？橄嗔糜谙允舅鏊谐粱锏闹柿�。
5.如权利要求1所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，该系统还包括温度传感器，与所述处理模块相连，用于采集所述阻抗频谱测量�？榈奈露龋⒔杉降奈露仁莘⑺椭了龃砟？椋凰龃砟？榛褂糜诟菟鑫露仁莶钩ニ鏊逶谏瓒ㄆ德实慕榈缙灯子晌露纫鸬奈蟛�。
6.如权利要求2所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述数据采集�？榘ㄊ莶杉ピ胨鼋邮瞻逑嗔糜诘彼黾だ藕欧⑺椭了黾し迨保杉鼋邮瞻迳喜南煊π藕牛皇荽淼ピ胨鍪莶杉ピ约八龃砟？橄嗔糜诙运鱿煊π藕沤新瞬ㄒ约胺糯蟠恚⒔心Ｊ唬玫绞中藕欧⑺椭了龃砟？�。
7.如权利要求6所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述数据处理单元包括依次相连的PN结型场效应管输入缓冲器、增益1-64可变的程控放大器、滤波器以及模数转换器。
8.如权利要求7所述的水中沉积物检测系统，其特征在于，所述数字频率合成器DDS还与所述模数转换器相连，用于产生数字定时信号作为所述模数转换器的触发信号。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的系统的水中沉积物检测方法，其特征在于，该方法包括步骤S1.将由多个平行且间隔放置的激发板和接收板构成的阻抗频谱测量�？榉湃氪馑逯校黾し逵胄藕欧⑸？橄嗔邮瞻逵胧莶杉？橄嗔宜黾し逵胨鼋邮瞻宓淖苁课际籗2.信号发生�？樯缮瓒ㄆ德实募だ藕挪⒎⑺椭了黾し迳希籗3.当所述激励信号发送至所述激发板时，数据采集�？椴杉鼋邮瞻迳喜南煊π藕牛云浣心Ｊ缓螅玫绞中藕欧⑺椭链砟？椋籗4.处理�？楦菟鍪中藕牛崛〖だ藕诺南辔惶匦裕治鏊逶谒錾瓒ㄆ德实乃ゼ跸凳扑愕玫酱馑逯谐粱锏闹柿浚黄渲校诓街鑃4中，利用下式分析水体在所述设定频率的衰减系数Ksample ^test ^spaceKsample为待测水体在所述设定频率的衰减系数，Kspace数值为由所述激发板及接收板构成的电容器空载时测量得到的衰减系数，且Uoig(|^)，ΕωE0为初始激发电�。ウ匚斩瞬獾玫绯�。
10.如权利要求9所述的水中沉积物检测方法，其特征在于，该方法还包括采集所述阻抗频谱测量�？榈奈露龋⒔杉降奈露仁莘⑺椭了龃砟？榈牟街瑁诓街鑃4 中，所述处理�？楦菟鑫露仁莶钩ニ鏊逶谏瓒ㄆ德实慕榈缙灯子晌露纫鸬奈蟛�。
全文摘要
本发明公开了一种水中沉积物检测系统及方法，涉及水质检测技术领域。该系统包括阻抗频谱测量�？椋啥喔銎叫星壹涓舴胖玫募し搴徒邮瞻骞钩桑し逵虢邮瞻宓淖苁课际恍藕欧⑸？椋爰し逑嗔糜谏缮瓒ㄆ德实募だ藕挪⒎⑺椭良し迳希皇莶杉？椋虢邮瞻逑嗔糜诘奔だ藕欧⑺椭良し迨保杉邮瞻迳喜南煊π藕牛云浣心Ｊ缓螅玫绞中藕欧⑺椭链砟？椋淮砟？椋胧莶杉？橄嗔糜诟菔中藕牛崛〖だ藕诺南辔惶匦裕治龃馑逶谏瓒ㄆ德实乃ゼ跸凳扑愕玫剿谐粱锏闹柿�。本发明的系统及方法可实时、精确地测定水中沉积物的水中沉积物。
文档编号G01N27/02GK102262106SQ20111010862
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者孙刚, 董大明, 赵春江, 赵贤德, 邢振, 邱权, 郑文刚, 鲍锋 申请人:北京农业信息技术研究中心
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