CN103499539B - 基于光学原理的水产养殖浊度探测仪以及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于光学原理的水产养殖浊度探测仪以及方法，其中基于光学原理的水产养殖浊度探测仪包括：光学系统、控制系统以及为光学系统、控制系统提供电源的电源系统；所述光学系统包括多个光源发射装置、盛放样本瓶的容纳槽体以及均与所述光源发射装置同等数量的准直透镜、光电探测器；所述控制系统包括I‑U转换电路、滤波放大电路、A/D转换电路以及ARM处理单元。本发明可以准确地检测水产养殖水体的浊度与透明度综合指标，使得养殖人员更好地了解水质状况。

Description

基于光学原理的水产养殖浊度探测仪以及方法

技术领域

本发明涉及光谱检测技术、机械电子设计技术和水体浊度检测技术，尤其是一种基于光学原理的水产养殖浊度探测仪以及方法。

背景技术

俗话说：“养鱼先养水”。要想取得水产养殖成功，最关键的是将水质调控做到位。而水质调控的关键是：溶解氧、透明度、酸碱度等。中华人民共和国行业标准规定，透明度的测定可使用赛氏盘法或者透明度计法，其测量原理相同。透明度计法适用于天然水和轻度污染水，圆盘法适用于地面水的现场测定。这两种测定方法均依赖于观测者的主观判断，误差较大，不适用于水产精细养殖。

为了实现透明度的数字化精确测量，行业均通过测定浊度替代透明度指标。浑浊度为水样光学性质的一种表达语，是由于水中存在不溶性物质引起的，它使入射光发生散射和吸收，而不是直线透过水样。浊度的原理：当光线照射到液面上，入射光强、透射光强、散射光强相互之间比值和水样浊度之间存在一定的相关关系，通过测定透射光强，散射光强和入射光强或透射和散射值的比值来测定水样的浊度。国际标准化组织在其推荐的ISO7027中，将散射法和透射法定为浊度仪的两种标准测量方法。商业化绝大多数浊度计采用散射法测量，其工作原理如下：一束平行光在透明液体中传播，如果液体中无任何悬浮颗粒存在，那么光束在直线传播时不会改变方向；若有悬浮颗粒、光束在遇到颗粒时就会改变方向(不管颗粒透明与否)，这就形成所谓散射光。颗粒愈多(浊度愈高)，光的散射就愈严重。透射法浊度仪的工作原理如下：用一束光通过一定厚度的待测水样并测量待测水样中的悬浮颗粒对入射光的吸收和散射所引起的透射光强度的衰减量来测定待测水样浊度，该方法又称为比浊法。理论上认为，散射法具有透射法不可比拟的优势：在90度方向的散射光，不受颗粒尺寸的影响，这样，即使水样中有不同尺寸的颗粒物但仍可取得较高的准确度。

但是，有颜色的物质对入射光产生吸收，如果一部分散射光被吸收，则检测器检测到的散射光将减少，测量的浊度值偏低。此时往往使用采用比浊计加以修正。另外，当入射光强度相同时，颗粒物浓度越高，它所引起的光散射与吸收将会成倍增加。此时需要在浊度仪光路中增设前向或者后向散射光检测器。可见，基于散射法的浊度仪主要用于悬浮物浓度较低以及无色的水体(如饮用水)检测。由于在实际的水产养殖环境中，有颜色的物质(如藻类)大量存在，因此理论上讲，基于散射法的浊度仪并不适用于养殖环境水体透明度的测量。而且，在水产养殖中，透明度的测量尚不能用浊度完全取代，光能到达的地方才能使水生植物进行光合作用，因此透明度仍然是一个重要的指标。这意味着，水产养殖实践中需要有一种能够综合测量透明度和浊度综合指标的测定仪。

美国哈希公司生产的2100Q便携式浊度仪，发光二极管(860nm)为主动光源，测量范围为0～1000NTU。利用哈希公司专利的比率测量，双检测器的光学系统可以对样品的色度、光线波动以及杂散光进行补偿，对于大多数样品而言，即使在现场环境恶劣的条件下，仍可以获得实验室级别的测量性能。但是，由于比值法用到了散射，不能测量高浊度，从而导致测量范围有限。加上存储空间有限，不适合短时间内多次测量。同时，不能提供入射光透过率的信息。

总之，提供一种能够在现场进行测量的、能够同时快速测定水体的浑浊度和透明度的综合参数、精度较高、测量范围较广和数据储存量较大的检测仪器对于现代化水产养殖业来说是非常有价值的，该仪器的应用能够为水产养殖业提供一种精确信息化手段来获取有参考价值的参数，并帮助其实现快速现场测量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是，提供一种基于光学原理的水产养殖浊度探测仪以及方法，所述浊度探测仪能够实现在现场进行测量、能够同时快速测定水体的浑浊度和透明度的综合参数、精度较高、测量范围较广。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光学原理的水产养殖浊度探测仪，包括：光学系统、控制系统以及为光学系统、控制系统提供电源的电源系统；

所述光学系统包括多个光源发射装置、盛放样本瓶的容纳槽体以及均与所述光源发射装置同等数量的准直透镜、光电探测器；所述容纳槽体的槽壁上设有与容纳槽体轴线垂直的光源安装腔和与所述光源安装腔位置相对的探测器安装孔；所述光源安装腔内依次安装所述光源发射装置、准直透镜，所述准直透镜位于容纳槽体和光源发射装置之间；所述光源发射装置发出的光线经准直透镜后垂直入射到容纳槽体中样本瓶里的水样，所述光电探测器位于通过水样的光线光路上，探测入射光的透射光强和散射光强并将接收到的光信号转换为电信号；

所述控制系统包括I-U转换电路、滤波放大电路、A/D转换电路以及ARM处理单元；所述I-U转换电路用于将光电探测器传送的电信号进行I-U转换，将转换后得到的电压信号放大，得到一次放大信号并将所述一次放大信号传送至滤波放大电路；所述滤波放大电路用于对所述一次放大信号进行放大滤波处理，得到二次放大信号并将所述二次放大信号传送至A/D转换电路；所述A/D转换电路用于对所述二次放大信号进行A/D转换，得到相应的数字信号并将所述数字信号向ARM处理单元发送，其中，所述数字信号为入射光的透射和散射叠加值；所述ARM处理单元用于接收所述数字信号，根据所述数字信号的大小选择相应的浊度计算模型，基于所述数字信号计算出吸光度值，并根据所述吸光度值通过所述相应浊度计算模型计算样本瓶中水样的浊度值，以及根据所述浊度值计算样本瓶中水样的透明度。

其中，所述容纳槽体为圆柱体。

其中，所述容纳槽体的槽壁上设有两竖排光源安装腔，每排设有两个所述光源安装腔；两排光源安装腔所在的平面互相垂直。

其中，位于同一排的光源安装腔均匀分布在容纳槽体的槽壁上。

其中，所述电源子系统包括第一电源电路以及第二电源电路，所述第一电源电路用于为光源发射装置提供电源，所述第二电源电路用于为I-U转换电路、滤波放大电路、A/D转换电路以及ARM处理单元提供电源。

其中，所述控制系统还包括均与所述ARM处理单元电连接的显示单元、存储单元。

其中，所述控制系统还包括均与ARM处理单元电连接的GPS模块以及浊度绘制模块，所述GPS模块用于获取水样中单点水体的GPS坐标信息，所述浊度绘制模块用于将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度分布示意图。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种基于光学原理的水产养殖浊度探测方法，包括：

探测入射光的透射光强和散射光强并将接收到的光信号转换为电信号；

接收经光电转换处理的电信号；

对所述电信号进行I-U转换，得到电压信号；

对所述电压信号进行放大，得到一次放大信号，并对所述一次放大信号进行放大滤波处理，得到二次放大信号；

对所述二次放大信号进行A/D转换，得到相应的数字信号；其中，所述数字信号为透射和散射叠加值；

根据所述数字信号的大小选择相应的浊度计算模型，基于得到的数字信号计算出吸光度值，并根据所述吸光度值通过所述相应浊度计算模型计算样本瓶中水样的浊度值，以及根据所述浊度值计算样本瓶中水样的透明度。

其中，基于所述数字信号计算出吸光度值的计算公式为：A＝lg[I_s(λ)/I_z(λ)]，其中，A为吸光度值，I_s(λ)为标准液的透射和散射叠加值，I_z(λ)为不同浊液的透射和散射叠加值。

其中，所述根据所述数字信号的大小选择相应浊度计算模型包括：

判断所述数字信号是否小于预置阈值；

若是，则选择低浊度计算模型来计算样本瓶中水样的浊度；其中，所述低浊度计算模型为：y＝1104.9x-18.26，其中x为吸光度，y为浊度值；

若否，则选择高浊度计算模型来计算样本瓶中水样的浊度；其中，所述高浊度计算模型为：y＝79.02e^2.659x，其中x为吸光度，y为浊度值。

其中，所述方法通过使用浊度值和透明度的关系模型来计算样本瓶中水样的透明度；其中，所述关系模型为：y＝1769.7x^-0.588，其中y为透明度，x为浊度值。

其中，在根据所述吸光度值通过所述相应浊度计算模型计算样本瓶中水样的浊度值之后还包括：获取水样中单点水体的GPS坐标信息，并将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度分布示意图。

(三)有益效果

区别于背景技术，本发明可以准确地检测水产养殖水体的浊度与透明度综合指标，使得养殖人员更好地了解水质状况。本发明采用同时测量透射和散射叠加值来求吸光度的方法，不仅提高了吸光度公式应用的适用性和准确性，也通过两个或多个光电探测器同时采集取平均的方法进一步提高了数值精确度。建立的分段测定模型精度高，可以满足水产养殖水质检测需求。上下两路分别测量求平均值的方式，减少了不同水样对浊度仪的影响，进一步保障了检测的精度并提高了检测稳定性。

附图说明

图1是本发明基于光学原理的水产养殖浊度探测仪的模块结构图；

图2是一实施方式中光学系统的结构图；

图3是基于图2所示实施方式中光学系统的俯视截面图；

图4是一实施方式中第一电源电路的电路图；

图5是一实施方式中第二电源电路的电路图；

图6是一实施方式中I-U转换电路；

图7是一实施方式中滤波放大电路；

图8是一实施方式中A/D转换电路；

图9是另一实施方式中控制系统的模块图；

图10是一实施方式中液晶显示电路图；

图11是本发明基于光学原理的水产养殖浊度探测方法的示意流程图。

标号说明：

10：光学系统，101：容纳槽体，1010：水体样本，

1021～1024：光源发射装置，1031～1034：光电探测器，1041、1043：准直透镜，

105(1051、1053)：光源安装腔；106：轴线，

20：控制系统，201：I-U转换电路，202：滤波放大电路，203：A/D转换电路，204：ARM处理单元，205：显示单元，206：存储单元。

具体实施方式

请参阅图1至图5，本实施方式提供了一种基于光学原理的水产养殖浊度探测仪，包括：光学系统10、控制系统20以及为光学系统10、控制系统20提供电源的电源系统。

光学系统10包括多个光源发射装置1021、盛放样本瓶的容纳槽体101以及均与所述光源发射装置1021同等数量的光电探测器1031、准直透镜1041。所述容纳槽体101的槽壁上设有与容纳槽体轴线106垂直的光源安装腔105和与所述光源安装腔105位置相对的探测器安装孔。光电探测器1031固定安装在探测器安装孔内。所述光源安装腔105内依次安装所述光源发射装置1021、准直透镜1041，所述准直透镜1041位于容纳槽体101和光源发射装置1021之间；所述光源发射装置1021发出的光线经过准直透镜1041后垂直入射到容纳槽体101中样本瓶的水体样本1010(即水样)，所述光电探测器1031位于通过水样(水体样本1010)的光线光路上，探测入射光的透射光强和散射光强并将接收到的光信号转换为电信号。在本发明中，某一光电探测器对于入射光的透射光强和散射光强是同时探测的。

本领域人员应当理解的是，上述说明只以一个光源发射装置1021、准直透镜1041以及光电探测器1031为例进行的总体阐述，其他未标识或未提到的光源发射装置、准直透镜以及光电探测器的技术特征应与上述提到的一样。由于透射光及散射光采集的角度需要，因此光源发射装置需与容纳槽体的轴线106垂直，且光源发射装置、准直透镜和光电探测器位于同一条直线上。

在图2及图3所示的具体实施方式中，容纳槽体101为圆柱体，在其他实施方式中，容纳槽体101还可以为长方体、正方体、正六边形体、正八边形体等。在本实施方式中，容纳槽体101的槽壁上设有两竖排光源安装腔105，每排设有两个所述光源安装腔105，两排光源安装腔所在的平面互相垂直，位于同一排的光源安装腔均匀分布在容纳槽体的槽壁上。光源发射装置设有4个，分别为光源发射装置1021、光源发射装置1022、光源发射装置1023、光源发射装置1024；与光源发射装置相对应的，准直透镜和光电探测器(1031～1034)均设置有四个，图3只标出了两个准直透镜：准直透镜1041(与光源发射装置1021安装在同一个光源安装腔1051内)和准直透镜1043(与光源发射装置1023安装在同一个光源安装腔1053内)。现以光源发射装置1021为例进行光线的传输说明。光源发射装置1021和1023同时发出光线(即入射光)后，入射光经准直透镜1041和1043垂直入射到容纳槽体101的水样中，光源发射装置1021入射光经过水样传播后的透射光线以及光源发射装置1023入射光经过水样传播后的散射光线被光电探测器1031接收。光电探测器1031主要探测通过水样后的光线的透射光强和散射光强，并将接收到的光信号转换为电信号。在本实施方式中，光源发射装置可以为LED光源，光电探测器为InGaAs光电探测器。

在其他实施方式中，在满足“光源发射装置需与容纳槽体的轴线垂直，且光源发射装置、准直透镜和光电探测器位于同一条直线上”的前提下，光源安装腔、光源发射装置、准直透镜和光电探测器的位置以及个数可根据需要具体设定。

由于外界电源不稳定会引起光源光强和光谱波动，应该对光源发射装置采用恒流源电路供电，因此作为本发明的进一步改进，在上述某些具体的实施方式中，电源子系统包括第一电源电路以及第二电源电路，所述第一电源电路用于为光学系统10的光源发射装置提供电源，所述第二电源电路用于为光电探测器以及控制系统20的各单元提供电源。

在如图4所示的实施方式中，第一电源电路用LM317构成恒流供电电路，其中LM317输入端接地，根据输出端与控制端之间形成1.25V稳定电压的原理，形成稳流源电路为光源发射装置提供稳流源。

本发明基于光学原理的水产养殖浊度探测仪所用电源为9伏干电池,而电路中各个芯片的工作电压值为5伏，这需要电源转换电路来实现。在如图5所示的实施方式中，第二电源电路采用L7805芯片用来将电池的9V电压转化为5V芯片供电电压。

应当理解的是，能够实现上述第一电源、第二电源功能的电路均属于本发明包含的范围。

再请参阅图1并结合图6至图8，在本实施方式中，所述控制系统20包括I-U转换电路201、滤波放大电路202、A/D转换电路203以及ARM处理单元204。

I-U转换电路201用于将光电探测器传送的电信号进行I-U转换，将转换后得到的电压信号放大，得到一次放大信号并将所述一次放大信号传送至滤波放大电路。请参阅图6，在某些具体的实施方式中，由于所采用的光源发射装置是LED光源，经准直透镜传输后的光信号比较微弱，再经过InGaAs光电探测器转换后得到的电信号则更加微弱，因此图6是由CA3140实现的I-U转换电路，还结合了高输入阻抗的集成运算放大器CA3140，使得本电路在实现I-U转换的同时，还实现了微弱信号的一次放大功能及抗各种噪声的干扰。

滤波放大电路202用于对所述一次放大信号进行放大滤波处理，得到二次放大信号并将所述二次放大信号传送至A/D转换电路。请参阅图7，在某些具体的实施方式中，滤波放大电路202即一次放大信号的二次放大功能电路是由LM358实现的，通过调节R9电位器的阻值将信号放大了合适的倍数，通过R-C组成的一阶低通滤波器将信号送入AD7705芯片进行A/D转换。

A/D转换电路203用于对所述二次放大信号进行A/D转换，得到相应的数字信号并将所述数字信号向ARM处理单元发送。在这里，数字信号即为入射光的透射和散射叠加值。请参阅图8，在某些具体的实施方式中，A/D转换电路主要由一款16位分辨率，2通道全差分模拟输入的三线串行输入的模数转换器AD7705芯片实现。AD7705采用SP I Q SP I兼容的三线串行接口，能够方便地与微控制器连接,也比并行接口方式大大节省了CPU的IO口。AD7705是完整的16位A/D转换器。它采用了Σ-Δ技术，可以获得16位无误码数据输出。这一点非常符合对分辨率要求较高但对转换数字要求不高的应用，通过外接晶体振荡器、精密基准源和少量去耦电容,即可连续进行A/D转换。通过与REF195相连可以使基准电压提高到5V，达到使用要求。

应当理解的是，能够实现上述I-U转换电路201、滤波放大电路202、A/D转换电路203功能的电路均属于本发明包含的范围。

ARM处理单元204用于接收所述数字信号，根据所述数字信号的大小选择相应的浊度计算模型，基于所述数字信号计算出吸光度值，并根据所述吸光度值通过所述相应浊度计算模型计算样本瓶中水样的浊度值，以及根据所述浊度值计算样本瓶中水样的透明度。请参阅图9及图10，控制系统20还包括均与所述ARM处理单元204电连接的显示单元205、存储单元206。ARM处理单元204计算完的浊度值和透明度可传输至显示单元205显示，也可传输至存储单元206存储起来。

在某些具体的实施例中，显示单元205为液晶显示屏，液晶显示电路具体如图10所示，采用QC12864B汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字和图形，内置8192个中文汉字(16*16点阵)、128个字符(8*16点阵)及62*256点阵显示RAM64点阵，点大小0.48*0.48mm²，点间距0.04mm。在另外的某些具体实施例中，存储单元206为外接U盘，ARM处理单元204可通过MAX232芯片实现单片机和U盘存储模块(即存储单元206)之间的数据通信。

在上述某些实施例中，控制系统还包括GPS模块以及浊度绘制模块，所述GPS模块和浊度绘制模块都与ARM处理单元电连接。在本实施例中，所述浊度绘制模块为基于嵌入式浊度绘制组件MapX开发的模块。所述GPS模块用于获取水样中单点水体的GPS坐标信息，所述浊度绘制模块用于将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度分布示意图。此示意图可为水质调控提供决策依据，更好地指导水产养殖人员对水质和水体中动植物进行调控，提高产量。

在上述另外的某些实施例中，控制系统还包括GPS模块和无线发送模块，GPS模块和无线发送模块均与ARM处理单元电连接。控制系统的ARM处理单元采集单点水体水样浊度信息，并将此信息发送至无线发送模块。GPS模块用于获取单点水体的GPS坐标信息，并将此GPS坐标信息发送至无线发送模块。无线发送模块用于将接收到的GPS坐标信息和相应单点水体的浊度值发送至上位机。上位机将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度专题图。在另外的实施例中，GPS模块可为单独的GPS仪器，在采集完水样中单点水体的GPS坐标信息后进行记录并发送至上位机。上位机将从GPS仪器接收到的GPS坐标信息和从ARM处理单元接收到的单点水体浊度值结合，绘制水样的整体浊度专题图。浊度专题图采用VC+MapX的方法实现，将单点水体浊度和GPS坐标信息结合，生成更为细致的浊度专题分布图，实现单点水质浊度显示、插值、小区面积测算、小区水质浊度等值线图生成，为水质调控提供决策依据，更好地指导水产养殖人员对水质和水体中动植物进行调控，提高产量。应当理解的是，运用其他绘制模块或仪器完成浊度分布示意图或专题图的方案均属于本发明的保护范围。

由上可以看出，本发明可以准确地检测水产养殖水体的浊度与透明度综合指标，使得养殖人员更好地了解水质状况。并且仪器外型小巧，采用可充电电池供电，方便携带。键盘功能键简捷易懂，操作简单，容易使用。本发明采用同时测量透射和散射值来求吸光度的方法，不仅提高了吸光度公式的适用性和准确性，也通过两个或多个光电探测器同时采集取平均的方法进一步提高了数值精确度。建立的分段测定模型精度高，可以满足水产养殖水质检测需求。上下两路分别测量求平均值的方式，减少了不同水样对浊度仪的影响，进一步保障了检测的精度并提高了检测稳定性。

请参阅图11，针对上述基于光学原理的水产养殖浊度探测仪，本发明还提供一种基于光学原理的水产养殖浊度探测方法，其原理是：通过测量多层光路检测以及分段建模的思想来计算待测样本的吸光度的技术测量水体浊度，仍然使用目前通用的浊度仪浊度单位(NTU)。

(A)多层光路检测：为了提高检测仪的精确度，减少水中颗粒运动对结果的影响，本发明将多个光源发射装置设置在容纳槽体的槽壁上，且至少两个光源发射装置位于不同的高度(即实现多层光路设计)。使用分别采集每层光源发射装置的方式来测量水体透射光强和散射光强，从而求得每层水体的浊度值及多层水体的浊度值总和，最后通过求浊度值总和的平均值得出最终测定的浊度值：即浊度值总和除以层数就可以得到平均值，将此平均值作为最终测定的浊度值。这种测量方法可在一个测定端同时获得水体透射率和90°散射率，将水样中颗粒不均匀分布和测量过程中颗粒沉淀对浊度以及颜色等的影响降到最低，提高了测量精度。应当理解的是，即使只有一层光路，本发明同样可以实现浊度的测量，相比一层光路，多层光路的设计测得的结果更为准确。

(B)分段建模：为了准确测定水体浊度，本发明利用同一波段的标准浊液的吸光度，建立了低浊度(高透明度)计算模型(0～1000NTU)和高浊度(低透明度)(1000～4000NTU)计算模型两个浊度计算模型，并通过此两个浊度计算模型检测并计算现场水体样本的浊度值。结合图1-图3，模型建立的具体过程如下所示。

①低浊度计算模型建模过程

配置两组各23个福尔马肼浊度标准液，其浊度值从低到高分别是：2，4，6，8，10，20……100，200……1000NTU。

首先，将蒸馏水作为参考样本，分别开启上层和下层的光源，获得光电探测器1031和光电探测器1032测量的透射和散射叠加值，其平均测量值为

用仪器按照以上方法测量浊度标准液，得到23个测量值I_zn(λ)(n＝1……23)。

根据公式得出吸光度。其中A为吸光度，I_zn(λ)为不同浊液的透射和散射叠加值。将其与相应的浊度值建立模型，得到一元线性模型公式为y＝1104.9x-18.26，其中x为吸光度，y为浊度值。

方程经另组的23个浊度标准样本验证，得到建模精度为0.9942，校验精度为0.999。

②高浊度计算模型建模过程

配置两组各8个福尔马肼浊度标准液，其浊度值从低到高分别是：1000,1250,1500,2000,2500,3000,3500,4000NTU。

首先用光电探测器1033和光电探测器1034测量浊度为1000NTU的浊度标准液，并最终测量其透射和散射叠加值，平均测量值为I_s'(λ)。

用仪器按照以上方法测量不同浊度标准液，得到7个测量值I_z'n(λ)(n＝1……7)。

根据公式A＝lg[I_s'(λ)/I_z'n(λ)]，得出吸光度。其中A为吸光度，I_z'n(λ)为不同浊液的透射和散射叠加值。将其与相应的浊度值建立模型，得到非线性模型(指数模型)为y＝79.02e^2.659x，其中x为吸光度，y为浊度值。

方程经另组的8个浊度标准样本验证，得到建模精度为0.9434，校验精度为0.968。

③透明度模型的建立过程

配置30个福尔马肼浊度标准液，其浊度值从低到高分别是：2，4，6，8，10，20……100，200……1000，1250，1500，2000，2500，3000，3500，4000NTU。

针对每个标准浊度样本，使用塞氏盘测量其透明度。

透明度在整个浊度范围内呈乘幂的关系，模型如下：y＝1769.7x^-0.588，其中y为透明度，x为浊度值。

本发明结合计算吸光度值和分段建模的方法，很好的解决了测量范围有限的问题，通过同时测量散射和透射值来计算吸光度，简化了比尔定律的条件同时增加了其适用性，使建模效果更精确，有效提高了测量精度。

具体的，结合图1-图3和图11，为能更好地理解本技术方案，下面以设有四个光源发射装置的浊度探测仪为例，对本发明方法进行具体阐述。图1至图3所示的浊度探测仪，其容纳槽体101的槽壁上设有两竖排光源安装腔105，每排设有两个所述光源安装腔105，两排光源安装腔所在的平面互相垂直，位于同一排的光源安装腔均匀分布在容纳槽体的槽壁上。光源发射装置设有4个，分别为光源发射装置1021、光源发射装置1022、光源发射装置1023、光源发射装置1024；与光源发射装置相对应的，准直透镜和光电探测器(1031～1034)均设置有四个，图3只标出了两个准直透镜：准直透镜1041(与光源发射装置1021安装在同一个光源安装腔1051内)和准直透镜1043(与光源发射装置1023安装在同一个光源安装腔1053内)。针对此仪器，其所用的探测原理是：测量两层四路光线的透射和散射叠加值来计算待测样本的吸光度的技术测量水体浊度，仍然使用目前通用的浊度仪浊度单位(NTU)。为了能实现低浊度水样和高浊度水样的浊度测量，本发明将光电探测器1031和光电探测器1032设定用于测量低浊度水样，将光电探测器1033和光电探测器1034设定用于测量高浊度水样。

首先，光源发射装置1021和1023同时发出光线，此光线作为入射光经过准直透镜1041和1042后垂直射入水样中。

在步骤S1101，入射光通过水样后，光电探测器1031探测两束入射光的透射光强和散射光强并将接收到的光信号转换为电信号。

在步骤S1102，控制系统20接收经光电转换处理的电信号。

在步骤S1103，I-U转换电路201对所述电信号进行I-U转换，得到电压信号。

在步骤S1104，滤波放大电路202对所述电压信号进行放大，得到一次放大信号，并对所述一次放大信号进行放大滤波处理，得到二次放大信号。

在步骤S1105，A/D转换电路203对所述二次放大信号进行A/D转换，得到相应的数字信号。在这里，数字信号即为两束入射光共同作用于水体样本产生的透射和散射叠加值。

在步骤S1106，ARM处理单元204根据所述数字信号的大小选择相应的浊度计算模型，并基于探测到的透射和散射叠加值计算出吸光度值，根据所述吸光度，通过相应浊度计算模型计算出样本瓶中水样的浊度，以及根据所述浊度值计算样本瓶中水样的透明度。

在某些实施例中，ARM处理单元204根据所述数字信号的大小判断浊度高低，从而选择相应的测量方式以及相应的浊度计算模型。具体的，所述根据所述数字信号的大小选择相应的浊度计算模型度包括：

判断所述数字信号是否小于预置阈值；

若是，则选择低浊度计算模型来计算样本瓶中水样的浊度；其中，所述低浊度计算模型为：y＝1104.9x-18.26，其中x为吸光度，y为浊度值；

若否，则选择高浊度计算模型来计算样本瓶中水样的浊度；其中，所述高浊度计算模型为：y＝79.02e^2.659x，其中x为吸光度，y为浊度值。

然后再通过使用浊度值和透明度的关系模型来计算样本瓶中水样的透明度；其中，所述关系模型为：y＝1769.7x^-0.588，其中y为透明度，x为浊度值。

在上述某些具体的实施例中，浊度值的计算过程如下。

(1)经过上述判断，此次应选择低浊度计算模型，得到浊度值A1。基于光电探测器1031测完后，关闭光源发射装置1021和1023。打开分别与光源发射装置1021和1023处于同一竖排的光源发射装置1022和1024，再次进行上述S1101-S1106的测量过程，其中光电探测器也换成了1032，得到浊度值A2。求得A1和A2的平均值A3，此时A3即为最终的浊度测量结果。

(2)经过上述判断，此次应选择高浊度计算模型，此时停止运用光电探测器1031的采集，选择运用光电探测器1033进行采集，并进行上述S1101-S1106的测量过程，得到浊度值a1。关闭光源发射装置1021和1023，打开分别与光源发射装置1021和1023处于同一竖排的光源发射装置1022和1024，使用光电探测器1034，再次进行上述S1101-S1106的测量过程，得到浊度值a2。求得a1和a2的平均值a3，此时a3即为最终的浊度测量结果。

应当理解的是，光源发射装置(1021、1023、1022、1024)并非仅为上述只测量低浊度水样，用于测量高浊度水样同样可以。可进行测量方式原理变换的、或具有其他数量光源发射装置的技术方案均属于本发明的范围。

本发明采用同时测量透射和散射叠加值来求吸光度的方法，不仅提高了吸光度公式的适用性和准确性，也通过两个或多个光电探测器同时采集取平均的方法进一步提高了数值精确度。建立的分段测定模型精度高，可以满足水产养殖水质检测需求。上下两路或多路分别测量求平均值的方式，减少了不同水样对浊度仪的影响，进一步保障了检测的精度并提高了检测稳定性。本发明结合计算吸光度值和分段建模的方法，很好的解决了测量范围有限的问题，通过同时测量散射和透射叠加值来计算吸光度，符合比尔定律的适用条件，使建模效果更精确，有效提高了测量精度。

作为本发明的进一步改进，在另外的实施方式中，还包括：将计算出来的浊度值和透明度值传送至显示单元显示及存储单元存储。在某些具体的实施例中，显示单元为液晶显示屏，液晶显示电路具体如图10所示，采用QC12864B汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字和图形，内置8192个中文汉字(16*16点阵)、128个字符(8*16点阵)及62*256点阵显示RAM64点阵，点大小0.48*0.48mm²，点间距0.04mm。在另外的某些具体实施例中，存储单元为外接U盘，ARM处理单元可通过MAX232芯片实现其和U盘存储模块(即存储单元)之间的数据通信。

在上述实施方式中，还包括浊度绘制步骤：将水样中的单点水体浊度值和GPS坐标信息结合，绘制出水样的整体浊度分布示意图。在具体的实施例中，控制系统包括均与ARM处理单元电连接的GPS模块以及浊度绘制模块。在具体的实施例中，浊度绘制模块为基于嵌入式组件MapX开发的模块。所述GPS模块用于获取水样中单点水体的GPS坐标信息，所述浊度绘制模块用于将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度分布示意图。此示意图可为水质调控提供决策依据，更好地指导水产养殖人员对水质和水体中动植物进行调控，提高产量。

在其他的实施例中，控制系统包括GPS模块和无线发送模块，GPS模块和无线发送模块均与ARM处理单元电连接。控制系统利用ARM处理单元采集单点水体水样浊度信息，并将此浊度信息发送至无线发送模块。GPS模块用于获取水样中单点水体的GPS坐标信息，并将此GPS坐标信息发送至无线发送模块。无线发送模块将接收到的GPS坐标信息和相应单点水体的浊度值发送至上位机。上位机将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度专题图。在另外的实施例中，GPS模块可为单独的GPS仪器，在采集完水样中单点水体的GPS坐标信息后进行记录并发送至上位机。上位机将从GPS仪器接收到的GPS坐标信息和从ARM处理单元接收到的单点水体浊度值结合，绘制水样的整体浊度专题图。浊度专题图采用VC+MapX的方法实现，将单点水体浊度和GPS坐标信息结合，生成更为细致的浊度专题分布图，实现单点水质浊度显示、插值、小区面积测算、小区水质浊度等值线图生成，为水质调控提供决策依据，更好地指导水产养殖人员对水质和水体中动植物进行调控，提高产量。应当理解的是，运用其他绘制模块或仪器完成浊度分布示意图或专题图的方案均属于本发明的保护范围。

为能更好地理解本发明，下面将结合前文所述的技术方案进行具体阐述。

第一步，将盛有蒸馏水的采样瓶，放入容纳槽体的圆槽中，按下【标定1】键，系统将通过光电探测器1031,1032依次采集上下两层的两个光强值(即透射和散射叠加值，用电压值表示)I_s(λ)，分别为(1，3.5V)，(2，3.5V)，并将其显示在液晶屏上，系统将采集到的数据自动通过串口传输保存到U盘中，液晶显示“数据存储中”。数据传输完成后，界面显示“存储完成”。若没有插上U盘或是U盘没有插好，界面会提示“请插入U盘”。在本实施方式中，【标定1】键为测定浊度已知为低浊度的水样的开始键，得到低浊度标准液的透射和散射叠加值。

第二步，将盛有1000NTU标准液的采样瓶，放入容纳槽体的圆槽中，按下【标定2】键，系统将通过光电探测器1033,1034依次采集上下两层的两个光强值(用电压值表示)I_s(λ)，分别为(3，3.5V)，(4，3.5V)，并将其显示在液晶屏上并存储到U盘中。在本实施方式中，【标定2】键为测定浊度已知为高浊度的水样的开始键，得到高浊度标准液的透射和散射叠加值。

第三步，将盛有水样的采样瓶，放入容纳槽体的圆槽中，按下【测量】键，系统将按照测量流程图采集光强值I_z(λ)，与阈值(a＝0.42V)进行比较，从而决定流程图的走向，运用公式A＝lg[I_s(λ)/I_z(λ)]计算吸光度，调用相应的浊度计算模型计算浊度值，并将其显示在液晶屏上，自动保存到U盘中。通过浊度和透明度的关系公式计算出透明度，并进行显示和保存。在本实施方式中，【测量】键为测定未知浊度水样的开始键。

第四步，放入新的待测样品，按下【测量】键，仪器按照第三步进行测量。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种基于光学原理的水产养殖浊度探测仪，其特征在于，包括：光学系统、控制系统以及为光学系统、控制系统提供电源的电源系统；

所述光学系统包括多个光源发射装置、盛放样本瓶的容纳槽体以及均与所述光源发射装置同等数量的准直透镜、光电探测器；所述容纳槽体的槽壁上设有与容纳槽体轴线垂直的光源安装腔和与所述光源安装腔位置相对的探测器安装孔；所述光源安装腔内依次安装所述光源发射装置、准直透镜，所述准直透镜位于容纳槽体和光源发射装置之间；所述光源发射装置发出的光线经准直透镜后垂直入射到容纳槽体中样本瓶里的水样，所述光电探测器位于通过水样的光线光路上，探测入射光的透射光强和散射光强并将接收到的光信号转换为电信号；

所述控制系统包括I-U转换电路、滤波放大电路、A/D转换电路以及ARM处理单元；所述I-U转换电路用于将光电探测器传送的电信号进行I-U转换，将转换后得到的电压信号放大，得到一次放大信号并将所述一次放大信号传送至滤波放大电路；所述滤波放大电路用于对所述一次放大信号进行放大滤波处理，得到二次放大信号并将所述二次放大信号传送至A/D转换电路；所述A/D转换电路用于对所述二次放大信号进行A/D转换，得到相应的数字信号并将所述数字信号向ARM处理单元发送，其中，所述数字信号为入射光的透射和散射叠加值；所述ARM处理单元用于接收所述数字信号，根据所述数字信号的大小选择相应浊度计算模型，基于所述数字信号计算出吸光度值，并根据所述吸光度值通过所述相应浊度计算模型计算样本瓶中水样的浊度值，以及根据所述浊度值计算样本瓶中水样的透明度。

2.根据权利要求1所述的浊度探测仪，其特征在于，所述容纳槽体为圆柱体。

3.根据权利要求1或2所述的浊度探测仪，其特征在于，所述容纳槽体的槽壁上设有两竖排光源安装腔，每排设有两个所述光源安装腔；两排光源安装腔所在的平面互相垂直。

4.根据权利要求3所述的浊度探测仪，其特征在于，位于同一排的光源安装腔均匀分布在容纳槽体的槽壁上。

5.根据权利要求1所述的浊度探测仪，其特征在于，所述电源系统包括第一电源电路以及第二电源电路，所述第一电源电路用于为光源发射装置提供电源，所述第二电源电路用于为I-U转换电路、滤波放大电路、A/D转换电路以及ARM处理单元提供电源。

6.根据权利要求1所述的浊度探测仪，其特征在于，所述控制系统还包括均与所述ARM处理单元电连接的显示单元、存储单元。

7.根据权利要求1所述的浊度探测仪，其特征在于，所述控制系统还包括均与ARM处理单元电连接的GPS模块以及浊度绘制模块，所述GPS模块用于获取水样中单点水体的GPS坐标信息，所述浊度绘制模块用于将水样中单点水体的浊度值和GPS坐标信息结合，绘制水样的整体浊度分布示意图。

8.一种基于光学原理的水产养殖浊度探测方法，其特征在于，包括：

探测入射光的透射光强和散射光强并将接收到的光信号转换为电信号；

接收经光电转换处理的电信号；

对所述电信号进行I-U转换，得到电压信号；

对所述电压信号进行放大，得到一次放大信号，并对所述一次放大信号进行放大滤波处理，得到二次放大信号；

对所述二次放大信号进行A/D转换，得到相应的数字信号，其中，所述数字信号为透射和散射叠加值；

根据所述数字信号的大小选择相应浊度计算模型，基于所述数字信号计算出吸光度值，并根据所述吸光度值通过所述相应浊度计算模型计算样本瓶中水样的浊度值，以及根据所述浊度值计算样本瓶中水样的透明度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，基于所述数字信号计算出吸光度值的计算公式为：A＝lg[I_s(λ)/I_z(λ)]，其中，A为吸光度值，I_s(λ)为标准液的透射和散射叠加值，I_z(λ)为不同浊液的透射和散射叠加值。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述根据所述数字信号的大小选择相应浊度计算模型包括：

判断所述数字信号是否小于预置阈值；

若是，则选择低浊度计算模型来计算样本瓶中水样的浊度；其中，所述低浊度计算模型为：y＝1104.9x-18.26，其中x为吸光度，y为浊度值；

若否，则选择高浊度计算模型来计算样本瓶中水样的浊度；其中，所述高浊度计算模型为：y＝79.02e^2.659x，其中x为吸光度，y为浊度值。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法通过以下关系模型计算样本瓶中水样的透明度：y＝1769.7x^-0.588，其中y为透明度，x为浊度值。