CN110672523A - 一种浊度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及浊度检测领域。本发明公开了一种浊度传感器，包括设有检测区域的传感器本体，传感器本体设有第一检测光路、第二检测光路和第三检测光路，第一检测光路包括第一红外发射单元、若干反射部和第一感光元件，若干反射部设置在检测区域的相对的第一侧壁和/或第二侧壁上，第一红外发射单元用于从检测区域的第一侧壁外发射红外光进入检测区域，并被若干反射部依次反射后射出检测区域外被第一感光元件接收，第二检测光路包括第二红外发射单元和第二感光元件，第二感光元件用于接收第二红外发射单元发射的且穿过检测区域的红外光，第三检测光路包括可见光单元和第三感光元件，第三感光元件用于接收可见光单元发射的且穿过检测区域的可见光。
Description
技术领域
本发明属于浊度检测技术领域，具体地涉及一种浊度传感器。
背景技术
目前浊度测试方法按照光接收方式分为透射式测量法、散射光式测量法、透射-散射比较式测量法。现有的浊度传感器基本都是基于以上三种方法或者其中两种方法结合的方案。
透射法遵从朗伯-比尔定律，原理简单，仪器设备也简单，采用透射测量可以测试高浊度水质，但是对于浊度较低的情况下，由于大部分光线都直接发生透射，微小浊度变化引起的透射光变化是很小的，对于光电接收元件和放大器分辨率、稳定性要求高，0～100NTU是无法满足测试要求。透射式测试量不适合测量低浊度。
散射式测量一般是在与直线透射过的透射光之间夹角90°处利用光电元件测试散射光信号。散射法利用液体悬浮颗粒对入射光的散射来进行测量浊度，其散射光强与浊度满足一定关系。但是散射式测量通常用于测试低浊度液体，高浊度因发生二次散射，因此测试线性不好。一般不用于高浊度测试。
透射-散射测量法是透射法与散射法的结合，利用散射和透射的比值，建立与浊度的关系曲线，并消除一定干扰，但是该比值与浊度只在一定范围内有近似线性关系，因此量程存在一定局限性。
此外，用于洗衣机、洗碗机等浊度传感器都无法测试染色问题，即衣物颜料、有色液存于待测液体中，传感器无法进行检测，红外光无法测试这种情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浊度传感器用以解决上述存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种浊度传感器，包括传感器本体，所述传感器本体设有检测区域，用于容纳待测液体，所述传感器本体设有第一检测光路、第二检测光路和第三检测光路，所述第一检测光路包括第一红外发射单元、若干反射部和第一感光元件，若干反射部设置在检测区域的第一侧壁和/或第二侧壁上，第一侧壁与第二侧壁相对，所述第一红外发射单元用于从检测区域的第一侧壁外发射红外光进入检测区域，并被若干反射部依次反射后射出检测区域外被第一感光元件接收，所述第二检测光路包括第二红外发射单元和第二感光元件，所述第二感光元件用于接收第二红外发射单元发射的且穿过检测区域的红外光，第三检测光路包括可见光单元和第三感光元件，所述第三感光元件用于接收可见光单元发射的且穿过检测区域的可见光。
进一步的，所述第一红外发射单元采用激光红外发射管来实现。
进一步的，所述第一红外发射单元采用红外LED管来实现，所述红外LED管的出射端设有准直透镜。
进一步的，所述第一红外发射单元和第二红外发射单元的波长为790-1500nm。
进一步的，所述反射部的数量为偶数个，所述第一感光元件设置在检测区域的第二侧壁外。
更进一步的，所述反射部的反射率≥95％。
进一步的，所述反射部的直径大于第一红外发射单元发射的红外光的法向光斑直径。
进一步的，位于同一侧壁的相邻的反射部的间隔大于反射部的直径大。
进一步的，所述可见光单元采用白光LED或RGB三色LED来实现。
进一步的，所述第一感光元件、第二感光元件和第三感光元件为光敏管或光子晶体。
本发明的有益技术效果：
本发明浊度测试量程大，从低浊度至高浊度均可很好地测量，还可检测水体染色状态，功能多样。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一的的光路示意图；
图3为本发明实施例二的结构示意图；
图4为本发明实施例二的的光路示意图；
图5为本发明的检测过程示意图；
图6为颜色对白光的吸收特征图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一
如图1和2所示，一种浊度传感器，包括传感器本体，所述传感器本体设有检测区域13，用于容纳待测液体2，本具体实施例中，传感器本体包括第一透明套壳11和第二透明套壳12，所述第一透明套壳11和第二透明套壳12间隔设置，第一透明套壳11和第二透明套壳12之间的槽隙即为检测区域13，采用该结构，组装方便，易于实现，当然，在其它实施中，第一透明套壳11和第二透明套壳12也可以采用一体化结构来实现。
所述传感器本体设有第一检测光路、第二检测光路和第三检测光路，所述第一检测光路包括第一红外发射单元31、若干反射部32和第一感光元件33，所述若干反射部32设置在检测区域13的第一侧壁131和/或第二侧壁132上，第一侧壁131与第二侧壁132相对，本具体实施例中，第一侧壁131与第二侧壁132分别为第一透明套壳11和第二透明套壳12的相对的侧壁111和121。
本具体实施例中，反射部32的数量为两个，分别设置在第一侧壁131与第二侧壁132上，当然，在其它实施例中，反射部32的数量也可以是一个或大于两个，具体可以根据实际需要测量的量程来设定。
根据朗伯-比尔定律I＝I0e-ktL，其中I是透射后的光强，I0为入射的光强，K为比例系数，t为浊度，L为光程。
在本发明中，光线在待测液体2中被反射部32来回反射，光程L近似＝(反射部32数量n+1)×L1，L1为第一侧壁131与第二侧壁132之间的距离。
根据朗伯-比尔定律，n＝2，I衰减效果比单光程L1情况，增大7.39倍。同理n＝4，衰减效果增大54.6倍。n＝6，衰减效果增大403倍。因此当传感器的检测下限为30NTU，则n＝2满足要求。传感器的检测下限为1NTU，则n需要选择4，如果检测限为0～1NTU，n＝6。n继续增大，由于散射作用会导致透射光线被散射光线掩盖，因此，一般反射部32的数量n≤6。
优选的，反射部32的数量为偶数，使得第一红外发射单元31和第一感光元件33分别设置在第一透明套壳11和第二透明套壳12内，避免第一感光元件33受到出射光的干扰，提高检测精度。
本具体实施例中，第一红外发射单元31设置在第一透明套壳11内，第一感光元件33设置在第二透明套壳12内，第一红外发射单元31发射的红外光依次穿过第一侧壁131、检测区域13的待测液体2射至第二侧壁132上的反射部32，被其反射后再穿过待测液体2射至第一侧壁131上的反射部32，再次被第一侧壁131上的反射部32反射后，依次穿过待测液体2和第二侧壁132进入第一感光元件33，被第一感光元件33接收。
第一红外发射单元31相对于第一侧壁131的入射角必须小于其全反射角。
优选的，第一红外发射单元31的波长为790-1500nm，可避免环境光中可见光的干扰，提高检测精度，本具体实施例中，第一红外发射单元31的波长为940nm，但并不限于此。
本具体实施例中，第一红外发射单元31采用红外LED管来实现，成本低，所述红外LED管的出射端设有准直透镜34，如菲涅尔透镜，使得出射光形成平行光，当然，若是红外LED管31的发射角度比较小，如小于±10°，也可以不设置准直透镜34。当然，在其它实施例中，第一红外发射单元31也可以采用现有的其它红外发射装置来实现。
本具体实施例中，所述反射部32的反射率优选≥95％，避免红外光衰减太快，可采用镀银、溅射等方法制成。
本具体实施例中，所述反射部32的直径优选大于第一红外发射单元31发射的红外光的法向光斑直径，便于将第一红外发射单元31发射的红外光进行全部反射，提高反射率，但并不限于此。
本具体实施例中，反射部32优选为圆形形状，位于同一侧壁的相邻的反射部32的间隔大于反射部32的直径大，避免反射部32发生重叠，导致光线在重叠区发生二次反射，对于传感器的线性有较大影响。
所述第二检测光路包括第二红外发射单元41和第二感光元件42，第二红外发射单元41和第二感光元件42分别设置在第一透明套壳11和第二透明套壳12内，所述第二感光元件42用于接收第二红外发射单元42发射的且依次穿过第一侧壁131、检测区域13的待测液体2、第二侧壁132的红外光，第三检测光路包括可见光单元51和第三感光元件52，所述第三感光元件52用于接收可见光单元发射51的且依次穿过第一侧壁131、检测区域13的待测液体2、第二侧壁132的可见光。
本具体实施例中，第二红外发射单元41和可见光单元51均优选垂直入射至第一侧壁131，光程短，且易于组装，但并不以此为限。
优选的，第二红外发射单元41的波长为790-1500nm，可避免环境光中可见光的干扰，提高检测精度，本具体实施例中，第二红外发射单元41的波长为940nm，但并不以此为限。
本具体实施例中，所述第一感光元件33、第二感光元件42和第三感光元件52可以为光敏管或光子晶体或其他感光元件。
本具体实施例中，所述可见光单元51采用白光LED。因待测液体2中的浊度不会影响白光吸收，因此第三检测光路可以专门对水体染色情况进行评估，如有染色，则发生明显吸收。特征图如下图6所示。
白光LED的角度可以为5～120°，色温可以为2700K～20000K，封装形式可以是TOPLED、直插LED、CHIP LED等。
本具体实施例中，白光LED的角度为30°，色温10000K，封装形式为0603CHIP LED，但并不限于此。
本具体实施例中，第一透明套壳11和第二透明套壳12采用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)材料制成，但并不限于此。
检测过程：
开始测试，首先单片机I/O控制第二检测光路进行测试，第二红外发射单元42发射红外光依次穿过第一侧壁131、检测区域13的待测液体2和第二侧壁132后被第二感光元件42接收，信号采集放大后进入单片机进行计算处理，如果所得值>100NTU，则数据输出，然后和应用端总线通讯或者显示；如果所得值<100NTU，则单片机控制第一检测光路进行测试，第一红外发射单元31发射的红外光依次穿过第一侧壁131、检测区域13的待测液体2射至第二侧壁132上的反射部32，被其反射后再次穿过待测液体2射至第一侧壁131上的反射部32，再次被第一侧壁131上的反射部32反射后，依次穿过待测液体2和第二侧壁132进入第一感光元件33，被第一感光元件33接收，信号采集放大后进入单片机进行计算处理，然后和应用端总线通讯或者显示，浊度信号处理完毕后，单片机控制第三检测光路进行测试，可见光单元发射51发射白光依次穿过第一侧壁131、检测区域13的待测液体2和第二侧壁132被第三感光元件52接收，经过信号放大处理与计算后，将所得水体是否被染色进行0-1输出，显示或与应用总线通讯，具体过程详见图5。
本实施例可用于测试浊度30NTU下限、以及是否有染色0-1判断。
实施例二
如图3和4所示，本具体实施例与实施例一的区别在于：本实施例的第一红外发射单元31采用激光红外发射管来实现，由于激光的准直性好，因此，本实施例中，无需设置准直透镜，本实施例的反射部32的数量为4个，依次交错设置在第二侧壁132和第一侧壁131上，本实施例的可见光单元发射51采用RGB三色LED来实现。RGB三色LED的角度优选≤±30°，红光峰值波长为700nm±20nm；绿光峰值波长为546.1nm±20nm；蓝光峰值波长为435.8nm±20nm，采用RGB三色LED可以检测待测液体2的染色色度，原理如下：
测试时，RGB三色LED单路依次打开，同一时间只有一路开打，第三感光元件52进行接收输出光电压信号，输出的光电压信号正比于接收到的光强值，因此利用三刺激值原理，计算色坐标，
r+g+b＝1，其中VR代表红光光路的光电压，VG代表绿光光路的光电压，VB代表蓝光光路的光电压。
通过色度学中的色坐标转化公式，即可换算色坐标值：
z＝1-x-y
本具体实施例中，RGB三色LED的红光、蓝光、绿光的峰值波长分别为700nm，545nm和435nm。
当然，在其它实施例中，可见光单元发射51也可以采用白光LED作为光源，配合带有R、G、B三色滤光片输出红光、蓝光和绿光。
本具体实施例中，第一红外发射单元31和第二红外发射单元41的波长为850nm，第一透明套壳11和第二透明套壳12采用PC(聚碳酸酯)材料制成，但并不限于此。
本实施例的检测过程与实施例一相似，具体可以参考实施一，此不再细说。
本实施例可用于测试浊度1NTU下限、以及进行色度测试。
本发明浊度测试量程大，从低浊度至高浊度均可很好地测量，还可检测水体染色状态，功能多样。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种浊度传感器，包括传感器本体，所述传感器本体设有检测区域，用于容纳待测液体，其特征在于：所述传感器本体设有第一检测光路、第二检测光路和第三检测光路，所述第一检测光路包括第一红外发射单元、若干反射部和第一感光元件，若干反射部设置在检测区域的第一侧壁和/或第二侧壁上，第一侧壁与第二侧壁相对，所述第一红外发射单元用于从检测区域的第一侧壁外发射红外光进入检测区域，并被若干反射部依次反射后射出检测区域外被第一感光元件接收，所述第二检测光路包括第二红外发射单元和第二感光元件，所述第二感光元件用于接收第二红外发射单元发射的且穿过检测区域的红外光，第三检测光路包括可见光单元和第三感光元件，所述第三感光元件用于接收可见光单元发射的且穿过检测区域的可见光。
2.根据权利要求1所述的浊度传感器，其特征在于：所述第一红外发射单元采用激光红外发射管来实现。
3.根据权利要求1所述的浊度传感器，其特征在于：所述第一红外发射单元采用红外LED管来实现，所述红外LED管的出射端设有准直透镜。
4.根据权利要求1所述的浊度传感器，其特征在于：所述第一红外发射单元和第二红外发射单元的波长为790-1500nm。
5.根据权利要求1所述的浊度传感器，其特征在于：所述反射部的数量为偶数个，所述第一感光元件设置在检测区域的第二侧壁外。
6.根据权利要求5所述的浊度传感器，其特征在于：所述反射部的反射率≥95％。
7.根据权利要求5所述的浊度传感器，其特征在于：所述反射部的直径大于第一红外发射单元发射的红外光的法向光斑直径。
8.根据权利要求5所述的浊度传感器，其特征在于：位于同一侧壁的相邻的反射部的间隔大于反射部的直径大。
9.根据权利要求1所述的浊度传感器，其特征在于：所述可见光单元采用白光LED或RGB三色LED来实现。
10.根据权利要求1所述的浊度传感器，其特征在于：所述第一感光元件、第二感光元件和第三感光元件为光敏管或光子晶体。
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