浅述压电效应在泥沙监测中的应用

董梦宁

摘 要：利用压电效用原理，制作出由压电陶瓷感应片、水平支架、温度传感器、尾翼、悬吊杆、数据连接线和数据接收处理器组成的河水悬移质泥沙监测仪，实时监测到河流任意点因受水的总压力而产生的电压差，该电压差除以压电陶瓷片迎水面水平投影面乘以换算系数就是该点的水压强，一起将含沙量和水密度定义公式代入伯努利方程，求解出基于该监测点水压力电压差的含沙量的计算公式，公式中的计算参数事先进行率定并输入到数据接收处理器内，通过有关数据处理、解算的程序，当泥沙监测仪在接收到水中任一监测点水压产生的电压差后，实时显示出该点的含沙量，便可实现河流悬移质泥沙在线实时监测。

关键词：压电效应；泥沙监测；应用

中图分類号：TM201 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）05-0086-02

黄河是世界闻名的一条多泥沙河流，泥沙测验任务很重，但黄河泥沙测验一直采用横式采样器野外采样，水样须在试验室沉淀24小时后，经过水样浓缩、处理，用置换法、过滤法或烘干法计算出河水中悬移质泥沙的含量。这样测验不仅劳动强度大，危险性高，数据获知时间长，不能实现实时在线监测，不利于数据即时显示、传输、保存等。

看到父辈们如此辛苦，泥沙测验手段如此落后，在学习到某些介质具有压电效应后，萌生了利用压电效应直接测量出河流任意监测点的浑水压力解算出该点的含沙量，从而实现河流悬移质泥沙在线实时监测的想法。

1 压电效应测沙的基本原理

1.1 压电效应原理

压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，即产生电压差。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。

并且，这些介质产生的电压差与外力大小成正比，即所受外力越大，产生的电压差就越大，反之，越小。

利用正压电效应可直接测量出流体（水流）中某一点的电压差，进而换算出该点的压力（压强）。

1.2 水流压力特点分析

在河道水流中，如果悬移质泥沙含量为零，则：水流中某一点的压力为清水静水压力与动水（水流冲击）压力之和；如果悬移质泥沙含量不为零，则：水流中某一点的压力为浑水静水压力与动水压力之和；在同一水深（河流中某点到水面的垂直距离）和同一流速情况下，浑水产生的压力减去相应清水产生的压力之差，就是悬移质泥沙产生的压力。

在测量出河流中某点的悬移质泥沙产生的压力后，便可解算出此点河水的含沙量，这就是利用压电效应实现河流悬移质泥沙监测的基本原理。

由此可知，河流中某点的悬移质泥沙含量监测问题就转化为该点的悬移质泥沙产生的压力测量和解算问题，下面就这两个关键问题进行重点论述。

2 悬移质泥沙压力的测量

为了准确及时地测量河流某一点悬移质泥沙产生的压力，就事先设计出一台压力监测仪来实现，且把该仪器暂称为压电式泥沙监测仪。

2.1 压电式泥沙监测仪构造

压电式泥沙监测仪由以下部分：压电陶瓷感应片、水平支架、温度传感器、尾翼、悬吊杆、数据连接线和数据接收处理器组成。

2.2 各构成部分功能及选材

压电陶瓷感应片：采用压电晶体薄片制做，为了不扰动水流原有状态，避免影响监测数据的变异，特加工成凸形，垂直安装（凸面迎水）在水平支架的迎水面，直径与水平支架直径一致，在受到水流压力时，会产生电压差，且随水压力增大而电压差增大，利用这一特性，监测到某一时刻，在河流某一位置点的水流的压力，在已知该点水深（离水面垂直距离）、流速和水温的（由温度传感器获知）情况下，便可求出该点的悬移质泥沙产生的压力。

水平支架：水平支架选用圆形不锈钢，后边安装尾翼，与水流流向平行（顺流），迎水面的顶部安装压电陶瓷感应片，以实时感应水流压力而转换成电压差反馈到数据接收处理器。

温度传感器：用于实时测量水温，采用市场定型产品。

尾翼：安装在水平支架尾部，选用不锈钢板制作（做成鱼尾状），确保仪器的水平支架顺流方向，即保持压电陶瓷感应片始终与水流垂直。

悬吊杆：采用不锈钢制作，确保与水平支架垂直，用于仪器悬吊在河道监测断面的任意所需位置。

数据接收处理器：采用单片机制作，将实时接收到的压电陶瓷感应片传来的电压差和水温，通过事先编制的计算软件，实时解算、显示和输出、保存有关数据。

3 悬移质泥沙含量的解算

3.1 理论推导

在河流监测断面任意点处，其水深（距离水面的垂直距离）h，单位：m；流速ν，单位：m/s；水温T，单位：℃；清水密度用ρw表示，河流浑水密度用ρws表示，泥沙的密度用ρs表示，单位均是：Kg/m3；此点的水压力除以压电陶瓷感应片迎水平正投影面积后就是压强，用P表示，单位：N/m2；重力加速度用g表示，单位：m/s2，含沙量用Cs，单位：Kg/m3。压电陶瓷感应片在该点，所受总压力（F）为河流浑水静压力和动水之和，即：

设压电陶瓷片受压面积为A，那么压力陶瓷片所受压强为： （1）

由于压电陶瓷感应片一旦加工安装到位后，其受压面积就确定了下来，即A为常数。因此，根据压电效应原理：仪器所测得电压差U与P成单一线性关系，即P是U的函数。

假设：

P=aU （2）

其中，a为换算系数，单位是：N/m2.ν。

根据伯努利方程原理：

（3）

又：根据河水含沙量和水的密度定义：

（4）

合并公式（2）、（3）和（4）并整理得：

（5）

其中： （6）

就是置换法泥沙处理中的置换系数，可根据监测点的河水温度和泥沙密度查得[1]。

令 （7）

则 （8）

在监测点，测量取得水深h、流速ν、水溫T的情况下，并依据水温查得相应清水密度ρw，及根据监测河流断面所在海拔高度和所处纬度查得重力加速度g后，代入公式便求得河水某一监测点处河水的含沙量。

3.2 参数标定和设置

在以上推导出的含沙量计算公中，监测点的水深、流速可以实时测得；清水密度ρw，可以根据实测河水温度在不同温度下的清水密度表中查得；重力加速度，可以根据监测点所在河流监测断面的海拔（Km）、经纬度（度）查得，对于固定的河流监测断面来说，重力加速度是常数。

监测点的水压力电压差，由压电陶瓷片感应并反馈到数据接收处理中获知。

式中ψ可以事先进行率定，率定方法如下。

将压电式泥沙监测仪放在能够设定和控制水流速度、水温的清水即（即：Cs=0）的水利试验槽中，测量压电陶瓷片中心轴线到水面的垂直距离和电压差，测定流速，即压电陶瓷片中心水流的速度已知，测量水温T（用于查得ρw），并这些数据一一记录下来。代入公式（8）求出ψ值（即：ψ是h和ν的函数），并制作出不同温度下的ψ～h～ν查算表，并将此表和不同温度下水密度查算表提前输入到压电式泥沙监测仪数据接收处理器中，以备计算调用。

3.3 含沙量的监测

在野外进行河流悬移质泥沙监测时，将压电式泥沙监测仪垂直悬吊到河流监测断面的某一监测点，开启测量模式，压电陶瓷片在水压力下产生电压差并反馈到仪器数据接收处理中，处理器通过事先设置的解算程序和ψ～h～ν查算表，直接显示该点的含沙量，并可进行储存、查询、何传输。

4 压电效应泥沙测验的优点

利用压电效应，通过测量河水中任意点的压电差推求该点含沙量的方法，其优点在于：仪器结构简单，操作方便，直接测得监测断面某一点流体总压力（压强），不受水流条件和泥沙粒度影响，量程大，测量数据准确，便于实现河流悬移质泥沙在线实时监测，利于实现河流悬移质泥沙测验的数字化和自动化。

压电式泥沙监测仪能将溶解于水中泥沙微量部分也能精确地监测出来，使得泥沙监测数据更加精确，泥沙监测技术更加先进。

5 结语

基于压电效应原理的泥沙监测技术，从理上论证是可行的，从现实生产看上是必要的。这一技术在提高泥沙监测效率、改善劳动条件，提升水文测报水平等方面具有极其重要的意义，值得推广和利用。在撰写此文过程中，得到了毕鹏、王姗姗、董学阳等老师的无私教诲和热心指导，在此特别表示感谢！

参考文献

[1]GB/T 50159-2015河流悬移质泥沙测验规范[S].25-26.