滲透流速熒光監(jiān)測儀的設計與實現(xiàn)

陳俊華 黃悅?cè)A 孟永東

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

0 引言

巖土邊坡失穩(wěn)是地表常見的地質(zhì)災害，地質(zhì)滑坡災害不僅嚴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步作出了較大貢獻，但在測量方面卻各有不足。

本文基于稀釋法理論，應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?；趩慰紫♂屧韺鹘y(tǒng)的單孔稀釋法做出了相應改進：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)的單孔稀釋法基礎上進行改進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電機旋轉(zhuǎn)角度對微攝像系統(tǒng)框架定量旋轉(zhuǎn)進行控制，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)絡進行實時高效的遠程監(jiān)控，并及時地將測量數(shù)據(jù)傳輸給后臺服務器，后臺服務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)的遠程采集。

圖1 熒光檢測探頭

3 各功能模塊電路設計

3.1 熒光檢測探頭設計

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，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，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。

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

（1）反應式步進電機：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）混合式步進電機：兼具反應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電機。

本設計應用在鉆孔水下監(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。該模塊應用LJ-DSC03系列串口攝像頭硬件，應用中心處理單元對圖像傳感器捕捉來的光信號進行處理，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計

熒光劑定量投放裝置的設計目的是實現(xiàn)坡體鉆孔內(nèi)溶液的定量精準投放，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，也可使用步進電機，通過步進電機，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)絡技術(shù)，實現(xiàn)SIM900A和互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)流通，與遠程服務器進行通信，進一步將熒光監(jiān)測系統(tǒng)所測得的地下水滲透流速數(shù)據(jù)實時傳送到遠程客戶端。具體實施方法如圖4所示。

圖4 遠程控制數(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)采集模塊進行了分析設計。該儀器具有以下特點：

（1）根據(jù)工程實際設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)化的光電信號進行優(yōu)化，從而很好地對地下水流速進行分析；

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

［參考文獻］

[1]劉才華，陳從新，馮夏庭，等.地下水對庫岸邊坡穩(wěn)定性的影響[J].巖土力學，2005，26（3）：419-422.

[2]林統(tǒng)，陳建生，陳亮.基于質(zhì)量守恒的示蹤測速模型及實證[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38（6）：19-23.

[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，2015.

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

[5]古志堅.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學，2013.

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