一种监测旱涝灾情与水质的传感装置及其使用方法

摘要

本发明公开了一种监测旱涝灾情与水质的传感装置及其使用方法，本发明采用的干湿度传感器洪涝时不工作，干旱时测试不同深度土壤的含水量；采用摄像头干旱时观测干旱开裂土层干裂程度，以及洪涝时拍摄现场的水情和水位数码标尺标识的水位；采用水位数码标尺供计算机和人工昼夜识读水位；采用透明度传感器的三对激光发射器和激光接收器，大量程测试水的透明度；采用电导率传感器高灵敏传感水的电导率，以及作为控制透明度传感器和干湿度传感器工作的传感源；采用温度传感器测试水温或气温，具有自动控制和无线信号输出数据等监测旱涝灾情和水质的多功能。

说明书

技术领域

本发明涉及水环境技术领域，具体说是一种监测旱涝灾情与水质的传感装置及其使用方法。

背景技术

目前监测干旱、洪涝和水质通常是各自独立的装置，而且干湿度传感器只能测试空气或土壤中的含水量，不能泡在水里，不适应洪涝时浸没于水里和干旱时测试空气或土壤中干湿度的测试环境。

发明内容

本发明的目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种监测旱涝灾情与水质的传感装置及其使用方法，干湿度传感器能在洪涝时浸没于水里，待干旱时测试空气或土壤中的干湿度，能与透明度传感器、温度传感器、电导率传感器和水位数码标尺等组合进行旱涝灾情与水质的监测，具有高精度、大量程、结构简单、安装方便、实时无线信号传输等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种监测旱涝灾情与水质的传感装置，包括有竖直埋置在河滩上的圆管杆，在位于河滩地面以上的圆管杆外壁上设有水位数码标尺，所述的圆管杆顶部高于河滩最高水位线，在所述圆管杆顶端安装有控制器、光伏板和天线，在位于河滩地面以下的圆管杆杆壁上设有等距排列的通水孔，在设有通水孔的这段圆管杆内壁上衬有滤水膜，且在设有通水孔的这段圆管杆外壁周边回填有细砂；围绕所述圆管杆的河滩地面上设有一圈栏杆，在所述栏杆内侧的河滩地面上回填有干旱开裂土层；在所述光伏板底面的上端安装有摄像头，所述摄像头镜头对准所述的水位数码标尺和干旱开裂土层；在位于河滩地面以上的圆管杆外壁上安装有透明度传感器、温度传感器一和电导率传感器一，所述的温度传感器一和电导率传感器一位于所述透明度传感器的上方；在所述的圆管杆内部设有竖直的测杆，所述测杆顶端固定于圆管杆的顶部，所述测杆为圆管形状，测杆与圆管杆内壁之间有空隙，在位于河滩地面以下的测杆上安装有多只干湿度传感器，在每只所述干湿度传感器的上部均安装有温度传感器二，在每只所述干湿度传感器的下部均安装有电导率传感器二。当监测点处干旱时，地面下不同深度的干湿度传感器传感出土壤的干湿度，摄像头拍摄干旱开裂土层表面开裂的图像，地面上的温度传感器一传感出气温，地面下的温度传感器二传感出地下水温度或地温。当监测点处被水淹没时，摄像头拍摄监测点处下雨、刮风等气象和水流流速、波浪等水情的图像，摄像头拍摄水位数码标尺的水位图像，透明度传感器传感出水的透明度，温度传感器一传感出气温或水温，电导率传感器一传感出水的电导率。由控制器向岸上实时无线传输出监测点的土壤干湿度、土层开裂图像、气温、水情图像、水位数码标尺水位图像、透明度、水温、电导率等旱涝和水质信息。

所述的干旱开裂土层包括有上部粉土层、下部细砂层和周围回填细砂层，所述的上部粉土层等厚，上部粉土层顶面与河滩地面齐平。当天气干旱时，地下水位下降，粉土层开始从表面开裂，随着粉土层内的水分蒸发，粉土层上的裂缝宽度越开越大；当下雨时，随着粉土层内水分的积蓄，粉土层上的裂缝逐渐弥合，直至粉土层表面没有裂缝。在粉土层底部的细砂层和周围的细沙，让地下水及时补充或消退于粉土层。

所述的干湿度传感器包括有圆筒形器身，在所述器身表面设有基底层，在所述基底层上绕有螺旋的碳阻带，所述碳阻带为等宽等厚的发泡电阻薄层，在所述碳阻带上排列有等距的孔穴，在所述碳阻带的下缘设有凸起滴水条。当碳阻带通电发热后，碳阻带孔穴内的水会沁出到滴水条，再从滴水条的底部滴出，随着碳阻带内水分的滴出或蒸发，电阻值变大；当碳阻带断电冷却后，碳阻带吸收土内的水分后电阻值变小，并趋于稳定。即碳阻带的电阻值小时地下土层潮湿，反则电阻值大时地下土层干燥。

所述水位数码标尺的标尺面为圆弧面，围绕所述的圆管杆共有三幅水位数码标尺。

所述水位数码标尺的标尺面右半部分为目测识别的E型字符，所述E型字符为连续黑白两色相间的E字型，E型字符高均为5厘米，E型字符横竖笔画均为1厘米宽，且横笔画的间隔为1厘米；所述水位数码标尺的标尺面左半部分上部为一排阿拉伯数字，阿拉伯数字是以米为单位且保留小数点后1位的标尺值；所述水位数码标尺的标尺面左半部分中下部为三行四列的数码块，每个数码块为正方形方格，每个数码块的宽度、高度和间隔均相等；有数码的数码块均为黑色，没有数码的数码块均为白色，所述数码块之间的底色均为白色；所述的数码为二进制码，数码的码值是所述阿拉伯数字的标尺值；在所述水位数码标尺的两侧边缘和中间都有白色的区分条带，在整个水位数码标尺表面涂有反光涂层。水位数码标尺供人工目测水位或计算机图像识别数码水位两用。水位线位于的标尺面左半部分上一排阿拉伯数字，供人工以米保留小数点后1位水位的读数，E字黑白相间的横笔画数目供人工目测厘米的水位，水位线达E字部分的横笔画供人工目测毫米的水位。在标尺面右半部分中下部的数码，供摄像头拍摄后让计算机识别以米保留小数点后1位的水位，水位线到达E字部分横笔画，由计算机根据拍摄图像与数据库的图像对照，得出厘米和毫米的水位。

所述的透明度传感器上部为上激光发射器和上激光接收器，上激光发射器和上激光接收器同水平轴线；所述透明度传感器的中部为中激光发射器和中激光接收器，中激光发射器和中激光接收器同水平轴线；所述透明度传感器的下部为下激光发射器和下激光接收器，下激光发射器和下激光接收器同水平轴线；所述的上激光发射器与上激光接收器间距最大，所述的下激光发射器与下激光接收器间距最小，所述的中激光发射器与中激光接收器间距是上激光发射器与上激光接收器和下激光发射器与下激光接收器间距和的一半。当水的透明度好时，上激光接收器能接收到上激光发射器发出的光线；当水的透明度中等时，中激光接收器能接收到中激光发射器发出的光线；当水的透明度较差时，下激光接收器能接收到下激光发射器发出的光线；而当水的透明度较恶劣时，下激光接收器接收不到下激光发射器发出的光线，以此判别水质的好坏。

所述的电导率传感器一和电导率传感器二的基板上设有左电极块和右电极块，所述左电极块和右电极块均为凸起的椭圆形状，椭圆形状的长轴线均为铅垂线，所述的左电极块与右电极块之间有间隙。

在所述的透明度传感器、温度传感器一和电导率传感器一上均罩有网罩。

一种监测旱涝灾情与水质的传感装置，具体使用包括以下步骤：

（1）准备工作：加工圆管杆和测杆，按监测土壤厚度在圆管杆的下部钻出通水孔，在有通水孔的圆管杆内壁上衬贴滤水膜；制作干湿度传感器、电导率传感器、温度传感器、透明度传感器、控制器和水位数码标尺；

（2）在河滩的监测点用钻机钻出竖向钻孔，把圆管杆铅直插入钻孔，把有通水孔部分的圆管杆埋于地下，在圆管杆的外侧回填细砂；

（3）在所述测杆上安装所有的干湿度传感器及电导率传感器二和温度传感器二，把测杆插入圆管杆内；按最高的干湿度传感器位于河滩地面处，把测杆顶端固定于圆管杆的顶部，让测杆悬挂于圆管杆内，在河滩地面以上的圆管杆外壁上安装水位数码标尺，在高于河滩地面处的圆管杆上安装透明度传感器、电导率传感器一、温度传感器一和网罩，在圆管杆顶端安装控制器、光伏板和天线；

（4）在圆管杆周围开挖干旱开裂土层的基坑，铺填细砂层，回填粉土层，在粉土层周围回填细砂后，再在回填细砂的外围围上栏杆；在光伏板底面的上部安装摄像头，把摄像头对准水位数码标尺和干旱开裂土层；把所有干湿度传感器、透明度传感器、电导率传感器一、二和温度传感器一、二的电缆均与控制器联接，把光伏板、天线、摄像头的电缆与控制器联接；

（5）打开控制器的电源，无论旱涝情况，温度传感器一和温度传感器二的输出水温或气温信号发送给控制器，摄像头拍摄监测点粉土层干裂或水况和水位数码标尺水位的图像发送给控制器，由控制器实时无线传输到岸上；当河滩上的水淹没透明度传感器处的电导率传感器一时，所有电导率传感器一各自输出河水或地下水的电导率信号给控制器，透明度传感器输出河水透明度信号给控制器，由控制器实时无线传输到岸上；当地下水只低于河滩地面处的干湿度传感器下部电导率传感器二时，控制器开启河滩地面处干湿度传感器的碳阻带电源，让碳阻带通电发热沁出孔穴内的水，待碳阻带内的水分逐渐蒸发至干燥，以及干湿度传感器上部温度传感器二传感的温度达到控制值后，控制器断开碳阻带的电源，碳阻带冷却吸收土内的水分，控制器测试碳阻带的电阻值，由控制器将表面土的干湿度信号实时无线传输到岸上；当地下无水时，控制器开启所有干湿度传感器的碳阻带电源，让碳阻带通电发热沁出孔穴内的水，待碳阻带内的水分逐渐蒸发至干燥，以及干湿度传感器上部温度传感器二传感的温度达到控制值后，控制器断开碳阻带的电源，碳阻带冷却吸收空气中的水分，控制器测试碳阻带的电阻值，由控制器实时无线传输地下不同深度土的干湿度信号到岸上，即进行了本发明一种旱涝灾情与水质传感装置监测河滩监测点旱涝灾情与水质状况的使用。

本发明的优点是：具有监测旱涝灾情和水质的多功能，它采用的摄像头干旱时观测粉土层干裂程度，洪涝时观测水面涝情，配合水位数码标尺测试水位数据；采用的干湿度传感器洪涝时自动不工作，干旱时测试地下不同深度土壤的含水量；采用的水位数码标尺有水位数码和E字形标尺，供计算机和人工昼夜识读洪涝时的水位；采用的透明度传感器有三对不同间隔的激光发射器和激光接收器，大量程测试水的透明度；采用的电导率传感器不但调制面积大、防沉积或悬挂异物、灵敏阻性传感水的电导率，而且是控制透明度传感器和干湿度传感器工作的传感源；采用的温度传感器能测试水温或气温。具有工作可靠、构造简捷、多功能、高集成、高精度、大量程、易安装、耐用、便于自动控制和实时无线信号输出数据等综合技术效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的干湿度传感器正剖视结构示意图。

图3为本发明的水位数码标尺正剖视结构示意图。

图4为本发明的透明度传感器正剖视结构示意图。

图5为本发明的电导率传感器正剖视结构示意图。

图中标号：1河滩、2最高水位线、3地下水位线、4监测装置、5细砂、6栏杆、7粉土层、8控制器、9光伏板、10摄像头、11圆管杆、12滤水膜、13测杆、14干湿度传感器、15基底层、16碳阻带、17滴水条、18水位数码标尺、19 E型字符、20阿拉伯数字、21数码块、22区分条带、23透明度传感器、24上激光发射器、25上激光接收器、26中激光发射器、27中激光接收器、28下激光发射器、29下激光接收器、30电导率传感器、31基板、32左电极块、33右电极块、34温度传感器。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的一种监测旱涝灾情与水质的传感装置，包括有河滩1、最高水位线2、地下水位线3、监测装置4、细砂5、栏杆6、粉土层7、控制器8、光伏板9、摄像头10、圆管杆11、滤水膜12、测杆13、干湿度传感器14、基底层15、碳阻带16、滴水条17、水位数码标尺18、E型字符19、阿拉伯数字20、数码块21、区分条带22、透明度传感器23、上激光发射器24、上激光接收器25、中激光发射器26、中激光接收器27、下激光发射器28、下激光接收器29、电导率传感器30、基板31、左电极块32、右电极块33、温度传感器34。在河滩1上竖直埋置有圆管杆11，在河滩1地面以上所述圆管杆11的外壁上安置有水位数码标尺18，该水位数码标尺18的标尺面为圆弧面，围绕所述的圆管杆11有三幅水位数码标尺18。所述的圆管杆11顶部高于最高水位线2，在该圆管杆11顶端安装有控制器8、光伏板9和天线。在河滩1地面以下所述圆管杆11杆壁上有等距排列的通水孔，在该段有通水孔的圆管杆11内壁上衬有滤水膜12，在该段所述圆管杆11外壁的周边回填有细砂5。围绕所述圆管杆11的河滩1地面上有一圈栏杆6，在该栏杆6内的河滩1地回填有干旱开裂土层。在所述光伏板9底面的上端安装有摄像头10，该摄像头10镜头对准所述的水位数码标尺18和干旱开裂土层。在河滩1地面以上的所述圆管杆11外壁上安装有透明度传感器23、温度传感器一34和电导率传感器一30，这些这些温度传感器一34和电导率传感器一30位于所述透明度传感器23的上方，在所述的透明度传感器23、温度传感器一34和电导率传感器一30上罩有网罩。在所述圆管杆11内有竖直的测杆13，该测杆13顶端固定于所述圆管杆11的顶部，该测杆13为圆管形状，该测杆13与所述圆管杆11内壁之间有空隙。在河滩1地面以下的所述测杆13上有多只干湿度传感器14。每只所述干湿度传感器14的上部安装有温度传感器二34，每只所述干湿度传感器14的下部安装有电导率传感器二30。当监测点处干旱时，地面下不同深度的干湿度传感器14传感出土壤的干湿度，摄像头10拍摄干旱开裂土层表面开裂的图像，地面上的温度传感器一34传感出气温，地面下的温度传感器二34传感出地下水温度或地温。当监测点处被水淹没时，摄像头10拍摄监测点处下雨、刮风等气象和水流流速、波浪等水情的图像，摄像头10拍摄水位数码标尺18的水位图像，透明度传感器23传感出水的透明度，温度传感器一34传感出气温或水温，电导率传感器一30传感出水的电导率。由控制器8向岸上实时无线传输出监测点的土壤干湿度、土层开裂图像、气温、水情图像、水位数码标尺18水位图像、透明度、水温、电导率等旱涝和水质信息。所述干旱开裂土层的上部有粉土层7，下部有细砂层，以及周围回填有细砂5。所述的粉土层7等厚，该粉土层7顶面与河滩1地面平齐。当天气干旱时，地下水位下降，粉土层7开始从表面开裂，随着粉土层7内的水分蒸发，粉土层7上的裂缝宽度越开越大；当下雨时，随着粉土层7内水分的积蓄，粉土层7上的裂缝逐渐弥合，直至粉土层7表面没有裂缝。在粉土层7底部的细砂层和周围的细沙5，让地下水及时补充或消退于粉土层7。

如图2所示，所述干湿度传感器14的器身为圆筒形状，在该器身表面有基底层15，在该基底层15上绕有螺旋的碳阻带16，该碳阻带16为等宽等厚的发泡电阻薄层，该碳阻带16上排列有等距的孔穴，在该碳阻带16的下缘有凸起滴水条17。当碳阻带16通电发热后，碳阻带16孔穴内的水会沁出到滴水条17，再从滴水条17的底部滴出，随着碳阻带16内水分的滴出或蒸发，电阻值变大；当碳阻带16断电冷却后，碳阻带16吸收土内的水分后电阻值变小，并趋于稳定。即碳阻带16的电阻值小时地下土层潮湿，反则电阻值大时地下土层干燥。

如图3所示，所述水位数码标尺18的标尺面右半部分有目测识别的E型字符19，该E型字符19为连续黑白两色相间的E字，这这些E字高均为5厘米，这些E字的横竖笔画均为1厘米宽，且横笔画的间隔为1厘米。在所述标尺面左半部分的上部有一排阿拉伯数字20，该阿拉伯数字20是以米为单位且保留小数点后1位的标尺值。在所述标尺面左半部分中下部有三行四列的数码块21，每个数码块21为正方形方格，每个数码块21的宽度、高度和间隔均相等。有数码的所述数码块21均为黑色，没有数码的所述数码块21均为白色，这些数码块21之间的底色均为白色。所述的数码为二进制码，这些数码的码值是所述阿拉伯数字20的标尺值。在所述数码标尺的两侧边缘和中间都有白色的区分条带22，在整个数码标尺表面涂有反光涂层。水位数码标尺18供人工目测水位或计算机图像识别数码水位两用。水位线位于的标尺面左半部分上一排阿拉伯数字20，供人工以米保留小数点后1位水位的读数，E字黑白相间的横笔画数目供人工目测厘米的水位，水位线达E字部分的横笔画供人工目测毫米的水位。在标尺面右半部分中下部的数码，供摄像头10拍摄后让计算机识别以米保留小数点后1位的水位，水位线到达E字部分横笔画，由计算机根据拍摄图像与数据库的图像对照，得出厘米和毫米的水位。

如图4所示，在所述透明度传感器23的上部有上激光发射器24和上激光接收器25，该上激光发射器24和上激光接收器25同水平轴线。在所述透明度传感器23的中部有中激光发射器26和中激光接收器27，该中激光发射器26和中激光接收器27同水平轴线。在所述透明度传感器23的下部有下激光发射器28和下激光接收器29，该下激光发射器28和下激光接收器29同水平轴线。所述的上激光发射器24与上激光接收器25间距最大，所述的下激光发射器28与下激光接收器29间距最小，所述的中激光发射器26与中激光接收器27间距是上激光发射器24与上激光接收器25和下激光发射器28与下激光接收器29间距和的一半。当水的透明度好时，上激光接收器25能接收到上激光发射器24发出的光线；当水的透明度中等时，中激光接收器27能接收到中激光发射器26发出的光线；当水的透明度较差时，下激光接收器29能接收到下激光发射器28发出的光线；当水的透明度较恶劣时，下激光接收器29接收不到下激光发射器28发出的光线，以此判别水质的好坏。

如图5所示，所述电导率传感器一和二的基板31上有左电极块32和右电极块33，所述左电极块32和右电极块33均为凸起的椭圆形状，这些椭圆长轴线均为铅垂线，所述的左电极块32与右电极块33有间隙。

一种监测旱涝灾情与水质的传感装置，具体使用包括以下步骤：

（1）准备工作：按圆管杆11的顶部高于最高水位线2至埋置底面的长度加工圆管杆11和测杆13，按监测土壤厚度在圆管杆11的下部钻出通水孔，在有通水孔的圆管杆11内壁上衬贴滤水膜12。制作干湿度传感器14、电导率传感器一和二30、温度传感器一和二34、透明度传感器23、控制器8和水位数码标尺18。

（2）在河滩1的监测点用钻机钻出竖向钻孔，把圆管杆11铅直插入钻孔，把有通水孔部分的圆管杆11埋于地下，在圆管杆11的周边回填细砂5。

（3）在测杆13上安装所有的干湿度传感器14及电导率传感器二30和温度传感器二34，把测杆13插入圆管杆11内。按最高的干湿度传感器14位于河滩1地面处，把测杆13顶端固定于圆管杆11的顶部，让测杆13悬挂于圆管杆11内。在河滩1地面上的圆管杆11安装水位数码标尺18，在高于河滩1地面处的圆管杆11上安装透明度传感器23、电导率传感器一30、温度传感器一34和网罩，在圆管杆11顶端安装控制器8、光伏板9和天线。

（4）在圆管杆11周围开挖干旱开裂土层的基坑，铺填细砂层，回填粉土层7，在粉土层7周围回填细砂5后，再在回填细砂5的外围围上栏杆6。在支架底面的上部安装摄像头10，把摄像头10对准水位数码标尺18和干旱开裂土层。把所有干湿度传感器14、透明度传感器23、电导率传感器30和温度传感器34的电缆与控制器8联接，把光伏板9、天线、摄像头10的电缆与控制器8联接。

（5）打开控制器8的电源，无论旱涝情况，所有的温度传感器输出水温或气温信号给控制器8，摄像头10拍摄监测点粉土层7干裂或水况、水位数码标尺18水位的图像输给控制器8，由控制器8实时无线传输到岸上。当河滩1上的水淹没透明度传感器23处的电导率传感器一30时，所有电导率传感器一30各自输出河水或地下水的电导率信号给控制器8，透明度传感器23输出河水透明度信号给控制器8，由控制器8实时无线传输到岸上。当地下水只低于河滩1地面处的干湿度传感器14处的电导率传感器二30时，控制器8开启河滩1地面处干湿度传感器14的碳阻带16电源，让碳阻带16通电发热沁出孔穴内的水，待碳阻带16内的水分逐渐蒸发至干燥，以及干湿度传感器14上部温度传感器二34传感的温度达到控制值后，控制器8断开碳阻带16的电源，碳阻带16冷却吸收土内的水分，控制器8测试碳阻带16的电阻值，由控制器8将表土的干湿度信号实时无线传输到岸上。当地下无水时，控制器8开启所有干湿度传感器14的碳阻带16电源，让碳阻带16通电发热沁出孔穴内的水，待碳阻带16内的水分逐渐蒸发至干燥，以及干湿度传感器14上部温度传感器二34传感的温度达到控制值后，控制器8断开碳阻带16的电源，碳阻带16冷却吸收空气中的水分，控制器8测试碳阻带16的电阻值，由控制器8实时无线传输地下不同深度土的干湿度信号到岸上，即进行了本发明一种旱涝灾情与水质传感装置监测河滩1监测点旱涝灾情与水质状况的使用。