1.OBS浊度计

OBS浊度计的核心是一个红外光学传感器(图8.8)。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。散射浊度计主要是监测散射角为140°～160°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。

图8.8　OBS-3A浊度计

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呈50°，与发射面呈30°的圆锥体光束。红外光束遇到悬浮颗粒后发生散射，红外接收管接收140°～160°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AD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信联系，操作计算机中安装了OBS-3A的操作软件，主要用于设置和控制OBS3A的运行方式并进行数据结果处理。仪器由12V直流供电，仪器内部装有4节1号高能碱性电池，供自容式采样使用。仪器的传感器和IO端口安装在仪器的一端，而电池和电路板装在圆柱形腔体内(图8.9和图8.10)。

由于OBS测得的数据是一个浊度值，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。现场泥沙标定是通过测量时与OBS同步采水样，然后测定现场水样的含沙浓度，再对OBS浊度进行标定，通常采用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，时间间隔设置为1s，每一层保持20～30s；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的组成和浓度有很大差异，而粒径对OBS浊度值测量影响较大。另一种方法是室内标定，即在现场采集泥沙，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5%～10%投入，这样可以得到10～20组不同泥沙含量和浊度的对应值。然后再用回归法来相关，从而实现泥沙校准的目的。

图8.9　光学散射示意图

图8.10　OBS-3A浊度计原理框图

2.激光测沙仪(LISST)

Mie氏激光散射理论指出:照射在颗粒上的校直激光束，其大部分能量被散射到特定的角度上。颗粒越小，散射角越大；颗粒越大，散射角越小。激光测沙仪就是根据这一原理设计的，测沙仪将不同角度上的散射能量记录下来，通过数学计算转换成颗粒粒径级配、含沙量和平均粒径。吸收率和体积散射函数是光学固有的两个特性，这充分表现在光是如何在水中传播的过程中。吸收率目前可以按常规方法测得，但是由于技术难度大，体积散射函数很难测量。尽管如此，美国Se-quoia科学仪器公司研制的激光现场散射和透射仪(LISST)还是能测量0.1b～20b散射角范围内的体积散射函数。它是激光测沙仪的关键技术，也是该公司的专利技术，如图8.11所示。该角度范围的体积散射函数(VSF)测量很重要，因为它可以用来预测点扩散函数，从而得到水下目标的外形。借助图8.12可以定义体积散射函数。

图8.11　激光测沙仪(LISST)

图8.12　定义体积散射函数的几何条件

对数性激光测沙仪是利用二极管激光器发出的校直光束照射颗粒进行工作的(图8.13(a))。激光被颗粒散射的能量可以在接收透镜的聚焦平面上测到。聚焦平面上安装一个由32个对数间距的光敏圆环组成的特殊探测器(图8.13(b))。每个圆环测量一个特定的小角度范围的散射。为了便于求解颗粒粒径级配与方程式，应使圆环半径减小，使相邻两个圆环半径之比为常数。圆环探测器中心有一个孔，孔的背后有光电二极管，用来测定光的透射能量τ(图8.13(c))。τ可用来校正来自光表面的背景散射。

图8.13　激光测沙仪组成及工作原理

图8.14表示激光测沙仪是如何测量VSF的。探测器的每个圆环用来采集散射到一个特定的立体角ΔΩ内的光线。ΔΩ是由窄范围散射角所确定的。应予指出，探测器的每个圆环所采集的是被散射到一个给定范围内的光线，与沿入射光束的散射位置无关。

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图8.14　用激光测沙仪测量VSF

激光束照射到颗粒后，大部分能量以不同的角度散射，颗粒越小散射角越大，反之亦然。激光测沙仪的探测器将不同角度上的散射能量记录下来，通过数学计算转换成为粒径级配和水中的颗粒浓度(含沙量)。通过特殊方法的加权计算，可以从散射记录得出颗粒总面积浓度和总体积浓度，体积浓度与面积浓度之比就可以得出平均粒径。

3.Mastersizer 3000激光粒度分析仪

(1)工作原理

激光衍射法又称小角度激光光散射法，应用了完全的Mie氏散射理论，颗粒在激光束的照射下，其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，而散射光强随角度的增加呈对数规律衰减。Mastersizer 3000激光粒度分析仪的工作原理如图8.15所示。

图8.15　激光衍射粒度仪的工作原理图

1.激光器；2.滤光镜；3.透镜；4.背散射光检测器；5.大角检测器；6.前倾角检测器；7.焦平面；8.遮光度检测器

由He-Ne激光器发射出的一束一定波长的激光，该光束通过滤镜后成为单一的平行光束，照射到颗粒样品后发生散射现象。散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，散射光经傅里叶或反傅里叶透镜后成像在排列有多个检测器的焦平面上，散射光的能量分布与颗粒直径的分布直接相关，通过接受和测量散射光的能量分布就可以得出颗粒的粒度分布特征。

在单色平行激光照射单个粒子时，接收器上的衍射光强分布为:

其中，I0为入射光强度，f为接收透镜的焦距，λ为德布罗意波长，X＝πDsin(θ/λ)，θ为衍射方位角，J1为一阶Bessel函数。在实际情况下，测量区往往有多个粒子，当测量区中粒子直径均为D，数量为N时，可以证明所有这些颗粒所产生的总衍射光将是单个颗粒衍射光能的N倍。进一步推论可得:当所测泥沙样本是由许许多多大小不同的颗粒所组成的颗粒群时，该颗粒群所产生的总衍射光能将是每种颗粒所产生的衍射光能的总和。继而通过特殊的方法加权计算，可从散射的光能推算出泥沙颗粒的粒径分布(蔡小舒，2010)。

(2)仪器主要性能

①高能量高稳定性的激光光源。采用He-Ne激光器发射激光，波长为633nm，该光源具有极高的稳定性和良好的抗震性和低的背景噪音。由于散射光强与光波的4次方的倒数呈正比，所以颗粒对于633nm波长的散射光能量是普通固体激光器(波长大于700nm)的2倍，提高了小颗粒散射信号的强度。

②宽广的测量范围。测量物质范围为0.02～2000mL。重现率优于0.5%，准确率则优于1%。

③高速的数据采集分析、高度的智能化操作。Mastersizer的数据采集速率高达1000次/秒，可在15s内完成一个样品的测量，Mastersizer 3000实现了仪器操作的完全智能化，通过点击鼠标在30s内完成从光路校正、背景扣除、数据采集到数据处理、报告生成等全部操作，如图8.16所示。

④灵活多样的附件和配置。高质量粒度测量的关键在于能够向光学仪器提供偏差最小、浓度适宜且完全分散的样品，有效的样品分散是实现最佳测量的关键。Mastersizer 3000用户可以从一系列具有湿法和干法两种测量模式的样品分散装置中，选择完全满足测量需要的装置。

图8.16　Mastersizer 3000