LISST-200X操作手册

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LISST-200X简介

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01

LISST-200X的技术优势

      研究悬浮泥沙粒径分布的传统方法是先采集现场水样而后进行实验室分析；测定泥沙颗粒沉速的方法往往采用利用Owen沉降管。虽然这些方法可以获取悬浮泥沙的级配和沉速数据，但是在传统的采样和分析过程中脆弱的絮凝体会被打碎，因而得到的并不是现场絮凝体的真实数据。近年来，美国Sequoia公司开发了一种现场激光粒度仪LISST，可以快捷地获取水中悬浮颗粒物现场粒径谱(particle size-distribution –PSD)。从1999年开始，已有科学家在河口海岸区域利用LISST开展了一些现场粒径时空变化研究。

02

LISST-200X测量和光学原理

      使用激光衍射原理进行粒度测定是目前研究和工业上应用最广泛的方法。在水中用准直光束照射水体中的粒子进行多角度散射测量，与准直光束成一定角度的水体颗粒物散射激光通过滤光片到达接收透镜的焦平面，与透镜轴成相同角度。因此，在透镜焦平面中距透镜轴的距离和散射角相对应。而仪器中的光电探测器（60度弧的硅环）的探测环对应一个小范围的散射角，进行稳定地多角度颗粒物粒径分布（Particle Size Distribution，以下简称PSD）光学反演。

     LISST-200X工作激光波长为670nm，共有36个环形探测器，其半径从102到20,000微米，呈对数增加。探测器放置在接收透镜的焦平面上。这些环的角度范围为0.00085至0.34弧度，该角度范围对应于水体中从1.00到500μm的尺寸范围的颗粒物。

01

主要技术参数

工作激光波长：670nm

测量频率：~20Hz

可测参数：

    36个粒径分布的颗粒物体积浓度（单位：μL/L）

    平均粒径（单位：μm）

    总颗粒物体积浓度（单位：ppm）

    670nm水体衰减系数（单位：m-1）

    水温（单位：℃）

    水深（单位：m）

    颗粒物体积散射函数（Volume Scattering Function）

    粒径测量范围：1-500m

    水深测量范围：0-600m

    温度测量范围：-5℃-45℃

    测量误差：体积浓度±20％，激光散射系数0.1％

    36个粒径分布范围：如下图所示

02

观测操作步骤

01

软件安装及准备工作

在官网下载LISST-200X专用软件：

  LISST-SOP200X_Installer.exe

如下图所示，软件安装完成。

     从仪器箱中取出白色的塑料立撑和仪器，将仪器平放在由生产厂家提供的专用支架上。检查仪器底端中间的光学窗及镜头（图1）是否洁净，若否，请用超纯水清洗，并用无尘纸擦净。

图1 LISST-200X镜头和光学窗部分

然后，将电池安装进电池桶，并且上好螺丝。

注意：不要用任何带腐蚀性的液体清洗光窗及镜头，否则易造成光窗和镜头损坏！

图2 LISST-200X电池桶螺丝

02

仪器连接

    使用短连接电缆，一端连接电池桶“TO LISST”接口，一端连接LISST-200X如图红色箭头的位置（如下图所示）

    较长的用于连接电脑的电缆，USB口一端连接电脑端口，一端连接电池桶的“TO PC”端口。

03

仪器布放

     仪器应该始终保持垂直于水流的位置，让水尽可能通畅地通过仪器的光学窗。下面的图显示了相对于水流布放的最佳方向：

04

仪器运行

     打开电脑的设备管理器，查看连接的电脑端口序号后，打开软件。打开菜单栏的“Communication→Serial Port Settings”，弹出下图窗口，选择连接的电脑端口，波特率保持default，点击确定：

在开始界面选择菜单栏的“Communication→Connect”或者是工具栏中如右图所示的按钮，连接到仪器，其余按钮变成彩色，说明目前已经连接到仪器。

 

     在连接好后，可能需要将仪器从“休眠”状态唤醒。单击工具栏中如右图所示的按钮，将仪器唤醒。若连接仪器失败或者无法唤醒，请仔细检查线缆连接状态和电脑端口。

  单击工具栏的“Open Terminal”如右图所示的按钮，打开终端窗口，如图3所示，用户的任何操作信息都可以在该窗口中显现出来。

图3 LISST-200X终端窗口

     在每次设置采样前，要注意观察仪器的时间和采样时间之间是否同步，必须设置LISST仪器的时钟，方法为工具栏的“Set Instrument Clock”按钮（右图），将电脑的系统时钟和仪器时钟同步。

     配置采样方式和程序，选择菜单栏中的：“LISST→

ConfigureSamplingProgram”或者工具栏的“Operating Modes”按钮（如右图），打开操作模式设置窗口，如图4所示。

图4  LISST Configure Sampling Program窗口

      对于“Instrument Status”项，它显示的是仪器的一些实时信息，对于其中的“Comments”文本框，我们可以输入一些实验的基本信息，如天气状况、测量地点等。Clock项显示的是仪器时间，若仪器时间和电脑时间不符，需要进行时间校准，选择工具栏的“Set Instrument Clock”按钮，将二者的时间校准一致。

图5  设置仪器采样频率等参数界面

    “Operating Mode”项，出现仪器的操作模式设置界面如图5所示。实验的采样方式、采样频率、采样间隔等都是在这个界面上完成的。

    采样模式有“RealTime”、“Burst”、“Fixed”三种。其中“RealTime”是实时操作模式；“Burst”是脉冲模式，主要用来进行定点测量；“Fixed”是连续测量模式，主要用来进行垂线测量，用户可以根据实验的目的选择合适的采样模式。它们对应的参数“Sample to be Average of”（样品平均所包含的测量数）（根据自己对数据量的需要设置）、“Time to get average”（平均时长）、“Sample Interval”（采样时间间隔）、“Samples Per Burst”（每一脉冲内的样品数）、“Burst Interval”（脉冲时间间隔）等也需用户根据自己的实验目的进行设置。

      “Start Condition”项，出现仪器的采样开始条件设置界面，如下图所示。

    仪器的采样开始条件有五种方式，即“Depth”、“Time”、“External Mechanical Switch”、“External Digital Input”、“Time Delay”。“Depth”指当水深等于或超过设置的水深时仪器开始采样；“Time”指当时间到了设置的时间时仪器开始采样；“External Mechanical Switch”指当使用者将仪器的外部开关扳到“1”时仪器开始采样；“External Digital Input”指当仪器接收到外部数字信息时仪器开始采样；“Time Delay”指经过设置的时间间隔后仪器开始采样；用户可根据实验的实际需要进行设置，一般，我们选取的是“External Mechanical Switch”即开启“外部开关”来开始采样。

 “Stop Condition”项，出现仪器的采样结束条件设置界面，其设置方法与“Start Condition”相同，在此，不再赘述。经过以上步骤后，仪器的一些基本设置已经完毕，依次左键单击下方的“Apply”和“OK”后，LISST仪器的各个采样参数均已传达给仪器并已保存。

    需要开始以上设置的采样程序，需要选择菜单栏中“LISST→Start sampling program”，使仪器以设置的程序开始准备采样。

     如需要使用到压力传感器进行开关，和使用到剖面深度的数据时，需要矫正压力传感器，选择工具栏的“Zero Depth Sensor”按钮（如右图），用于调整压力偏移，使当前压力等级为零深度。

    除“RealTime”（实时）的采样模式外，其它采样模式均需要拔掉通讯数据线。注意：拔掉通讯数据线后，一定要用闷头盖好LISST仪器的数据接口（注意水密）！！

    根据设置的仪器开始采样条件，执行对应的开始采样步骤，将仪器置于水中，开始采样。采样工作完成后，根据设置的仪器结束采样条件，执行对应的结束采样步骤，结束采样。

    采样结束后，连接LISST仪器与电脑。查看数据，打开终端，输入命令“dir”，查看仪器文件目录下的数据文件，查看文件测量时间和大小。

     下载数据，选择工具栏的“Offload”按钮（如右图），选择路径和文件名保存测量原始数据文件。

   工具栏的“Put LISST To Sleep”按钮（如右图），使LISST仪器转于睡眠状态。这样做的目的是节省电池，如果长时间不使用仪器，这一步骤尤为重要。

    拔掉通讯数据线，盖好仪器接口闷头。用清水冲洗整个仪器，特别是镜头部分，需要仔细清洗！！！待仪器晾干后，将仪器装箱。检查仪器附件是否齐全，并一起装箱。

    整个测量步骤完毕。

03

背景文件制作

01

准备

     取下仪器光程缩短器（如果装在机器上），清洗仪器镜头和标定槽，并将标定槽放到LISST-100仪器的镜头部位，上紧标定槽夹片。向容器里注入足量的经过滤的纯净水。注意不要混入气泡，如有气泡，要仔细消除气泡。

02

制作背景文件

     为了正确地计算水体颗粒物的粒径分布，有必要去除来自仪器内部光学窗表面的光散射，以便只计算感兴趣的粒子的光散射用于计算粒径分布。在彻底清洗仪器和光学窗后，将光学窗浸入超纯水，并且确保在光学窗内部和壁上没有气泡，并且尽量保持水和仪器的温度相同，因为使用不同温度的水会影响纯水背景的质量。

图6 背景文件制作界面：问题界面、成功界面

    选择工具栏的“Collect Background”按钮，或者选择菜单栏的“Collect Background Scatter Data”，仪器的出厂背景文件将自动从仪器获取并显示在屏幕上。单击界面中的“BEGIN”，开始采集背景文件，背景文件是20个测量样品的平均值，当20个样品采集完毕。红线是出厂值，黑线是当前测量值，实线是所有20个测量值的平均值。如果背景接近出厂水平，则显示的消息将指示通过或可接受的背景。即使新背景通过了，但大大高于出厂背景，也要清洁光学窗并重复一次，以确保获得了最佳效果。若认为该样品满足要求，单击界面中的“Accept and Save”，选择文件名保存背景文件。若认为样品不满足要求，可重新采集样品，制作背景文件。保存文件。

04

数据处理

01

原始数据

    从datalogger下载的数据是一个原始二进制文件(扩展文件名为.rbn)，还必须被LISST-SOP程序反演成水体颗粒大小。从Filemenu中选择settings并单击Output选项卡。如下图所示界面窗口将提示为将来的数据处理提供所需的输出，必须在启动processing命令之前进行此选择。

CSV文件是以空格分隔的ASCII文件，包含完全处理和校准的数据，适用于加载在Excel内查看颗粒物粒径数据和后期处理；RTX文件是以空格分隔的ASCII文件，包含来自LISST-200X数据记录器的原始数据，可以用于Excel查看原始数据。

在处理数据时，还必须选择要使用的光学反演模型：球形、随机形状或两者都有；关于粒子反演模型的描述，参见英文版本的用户手册：Appendix G: Spherical and Random Shape Particle Models部分；如果选择了随机形状的粒子反演模型，处理的文件将有一个' _rs '后缀。

02

数据处理

    单个数据处理：从菜单栏中选择Process Raw Data or Process RawData（Select Background），如下图。标准的原始数据处理将使用. rbn文件中包含的文件。如果您想使用一个不同于RBN中的背景文件，请使用Process Raw Data（Select Background）选项。如果使用此选项，系统将提示您提前输入. bgt文件（前期做好的纯水背景文件），然后输入原始文件。

   接着会弹出如下界面，选择Process file，对数据进行处理：

    原始的散射值可以通过从视图菜单中选择视图Rings command以图形方式显示。与辅助参数一样，指针指示要显示哪个样本，可以通过转到“设置”菜单的“View Rings”选项卡来更改在此窗口中显示的数据类型。

图 7  查看原始散射数据界面

    批处理命令：从菜单栏中选择Process Raw Data (Batch)，默认情况下，批处理将使用存储在原始数据文件中的后台来处理数据，如果想使用外部.bgt文件，取消“使用背景包含在文件”，选择一个制作好的.bgt文件；

    选择原始数据文件(. rbn)所在的目录。单击select按钮，导航到所需的文件夹并选择，请注意，该文件夹中的所有原始数据文件将被处理。如果希望只处理文件夹中选择的文件，则必须将这些文件复制到一个空目录中，然后必须将该目录选择为原始文件目录；默认情况下，输出文件目录将与原始文件目录相同。但是，如果您希望将此目录更改为另一个目录，那么单击select按钮以选择另一个目录；原始文件列表框现在显示了原始文件目录中的所有原始数据文件，而输出文件框显示了输出文件目录中可能已经存在的. csv、. pbn和. rtx文件。

图 8  批处理窗口

03

查看处理后的数据

    在将数据处理为粒度分布文件之后，可以在屏幕上查看数据。从文件选择窗口中选择已处理的数据文件（.PBN），双击文件或键入文件名，然后选择open。显示如下图界面：

左侧显示的是每种尺寸级别中以微升/升为单位的体积分布，右侧显示的是累积浓度。附加信息存储在已处理的数据文件中。辅助参数窗口显示当前样品的这些值。通过从视图菜单中选择显示辅助参数来打开该窗口，如下图：

图9 辅助数据信息

04

数据质量控制

打开数据Auxiliary Parameter Frame窗口（如图9），检查数据如下：

（1）确保激光参考Laser Reference显示非0；在图8中，参考的激光功率Laser Reference为0.996 mW，但是这个数值会随着仪器的不同而变化，而且也会随着仪器的老化而变化，在某种程度上，还会随着温度的变化而变化，最常见的值是0.5- 2mw；在处理后的数据“.CSV”文件中显示的激光参考值在第40列；

（2）检查水体透射率transmission值，应该在0-1之间，在物理量上该值不可能为负数或者大于1，在处理后的数据“.CSV”文件中显示值在第56列；如果transmission值显示大于1，那么测量很可能是在非常清澈的水和/或背景测量不好或者光学窗过脏；transmission值显示在0.98-0.995和0.1-0.3范围内，测量是在非常清澈/浑浊的水中进行的，信噪比较低，谨慎使用；如果transmission值显示是< 0.10(或10%)，水太混浊，数据质量过差，舍弃；如果transmission值显示是> 0.995 (或者 99.5%),，水太清澈（有问题），数据质量过差，舍弃；

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处理数据格式

处理过的数据文件(. csv文件)中的值按如下所示的顺序存储：

原始ASCII数据文件中的值(.rtx文件)的顺序如下所示：

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注意事项

（1）LISST-200X是一种非常精密和贵重的光学仪器，在操作及搬运过程中，一定要轻拿轻放，避免任何撞击和震动；

（2）请勿用手或者其他锐利物品接触光学窗口，在测量使用后，使用纯净水（最好为超纯水）润洗光学窗，并且用无尘纸擦净干燥保存。

（3）入水测试，一定要做好水密措施，防止仪器进水。

注：本操作手册部分图片来源于英文原版说明书。

文字整理：大江 小海

推送编辑：大江 小海

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本手册只是技术交流，不用作商业用途！