CN104596990B - 双通道光纤浊度测量方法及传感器 - Google Patents

Abstract

一种双通道光纤浊度测量方法及传感器，采用双光源+四光束+四光电检测的方式，光学测量模块实现不同波长的双光源交替发光，交替测量90度散射光和透射光；温度测量模块采集水体的温度信号；信号调理模块处理采集到的浊度信号和温度信号；数据处理模块进行计算处理，生成浊度值和温度值，将原位采集的数据无线传输给上位机。不同波长的光源同时测量，消除了杂散光对浊度测量的影响；光纤传输避免外界对光信号的影响，耐高温高压，抗电磁干扰；对测量浊度值进行温度补偿提高了浊度测量的精度。实现对浊度值的原位在线检测，灵敏度高，线性度好，且成本低易于携带和安装，可适用于狭小检测空间以及检测液体容量有限的场合。

Description

双通道光纤浊度测量方法及传感器

技术领域

本发明涉及一种水质监测浊度测量方法及传感器，具体地是一种双光源双光电检测器的四光束的光纤浊度测量方法及传感器。属于传感器测量技术领域。

背景技术

浊度是水的透明程度的量度。由于水中含有悬浮及胶体状态的微粒，使得原是无色透明的水产生浑浊现象，其浑浊的程度称为浑浊度。浊度显示出水中存在大量的细菌，病原体，或是某些颗粒物。这些颗粒物可能保护有害微生物，使其在消毒工艺中不被去除。因此无论在饮用水、工业过程或产品中，浊度都是一个非常重要的参数。浊度高意味着水中各种有毒、有害物质的含量高。因此水的浊度是一项重要的水质指标。对水的浊度进行检测，是对各类水中非溶性物质测量达到控制水质的重要手段。当一束入射光射进水中，由于水中悬浮物的存在，悬浮物上出现光学散射现象剩余的光会透过颗粒产生透射光。散射光强与透射光强之比，与样品的散射系数成正比。根据散射光系数来确定浊度值，这就是浊度测量的基本原理。

传统的水质浊度检测方法是光学检测法，光源产生的光未经处理直接射入待测液体中，忽略了水中的色度对光源的影响，测量系统杂散光干扰，悬浮颗粒粒径对测量结果的干扰等问题都会造成测量精度低的问题，同时光源波长的选择对测量结果影响很大，因而对光源具有很高的要求，抗干扰能力差，不易清洗。光纤传感器具有众多优点，如便于微型化和集成化，易于实现监测仪器的便携化；抗电磁干扰，且耐高温高压、抗腐蚀、便于遥测，可实现多参数、无损监测。因此，利用光纤传感对水质指标实现多点分布式在线监测具有良好的发展前景。

随着电子技术、控制技术和网络技术的不断发展，测控仪表正朝着智能化、网络化以及集成化的方向发展，用于浊度测定的浊度传感器也逐渐向高智能化和高集成度方向的发展。

现有的光纤水质浊度分析仪有的是利用光吸收原理，通过光强被吸收的多少来确定被测溶液的浊度值。虽然光吸收方法十分简单且容易应用，但它的灵敏度不高，需要被测水体中悬浮颗粒的含度比较高；有的采用测量与入射光方向90度角的散射光来确定浊度值，但这种方法在测量高浊度水体是的线性度并不好；也有一部分浊度仪在测量散射光的同时测量透射光，并采用比浊法，虽提高了精确度和线性度，但是却不能有效的避免光源和探测器的老化及不稳定性对浊度测量的影响。同时，光纤浊度分析仪结构复杂体积较大，现有的光纤浊度仪设有光发射器和光电接受器，而光发射器和光电接受器的光电特性与温度有很大关系，当温度发生变化时，浊度测量结果就会出现偏差。在深海中检测浊度时，随着汗水深度的增加，海水的温度会急剧降低，会严重影响测量结果的精确度。此外，光纤浊度仪工作时间久了，就会在探头部分必然会受到悬浮物的污染而严重影响到测量结果的准确性，但如果在浊度仪中安装除垢装置导致体积庞大使用缺乏灵活性。如中国专利文献CN201210401753.4公开了一种光纤式激光液体浊度测量装置及测量方法，其包括激光器调制模块、激光器、第一光纤、三端口光纤环形器、光纤准直器、第二光纤、光纤探测器、信号放大和解调模块、光电检测器及信号解调和处理系统。在测量系统中采用光纤环形器和准直器的全光纤结构，基于后向散射光测量原理。采用的后向散射光测量原理，方法单一，导致了浊度检测的准确性降低。光电检测器检测到的光信号转变为电信号后，经信号放大和解调模块处理后送至单片机，由单片机得到解调后的信号电压幅值。该测量系统只能实现浊度的在线监测，不能实现数据的远程传输。该专利设计的测量系统没有实现温度补偿，没有考虑到温度对浊度检测的影响。

发明内容

本发明公开一种水体浊度的测量方法，采用双光源+四光束+四光电检测的方式，旨在消除光源和探测器老化及不稳定性、水的色度和水中气泡对浊度测量的影响，提高测量的精确度、抗干扰能力和工作稳定性。

本发明还公开一种光纤浊度传感器，采用不同波长的两个光源和光纤传输光信号，旨在提供一种可以在线监测浊度的便携式装置，该装置可以避免外界对光信号的影响，耐高温高压，抗电磁干扰，体积小成本低，而且集成了自清洗功能。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种水体浊度的测量方法，包括：

1)周期性地选通波长不同的两个光源交替发光，

2)对各个光源经过水体的光线，从相互垂直呈90度的两个方向同时测量散射光信号和透射光信号；并采集水体的温度信号；

3)分别对散射光信号、透射光信号和温度信号进行信号处理；

4)根据校准参数，对处理后的浊度信号和温度信号进行计算处理，生成浊度值和温度值。

具体地，

在第1步中，每个周期内，其中一个光源发光时，另一个光源关闭，两个光源交替发光；优选每个周期为1S；两个光源的波长分别880nm、660nm；

在第2步中，各个光源的光线经过被测水体后分两路，分别用于测量散射光信号和透射光信号；

在第3步中，信号处理是指：将散射光信号、透射光信号生成浊度电信号，将温度信号生成温度电信号；浊度电信号是指由散射光信号和透射光信号得到的透射-散射比值；

在第4步中，所述的对处理后的浊度信号进行计算处理是指将浊度信号转换为数字信号，再由微处理器进行计算，计算公式为：lnY＝4lnθX，式中X为浊度值、Y为浊度数字信号值，θ为校准参数；

在第4步中，所述的对处理后的温度信号进行计算处理是指将浊度信号和温度信号转换为数字信号，再由微处理器进行计算，计算公式为：Y＝αZ²+βZ+γ；式中Y为浊度数字信号值，Z为温度数字信号，α、β、γ为校准参数；

一种双通道光纤浊度传感器，包括：光学测量模块、温度测量模块、信号调理模块和数据处理模块，其中，

光学测量模块，周期性地选通波长不同的两个光源交替发光，各个光源的光线分两路，由两个光电检测器同时测量散射光和透射光，采集水体中的浊度光信号；

温度测量模块，采集水体的温度信号；

信号调理模块，分别对浊度光信号和温度信号进行处理，分别生成浊度电信号和温度电信号，并发送至数据处理模块；

数据处理模块，对所测的浊度电信号和温度电信号转换为相应的数字信号，并根据校准参数对数字信号进行计算处理，生成浊度值和温度值；

光学测量模块和温度测量模块连接于信号调理模块，信号调理模块连接于数据处理模块。

所述光学测量模块包括信号发生器、整流器、双路选通器、两个驱动电路、两个波长不同的光源、两束辐射光纤，每束辐射光纤配装两束接收光纤和两个光电检测器；信号发生器、整流器、双路选通器及驱动电路，交替驱动相应的光源发光，光线经辐射光纤和两束接收光纤，散射光和透射光信号进入各自对应的光电检测器；

所述光纤采用塑料多模光纤；所述光电检测器采用日本滨松光电检测器；

所述的光学测量模块还包括：设在光源与辐射光纤间的蓝宝石透镜1及滤波片；光发射器窗口玻璃1和光电检测器窗口玻璃2采用蓝宝石透镜，与辐射光纤尾端对应设置；

辐射光纤尾端与一个接收光纤前端呈90度角、与另一接收光纤前端相向；

所述的光学测量模块还包括设在接收光纤尾端与光电检测器间的蓝宝石透镜、带通滤波片；

所述两个波长不同的光源，分别是为波长880nm和660nm的两个LED光源；其对应的滤光片的波长分别为660±15nm、880±15nm；所述的光电检测器波峰为780nm，带宽为600nm～900nm，其对应的带通滤波片的波长为780±120nm；

所述温度测量模块包含温度探头，探头采用Pt100铂电阻；

所述信号调理模块包括电路转换放大电路、放大整流滤波电路和除法器；电流转换放大电路，用于将测量得到的散射光、透射光信号转换为电信号，并对转换得到的电信号进行放大处理；再通过放大整流滤波电路进行二级放大、整流、滤波，形成直流信号；将所得的散射光、透射光直流信号送入除法器得到透射-散射比值；温度信号经放大整流滤波电路处理后得到一个温度值送入数据处理模块中。

所述数据处理模块包括微处理器、A/D转换器和总线接口，其中，微处理器通过A/D转换器与所述的信号调理模块连接，用于对所测的浊度电压信号和温度电压信号进行处理，并根据校准参数对处理后的浊度信号和温度信号进行计算处理，生成浊度值和温度值；总线接口，用于将原位采集的数据传输给上位机。

双通道光纤浊度传感器的光学测量模块、温度测量模块、信号调理模块和数据处理模块，封装在金属外壳中；具体是：

所述的光学测量模块中的信号发生器、双路选通器、LED驱动电路、温度探头，信号调理模块的电流转换放大电路、放大整流滤波电路和除法器和数据处理模块的总线接口集成在传感器电路板上；所述的传感器电路板密封在金属外壳中；所述的光学测量模块中的光源和光电检测器设置在接线盒顶端，所述的温度探头设置在传感器电路板的正前方，所述金属外壳底座和所述金属外壳连接形成密闭空间；所述金属外壳底座的中心设有纵向贯通的凹陷空腔，用于水溶液的进入。

双通道光纤浊度传感器还包括：超声波清洗模块，与所述微处理器相连接，受微处理器控制，用于清除所述所述光学测量模块的光发射窗口玻璃和光电接收窗口玻璃上的污垢；

所述的超声波清洗模块包括超声波发生器和换能器、振动膜和压盖，所述超声波发生器和换能器设置在金属外壳底座内部，所述振动膜设置在金属外壳底座上，所述压盖固定于所述振动膜的周边，所述超声波发生器和换能器放置在光发射器窗口玻璃的正下方，所述振动膜放置在超声波发生器和换能器的正前方。

双通道光纤浊度传感器还包括：通过螺旋压铆与所述传感器电路板连接的四芯电缆，所述螺旋压铆与所述金属外壳之间设有电缆线密封圈，所述金属外壳与所述金属外壳底座之间设有金属外壳密封圈。所述金属外壳材料采用钛合金，具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点，适用于深海中的浊度检测。

双通道光纤浊度传感器还包括：电源模块，与所述的光学测量模块、信号调理模块以及数据处理模块中的微处理器连接；用于给光学测量模块、信号调理模块以及微处理器供电。

本发明可以产生以下有益效果：

1)两束辐射光纤各自对应两束接收光纤，构成双通道四光束，通过采用两个不同波长的光源交替发光，同时光电探测器根据发光光源的改变交替测量90度散射光和透射光。其测量理论基于朗伯-比耳定律和散射定律，完全消除了光源、外界杂散光和探测器的老化及不稳定性对浊度测量的影响，有效提高了准确度；通过设置温度测量模块测量水体的温度能够实现对浊度测量的温度补偿；通过设置双光源双光电检测器对应的窗口玻璃分别安装在金属外壳底座的四周，各相差90度，使光电检测器准确的接收透射光和散射光，能够提好浊度测量的精度；通过在传感器电路板上集成化设计，有利于光纤浊度传感器的微型化；通过金属外壳和金属外壳底座的密封设计，有利于提高浊度传感器的防水性；通过设置纵向贯通的凹陷空腔可以使待测液体自下而上的进入，可以将超声波清洗模块清洗下来的污垢自动的排出；通过采用比浊法和数据总线传送信号，扩大了测量范围。

2)信号发生器、整流器、双路选通器、驱动电路实现了周期性的选通两个波长不同的LED光源，每隔1S，两LED交替发光和关闭，这样有效提高了光源的使用寿命；同时，所述光纤采用塑料多模光纤，成本低且比较柔软坚固，损耗低，有效减少了光损耗，提高测量结果的精确度。

3)温度测量模块包含温度探头，探头采用Pt100铂电阻；该温度探头测量范围广，耐压能力强、精度高，用于采集水体的温度信号。

4)与光电检测器对应的、放置在接收光纤、带通滤光片与光电检测器间的蓝宝石透镜，在170nm到5300nm光谱范围内具有良好的透光性，并且具有耐磨的特点、最高工作温度为1900℃。其作用在于汇聚光发射器发射的光产生平行光束和汇聚入射到光电检测器入射光，同时对光源和光电检测器进行保护。

本发明的光纤浊度传感器采用不同波长的光源，同时测量透射光与散射光，从算法上消除了大部分的杂散光对浊度测量的影响，使得测量范围更广；采用光纤传输光信号，可以避免外界对光信号的影响，耐高温高压，抗电磁干扰；带有温度探头，能够实现对测量浊度值进行温度补偿，提高了浊度测量的精度，而且具有自清洗功能。实现对浊度值的原位在线检测，灵敏度高，线性度好，且成本低易于携带和安装，可适用于狭小检测空间以及检测液体容量有限的场合。

附图说明

图1是光纤浊度传感器模块结构示意图。

图2是光纤浊度传感器外部结构示意图。

图3是光纤浊度传感器的剖视图。

图4是光纤浊度传感器的分解示意图和底部结构示意图。

图5是光纤浊度传感器的微处理器工作流程图。

图中标记表示：

1-光学测量模块，2-信号发生器，3-整流器，4-双路选通器，5-LED1驱动电路，6-LED2驱动电路，7-LED1，8-LED2，9-蓝宝石透镜1，10-蓝宝石透镜2，

11-辐射光纤A，12-辐射光纤B，13-接收光纤C，14-接收光纤D，15-光电检测器A，16-光电检测器B，17-信号调理模块，18-I/V转换电路1，19-散射光放大器1，20-放大、整流、滤波电路1，

21-I/V转换电路2，22-散射光放大器2，23-放大、整流、滤波电路2，24-除法器1，25-I/V转换电路3，26-散射光放大器2，27-放大、整流、滤波电路3，28-I/V转换电路4，29-散射光放大器2，30-放大、整流、滤波电路4，

31-除法器2，32-数据处理模块，33-A/D转换，34-微处理器，35-总线接口，36-温度测量模块，37-温度探头，38-电源模块，39-880nm的滤波片，40-660nm的滤波片，

41-蓝宝石透镜3，42-带通滤波片1，43-蓝宝石透镜4，44-带通滤波片2，45-四芯电缆，46-螺旋压铆，47-电缆线密封圈，48-金属外壳，49-金属外壳密封圈，50-光发射器窗口玻璃1，

51-光电检测器窗口玻璃1，52-光电检测器窗口玻璃2，53-金属外壳底座内径，54-金属外壳底座，55-方头螺栓，56-六角头带肩螺钉，57-传感器电路板，58-超声波发生器和换能器，59-振动膜，60-压盖，

61-纵向贯通的凹陷空腔，62-光电检测器窗口玻璃2。

具体实施方式

下面，结合附图和具体实施例，对发明作进一步的说明。

如图1所示，本实施例的光纤浊度传感器组成，图中：

光学测量模块1，包括信号发生器2、双路选通器4、LED驱动电路、波长为880nm的LED1光源7、波长为660nm的LED2光源8、两束辐射光纤、四束接收光纤、四个蓝宝石透镜及相应的滤波片、四个光电检测器及相应的蓝宝石透镜和带通滤波片；信号发生器2、整流器3、双路选通器4、LED驱动电路周期性的选通两个波长不同的LED光源，每隔1S，两LED交替发光和关闭；

温度测量模块36包括温度探头37，探头采用Pt100铂电阻，用于采集水体的温度信号；

信号调理模块17包括I/V转换电路、散射光放大器、放大整流滤波电路和除法器；用于将测量得到的散射光、透射光信号转换为电压信号，并对转换得到的电压信号进行放大处理，再通过放大整流滤波电路进行二级放大、整流、滤波，形成直流信号；将所得的散射光、透射光直流信号送入除法器得到透射-散射比值；

数据处理模块32包括A/D转换器33、微处理器34和总线接口35，总线接口，用于将原位采集的数据无线传输给上位机；微处理器34，用于对所测的浊度信号和温度信号进行处理，并根据校准参数对处理后的浊度信号和温度信号进行计算处理生成浊度值和温度值；

如图3所示，在本实例中，在金属外壳48内部设有传感器电路板57，信号调理模块17、电源模块38和总线接口集成在传感器电路板57上，光学测量模块设置在金属外壳48顶端的圆形管脚内部，温度探头37设置在传感器电路板57的正前方，四个多模光纤的尾端和超声波清洗模块设置在金属外壳底座54中，金属外壳底座54和金属外壳48连接形成密闭空间。优选的，光学测量模块1中的光发射器采用LED红外线发光二极管，光电检测器采用硅光电池，两个不同波长的光发射器和两个光电检测器分别与传感器电路板57相连。蓝宝石透镜用于汇聚光发射器发射的光，带通滤波片用于得到特定波长的平行光。这样，光发射器即光源LED1发射的光先经过蓝宝石透镜19汇聚形成平行光束，在经过一个880nm的滤波片39得到特定波长的平行光，经辐射光纤A11传输后到达辐射光纤A11尾端，再透过金属外壳底座54上的光发射器窗口玻璃1在水体中散射，光电检测器A 15对应的接收光纤C 13尾端接收透过光电检测器窗口玻璃1 51的散射光，再通过接收光纤C 13、带通滤波片1和蓝宝石透镜3传给光电检测器A 15。光电检测器B 16对应的接收光纤D 14尾端接收透过光电检测器窗口玻璃2 52的透射光，再通过接收光纤D 14、带通滤波片2 44和蓝宝石透镜4 43传给光电检测器B 16。两个光电检测器将接收到散射光、透射光转换成电信号传输至传感器电路板57。温度探头37采集的温度信号也传输至传感器电路板57。

如图3所示，超声波发生器和换能器58位于光电检测器窗口玻璃2 62的正下方，超声波清洗模块包括超声波发生器和换能器58、振动膜59和压盖60，超声波发生器和换能器58和压盖60设置在金属外壳底座54上，振动膜59位于超声波发生器和换能器58的正前方，压盖60用于固定振动膜59的周边，超声波发生器和换能器58与传感器电路板57相连。超声波清洗模块清洗的光发射器窗口玻璃和光电检测器窗口玻璃上的污垢在重力的作用下向下运动，通过纵向贯通的凹陷空腔61自动排出，该结构设计简单，提高了测量结果的准确性，并且实现在线原位测量水中的浊度。

如图3和图4所示，在本示例中，螺旋压铆46和金属外壳48之间设有电缆线密封圈47，金属外壳48和金属外壳底座54之间设有金属外壳密封圈49，金属外壳密封圈49可以保证传感器的防水性能好，浊度传感器内部的电子器件与水完全隔离，使传感器可以浸入水中工作，可以实现深水浊度值的检测。

如图2和图3或图4所示，在本示例中，金属外壳底座54采用塑料材质除设有纵向贯通的凹陷空腔61，用于被测水体的进出外，还用于屏蔽外界杂散光，减少外界杂散光对光源和光学处理模块工作的干扰。纵向贯通的凹陷空腔61顶端的位置高于光电检测器和光发射器窗口玻璃。

当传感器放入检测水体时，浊度传感器开始工作，每隔1s，两个LED交替发光和关闭。在LED1驱动电路5的驱动下波长为880nm的LED17发光且波长为660nm的LED2 8关闭，LED1 7发出的光经蓝宝石透镜汇聚为平行光线再通过880nm的滤波片39发出波长为880nm的平行光，光电检测器A 15接收散射光，光电检测器B 16接收透射光，接收信号经信号处理电路转换后存入到微处理器34再通过数据处理模块32传给上位机。在LED2驱动电路6的驱动下波长为660nm的LED1 7发光且波长为880nm的LED28关闭，LED2发出的光经蓝宝石透镜汇聚为平行光线再通过660nm的滤光片发出波长为660nm的平行光，光电检测器A 15接收透射光，光电检测器B 16接收散射光，接收信号经信号处理电路转换后存入到微处理器34再通过总线模块传给上位机。

本实例还包括：电源模块38，与所述的光学测量模块1、信号调理模17以及数据处理模块32中的微处理器34连接。用于给光学测量模块1、信号调理模块17以及微处理器34供电。

在本实例中，信号调理模块17，由于光电检测器接收到的散射光信号较小，需要放大器对其放大，透射光信号较强经过电压跟随器不改变信号的大小。在经过积分器将散射光与透射光信号放大，再有四路选通器根据控制信号选通放大的散射信号和透射光信号。在经过整流、滤波，形成直流信号，送入A/D转换33器中进行模数转换，将转换的值存入到微处理器34中，经过标定方程得到最终的浊度值。

在本实例中，微处理器34采用美国TI公司的MSP430系列单片机集成电路芯片。通过MSP430单片机内的模数转换对浊度信号和温度电压信号进行模拟数字转换成数字化的浊度电压信号和温度电压信号，并将其存储到微处理器34中。

如图5所示，本实例中的浊度传感器的微处理器34的工作流程具体包括首先，上电初始化硬件状态；其次，通过自诊断程序测量电源电压、探头接口等信号，判断传感器是否存在故障；然后，为了降低功耗，微处理器34控制外部设备进入休眠状态，也称低功耗模式，等待任务触发。将系统由休眠状态唤醒的方式有两种：一种是在定时触发采集请求下，进行A/D数据采集并执行相应数据处理，包括浊度的标定；另一种是通过串行接口接收外部设置参数、触发测量、读出参数与测量结果的请求，即智能传感器接口模块服务程序。

在本示例中，总线接口采用的是目前最广泛的RS485，总线接口在协议上支持IEEE1451.2标准，传感器电路通过四芯电缆连接电源、接地以及连接RS485总线接口的正极和负极。同时，该RS485总线接口连接了热拔插电路，可以实现RS485总线接口的热插拔。通过该总线接口可以与上位机进行通讯。由于微处理器采用的MSP430单片机不能直接连接RS485总线接口，因此在RS485总线接口与MSP430单片机之间设置RS485转换电路，该转换电路采用的是美国IT公司生产的RS485总线接口芯片SN75LBC184芯片。

IEEE1451.2是智能传感器接口模块标准。它提供了将传感器和变送器连接到网络的接口标准，主要用于实现传感器的网络化。IEEE1451.2标准采用通用的A/D或D/A转换装置作为传感器的I/O接口，将各种传感器模拟量转换成标准规定格式的数据，连同一个小存储器—传感器电子数据表TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)，与标准规定的处理器目标模型—网络适配器NCAP(Network Capable Application Process)连接。如此，数据可以按网络规定的协议接入网络。该标准结构模型提供了一个连接智能变送器的接口模型STIM(Smart Transducer Interface Module)NCAP的10线标准接口—变送独立接口TII(Transducer Independence Interface)。

在本示例中的双光源双光电检测器四光束的光纤浊度传感器采用的测量方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，波长为880nm的光源LED1 7发射的光先经过蓝宝石透镜1 9、880nm的滤波片39、辐射光纤A 11、金属外壳底座54上的光发射器窗口玻璃150入射到待测水体中。光电检测器A 15通过光电检测器窗口玻璃151、接收光纤C 13、带通滤波片1 42和蓝宝石透镜341接收散射光。光电检测器A 15将散射光信号转换为电信号后经I/V转换电路1 18、散射光放大器1 19和放大、整流、滤波电路1 20后得到一个低频的直流散射电压信号。光电检测器B 16通过光电检测器窗口玻璃2 52、接收光纤D 14、带通滤波片244和蓝宝石透镜4 43接收透射光。光电检测器B 16将透射光信号转换为电信号后经I/V转换电路2 21、散射光放大器2和放大、整流、滤波电路223后得到一个低频的直流透射电压信号。散射电压信号和透射电压信号经除法器1 24后得到一个透射-散射比值存储到微处理器34中，该比值消除了光源对测量结果的影响。

第二步，波长为660nm的光源LED28发射的光先经过蓝宝石透镜210、660nm的带通滤波片、辐射光纤B 12、金属外壳底座54上的光电检测器窗口玻璃2 62入射到待测水体中。光电检测器A 15通过光电检测器窗口玻璃151、接收光纤C 13、带通滤波片244和蓝宝石透镜341接收透射光。光电检测器A 15将透射光信号转换为电信号后经I/V转换电路3 25、透射光放大器2和放大、整流、滤波电路3 27后得到一个低频的直流透射电压信号。光电检测器B 16通过光电检测器窗口玻璃2 52、接收光纤D 14、带通滤波片2 44和蓝宝石透镜4 43接收散射光。光电检测器B 16将散射光信号转换为电信号后经I/V转换电路4 28、散射光放大器2 29和放大、整流、滤波电路4 30后得到一个低频的直流散射电压信号散射电压信号和透射电压信号经除法器2 31后得到一个透射-散射比值存储到微处理器34中，该比值消除了光源对测量结果的影响。该比值消除了光源对测量结果的影响。

第三步，将上述步骤中得到的两个比值在微处理器34中先进行除法运算在进行对数运算，得到的值与浊度值呈对数关系，只与光的横截面积，介质浓度和散射光与透射光的传输距离差有关，而上述参数均是精确固定的，这就完全消除了光源和探测器的老化对浊度测量的影响，有效提高了精确度。

第四步，根据ISO7027标准，在室温25摄氏度下，利用400NTU福尔马肼标准液配置多个不同浊度的福尔马肼溶液，将该光纤浊度传感器浸入不同浓度的福尔马肼溶液中。不同浓度的溶液分别测量8次，测量间隔为5s，记录测量得到的电压值取平均值作为最终测量结果。利用标定所用的浊度仪分别测量不同浓度的福尔马肼溶液的浊度值，并记录。

分别经测量得到的电压值和标准的浊度值作为横纵坐标，画出信号电压值与浊度信号值的关系曲线；

对测量得到的数据进行拟合：

lnY＝4lnθX其中，Y代表浊度数字信号值，X代表浊度值，θ代表对数曲线拟合参数即校准参数；采用非线性最小二乘优化法进行曲线拟合后得到参数θ的值，画出拟合曲线，就是电压信号与浊度信号的变化关系。将参数θ存入微处理器34中，即可实现原位测量中准确得到水体的浊度值。

温度补偿是本实施例的浊度传感器能够实现的重要功能，在此，以使用福尔马肼溶液在玩温度为25度时测量的浊度为基准，实现温度补偿主要是通过微处理器34中的数据处理子程序，具体步骤包括：

第一，读取温度探头37输出的温度信号进行转换后生成的温度数字信号Z，同时，读取对光电检测器输出的浊度信号进行转换后生成的浊度数字信号Y；分别读取三次，得到三组温度和浊度数字信号：{Z₁、Y₁；Z₂、Y₂；Z₃、Y₃}；

第二，解联立方程组

得到校准参数α，β，γ和浊度随温度变化的数字信号计算公式：Y＝αZ²+βZ+γ；

第三，根据温度电压信号和温度的对应曲线得到在25度时的温度数字信号Z₂₅，将温度数字信号Z₂₅带入计算公式：Y＝αZ²+βZ+γ，得到温度在25度是的浊度数字信号Y₂₅；第四，根据温度在25度时的浊度值和浊度数字信号Y₂₅的对应曲线对浊度数字信号进行计算得出25度时水体的浊度值。

综上所述，本实施例的光纤浊度传感器光学测量模块1采用双光源双光电检测器，能够消除光源和探测器老化，水中气泡，水的色度对浊度测量的影响，提高了探测的精确度。采用双光源交替发光，延长了光源的使用寿命。采用光纤作为光传输工具并且金属外壳底座54采用塑料材质，提高了传感器的抗电磁的干扰能力和工作稳定性。同时，传感器设有温度测量模块36，准确测量水体中的温度。本实施例的浊度传感器还带有超声波自清洗装置，能够有效的清除光发射器和光电检测器窗口玻璃上的污垢，并且能够自动排出，提高了测量结果的准确性，延长了浊度传感器的使用寿命。能够实现长期定点、无人值守的进行浊度的测量。本实施例的浊度传感器采用微处理器34和光电检测技术相结合，并利用IEEE1451的自补偿方法进行温度补偿，并通过温度补偿程序进行温度补偿，实现了在不同温度下水体浊度的准确测量。本实施例采用的总线接口实现了传感器与上位机的远程通信，能够远程在线监测水体的浊度。本实施例的光纤浊度传感器壳体采用金属材料，具有很好的抗压抗腐蚀能力，采用塑料材质的金属外壳底座54，有效排除了电磁干扰通过金属外壳48对传感器电路板57的干扰。本实施例的光纤浊度传感器将双光源双光电检测器，还有传感器电路板57集成在一个金属壳体内，能节约空间缩小体积，使用中便于携带和安置。

以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非因此局限本发明的专利范围，故凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效变化，均包含于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双通道光纤浊度传感器，其特征在于，包括：光学测量模块(1)、温度测量模块(36)、信号调理模块(17)和数据处理模块(32)，其中，

光学测量模块(1)，周期性地选通波长不同的两个光源交替发光，各个光源的光线分两路，由两个光电检测器同时测量散射光和透射光，采集水体中的浊度光信号；

温度测量模块(36)，采集水体的温度信号；

信号调理模块(17)，分别对浊度光信号和温度信号进行处理，分别生成浊度电信号和温度电信号，并发送至数据处理模块(32)；

数据处理模块(32)，对所测的浊度电信号和温度电信号转换为相应的数字信号，并根据校准参数对数字信号进行计算处理，生成浊度值和温度值，并将浊度值和温度值通过总线接口传输给上位机；

光学测量模块(1)和温度测量模块(36)连接于信号调理模块(17)，信号调理模块(17)连接于数据处理模块(32)；

所述光学测量模块(1)包括信号发生器(2)、整流器(3)、双路选通器(4)、两个驱动电路(5、6)、两个波长不同的光源(7、8)、两束辐射光纤(11、12)，每束辐射光纤配装两束接收光纤(13、14)和两个光电检测器(15、16)；信号发生器(2)、整流器(3)、双路选通器及驱动电路交替驱动相应的光源发光，光线经辐射光纤(11、12)和两束接收光纤，散射光和透射光信号进入各自对应的光电检测器；所述两个波长不同的光源，分别是为波长880nm和660nm的两个LED光源；所述光纤采用塑料多模光纤；

所述温度测量模块(36)包含温度探头(37)，探头采用Pt100铂电阻；

所述信号调理模块(17)包括电流转换放大电路、放大整流滤波电路和除法器；

所述数据处理模块(32)包括微处理器(34)、A/D转换器和总线接口(35)；

双通道光纤浊度传感器的光学测量模块(1)、温度测量模块(36)、信号调理模块(17)和数据处理模块(32)，封装在金属外壳(48)中；所述金属外壳底座(54)的中心设有纵向贯通的凹陷空腔(61)，用于水溶液的进入，屏蔽外界杂散光，自动排出超声波清洗模块清洗下来的污垢。

2.按照权利要求1所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，

所述电流转换放大电路，用于将测量得到的散射光、透射光信号转换为电信号，并对转换得到的电信号进行放大处理；再通过放大整流滤波电路进行二级放大、整流、滤波，形成直流信号；将所得的散射光、透射光直流信号送入除法器得到透射-散射比值；温度信号经放大整流滤波电路处理后得到一个温度值送入数据处理模块(32)中。

3.按照权利要求1所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，

所述微处理器(34)通过A/D转换器与所述的信号调理模块(17)连接，用于对所测的浊度电压信号和温度电压信号进行处理，并根据校准参数对处理后的浊度信号和温度信号进行计算处理，生成浊度值和温度值；总线接口，用于将原位采集的数据传输给上位机。

4.按照权利要求1所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，所述的光学测量模块(1)中的信号发生器(2)、双路选通器(4)、LED驱动电路、温度探头，信号调理模块(17)的电流转换放大电路、放大整流滤波电路和除法器和数据处理模块的总线接口集成在传感器电路板(57)上；所述的传感器电路板(57)密封在金属外壳(48)中；所述的光学测量模块(1)中的光源和光电检测器设置在接线盒顶端，所述的温度探头(37)设置在传感器电路板的正前方，所述金属外壳底座(54)和所述金属外壳(48)连接形成密闭空间。

5.按照权利要求1所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，

所述的光学测量模块(1)还包括：设在光源与辐射光纤间的蓝宝石透镜1(9、10)及滤波片(39、40)；光发射器窗口玻璃1(50)和光电检测器窗口玻璃2(62)采用蓝宝石透镜，与辐射光纤尾端对应设置；辐射光纤尾端与一个接收光纤前端呈90度角、与另一接收光纤前端相向；所述滤波片的波长分别为660±15nm、880±15nm。

6.按照权利要求1所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，

所述的光学测量模块(1)还包括设在接收光纤尾端与光电检测器间的蓝宝石透镜(41、43)、带通滤波片(42、44)；所述的光电检测器波峰为780nm，带宽为600nm～900nm，其对应的带通滤波片的波长为780±120nm。

7.按照权利要求1所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，

双通道光纤浊度传感器还包括：电源模块(38)，与所述的光学测量模块(1)、信号调理模块(17)以及数据处理模块(32)中的微处理器(34)连接；用于给光学测量模块(1)、信号调理模块(17)以及微处理器(34)供电。

8.一种水体浊度的测量方法，应用权利要求1～7任一权利要求所述的双通道光纤浊度传感器，其特征在于，包括：

1)周期性地选通波长不同的两个光源交替发光，

2)对各个光源经过水体的光线，从相互垂直呈90度的两个方向同时测量散射光信号和透射光信号；并采集水体的温度信号；

3)分别对散射光信号、透射光信号和温度信号进行信号处理；

4)根据校准参数，对处理后的浊度信号和温度信号进行计算处理，生成浊度值和温度值；

在第1)步中，每个周期内，其中一个光源发光时，另一个光源关闭，两个光源交替发光；每个周期为1s；两个光源的波长分别880nm、660nm；

在第2)步中，各个光源的光线经过被测水体后分两路，分别用于测量散射光信号和透射光信号；

在第3)步中，信号处理是指：将散射光信号、透射光信号经光电转换生成浊度电信号，将温度信号生成温度电信号；浊度电信号是指由散射光信号和透射光信号得到的透射-散射比值；

在第4)步中，所述的对处理后的浊度信号进行计算处理是指将浊度信号转换为数字信号，再由微处理器进行计算，计算公式为：lnY＝4lnθX，式中X为浊度值、Y为浊度数字信号值，θ为校准参数；所述的对处理后的温度信号进行计算处理是指将浊度信号和温度信号转换为数字信号，再由微处理器进行计算；计算公式为：Y＝αZ²+βZ+γ；式中Y为浊度数字信号值，Z为温度数字信号，α、β、γ为校准参数；

所述由散射光信号和透射光信号得到透射-散射比值的具体过程为：波长为880nm的光源发射的光入射到待测水体中，光电检测器A(15)接收散射光信号，光电检测器A(15)将散射光信号转换为电信号后经信号调理模块后得到低频的直流散射电压信号；光电检测器B(16)接收透射光信号，光电检测器B(16)将透射光信号转换为电信号后经信号调理模块后得到低频的直流透射电压信号；散射电压信号和透射电压信号经除法器1(24)后得到透射-散射比值存储到微处理器(34)中；

波长为660nm的光源发射的光入射到待测水体中，光电检测器A(15)接收透射光信号，光电检测器A(15)将透射光信号转换为电信号后经信号调理模块后得到低频的直流透射电压信号；光电检测器B(16)接收散射光信号，光电检测器B(16)将散射光信号转换为电信号后经信号调理模块后得到低频的直流散射电压信号；散射电压信号和透射电压信号经除法器2(31)后得到透射-散射比值存储到微处理器(34)中；

将得到两个比值在微处理器(34)中先进行除法运算再进行对数运算，得到的值与浊度值呈对数关系，只与光的横截面积，介质浓度和散射光与透射光的传输距离差有关。