OBS型測沙儀原理及校準

一.測量原理.............................................................................2

二.儀器結(jié)構(gòu).............................................................................2

三.測量方式.............................................................................2

四.校準..................................................................................3

五影響OBS反射特性的因素................................................................7

廣州南方測繪儀器有限公司

2010

一.測量原理

OBS濁度計的核心是一個紅外光學(xué)傳感器。光線在水體中傳輸，由于介質(zhì)作用會發(fā)生

吸收和散射，根據(jù)散射信號接收角度的不同可分為透射，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。).從理論上講監(jiān)測任一角度的紅外

光線散射量均可測量濁度，見下圖。

因1光學(xué)散射示意圖

Fig.1Opticalparticledetectors

AquaLogger210的監(jiān)測散射角為15。~150。之間的紅外光散射信號，此間散射信號穩(wěn)定。之

所以選擇紅外光線是因為紅外輻射在水體中衰減率較高，太陽中的紅外部分完全被水體所衰減，

這樣OBS發(fā)射光束不會受到強干擾。第一，散射率隨散射角度增大而減小；第二，在后向散射范

圍內(nèi)散射率比較穩(wěn)定；第三，在后向散射接收范圍內(nèi)無機物質(zhì)的散射強度明顯大于氣泡和有機

物質(zhì)。

二.儀器結(jié)構(gòu)

Aqualogger濁度計為英國Aquatec公司的產(chǎn)品，它由傳感器、電子單元、接口部分和電源部

分組成。

紅外傳感器由一個高效紅外發(fā)射二極管，四個光敏接收管和一個線性固態(tài)溫度傳感器組成。

紅外發(fā)射二極管在驅(qū)動器作用下發(fā)射一個與軸平面成50°與發(fā)射面成30°的圓錐體光束。紅外

光束遇到懸浮顆粒后發(fā)生散射，紅外接收管接收15。-15(1°之間的散射信號，在空氣中先敏接

收管的有效接收范圍在80cin,但在離接收面30cm范圍內(nèi)較為敏感，在水體中光敏接收管的有效

接收范圍為25cm.接收范圍設(shè)計確定后所有上述元件由環(huán)氧樹脂固定。

紅外光敏接收二極管接收到散射信號送至A/D轉(zhuǎn)接器，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。然后由

計算機對轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號進行采集，按照0RS濁度計的測量要求進行處理，處理好的數(shù)據(jù)通過

RS-232串口與操作計算機進行通訊聯(lián)系。

三.測量方式

Aqualogger210濁度計有兩種工作模式，在實時測量(Survey)工作模式,AUALOGGER210將

測量的數(shù)據(jù)傳輸計算機顯示；在自容記錄(Log)模式中，Aqualogger210將測量的數(shù)據(jù)存入濁度

計的內(nèi)存中。詳見操作手冊。

四.校準

OBS測量得到的數(shù)值是水體懸浮顆粒的濁度值，這種濁度值校準在儀器出廠時已經(jīng)過

嚴格的校正。他通常是用4000FTU的濁度校準液，通過稀釋而得到不同的濁度校準。

由于OBS測得到數(shù)據(jù)是一個濁度值，需要經(jīng)過泥沙校準才能得到水體泥沙實際濃度

值。泥沙校準可分為現(xiàn)場泥沙標定和室內(nèi)泥沙標定兩種方法。

■現(xiàn)場泥沙標定

通過測量時與OBS同步采水樣，然后測定現(xiàn)場采集水的含沙濃度，再對OBS濁度進行標

定，通常采取垂線測量取樣的方法，即將OBS放入不同水深的水體中，用實時觀測方法

測量，每一層保持20~30秒時間；在同一水深，采集水樣，稱重可得到一組相應(yīng)泥沙的實

際值，然后用回歸法對所測得到濁度值進行標定。

最好在一個潮周期內(nèi)作兩次采樣標定，因為漲急和轉(zhuǎn)流時泥沙顆粒組成和濃度有很

大差異，而粒徑對OBS濁度值測量影響較大。

■室內(nèi)標定

在現(xiàn)場采集泥沙，經(jīng)室內(nèi)烘干，用天平稱重。在標定槽中放入OBS濁度計，先放一定

容積的蒸餡水，此時濁度，泥沙值均為0,然后再逐漸投入烘干的泥樣，每次按總量的

5%~10%投入，這樣可以得到10?20組不同泥沙含量和濁度對應(yīng)值。然后再用回歸法

來相關(guān)，得到泥沙校準的目的。

泥沙樣本準備是校準工作的一個非常關(guān)鍵的工作。通常使用干泥沙是比較方便的方

法，因為干泥沙比較容易精確稱重，但這僅對純沙質(zhì)徉本是合適的。由于烘干及分解樣

本時會產(chǎn)生新的粒徑顆粒，從而使樣本屬性與野外實際產(chǎn)生差別。比如在港口地區(qū)，由

于水流緩慢，泥沙容易凝結(jié)，與微生物結(jié)合變的就有黏性，顆粒聚集成絮狀物，這樣在

實險室里分離分解樣本，就會改變原有的粒徑，從而改變OBS反射特性。所以現(xiàn)場校準

方式在實際中應(yīng)用較多。

60

Figure25Effectsofdisaggregation

含沙量可采用泥沙干重除以樣本總重（ppm單位）或除以樣本容積（mg/1單位）的計算

方法。

回歸計算

用excel表畫出含沙量和0BS信號（電壓值）或與濁度值的曲線，計算回歸系數(shù)，利用此

公式計算obs值到含沙量轉(zhuǎn)換。以下Figure26為例

2500

2000

1500

1000

500

0

Figure26Scdinwircalibrahon^raph

如下數(shù)據(jù):

濁度FTU含沙量

77529.5639

77629,60205

77729.6402

77829.67834

77729.6402

用Excel圖標工具建立分布圖標

校準

利用趨勢分析計算回歸參數(shù)

校準

29.7

29.68

29.66

mH29.64

公29.62

和29.6

29.58

29.56

29.54

774775776777778779

濁度FTU

五影響OBS反射特性的因素

泥沙粒徑

自然河流、海洋水中懸浮沙粒徑一般為0.2-500微米，光散射原理表明，在其他條件（形

狀、顏色等）不變的情況下，光射路徑上懸浮物面積決定了反射強度。

1克10微米粒徑樣本的球面面積是1克100微米粒徑樣本的10倍，反射強度大約是100微米

樣本的10倍。試臉證明了這樣的關(guān)系。圖28顯示了不同水質(zhì)下，反射強度與含沙量的關(guān)

系。所以在實際測量中，應(yīng)考慮現(xiàn)場水樣與實驗室內(nèi)粒徑變化的因素。

10000

1OO10100100010000100000

SedimentConcentration(mg/l)

Figure2SResponsetosmid,silrandclay

泥沙比例的影響

如前所述，反射信號強度跟粒徑大小成反比關(guān)系，見圖29,這樣在泥沙粒徑隨時間變化

的水域測量就產(chǎn)生一定的困難。例如在經(jīng)歷臺風(fēng)時，水中的泥和沙的比例會在不同時間

發(fā)生變化。這樣校準過的0BS僅對校準期間的泥沙比例的水質(zhì)是有效的。沒有好的辦法

來解決這個難題。能做的是通過在取不同時期的大量水樣進行校準。所以在泥沙狀況變

換較大的區(qū)域，不要僅僅以來0BS測沙這一種測量方法。

.8

e

6

/

>

￡

s

.46

O6.

0.2

050100150200250

GrainDiameter(microns)

Figure29Effectsofparticlesize

高泥沙含量測量

在泥沙含量很高的時候，特別是懸浮較多泥和粘土?xí)r，信號吸收衰減比較嚴重，反射信

號會隨泥沙含量的增加而降低。對于泥質(zhì)水域來講，當(dāng)含沙量超過5000mg/l的時候，就

會出現(xiàn)這種情況。如figue30所示，當(dāng)超過4g/l時，輸出信號會隨含沙量增加而降低。

所以建議不要超出該測量量程，除非對該超出量程做了校準。

5

4

(

3

>

一

U第

9

S2

0

0510

SedimentConcentration(g/l)

Figure30Responseathighsedimenrconcentrarions

泥沙顏色的影響

泥沙顏色是另外一個重要影響因素，顏色改變時，將會降低測量精度。盡管OBS傳感器

對顏色不敏感，OBS傳感器的反射和顏色已經(jīng)進行了相關(guān)改正。但方解石物質(zhì)如是石灰

石、大理石和白堊等就有更強的反射性能，造成OBS反射信號偏強，而有些物質(zhì)如磁鐵

礦物質(zhì)會造成反射偏弱。見圖3.1.

在泥沙顏色隨時間變化的區(qū)域來講，單一的校準曲線也許不能勝任，誤差會根據(jù)顏色物

質(zhì)的濃度而變化。

.O

6

①.8

。.6

u

e.24

t①;6

-

①J

u

p

①

e一O.

-6

J

U

-

0.0

0246810

MunsellValue(Black=0)

Figure31EffectsofMunsellWhiteness"onIRreflectance.

WaterColor水色

有些用戶比較擔(dān)心水體顏色（是溶解物質(zhì)顏色，不是前面泥沙懸浮顏色）對測量值的影

響。實際上這方便的影響是比較小的，除非這些溶解物濃度較高，并且能吸收紅外1R

波長光的情況下有一定影響。但在自然界的河流、海洋、湖泊等自然水中，這些溶解物

的濃度是非常小的。

Bubbles氣泡

盡管氣泡對紅外光的散射能力較強，但大量野外測量結(jié)果表明，自然環(huán)境中的氣泡對測

量影響較小。盡管氣泡和石英顆粒就有類似的反射特性，但氣泡的含量在自然界比泥沙

含量低2個數(shù)量級。在多數(shù)情況下，泥沙含量決定了反射量，而氣泡的影響微乎其微。

OBS接收反射角度15T50度范圍內(nèi)信號，該反射角度內(nèi)，反射輕度是不變常數(shù)。

OBS傳感器主要受礦物質(zhì)顆粒的影響，氣泡和有機生物的影響較小，可以被忽略。但有

幾種情況是例外，如浮游生物繁殖率高但泥沙含量很低的河流，反射主栗受浮游生物影

響。在船舶航行產(chǎn)生的氣泡區(qū)及消息沖刷區(qū)，由于氣泡含量較高，對反射影響