CN102128814A - 大动态范围液体浊度检测光路结构及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大动态范围液体浊度检测光路结构及检测方法，在槽形凹腔的中分别设置红外发射光路、第一、第二散射光路、长皿透射光路、短皿透射光路，从探测光源发出的光，经过其前方的凸透镜扩束后入射到凹腔中的液体中，分别被光探测器接收，所述的各个光探测器输出的电信号分别输入到由放大解调电路转化为直流电压信号，用于计算液体浊度；所述的探测光源通过调制电路实现脉冲调制。完全满足各种水体不同浓度浊度精确检测的需求，可以用于环境监测部门对水浊度做在线快速检测，也可以安装于浮标上或者自动监测站中对固定监测点的水浊度进行长期连续检测，具有良好的市场前景。

Description

大动态范围液体浊度检测光路结构及检测方法

技术领域

本发明属于环境监测技术与分析领域，具体是一种液体浊度检测光路及检测方法。

背景技术

为了提高给水净化技术和生产管理水平，实现水质的在线检测十分重要。浊度检测是水质检测的重要参数，在以往水质检测的运行中，浊度的检测采用比色、比光等方法进行人工测定，得到的数据随机性和离散性比较大，现在采用在线连续测量，将数据立即转换为电信号，能保证检测的稳定性和准确性。在国际标准(IS07027-1984)中，透射法和散射法定为浊度仪设计的两种标准测量方法。透射法是用一束光穿过一定厚度的水样体，通过测量水样中悬浮颗粒物对入射光的吸收和散射所引起的透射光强度的衰减量来确定水样的浊度。散射法则是通过测量穿过水样的入射光束被水样悬浮颗粒物散射所产生的散射光强来确定水样浊度。透射法的原理和仪器的设计相对简单，能获得较大的浊度测量范围，但在测量低浊度时，由于微小的浊度变化所引起的透射光变化率很小，故对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性要求比较高，由于我国光源和传感器技术较落后，所以制成的透射式浊度仪与国外同类产品相比，技术性能差距比较大；而测量非常低的浊度时，散射法测量对光源及电路的稳定性要求相对较低，易于实现对仪器的稳定性要求，但是所测浊度范围较大时，散射法得到的光电转换信号将不再是浊度的线性函数，散射法在测量范围上有其局限性，散射法一般只用于较低浊度的测量，工业浊度仪上使用散射法的就比较少。

发明内容

在散射法与透射法的基础之上，本发明提供一种独特的液体浊度检测光路结构及相配套的检测方法，实现了透射喜好与散射信号的联合测量，克服了单一方法在精度和量程上的缺陷，同时利用调制解调技术有效地排除了背景光的干扰，大幅度提高测量的准确性，从而实现较大变化范围内水浊度的精确检测，确保以该方法设计的浊度仪具有较好的检测能力，能够满足大动态范围水浊度精确检测的需求。

本发明的技术方案如下：

一种大动态范围液体浊度检测光路结构，其特征在于包括壳体，所述的壳体上安装有中间具有槽形凹腔的盖板，所述的凹腔右侧壁成台阶状结构，所述盖板上凹腔左侧壁、凹腔底部、凹腔左拐角处、右侧壁上部、右侧壁下部分别安装光窗，所述的左侧壁上光窗后方的壳体内依次安装有凸透镜、探测光源，所述的凹腔底部、凹腔左拐角处、右侧壁上部、右侧壁下部光窗后方的壳体分别安装有凸透镜与光探测器，分别构成第一、第二散射光路、长皿透射光路、短皿透射光路，从探测光源发出的光，经过其前方的凸透镜扩束后入射到凹腔中的液体中，经过右侧壁上部、右侧壁下部的光窗分别被其后方的光探测器接收；凹腔底部、凹腔左拐角处光窗后方的光探测器分别接收从探测光源发出的光在液体中的散射光，所述的各个光探测器输出的电信号分别输入到由放大解调电路转化为直流电压信号，用于计算液体浊度；所述的探测光源通过调制电路实现脉冲调制。

所述的大动态范围液体浊度检测光路结构，其特征在于所述的探测光源采用红外LED，LED发光阴极位于凸透镜焦点；所述的光探测器采用光电池，位于凸透镜焦点；所述的的第一、第二散射光路中，凹腔底部、凹腔左拐角处光窗后方的光探测器分别用于接收过经过衰减后的与入射光成90°角及140°角的散射光。

所述的光路结构检测液体浊度的方法，其特征在于：

(1)、当水样浊度较高，＞400NTU时，采用长短皿法计算浊度T，这样可以不用考虑光源的老化：

$T=-\ln \frac{U_2}{U_1}/(L_2-L_1)$

式中，长皿透射光路中光探测器的输出光电压U1，短皿透射光路中光探测器的输出光电压为U2；L1为长皿透射光路的光程，L2为短皿透射光路的光程；

(2)、当水样浊度适中，为100-400NTU时，采用长皿透射光路中光探测器的输出光电压与凹腔底部光窗后方的光探测器的输出光电压比值法：

$\frac{U_{S1}}{U_{T1}}=\frac{{\mathrm{\αNI}}_0\exp (-\mathrm{\τl})}{I_0\exp (-\mathrm{\τL})}=\mathrm{\αNexp}[-\mathrm{\τ}(l-L)]$

$\≈\mathrm{\αNexp}(l/L)={K_2}^{\′}T$

式中，K′为系数，可以通过标定得到，T＝αN为水样浊度；U_T1为长皿透射光路中光探测器的输出光电压，U_T2为凹腔底部光窗后方的光探测器的输出光电压；N为水样中含有的颗粒个数，与浊度成正比；τ为衰减系数，是与发光强度无关的比例系数；a为微粒的截光面积；l为凹腔底部光探测器的散射光程。L为长皿透射光路的光程。

K′的标定过程为：采用设计的浊度测量装置，分别将检测光路置于不同浊度(400、200、100、50、25、12.5、6、0)水样中，分别测量此时的U_S1、U_T1，求比值以后以浊度为X轴、比值为Y轴做线性拟合，所得一次曲线的斜率即为K′。

(3)当水样浊度较低，＜100NTU时，LED发射的红外光经过水样中悬浮颗粒的散射后，分别由第一、第二散射光路中位于和入射光成90°角及140°角的光探测器检测，然后对两个角度的光探测器输出的光电压分别计算再做平均值，从而得到样品的浊度；

式中T₁、T₂为水的浊度；U_S1为90°散射光探测器输出电压，U_S2为140°散射光探测器输出电压；K1′、K2′在光学结构固定的情况下是定值，将公式中所有系数合并相乘，能得到一个最终的系数K1″、K2″，其大小可以通过标定得到。因此，在水样浊度较低且入射光强度(光电压表示)U₀不变的情况下，散射光强度与浊度成正比，浊度的测量转换为对散射光强度的测量。

K″的标定过程为：采用设计的浊度测量装置，分别将检测光路置于不同浊度(400、200、100、50、25、12.5、6、0)水样中，分别测量此时的U_S1、U_S2，求比值以后以浊度为X轴，U_S1、U_S2为Y轴分别做线性拟合，所得一次曲线的斜率即为K₁″、K₂″。

本发明针对不同浊度范围下散射光和透射光信号的特点，设计出一种大动态范围液体浊度检测光路结构及方法。该方法通过使用由透射探测器及长短皿组成的透射检测光路，以及由90°散射探测器、140°散射探测器组成的散射光检测光路，构成了一个四探测器的复杂光路，并使用PWM调制解调的方法进行透射和散射信号的检测，能有效排除背景光和电路噪声的干扰，提高信号检测的精确度，同时在使用单片机控制，按照所设定浊度的门限(小于100NTU，100～400NTU，大于400NTU三档)自动调整使用相适应的浊度探测方法，能有效提高浊度仪在较大变化范围内的水浊度检测能力。

附图说明

图1为本发明水浊度检测光路。

图2散射拟合曲线(0～400NTU)。

三次拟合：Y＝10.514+0.443X-0.0019X2+2.906*10-6X3  相关系数R＝0.9958。

图3散射拟合曲线(0～100NTU)。

一次拟合：Y＝11.90551+0.28717X  相关系数：R＝0.99554。

图4透射拟合曲线(0～400NTU)。

一次拟合：Y＝1.194-0.00279X  相关系数：R＝0.997。

图5比值法拟合曲线(0～400NTU)。

一次拟合：Y＝2.1052+0.1421X  相关系数：R＝0.9857。

图6为水浊度检测光路实现电路。

具体实施方式：

如图1所示，大动态范围液体浊度检测光路结构，包括壳体1，由不锈钢铸成，用于将光源，探测器和相应电路置于其中；壳体1上安装有中间具有槽形凹腔的盖板3，凹腔右侧壁成台阶状结构，所述盖板上凹腔左侧壁、凹腔底部、凹腔左拐角处、右侧壁上部、右侧壁下部分别安装光窗光窗6、9、12、15、16，左侧壁上光窗6后方的壳体内依次安装有凸透镜5、探测光源(红外LED，西门子BPW37，中心波长860nm)4，凹腔底部、凹腔左拐角处、右侧壁上部、右侧壁下部光窗9、12、15、16后方的壳体分别安装有凸透镜8、11、13、17与光探测器(光电池)7、10、14、18，分别构成第一散射光路(90°散射光路)、第二散射光路(140°散射光路)、长皿透射光路、短皿透射光路，从探测光源4发出的光，经过其前方的凸透镜5扩束后入射到凹腔中的液体中，经过右侧壁上部、右侧壁下部的光窗16、15分别被其后方的光探测器18、14接收；凹腔底部、凹腔左拐角处光窗12、9后方的光探测器10、7分别接收从探测光源4发出的光在液体中的散射光，；所述的探测光源4通过调制电路20实现脉冲调制。壳体1与盖板3之间用密封圈2和19加以密封，防止渗水；红外LED发光阴极位于凸透镜5焦点；凸透镜5用来扩束，光探测器(光电池)7用来接收140°散射光，光电池10用来接收90°散射光，光探测器(光电池)14用来接收经过短皿的光信号，光探测器(光电池)18用来接收经过长皿的光信号。光探测器(光电池)均与信号放大解调电路21相连接，每个光探测器(光电池)前方安装凸透镜8、11、13、17，用来汇聚透射和散射光，焦点位于光电池表面。探测液体浊度时，探测光源4发出的脉冲调制红外光经过长皿、短皿透射光路衰减后分别被光探测器18和光探测器14接收并转化为电信号，红外光同时经过90°、140°散射光路衰减后分别被光探测器10和光探测器7接收并由信号放大解调电路21转化为直流电压信号，用以进一步计算浊度。

表1实验结果

表1中列出了不同浊度下红外LED调制解调后，180°透射光强度与90°散射光强度的直流信号，分别对表中数据进行散射光，透射光和散射投射比值法的拟合，结果如图2至5所示。由图2、图3可知，散射法在高浓度时呈现非线性关系，不利于测量的准确性，只有在0～100NTU范围内呈现较好的线性，所以散射法精确测量浊度的范围是相当有限的；而由图4可知，因为透射法依据的是朗伯比尔定律，所以先计算出透射信号的对数值再进行拟合会在较大的动态范围内呈现较好的线性，但在测量低浊度时，由于微小的浊度变化所引起的透射光变化率很小，对在光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就非常高，在传感器和光源稳定性不够强时采用透射法会影响低浊度探测的准确性，这就大大增加了制作浊度仪的工艺和难度，提高了制造成本，所以透射法在低浊度范围内不如散射法准确；由图5可知，使用比值法在低浊度准确测量的前提下，在中等范围的浊度测量中还能获得良好的线性。

结合本发明中的光路，具体浊度检测原理如下：

(1)根据比尔定律，透射光浊度可表示为：

A＝-ln K＝TL

式中，A为吸光度，K为透光率，L为比色皿长度，T为水样浊度。如比色皿中通相同的水样，则

式中，L1为长皿长度，L2为短皿长度。水样浊度较高(＞400NTU)时，采用长短皿法计算浊度T，这样可以不用考虑光源的老化：

$T=-\ln \frac{U_2}{U_1}/(L_2-L_1)$

式中，长皿透射光路中光探测器的输出光电压U1，短皿透射光路中光探测器的输出光电压为U2；L1为长皿透射光路的光程，L2为短皿透射光路的光程；

(2)当水样浊度适中(100-400NTU)时，采用长皿透射光路中光探测器的输出光电压与凹腔底部光窗后方的光探测器的输出光电压比值法：

$\frac{U_{S1}}{U_{T1}}=\frac{{\mathrm{\αNI}}_0\exp (-\mathrm{\τl})}{I_0\exp (-\mathrm{\τL})}=\mathrm{\αNexp}[-\mathrm{\τ}(l-L)]$

$\≈\mathrm{\αNexp}(l/L)=K^{\′}T$

式中，K′为系数，可以通过标定得到，T＝αN为水样浊度。U_T1为长皿透射光路中光探测器的输出光电压，U_T2为凹腔底部光窗后方的光探测器的输出光电压；N为水样中含有的颗粒个数，与浊度成正比；r为衰减系数，是与发光强度无关的比例系数；a为微粒的截光面积；l为凹腔底部光探测器的散射光程。L为长皿透射光路的光程。

K′的确定过程为：采用设计的浊度测量装置，分别将检测光路置于不同浊度(400、200、100、50、25、12.5、6、0)水样中，分别测量此时的U_S1、U_T1，求比值以后以浊度为X轴、比值为Y轴做线性拟合，所得一次曲线的斜率即为K′。

(3)当水样浊度较低，＜100NTU，LED发射的红外光经过水样中悬浮颗粒的散射后，分别由第一、第二散射光路中位于和入射光成90°角及140°角的光探测器检测，然后对两个角度的光探测器输出的光电压分别计算再做平均值，从而得到样品的浊度；

式中T₁、T₂为水的浊度；U_S1为90°散射光探测器输出电压，U_S2为140°散射光探测器输出电压；K1′、K2′在光学结构固定的情况下是定值，将公式中所有系数合并相乘，能得到一个最终的系数K1″、K2″，其大小可以通过标定得到。因此，在水样浊度较低且入射光强度(光电压表示)U₀不变的情况下，散射光强度与浊度成正比，浊度的测量转换为对散射光强度的测量。

K″的标定过程为：采用设计的浊度测量装置，分别将检测光路置于不同浊度(400、200、100、50、25、12.5、6、0)水样中，分别测量此时的U_S1、U_S2，求比值以后以浊度为X轴，U_S1、U_S2为Y轴分别做线性拟合，所得一次曲线的斜率即为K₁″、K₂″。

(4)根据图2，将100NTU和400NTU作为检测限来决定上述三种方法的选择，即检测系统一开始用散射法测量，如果测量结果高于100NTU，则使用散射光和透射光比值法测量，如果结果超出400NTU，则使用长短皿透射法测量。

大动态范围水浊度检测实现电路

综合式光路水浊度检测实现电路如图6所示，LED使用单片机内部产生的脉冲PWM来对红外光进行调制。各光探测器测得信号经过前置放大电路、滤波电路、解调电路、二级放大电路后进入单片机进行浊度的计算。经过二级放大器后，再输入单片机的ADC(模数转换)端，进入单片机后按照综合光路水浊度的检测原理进行数据处理和计算。

大动态范围水浊度检测流程

使用该方法设计的浊度计在使用前用标准液(福尔马荆)标定，100NTU以内使用散射法标定，100-400NTU则使用散射光和透射光比值法标定，大于400NTU使用透射法标定。并且单片机会记录下浊度为100NTU和400NTU时对应的光电压。浊度仪放入水样中，浊度仪工作后LED开始按PWM的调制频率发光，四个探测器开始接收透射光和散射光并经过前置放大电路、滤波电路、解调电路输出直流信号，输入单片机按照门限分别利用散射法、比值法及长短皿法计算浊度：如果散射光的测量结果高于100NTU，则由单片机控制使用透射探测器1的光电压与90°散射光电压比值法来测量浊度，若结果超出400NTU，则由单片机控制使用长短皿两路透射光的数据来测量浊度。

Claims (3)

1.一种大动态范围液体浊度检测光路结构，其特征在于包括壳体，所述的壳体上安装有中间具有槽形凹腔的盖板，所述的凹腔右侧壁成台阶状结构，所述盖板上凹腔左侧壁、凹腔底部、凹腔左拐角处、右侧壁上部、右侧壁下部分别安装光窗，所述的左侧壁上光窗后方的壳体内依次安装有凸透镜、探测光源，所述的凹腔底部、凹腔左拐角处、右侧壁上部、右侧壁下部光窗后方的壳体分别安装有凸透镜与光探测器，分别构成第一、第二散射光路、长皿透射光路、短皿透射光路，从探测光源发出的光，经过其前方的凸透镜扩束后入射到凹腔中的液体中，经过右侧壁上部、右侧壁下部的光窗分别被其后方的光探测器接收；凹腔底部、凹腔左拐角处光窗后方的光探测器分别接收从探测光源发出的光在液体中的散射光，所述的各个光探测器输出的电信号分别输入到由放大解调电路转化为直流电压信号，用于计算液体浊度；所述的探测光源通过调制电路实现脉冲调制。

2.根据权利要求1所述的大动态范围液体浊度检测光路结构，其特征在于所述的探测光源采用红外LED，LED发光阴极位于凸透镜焦点；所述的光探测器采用光电池，位于凸透镜焦点；所述的的第一、第二散射光路中，凹腔底部、凹腔左拐角处光窗后方的光探测器分别用于接收过经过衰减后的与入射光成90°角及140°角的散射光。

3.利用权利要求1或2所述的光路结构检测液体浊度的方法，其特征在于：

(1)、当水样浊度较高，＞400NTU时，采用长短皿法计算浊度T，这样可以不用考虑光源的老化：

$T=-\ln \frac{U_2}{U_1}/(L_2-L_1)$

式中，长皿透射光路中光探测器的输出光电压U1，短皿透射光路中光探测器的输出光电压为U2；L1为长皿透射光路的光程，L2为短皿透射光路的光程；

(2)、当水样浊度适中，为100-400NTU时，采用长皿透射光路中光探测器的输出光电压与凹腔底部光窗后方的光探测器的输出光电压比值法：

$\frac{U_{S1}}{U_{T1}}=\frac{{\mathrm{\αNI}}_0\exp (-\mathrm{\τl})}{I_0\exp (-\mathrm{\τL})}=\mathrm{\αNexp}[-\mathrm{\τ}(l-L)]$

$\≈\mathrm{\αNexp}(l/L)=K^{\′}T$

式中，K′为系数，可以通过标定得到，T＝αN为水样浊度；U_T1为长皿透射光路中光探测器的输出光电压，U_T2为凹腔底部光窗后方的光探测器的输出光电压；N为水样中含有的颗粒个数，与浊度成正比；τ为衰减系数，是与发光强度无关的比例系数；a为微粒的截光面积；l为凹腔底部光探测器的散射光程。L为长皿透射光路的光程。

K′的标定过程为：采用设计的浊度测量装置，分别将检测光路置于不同浊度(400、200、100、50、25、12.5、6、0)水样中，分别测量此时的U_S1、U_T1，求比值以后以浊度为X轴、比值为Y轴做线性拟合，所得一次曲线的斜率即为K′。

(3)当水样浊度较低，＜100NTU时，LED发射的红外光经过水样中悬浮颗粒的散射后，分别由第一、第二散射光路中位于和入射光成90°角及140°角的光探测器检测，然后对两个角度的光探测器输出的光电压分别计算再做平均值，从而得到样品的浊度；

式中T₁、T₂为水的浊度；U_S1为90°散射光探测器输出电压，U_S2为140°散射光探测器输出电压；K1′、K2′在光学结构固定的情况下是定值，将公式中所有系数合并相乘，能得到一个最终的系数K1″、K2″，其大小可以通过标定得到。因此，在水样浊度较低且入射光强度(光电压表示)U₀不变的情况下，散射光强度与浊度成正比，浊度的测量转换为对散射光强度的测量。

K″的标定过程为：采用设计的浊度测量装置，分别将检测光路置于不同浊度(400、200、100、50、25、12.5、6、0)水样中，分别测量此时的U_S1、U_S2，求比值以后以浊度为X轴，U_S1、U_S2为Y轴分别做线性拟合，所得一次曲线的斜率即为K₁″、K₂″。

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