智能光电测沙仪校准
1 概述
智能光电测沙仪是以光学传感方式测量水体悬移质含沙量的仪器，普遍配置自动清洗、温度补偿、自动量程切换、数据自记与远程通信功能。仪器的输出量可以是电压、电流、频率或经内部换算后的浊度值与含沙量值。
校准的目的是建立仪器输出信号与含沙量标准值之间的定量关系，并评定该关系的误差与不确定度，使测量结果可溯源。仪器出厂时内置的关系曲线不能直接替代溯源校准：内置曲线基于出厂试验条件获得，光源衰减、光学窗口污染、电子器件老化、被测泥沙粒径与矿物成分变化都会使该关系发生偏移。
校准分为两类，二者不可互相替代：
室内校准：在可控条件与已知含沙量标准场中，解决量值溯源与仪器自身性能评定问题。
现场比测：在待测断面实际水沙条件下，与重量法（取样—过滤—烘干—称重）结果比对，解决室内关系在特定断面的适用性问题。
2 测量原理
仪器向水样发射特定波长的光，泥沙颗粒对入射光产生吸收、散射与反射，使透射光或散射光强度随含沙量改变。光电探测器将光强转换为电信号，经放大与模数转换后输出。在低含沙量区间，输出信号与含沙量近似呈线性关系；含沙量升高后，多重散射与光程遮挡效应增强，输出与含沙量转为非线性，需要分段拟合或采用多项式模型。
由此，校准的本质是测定"含沙量标准值—仪器输出值"的对应关系及其不确定度，而不是调整仪器机械结构。
3 技术依据
常用技术文件包括：
| 文件 | 适用对象与要点 |
|---|---|
| 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，2023-10-12 发布、2024-04-12 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 仪器的首次检定、后续检定和使用中检查，最大允许误差 ±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 |
| T/CHES 34—2020《光学含沙量测量仪率定规范》 | 规定率定的通用要求、方法、数据分析与评估、结论；含沙量分 8 个等级，每等级至少 8 个含沙量样品，按等差数列布点 |
| 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、使用中和维修后仪器的校验，项目含测量相对误差与测量重复性 |
| 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，同时规定水样处理方法 |
具体执行时应以仪器使用说明书与所选用规范中要求较严者为准，并在报告中注明依据文件的完整编号与年号。
4 校准条件
4.1 环境条件
温度：（23±5）℃；采用其他区间时应保持校准全过程温度波动尽可能小，并记录实测温度。
相对湿度：不大于 85%。
室内无强光直射、无强烈振动、无明显空气对流，无影响仪器正常工作的电磁干扰。
4.2 标准与配套设备
含沙量标准场：由搅拌装置使容器内纯净水与干泥沙样均匀混合、可配制已知含沙量标准值的装置，容器有效体积一般不少于 0.002 m³，均匀度优于 ±3%。
电子天平：量程不少于 220 g，Ⅲ级及以上。
电热干燥箱：控温范围覆盖室温至 120 ℃以上，用于泥沙样烘干。
抽滤装置：滤膜孔径小于沙样最小粒径，用于含沙量标准值的重量法核验。
温度计：分度值不大于 0.1 ℃，用于水样温度测量。
搅拌器与搅拌桶：转速可调，保证底部无泥沙沉积；搅拌桶清洗后无残留。
量筒、移液管、容量瓶等计量器具应在检定/校准有效期内。
4.3 泥沙样
优先取自待测水体（原样沙），经烘干、研磨、筛分后密封保存；无原样沙条件时，采用粒径与矿物成分接近的标准石英砂替代。
试验用水优先采用待测水体的原样清水；若水样背景对仪器输出的影响 α ≤ 1.5%，可忽略该影响，直接用纯净水配制。
泥沙样粒径与待测悬沙粒径差异越大，校准结果的现场适用性越差，应在报告中记录沙样来源、处理方式与粒径范围。
5 标准含沙样品的配制
称取质量为 m 的干泥沙样，量取泥沙样与水的总体积 V，按下式计算含沙量标准值：S = m / V（单位 kg/m³）
将称量后的泥沙样与水倒入搅拌桶，逐步提高搅拌转速，直至桶底无泥沙沉积。
检验浓度场均匀度：在上、中、下三个层面各布设取样点，取样后抽滤、烘干、称重，计算各点含沙量 S_i = M_i / V_i。当均匀度 E_s ≤ 3.0% 时判定为标准含沙浓度场；E_s > 3.0% 时提高转速重新搅拌并复测。
含沙量布点不少于 5 个（JJF 2087 与 JJG(交通) 166 要求不少于 3 个，T/CHES 34 要求不少于 8 个），须包含零点（空白水样）与量程上限点，覆盖仪器实际使用范围；高浓度点按等差数列或对数间隔分布。
样品现配现用，长时间静置会发生沉降与絮凝，改变浓度场状态。
6 校准项目与操作步骤
6.1 校准前准备
检查外观：铭牌信息（型号、编号、制造厂）完整，紧固件无松动，按键、开关、接插件工作正常，光学窗口无划痕、无附着物。
对带自动清洗功能的仪器，先执行一次清洗循环，确认清洗后窗口洁净。
按说明书要求接通电源预热，待输出稳定后开始；传感器应置于搅拌桶中部区域，距边壁不小于 10 cm，且不与搅拌器发生干涉。
记录固件版本号、内置曲线参数、量程设置、采样频率与输出单位。
6.2 零点漂移
将仪器置于洁净清水（或纯净水）中，待读数稳定后连续记录不少于 30 个输出值，运行 3 min 后开始记录；用 3σ 准则剔除粗大误差，剔除后有效数据数量不少于原始数据的 90%，否则重新测量。取有效数据算术平均值为零点值，按规范计算零点漂移。
每次更换比色皿、光学窗口、光源或清洗后，须重新测定零点。
6.3 校准曲线
按含沙量由低到高顺序，将各标准含沙样品依次倒入搅拌桶，搅拌不少于 5 min。
每个浓度点记录仪器输出数据不少于 5 次，间隔不小于 3 s；采用自动记录方式时可连续记录不少于 30 个值，并按 6.2 相同方法剔除粗大误差后取平均值。
每个浓度点测量前重新搅拌均匀，测量后清洗搅拌桶，再进行下一浓度点。
同步记录水样温度、环境温度与搅拌转速。
6.4 示值误差与重复性
示值误差：将各浓度点的仪器输出值代入校准曲线，得到含沙量拟合值，与含沙量标准值比较，计算相对误差，取绝对值最大者作为结果。JJG(交通) 166—2020 规定最大允许误差为 ±10%。
重复性：在选定的含沙量点（如 1 kg/m³）重复测量 10 次以上，计算实验标准偏差；要求不大于最大允许误差绝对值的 0.3 倍。
对具备自动量程切换功能的仪器，应在切换点上下各布设浓度点，检验切换前后曲线衔接的一致性。
6.5 验证测试
使用至少一个未参与曲线拟合的标准含沙样品进行验证，测量值与标准值的相对误差应不大于仪器允许误差。高含沙量点出现光路饱和时，应稀释后测量并按稀释比修正结果。
7 数据处理与曲线拟合
以含沙量标准值为因变量、仪器输出值为自变量，采用最小二乘法进行线性回归；线性范围要求相关系数 R² ≥ 0.995。非线性显著时采用分段校准或多项式拟合，分段区间须给出分界点与各段系数。
拟合结果应给出：
回归方程、斜率、截距及其标准偏差；
各浓度点残差与相对误差；
相关系数或决定系数；
适用的含沙量区间与温度区间。
8 测量不确定度评定
按 JJF 1059.1 的方法评定，主要分量包括：
含沙量标准值的不确定度（天平称量、体积测量、浓度场均匀度、烘干与抽滤损失）；
仪器输出值重复性引入的分量；
曲线拟合残差引入的分量；
温度、泥沙粒径与级配差异、光学窗口污染引入的分量。
扩展不确定度取 k = 2。各分量数值与最终评定结果以所用规范给定的分档指标为准。
9 校准结果表达与复校时间间隔
校准结果一般包含：零点漂移、校准曲线（或示值误差）、重复性、测量不确定度。校准证书应注明依据文件、环境条件、标准场参数、沙样来源与粒径、仪器编号与固件版本、校准浓度点及有效区间。
复校时间间隔一般不超过 1 年；仪器经维修、更换光源或光学窗口、长期野外测验后，或数据出现异常跳变时，应提前复校。
10 影响校准结果的因素与控制措施
| 影响因素 | 控制措施 |
|---|---|
| 光学窗口污染与生物附着 | 校准前执行清洗循环；现场启用自动清洗并定期检查刮刷/喷嘴状态 |
| 光源衰减与探测器老化 | 记录零点漂移趋势；漂移超限时更换光源或探测器并重新校准 |
| 气泡干扰 | 降低搅拌转速至液面无气泡卷入；避免在出水口附近布点 |
| 泥沙粒径与级配变化 | 使用原样沙；更换测区后重新率定 |
| 水样背景（溶解性物质、有色物质、温度） | 用原样清水配制；评估背景影响，α > 1.5% 时计入修正 |
| 浓度场不均匀与沉降 | 均匀度控制在 3.0% 以内；样品现配现用；传感器避开边壁与死角 |
| 量程自动切换与固件变更 | 切换点上下布点校验；记录固件版本，升级后重新校准 |
| 环境光与电磁干扰 | 室内遮光；屏蔽与接地符合说明书要求 |
11 校准记录与档案
每次校准应留存完整记录：校准日期与人员、依据文件、环境参数、标准器与配套设备信息及溯源编号、沙样来源与处理方法、各浓度点的标准值、原始数据、拟合计算结果、验证结果、结论与不确定度。记录与证书应随仪器档案保存，用于历次校准结果的趋势比对——相邻两次校准曲线的斜率与截距差异是判断仪器状态变化的主要依据。
