淺述壓電效應(yīng)在泥沙監(jiān)測中的應(yīng)用

董夢寧

摘 要：利用壓電效用原理，制作出由壓電陶瓷感應(yīng)片、水平支架、溫度傳感器、尾翼、懸吊桿、數(shù)據(jù)連接線和數(shù)據(jù)接收處理器組成的河水懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測儀，實時監(jiān)測到河流任意點因受水的總壓力而產(chǎn)生的電壓差，該電壓差除以壓電陶瓷片迎水面水平投影面乘以換算系數(shù)就是該點的水壓強，一起將含沙量和水密度定義公式代入伯努利方程，求解出基于該監(jiān)測點水壓力電壓差的含沙量的計算公式，公式中的計算參數(shù)事先進行率定并輸入到數(shù)據(jù)接收處理器內(nèi)，通過有關(guān)數(shù)據(jù)處理、解算的程序，當泥沙監(jiān)測儀在接收到水中任一監(jiān)測點水壓產(chǎn)生的電壓差后，實時顯示出該點的含沙量，便可實現(xiàn)河流懸移質(zhì)泥沙在線實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：壓電效應(yīng)；泥沙監(jiān)測；應(yīng)用

中圖分類號：TM201 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）05-0086-02

黃河是世界聞名的一條多泥沙河流，泥沙測驗任務(wù)很重，但黃河泥沙測驗一直采用橫式采樣器野外采樣，水樣須在試驗室沉淀24小時后，經(jīng)過水樣濃縮、處理，用置換法、過濾法或烘干法計算出河水中懸移質(zhì)泥沙的含量。這樣測驗不僅勞動強度大，危險性高，數(shù)據(jù)獲知時間長，不能實現(xiàn)實時在線監(jiān)測，不利于數(shù)據(jù)即時顯示、傳輸、保存等。

看到父輩們?nèi)绱诵量啵嗌硿y驗手段如此落后，在學(xué)習(xí)到某些介質(zhì)具有壓電效應(yīng)后，萌生了利用壓電效應(yīng)直接測量出河流任意監(jiān)測點的渾水壓力解算出該點的含沙量，從而實現(xiàn)河流懸移質(zhì)泥沙在線實時監(jiān)測的想法。

1 壓電效應(yīng)測沙的基本原理

1.1 壓電效應(yīng)原理

壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷，即產(chǎn)生電壓差。當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

并且，這些介質(zhì)產(chǎn)生的電壓差與外力大小成正比，即所受外力越大，產(chǎn)生的電壓差就越大，反之，越小。

利用正壓電效應(yīng)可直接測量出流體（水流）中某一點的電壓差，進而換算出該點的壓力（壓強）。

1.2 水流壓力特點分析

在河道水流中，如果懸移質(zhì)泥沙含量為零，則：水流中某一點的壓力為清水靜水壓力與動水（水流沖擊）壓力之和；如果懸移質(zhì)泥沙含量不為零，則：水流中某一點的壓力為渾水靜水壓力與動水壓力之和；在同一水深（河流中某點到水面的垂直距離）和同一流速情況下，渾水產(chǎn)生的壓力減去相應(yīng)清水產(chǎn)生的壓力之差，就是懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)生的壓力。

在測量出河流中某點的懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)生的壓力后，便可解算出此點河水的含沙量，這就是利用壓電效應(yīng)實現(xiàn)河流懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測的基本原理。

由此可知，河流中某點的懸移質(zhì)泥沙含量監(jiān)測問題就轉(zhuǎn)化為該點的懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)生的壓力測量和解算問題，下面就這兩個關(guān)鍵問題進行重點論述。

2 懸移質(zhì)泥沙壓力的測量

為了準確及時地測量河流某一點懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)生的壓力，就事先設(shè)計出一臺壓力監(jiān)測儀來實現(xiàn)，且把該儀器暫稱為壓電式泥沙監(jiān)測儀。

2.1 壓電式泥沙監(jiān)測儀構(gòu)造

壓電式泥沙監(jiān)測儀由以下部分：壓電陶瓷感應(yīng)片、水平支架、溫度傳感器、尾翼、懸吊桿、數(shù)據(jù)連接線和數(shù)據(jù)接收處理器組成。

2.2 各構(gòu)成部分功能及選材

壓電陶瓷感應(yīng)片：采用壓電晶體薄片制做，為了不擾動水流原有狀態(tài)，避免影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的變異，特加工成凸形，垂直安裝（凸面迎水）在水平支架的迎水面，直徑與水平支架直徑一致，在受到水流壓力時，會產(chǎn)生電壓差，且隨水壓力增大而電壓差增大，利用這一特性，監(jiān)測到某一時刻，在河流某一位置點的水流的壓力，在已知該點水深（離水面垂直距離）、流速和水溫的（由溫度傳感器獲知）情況下，便可求出該點的懸移質(zhì)泥沙產(chǎn)生的壓力。

水平支架：水平支架選用圓形不銹鋼，后邊安裝尾翼，與水流流向平行（順流），迎水面的頂部安裝壓電陶瓷感應(yīng)片，以實時感應(yīng)水流壓力而轉(zhuǎn)換成電壓差反饋到數(shù)據(jù)接收處理器。

溫度傳感器：用于實時測量水溫，采用市場定型產(chǎn)品。

尾翼：安裝在水平支架尾部，選用不銹鋼板制作（做成魚尾狀），確保儀器的水平支架順流方向，即保持壓電陶瓷感應(yīng)片始終與水流垂直。

懸吊桿：采用不銹鋼制作，確保與水平支架垂直，用于儀器懸吊在河道監(jiān)測斷面的任意所需位置。

數(shù)據(jù)接收處理器：采用單片機制作，將實時接收到的壓電陶瓷感應(yīng)片傳來的電壓差和水溫，通過事先編制的計算軟件，實時解算、顯示和輸出、保存有關(guān)數(shù)據(jù)。

3 懸移質(zhì)泥沙含量的解算

3.1 理論推導(dǎo)

在河流監(jiān)測斷面任意點處，其水深（距離水面的垂直距離）h，單位：m；流速ν，單位：m/s；水溫T，單位：℃；清水密度用ρw表示，河流渾水密度用ρws表示，泥沙的密度用ρs表示，單位均是：Kg/m3；此點的水壓力除以壓電陶瓷感應(yīng)片迎水平正投影面積后就是壓強，用P表示，單位：N/m2；重力加速度用g表示，單位：m/s2，含沙量用Cs，單位：Kg/m3。壓電陶瓷感應(yīng)片在該點，所受總壓力（F）為河流渾水靜壓力和動水之和，即：

設(shè)壓電陶瓷片受壓面積為A，那么壓力陶瓷片所受壓強為： （1）

由于壓電陶瓷感應(yīng)片一旦加工安裝到位后，其受壓面積就確定了下來，即A為常數(shù)。因此，根據(jù)壓電效應(yīng)原理：儀器所測得電壓差U與P成單一線性關(guān)系，即P是U的函數(shù)。

假設(shè)：

P=aU （2）

其中，a為換算系數(shù)，單位是：N/m2.ν。

根據(jù)伯努利方程原理：

（3）

又：根據(jù)河水含沙量和水的密度定義：

（4）

合并公式（2）、（3）和（4）并整理得：

（5）

其中： （6）

就是置換法泥沙處理中的置換系數(shù)，可根據(jù)監(jiān)測點的河水溫度和泥沙密度查得[1]。

令 （7）

則 （8）

在監(jiān)測點，測量取得水深h、流速ν、水溫T的情況下，并依據(jù)水溫查得相應(yīng)清水密度ρw，及根據(jù)監(jiān)測河流斷面所在海拔高度和所處緯度查得重力加速度g后，代入公式便求得河水某一監(jiān)測點處河水的含沙量。

3.2 參數(shù)標定和設(shè)置

在以上推導(dǎo)出的含沙量計算公中，監(jiān)測點的水深、流速可以實時測得；清水密度ρw，可以根據(jù)實測河水溫度在不同溫度下的清水密度表中查得；重力加速度，可以根據(jù)監(jiān)測點所在河流監(jiān)測斷面的海拔（Km）、經(jīng)緯度（度）查得，對于固定的河流監(jiān)測斷面來說，重力加速度是常數(shù)。

監(jiān)測點的水壓力電壓差，由壓電陶瓷片感應(yīng)并反饋到數(shù)據(jù)接收處理中獲知。

式中ψ可以事先進行率定，率定方法如下。

將壓電式泥沙監(jiān)測儀放在能夠設(shè)定和控制水流速度、水溫的清水即（即：Cs=0）的水利試驗槽中，測量壓電陶瓷片中心軸線到水面的垂直距離和電壓差，測定流速，即壓電陶瓷片中心水流的速度已知，測量水溫T（用于查得ρw），并這些數(shù)據(jù)一一記錄下來。代入公式（8）求出ψ值（即：ψ是h和ν的函數(shù)），并制作出不同溫度下的ψ～h～ν查算表，并將此表和不同溫度下水密度查算表提前輸入到壓電式泥沙監(jiān)測儀數(shù)據(jù)接收處理器中，以備計算調(diào)用。

3.3 含沙量的監(jiān)測

在野外進行河流懸移質(zhì)泥沙監(jiān)測時，將壓電式泥沙監(jiān)測儀垂直懸吊到河流監(jiān)測斷面的某一監(jiān)測點，開啟測量模式，壓電陶瓷片在水壓力下產(chǎn)生電壓差并反饋到儀器數(shù)據(jù)接收處理中，處理器通過事先設(shè)置的解算程序和ψ～h～ν查算表，直接顯示該點的含沙量，并可進行儲存、查詢、何傳輸。

4 壓電效應(yīng)泥沙測驗的優(yōu)點

利用壓電效應(yīng)，通過測量河水中任意點的壓電差推求該點含沙量的方法，其優(yōu)點在于：儀器結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，直接測得監(jiān)測斷面某一點流體總壓力（壓強），不受水流條件和泥沙粒度影響，量程大，測量數(shù)據(jù)準確，便于實現(xiàn)河流懸移質(zhì)泥沙在線實時監(jiān)測，利于實現(xiàn)河流懸移質(zhì)泥沙測驗的數(shù)字化和自動化。

壓電式泥沙監(jiān)測儀能將溶解于水中泥沙微量部分也能精確地監(jiān)測出來，使得泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精確，泥沙監(jiān)測技術(shù)更加先進。

5 結(jié)語

基于壓電效應(yīng)原理的泥沙監(jiān)測技術(shù)，從理上論證是可行的，從現(xiàn)實生產(chǎn)看上是必要的。這一技術(shù)在提高泥沙監(jiān)測效率、改善勞動條件，提升水文測報水平等方面具有極其重要的意義，值得推廣和利用。在撰寫此文過程中，得到了畢鵬、王姍姍、董學(xué)陽等老師的無私教誨和熱心指導(dǎo)，在此特別表示感謝！

參考文獻

[1]GB/T 50159-2015河流懸移質(zhì)泥沙測驗規(guī)范[S].25-26.