浸入式光电测沙仪校准

一、校准对象与测量原理

浸入式光电测沙仪指光学传感探头直接浸入待测水体、原位连续测量悬移质含沙量的仪器。它由光源、光学窗口、光电探测器与信号处理单元构成，输出信号通常为电压值、电流值，或经内部换算后的浊度值、含沙量值。

仪器依据泥沙颗粒对入射光的吸收、散射与反射作用改变光强。按光路结构可分为三类：

类型	输出与含沙量的关系	特征
透射法	输出随含沙量增加按指数规律衰减	高含沙量下信号衰减趋于饱和，灵敏度下降
散射法	低含沙量段近似线性上升，高含沙量段出现拐点后转而下降	低含沙量灵敏度高，高含沙量段非线性显著
透射—散射比值法	两路信号之比值与含沙量近似成正比	线性度好，受水色与窗口污染影响较小

上述关系中的各项系数与仪器结构、光程长度、光源波长，以及泥沙颗粒的粒径、形状、颜色、矿物组成有关，无法仅由理论计算确定，必须通过校准获得。

二、校准依据

常用技术文件包括：

JJF 2087—2023《光电式含沙量测量仪校准规范》：适用于测量范围 0.01～30 kg/m³ 的光电式含沙量测量仪，2023 年 10 月 12 日发布、2024 年 4 月 12 日实施，规定零点漂移与校准曲线两项校准项目。

JJG(交通) 166—2020《含沙量测定仪》：适用于 0.001～30 kg/m³ 范围内仪器的首次检定、后续检定和使用中检查，规定最大允许误差为 ±10%，重复性不大于最大允许误差绝对值的 0.3 倍，检定周期一般不超过 1 年。

SL 233.13—2016《水工与河工模型试验常用仪器校验方法 第 13 部分：光电测沙仪》：适用于新制造、使用中和维修后光电测沙仪的校验，校验项目含测量相对误差与测量重复性。

T/CHES 34—2020《光学含沙量测量仪率定规范》：规定光学含沙量测量仪率定的通用要求、率定方法、数据分析及评估、率定结论。

GB/T 50159—2015《河流悬移质泥沙测验规范》：含沙量测验与不确定度估算的基础依据。

室内校准解决仪器输出信号与含沙量之间的量值溯源问题，现场比测解决该关系在特定断面水沙条件下的适用性问题，二者不可互相替代。

三、校准条件

环境条件：温度 (23±5) ℃，相对湿度不大于 85%，室内无强光直射、无强烈振动与空气对流。

含沙量标准场：由动力搅拌装置使容器内纯净水与泥沙样均匀混合、可配制已知含沙量标准值的装置。其均匀度通过多点采样评定，采样点不少于 8 个，以各采样点含沙量的最大值与最小值相对偏差表征，均匀度应优于 ±3%。满足该条件的含沙量场方可作为标准场使用。

标准含沙量值的确定：以烘干称重法为准，即配制某标准场所称取的干泥沙质量除以该标准场中纯净水与干泥沙的总体积，单位为 kg/m³。

配套设备：电子天平（量程不小于 220 g，Ⅲ 级及以上）、量筒套组或标准金属量器、电热干燥箱（温度范围 0～150 ℃）、筛网、搅拌装置、温度计、抽滤或烘干装置。

标准泥沙样：宜取自仪器布设断面，或选用粒径、矿物组成、颜色与之接近的天然沙，经 (105±2) ℃ 烘干、过筛后密封保存，并记录颗粒级配与密度。校准曲线只对与该沙样性质接近的泥沙有效，待测水体泥沙性质发生显著变化时应重新校准。

四、校准前准备

检查仪器各紧固件无松动，调节旋钮、按键、开关均能正常工作。

检查光学窗口无泥垢、无划痕、无附着物，探头密封与电缆接插件完好，密封失效会直接改变光路状态。

按使用说明书接通电源预热，使光源与电路进入稳定工作状态，预热时间一般不少于 30 min。

按量程分段配制系列含沙量标准场。标准场应现配现用，长时间静置会导致泥沙沉降与团聚。

检查标准场均匀度，记录试验数据。

五、校准项目与校准方法

5.1 零点漂移

在仪器最低量程范围内用纯水调定零点并记录初始输出值，持续观测 30 min，每隔 5 min 记录一次输出信号值，计算各次记录值与初始值的偏移量，取绝对值最大的偏移量作为零点漂移结果。

5.2 校准曲线

推荐按下列分段布置校准点，每段选取不少于 3 个含沙量点：

序号	分段范围（kg/m³）
1	0.01 ≤ S ≤ 0.1
2	0.1 < S ≤ 1.0
3	1.0 < S ≤ 5.0
4	5.0 < S ≤ 10.0
5	10.0 < S ≤ 20.0
6	20.0 < S ≤ 30.0

操作步骤：

在各分段内选取校准点，按烘干称重法计算各点的标准含沙量值；

将仪器探头置于含沙量标准场工作区域内，运行 3 min 后连续记录不少于 30 个输出信号值；

采用 3σ 准则剔除粗大误差，剔除后的有效数据量不得少于原始数据量的 90%，否则应重新测量和记录，取有效数据的算术平均值作为该校准点的信号输出值；

对信号输出值与含沙量标准值作线性拟合，得到各分段范围内的校准曲线，斜率的单位取决于输出信号类型（如每毫安、每伏、每 NTU 对应的含沙量），截距单位为 kg/m³；

以拟合含沙量值与标准含沙量值之差除以标准含沙量值计算相对示值误差，取绝对值最大值作为该分段的校准结果。按 JJG(交通) 166—2020，含沙量测量最大允许误差为 ±10%。

5.3 重复性

选取含沙量约 1 kg/m³ 的标准场，用仪器重复测量 10 次以上，按各次拟合含沙量值计算实验标准偏差作为重复性，要求不大于最大允许误差绝对值的 0.3 倍。

5.4 高含沙量段的非线性处理

散射式仪器在含沙量升高到某一区间后输出信号出现拐点，拐点以上信号随含沙量增加反而下降，同一信号值对应两个含沙量值。实测数据显示，不同型号仪器的拐点位置差异明显，部分仪器约在 2 kg/m³，部分约在 15 kg/m³。因此：

必须通过分段拟合或多段曲线覆盖全量程，不得用单一曲线向外延拓；

拐点以上区间应单独增加校准点密度，并确认输出信号与含沙量之间保持单调对应关系；

不具有单调性的区间应停止使用，或改用透射—散射比值等其他光路结构的仪器。

六、现场比测与率定

浸入式仪器在断面的实测值受安装位置、流速、垂向含沙量分布、气泡与漂浮物影响，实验室校准曲线不能直接替代现场率定。GB/T 15966 对现场测沙仪要求含沙量测量的随机误差不大于 10%。

比测要求：

采用 GB/T 50159 规定的悬移质采样器取样，采样点与仪器测点的水平距离不大于 0.5 m、深度差不大于 0.2 m、时间差不大于 1 min，可采 2～3 个平行样；

在高、中、低不同水位或沙量级下均匀布设测次，沙情复杂的测站测次应覆盖多个来沙过程，有效样本数不少于 30 次，条件不具备时不宜少于 20 次；

除明确可确定的粗差外，不应舍弃比测点数据；

分别进行点含沙量关系率定和断面平均含沙量关系率定，单个关系不能满足全量程使用时，按不同水沙量级分别建立。

精度指标：悬移质含沙量在 0.01～20 kg/m³ 区间时，相对误差不大于 ±5%，随机不确定度不大于 20%；含沙量在 20～100 kg/m³ 区间时，相对误差不大于 ±3%，随机不确定度不大于 20%。含沙量不大于 0.01 kg/m³ 时按绝对误差控制，不超过 ±0.002 kg/m³。黄河水利委员会所属水文站的比测实例中，人工监测与在线光电测沙仪的系统误差为 0.09%、随机不确定度为 8.50%，符合投产要求。

七、影响校准结果的主要因素

因素	影响机理	控制措施
泥沙粒径与级配	改变散射系数，同一含沙量对应不同输出信号	采用断面原沙或级配接近的沙样，级配变化后重新校准
泥沙颜色与矿物组成	改变吸收系数	记录沙源，跨区域使用前重新率定
气泡	附着于光学窗口形成额外散射	搅拌后静置至气泡逸出，读数前检查窗口
窗口污染与生物附着	抬高基线、降低灵敏度	定期清洗，配置刮刷或自动清洗装置，清洗后核查零点
水温与盐度	改变水体折射率与泥沙絮凝状态	记录水温，河口及咸淡水交汇区增加校测频次
光源老化	使校准曲线斜率与截距随时间变化	监测零点与满度漂移，超限即重新校准
安装位置	局部水流扰动与垂向分布差异导致代表性不足	避开回流区、漩涡区与漂浮物聚集层；移动平台与固定桥墩两种安装方式应分别率定

八、校准周期与记录

复校时间间隔由仪器使用情况、使用者、仪器本身质量等因素决定，送校单位可自主确定，规范建议不超过 12 个月；仪器经修理或对测量结果产生怀疑时应重新校准。

现场校测每年不少于 3 次，大洪水过后应及时校测。

新仪器首次使用前、维修后、固件版本升级后、每年汛前，应各开展不少于 1 次现场比测检验。

校准记录应包含：校准日期、环境温湿度、仪器名称型号与出厂编号、标准沙样来源与颗粒级配、密度测定结果、各校准点的标准含沙量与仪器输出原始数据、粗大误差剔除情况、分段拟合方程与相关系数、示值误差与重复性、不确定度评定结果、含沙量标准场均匀度试验数据、操作人员与校核人员。原始数据与拟合方程应随校准证书一并归档保存，保证量值可追溯。

九、校准结果的使用限制

校准曲线仅在以下范围内有效：

待测泥沙的性质与校准用沙样一致；

含沙量落在参与拟合的分段区间之内；

光学窗口状态与校准时一致；

水温、盐度等条件未发生显著变化。