CN102778434A - 一种用于水质在线检测的浊度传感器及其检测方法 - Google Patents

一种用于水质在线检测的浊度传感器及其检测方法 Download PDF

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韩鹏
孙怀义
胡晓力
莫斌
董宁
彭红
梁晶
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Abstract

本发明公开一种用于水质在线检测的浊度传感器及其检测方法，该浊度传感器包括壳体和光源；所述光源设于壳体内，光源的前端依次设有石英玻璃片，以及同轴的光通道和水通道；所述水通道的外壁上周向设有光电转换器；光电转换器通过电缆线与设于壳体内的单片机相连，单片机的输出端通过电缆与外接设备相连，单片机将光电转换器输出电压转换为浊度值并进行显示和处理。本发明光电转换器成环状布置于水通道外侧，从而最大限度增加了接收有效散射光的量，使得系统无需增加运算放大器件即可进行信号采样；在检测方法中对光源的工作时间进行调整，增加了光源使用寿命；检测方法中采用滑动窗口算法，增加了检测稳定性。

Description

一种用于水质在线检测的浊度传感器及其检测方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，尤其涉及一种用于水质在线检测的浊度传感器及其检测方法。
 
背景技术
随着人们生活水平的提高，以及对饮水与健康关系研究的不断深入，人们对饮用水水质的要求也在不断提高。浊度是水样光学性质的一种表达语，它不但是衡量水质良好程度的重要指标之一，也是考核水处理效果的重要依据，因此，对浊度的在线监测具有非常重要的现实意义。
浊度检测的基本原理为：使用一束固定波长的入射光射入待检测的水体中，在入射光的一个固定角度（一般为90°）上和距离处检测水体散射光强度。检测散射光的器件主要由硅光电池、光电接收管、光电倍增管等光电转换器件构成。例如CN201010249430.9公开了一种水质浊度检测装置。其结构包括光电开关及具有进水口与出水口的壳体,所述壳体的上下两面均为相互对应的全透视玻璃板,在下面玻璃板的下面设有反射板,所述光电开关与反射板的位置相对应,在壳体内设有保持上下玻璃面全透视效果的擦试装置。它是利用光的反射原理,使光线通过水质层到达反射板,通过反射板的反射再经水质层,检测有多少光线反射回去,加以辨别,得出水质的浑浊数据。
至今所公布的文献中，散射光检测都是在入射光90°方向，并且仅在一个位置部署散射光接收元件，这样导致接收的散射光量非常有限，使得系统必须增加运算放大器件，运算放大器件用于放大光电转换器件的输出电流，才能实现有效的信号检测。特别是在饮用水等低浊度水质检测应用中更是如此。一方面，运算放大器件增加了检测系统环节，带来一定程度可靠性的下降；另一方面，运算放大器件本身会受到温度影响，产生零点漂移问题，从而降低了浊度检测的准确性。
在浊度检测中，光源是非常重要部分，光源的强度和稳定性，直接影响检测的效果。一般情况下，较强的光源所产生的散射光强也较强，使得检测散射光也更容易。光源器件的输出光功率越大，器件的温度会越高，导致光强稳定性变差，器件寿命缩短。
 
发明内容
针对现有技术散射光检测都是在入射光90°方向，导致接收的散射光量非常有限，影响浊度检测的准确性的不足，本发明的目的在于提供一种浊度检测的准确性高，而且结构简单的一种用于水质在线检测的浊度传感器及其检测方法。
一种用于水质在线检测的浊度传感器，包括壳体和光源；其特征在于，所述光源设于壳体内，光源的前端依次设有石英玻璃片，以及同轴的光通道和水通道；所述水通道的外壁上周向设有光电转换器；光电转换器通过电缆线与设于壳体内的单片机相连，单片机的输出端通过电缆与外接设备相连，单片机将光电转换器输出电压转换为浊度值并进行显示和处理。
进一步，所述水通道的入水口设于壳体的侧壁并与光通道相通，水通道的出水口设于壳体的一端部或侧壁。
所述水通道由石英玻璃管制成。
所述环形的光电转换器由数个单体结构串连而成。
所述光电转换器为1～3个环形结构，轴向设于水通道的外壁。
所述光源为激光二极管，光源与光电转换器成90度布置。
本发明的检测方法，包括如下步骤：
步骤1，将待检测水体流过水通道，开启光源；
步骤2，单片机等待500ms，目的是为了光源产生光源稳定；
步骤3，单片机记录光电转换器输出电压，光电转换器输出电压通过单片机的ADC模块将模拟信号转换为数字信号；
步骤4，根据得到的光电转换器输出电压，单片机执行滑动窗口平均算法，其中N取值为10，其步骤为：删除前第10次记录值；将本次结果与前9次记录进行累加；将累加值除以10，得到一个平均值；
步骤5，单片机通过设定的浊度拟合函数将上述平均值转换为浊度值，并输出结果；
步骤6，单片机关闭光源500ms，关闭时间可根据需要设定为不同值，目的为等待光源冷却，然后重复步骤1至5。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过将光源、光通道和水通道同轴设置，将光电转换器成环状部置于水通道的外侧，最大程度（即360°）收集水体的散射光，从而最大限度增加了接收有效散射光的量，使得系统无需增加运算放大器件即可进行信号采样，提高了浊度检测的准确性；而且，简化了结构，保证了产品的稳定性和可靠性。
2、本发明光源采用激光二极管光源，并采用间歇性工作方式，不降低光功率的条件下，使用其寿命增长。
3、本发明检测方法中采用滑动窗口算法，增加了检测稳定性。
4、本发明浊度传感器结构简单，成本较低。
 
附图说明
图1是一种用于水质在线检测的浊度传感器结构剖视图。
图2是一种用于水质在线检测的浊度传感器光电转换器放大俯视图。
图3是一种用于水质在线检测的浊度传感器检测方法图。
其中，1-壳体，2-水通道，21-入水口，22-出水口，3-光电转换器，4-光源，5-单片机，6－光通道，7－密封圈，8-石英玻璃片，9-石英玻璃管。
 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步详细阐述。
如图1所示，一种用于水质在线检测的浊度传感器，包括壳体1和光源4；所述光源4设于壳体1内，光源4的前端依次设有石英玻璃片8，以及同轴的光通道6和水通道2；所述水通道2的外壁上周向设有环形的光电转换器3；光电转换器3通过电缆线与设于壳体1内的单片机5相连，单片机5的输出端通过电缆与外接设备相连，单片机5将光电转换器3输出电压转换为浊度值并进行显示和处理；所述光源4为激光二极管，光源4与光电转换器3成90度布置。
进一步，所述水通道2的入水口21设于壳体1的侧壁并与光通道6相通，水通道2的出水口22设于壳体1的一端部或侧壁。所述水通道2由石英玻璃管9制成。
如图2，所述环形的光电转换器3由数个单体结构串连而成。
其中，壳体1，壳体采用黑色无毒尼龙材料；在光源4和石英玻璃片8之间，以及水通道2与壳体1连接的两端均设有密封圈7，各密封圈可采用丁氰材料的O型圈。
所述光电转换器3，可选用由西门子BPW 33硅光电池串联而成。水通道2由石英玻璃管9制成，石英玻璃的透光性较佳，加上光电转换器3是环形布置于水通道（石英玻璃管9）的外侧，此种设计可以最大限度收集散射光的量。设于壳体2内的单片机5可选用ATmega16，该单片机具有ADC模块，可以将光电转换器的输出电压数字化，同时单片机具有UART和SPI等串行通信接口，可以将处理后的浊度值输出，所述单片机5将光电转换器3输出电压转换为浊度值；设于壳体1外的电源（图中未示），其通过设有开关的导线分别与光源与单片机5电源输入端相连。
参见图3，使用本发明一种用于水质在线检测的浊度传感器，进行水质在线检测的方法，包括如下步骤：
步骤1，将待检测水体流过水通道，开启光源（激光二极管）；
步骤2，单片机等待500ms，目的是为了光源产生光源稳定；
步骤3，单片机记录光电转换器输出电压，光电转换器输出电压通过单片机的ADC模块将模拟信号转换为数字信号；
步骤4，根据得到的光电转换器输出电压，单片机执行滑动窗口平均算法，其中N取值为10，其步骤为：删除前第10次记录值；将本次结果与前9次记录进行累加；将累加值除以10，得到一个平均值；
步骤5，单片机通过设定的浊度拟合函数将上述平均值转换为浊度值，并输出结果；
步骤6，单片机关闭光源500ms，关闭时间可根据需要设定为不同值，目的为等待光源冷却，然后重复步骤1至5，直至输出浊度值稳定，检测步骤结束。
一般的情况下水体浊度的变化非常缓慢，无需长时间开启光源进行不间断检测，本发明通过控制Twait和Tshutdown时间，对光源的工作时间进行调整，从而增加了光源器件的寿命。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于水质在线检测的浊度传感器，包括壳体（1）和光源（4）；其特征在于，所述光源（4）设于壳体（1）内，光源（4）的前端依次设有石英玻璃片（8），以及同轴的光通道（6）和水通道（2）；所述水通道（2）的外壁上周向设有光电转换器（3）；光电转换器（3）通过电缆线与设于壳体（1）内的单片机（5）相连，单片机（5）的输出端通过电缆与外接设备相连，单片机（5）将光电转换器（3）输出电压转换为浊度值并进行显示和处理。
2.根据权利要求1所述用于水质在线检测的浊度传感器，其特征在于，所述水通道（2）的入水口（21）设于壳体（1）的侧壁并与光通道（6）相通，水通道（2）的出水口（22）设于壳体（1）的一端部或侧壁。
3.根据权利要求1或2所述用于水质在线检测的浊度传感器，其特征在于，所述水通道（2）由石英玻璃管制成。
4.根据权利要求1所述用于水质在线检测的浊度传感器，其特征在于，所述光电转换器（3）由数个单体结构串连成环状。
5.根据权利要求4所述用于水质在线检测的浊度传感器，其特征在于，所述光电转换器（3）为1～3个环形结构，轴向设于水通道（2）的外壁。
6.根据权利要求1所述用于水质在线检测的浊度传感器，其特征在于，所述光源（4）为激光二极管，光源（4）与光电转换器（3）成90度布置。
7.一种水质在线检测的方法，其特征在于，采用权利要求1所述用于水质在线检测的浊度传感器，包括如下步骤：
步骤1，将待检测水体流过水通道，开启光源；
步骤2，单片机等待500ms，目的是为了光源产生光源稳定；
步骤3，单片机记录光电转换器输出电压，光电转换器输出电压通过单片机的ADC模块将模拟信号转换为数字信号；
步骤4，根据得到的光电转换器输出电压，单片机执行滑动窗口平均算法，其中N取值为10，其步骤为：删除前第10次记录值；将本次结果与前9次记录进行累加；将累加值除以10，得到一个平均值；
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