CN107664627B - 采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，采用激光测量液体浊度值，包括MCU单元、带通滤波模块、LED激光发生器、光电接收器、整流滤波模块，所述的MCU单元包括电流模块、模数转换模块、计算模块，MCU单元电流模块产生低频正弦波F1及高频正弦波F2形成包络信号F1′；包络信号F1′驱动恒流电路来实现LED激光发生器的驱动，产生激光照射待测液体；光电接收器接收信号并经过整流滤波模块处理后，再进入MCU单元进行转换、数字滤波；计算得到相应的液体浊度值。本发明采用激光调幅调制型光源，检测透射光与前向角散射光，大幅度降低杂波干扰，对20NTU以下的浊度值进行精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，特别涉及一种采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法。
背景技术
浊度是指液体中的悬浮颗粒物对光线透射时所发生的阻碍程度，水中的悬浮颗粒物主要是：泥土、砂粒、细微的有机物和无机物，以及浮游生物、微生物和胶体物质等等。
目前常用的浊度测量方式有：1)表面反射型，流动的液体的表面的颗粒物数量与液体内的颗粒物数量是成正比的，当光照射到液体表面时，液体表面基本是镜面反射，而颗粒物表面是漫反射，通过检测漫反射的强度与入射光的强度，可以换算出液体中颗粒物的数量；优点：由于是液体表面的反射，所以液体的颜色、对光线的吸收等等干扰因素可以完全的不考虑；缺点：对水流的平稳性要求很高，整个测量装置的体积较大。2)入射-透射型，当光线照到液体时，一部分光线会被吸收，一部分光线透射穿过，还有一部分光线，由于颗粒物的存在而产生散射；通过检测入射光和透射光强度，可以换算出光线通过液体后的衰减程度，在去除吸收因素后，就可以得到中颗粒物的数量；优点：测量结果与视觉感受接近；缺点：由于光线吸收的因素很难确定，所以测量结果常常与实际颗粒物数量成非线性关系。3)透射-散射型，测量的是透射光强度和散射光强度，在保证透射光与散射光在液体中的光程长度一致的情况下，由于液体对光线的吸收是相同的，所以，散射光与透射光的比值就能客观的反映出液体中颗粒物的数量；优点：浊度值在1000以下时，有良好的测量精度与稳定性；缺点：浊度值在2000以上时，由于光线的穿透力减弱，测量误差较大。
发明内容
本发明是为了解决现有液体浊度测量方式还存在缺陷，测量数据不够精准的问题，提供一种采用激光调幅调制型光源，通过检测透射光与前向角散射光，大幅度降低杂波干扰的，对20NTU以下的浊度值进行精确测量的采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，采用激光测量液体浊度值，包括MCU单元、带通滤波模块、LED激光发生器、光电接收器、整流滤波模块，所述的MCU单元包括电流模块、模数转换模块、计算模块，采用如下测量步骤：1)MCU单元电流模块产生低频正弦波F1及高频正弦波F2；2)MCU单元用低频正弦波F1包络高频正弦波F2，形成包络信号F1′；3)包络信号F1′经过带通滤波模块去除高次谐波、平滑波形；4)经过上一步骤所得的包络信号F1′驱动恒流电路来实现LED激光发生器的驱动，产生激光；5)用激光照射待测液体，同时产生透射光和前向散射光；6)光电接收器包含两路光电接收电路，分别接收检测透射光和前向散射光；7)光电接收器两路光电接收电路接收到的信号经过整流滤波模块处理后，再进入MCU单元模数转换模块进行转换；8)MCU单元通过给定算法进行数字滤波；9)MCU单元计算模块计算得到相应的液体浊度值。本方案采用激光调幅调制型光源，在MCU单元产生低频正弦波F1及高频正弦波F2，用低频正弦波F1包络高频正弦波F2，形成包络信号F1′，而包络信号F1′经过带通滤波模块用于驱动恒流电路来实现LED激光发生器的驱动，产生激光，激光照射待测液体，同时产生透射光和前向散射光，光电接收器两路光电接收电路接收到透射光和前向散射光信号，先经过整流滤波模块处理后，再进入MCU单元模数转换模块进行转换，MCU单元通过给定算法进行数字滤波后由计算模块计算得到相应的液体浊度值。
作为优选，所述的液体浊度值不高于20NTU。本方案测量高于20NTU的液体浊度值时，误差会增加。
作为优选，所述的MCU单元采用ARM-M3内核的32位单片机，主频工作在72MHz及以上，所述的单片机上设有高速的ADC、DAC、定时器，实现精准的时间间隔与数据输入输出，所述单片机通过串口连接实现与上位机的通讯，完成配置与测量结果的输出。由于DAC输出会带有一些高次谐波的分量，一个带通滤波器实现信号的调理，同时降低EMI。
作为优选，所述的低频正弦波F1、高频正弦波F2由定时器产生，并形成包络信号F1′，按给定的时间间隔计算得到包络信号F1′的离散化数据，再按相应的时间间隔得到相应数据，采用DAC进行数据转换并输出。
作为优选，所述的LED激光发生器采用可调节的恒流源，所述的带通滤波模块输出的信号用来调整恒流源输出电流的大小。为了使LED稳定工作，采用恒流源驱动，本方案采用的是可调节的恒流源，带通滤波电路输出的信号，用来调整恒流源输出电流的大小。
作为优选，所述的光电接收器的两路光电接收电路分别为低增益的TIA接收电路、高增益的TIA电路，两路光电接收电路接收到的信号分别通过整流滤波模块滤除直流分量、高次谐波，所述的整流滤波模块采用运放和二极管组成理想二极管电路，实现mV级的信号检测。由于本方案测量的液体浊度值较低，产生的透射光比散射光强得多，所以，透射光采用低增益的TIA接收电路，散射光接收电路采用高增益TIA电路，分别通过带通滤波器，滤除直流分量(自然光的干扰)，滤除高次谐波(噪声等)；常规的二极管存在压降，直接用于检波，会造成小信号无法检出，所以用运放(一种电子元器件)和二极管组成理想二极管电路，实现mV级的信号检测。
作为优选，所述的步骤8)中，MCU单元采用自适应信号处理技术，计算出采样数据与包络信号F1′的相关函数，对采样信号进行高精度的数字滤波后，可计算得到透射光的有效值和散射光的有效值。两路光电接收电路检出的信号，通过整流滤波模块送入MCU的ADC进行采样，采用自适应信号处理技术，计算出采样数据与F1′的相关函数，对采样信号进行高精度的数字滤波后，可计算得到透射光的有效值和散射光的有效值，再进一步计算就可以得到相应浊度值。
因此，本发明具有如下有益效果：(1)采用激光调幅调制型光源，检测透射光与前向角散射光；(2)大幅度降低杂波干扰；(3)对20NTU以下的浊度值进行精确测量。
附图说明
图1是本发明的一种原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，采用激光测量液体浊度值，包括MCU单元、带通滤波模块、LED激光发生器、光电接收器、整流滤波模块，所述的MCU单元包括电流模块、模数转换模块、计算模块，采用如下测量步骤：1)MCU单元电流模块产生低频正弦波F1及高频正弦波F2；2)MCU单元用低频正弦波F1包络高频正弦波F2，形成包络信号F1′；3)包络信号F1′经过带通滤波模块去除高次谐波、平滑波形；4)经过上一步骤所得的包络信号F1′驱动恒流电路来实现LED激光发生器的驱动，产生激光；5)用激光照射待测液体，同时产生透射光和前向散射光；6)光电接收器包含两路光电接收电路，分别接收检测透射光和前向散射光；7)光电接收器两路光电接收电路接收到的信号经过整流滤波模块处理后，再进入MCU单元模数转换模块进行转换；8)MCU单元通过给定算法进行数字滤波；9)MCU单元计算模块计算得到相应的液体浊度值；
待测液体浊度值不高于20NTU；
MCU单元采用ARM-M3内核的32位单片机，主频工作在72MHz及以上，单片机上设有高速的ADC、DAC、定时器，实现精准的时间间隔与数据输入输出，单片机通过串口连接实现与上位机的通讯，完成配置与测量结果的输出；
LED激光发生器采用可调节的恒流源，所述的带通滤波模块输出的信号用来调整恒流源输出电流的大小；
光电接收器的两路光电接收电路分别为低增益的TIA接收电路、高增益的TIA电路，两路光电接收电路接收到的信号分别通过整流滤波模块滤除直流分量、高次谐波，整流滤波模块采用运放和二极管组成理想二极管电路，实现mV级的信号检测；
步骤8)中，MCU单元采用自适应信号处理技术，计算出采样数据与包络信号F1′的相关函数，对采样信号进行高精度的数字滤波后，可计算得到透射光的有效值和散射光的有效值。
具体使用过程是，测量待测液体浊度时，在MCU单元产生低频正弦波F1及高频正弦波F2，用低频正弦波F1包络高频正弦波F2，形成包络信号F1′，而包络信号F1′经过带通滤波模块用于驱动恒流电路来实现LED激光发生器的驱动，产生激光，激光照射待测液体，同时产生透射光和前向散射光，光电接收器两路光电接收电路接收到透射光和前向散射光信号，先经过整流滤波模块处理后，再进入MCU单元模数转换模块进行转换，MCU单元通过给定算法进行数字滤波后由计算模块计算得到相应的液体浊度值。
Claims (5)
1.一种采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，采用激光测量液体浊度值，其特征在于，包括MCU单元、带通滤波模块、LED激光发生器、光电接收器、整流滤波模块，所述的MCU单元包括电流模块、模数转换模块、计算模块，采用如下测量步骤：1)MCU单元电流模块产生低频正弦波F1及高频正弦波F2；2)MCU单元用低频正弦波F1包络高频正弦波F2，形成包络信号F1′；3)包络信号F1′经过带通滤波模块去除高次谐波、平滑波形；4)经过上一步骤所得的包络信号F1′驱动恒流电路来实现LED激光发生器的驱动，产生激光；5)用激光照射待测液体，同时产生透射光和前向散射光；6)光电接收器包含两路光电接收电路，分别接收检测透射光和前向散射光；7)光电接收器两路光电接收电路接收到的信号经过整流滤波模块处理后，再进入MCU单元模数转换模块进行转换；8)MCU单元通过给定算法进行数字滤波；9)MCU单元计算模块计算得到相应的液体浊度值；
所述的液体浊度值不高于20NTU；
所述的光电接收器的两路光电接收电路分别为低增益的TIA接收电路、高增益的TIA电路，两路光电接收电路接收到的信号分别通过整流滤波模块滤除直流分量、高次谐波，所述的整流滤波模块采用运放和二极管组成理想二极管电路，实现mV级的信号检测。
2.根据权利要求1所述的采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，其特征是，所述的MCU单元采用ARM-M3内核的32位单片机，主频工作在72MHz及以上，所述的单片机上设有高速的ADC、DAC、定时器，实现精准的时间间隔与数据输入输出，所述单片机通过串口连接实现与上位机的通讯，完成配置与测量结果的输出。
3.根据权利要求1或2所述的采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，其特征是，所述的低频正弦波F1、高频正弦波F2由定时器产生，并形成包络信号F1′，按给定的时间间隔计算得到包络信号F1′的离散化数据，再按相应的时间间隔得到相应数据，采用DAC进行数据转换并输出。
4.根据权利要求1所述的采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，其特征是，所述的LED激光发生器采用可调节的恒流源，所述的带通滤波模块输出的信号用来调整恒流源输出电流的大小。
5.根据权利要求1所述的采用激光调幅调制型光源测量低浊度值的方法，其特征是，所述的步骤8)中，MCU单元采用自适应信号处理技术，计算出采样数据与包络信号F1′的相关函数，对采样信号进行高精度的数字滤波后，可计算得到透射光的有效值和散射光的有效值。
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