WO2015161748A1 - 一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法 - Google Patents

一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法 Download PDF

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turbidity
light source
liquid
measurement
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王增林
张建
刘文清
韩霞
刘建国
王焕钦
王田丽
桂华侨
李清方
杨义新
王子明
程寅
张启阳
曹会彬
孙广领
曹阳阳
王杰
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中石化石油工程设计有限公司
中国科学院合肥物质科学研究院
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid

Definitions

  • the invention relates to a measuring method of a non-gated liquid turbidity measuring device based on time-dependent single photon counting, and belongs to the technical field of environmental monitoring.
  • Turbidity is a comprehensive indicator of water quality and an important indicator for monitoring water pollution and eutrophication. At present, turbidity is widely used as a marker for the effectiveness of water purification in various countries. Although inorganic substances and muddy sands in water are not necessarily directly harmful to health, they are a potential unsafe factor in their ability to adsorb bacteria, viruses and parasites. Some data indicate that the incidence of viral infections tends to increase with the increase of turbidity of filtered water.
  • HACH Real-time online measurement [3];
  • HACH introduced a 2100A laboratory turbidity meter in the late 1980s, which uses a tungsten halogen lamp as the light source, with a measurement range of 0-1000 NTU and a measurement accuracy of 0.01, but due to A plurality of silicon photodiodes for receiving light beams are used to receive scattered light signals from different angles, and the structure thereof is very complicated and difficult to miniaturize [4-7]; compared with developed countries such as the United States, Britain, France, Germany, and Japan.
  • the domestic research on solution turbidity detection technology started late, and the technical performance has a very big gap with foreign turbidity detection technology.
  • the above measurement method uses a gate-type measuring device, which requires a delay module and a gate signal. In actual measurement, it is necessary to accurately adjust the delay module to find the signal to be measured. Therefore, The system structure is complicated and the operation is inconvenient.
  • the photoelectric sensor device output of the above measurement method is a weak picoampere current signal, and requires precise current-voltage conversion and amplification circuit, and the sensitivity and accuracy of the system are limited; finally, the above measurement method is not A time-dependent method based on statistical principles is used, so the measurement results are less stable.
  • the main object of the present invention is to provide a measurement method for a non-gated liquid turbidity measuring device based on time-dependent single photon counting, which solves the deficiencies of the existing turbidity measuring technology, in particular, solves the real-time online solution of the solution in low turbidity measurement. Accurate measurement, high precision and stable measurement.
  • a method for measuring a non-gated liquid turbidity measuring device based on time-dependent single photon counting comprising a light source module, an optical path transmission module, a photoelectric conversion and signal processing module, a control module, a signal generation module and a standard turbidity liquid;
  • the light source module includes a light source control module and a light source;
  • the optical path transmission module includes a first lens, a second lens, a band pass filter, and an aperture;
  • the photoelectric conversion and signal processing module includes a single photon detection module and a time measurement module.
  • Photon meter a module, a feature parameter extraction module;
  • the control module includes a controller, a display module, and a storage module;
  • the signal generation module includes an oscillator, a narrow pulse generator; the oscillator is connected to a narrow pulse generator;
  • the pulse generator is connected to the light source control module in the light source module;
  • the light source control module is connected to the light source;
  • the output light of the light source acts on the standard turbidity liquid after passing through the first lens in the optical path transmission module;
  • the 90 degree scattered light of the liquid is received by the second lens in the optical path transmission module, passes through the band pass filter and the aperture, and is finally received by the single photon detection module in the photoelectric conversion and signal processing module;
  • the single photon The detection module is respectively connected to the time measurement module and the photon counting module;
  • the time measurement module and the photon counting module are respectively connected to the feature parameter extraction module;
  • the feature parameter extraction module and the controller in the control module are connected to each other;
  • the oscillator generates a waveform acting on the narrow pulse generator to generate a high speed narrow pulse signal, acting on the light source, generating high speed narrow pulse modulated light, and controlling, by the light source control module, the time when the light source is turned on and off;
  • the narrow pulse modulated light is applied to the standard turbidity liquid through the first lens, and the 90 degree scattered light of the standard turbid liquid is collected by the second lens, and sequentially transmitted through the band pass filter and the diaphragm, and finally detected by the single photon.
  • the module receives, generates an electrical pulse signal corresponding to the received scattered light, and realizes conversion of the weak optical signal to the electrical pulse signal;
  • the oscillator output waveform also acts on the controller as a synchronization signal between the controller opening time measurement module and the photon counting module; during measurement, based on the time measurement module, the controller divides the synchronization signal by a whole period For a number of time slices, and using the photon counting module, the number of electric pulses output by the single photon detection module in each time slice is recorded to obtain a photon count value, and a statistical histogram of the photon count value and the optical flight time is obtained, which is simply a statistical histogram. And extracting feature parameters by using a feature parameter extraction module;
  • the turbidity value y is stored in the storage module and displayed on the display module.
  • the method for extracting feature parameters by using a feature parameter extraction module is: using a light source control module to control light source on and Turn off the same time unit, respectively, when extracting the light source is turned on, the peak value A of the photon count value in the statistical histogram, and the mean value B of the photon count value in the statistical histogram when the light source is turned off, and the photon obtained when the light source is turned off and the light source is turned off.
  • the characteristic value x of the count value is obtained by comparing the mean value B of the count value:
  • the relationship between the turbidity of the measured turbidity liquid and the characteristic parameter is a proportional function.
  • the transmission medium of light in the optical path transmission module uses a combination of the measured liquid or free space and the liquid to be tested.
  • the controller divides a whole period of the synchronization signal into a plurality of time slices, and records each time slice by using a photon counting module.
  • the number of electric pulses output by the single-photon detection module obtains the photon count value, and the statistical histogram is obtained.
  • the feature parameter extraction module extracts the one-to-one correspondence between the turbidity and the statistical histogram. Characteristic Parameters.
  • the signal generation module is used for generating a narrow pulse signal and a synchronization signal.
  • the oscillator generates a signal to generate a high speed narrow pulse for the narrow pulse generator, and generates a synchronous pulse in phase with the high speed narrow pulse for use by the controller in the control module.
  • the present invention adopts an avalanche photodiode operating in the Geiger mode as a photoelectric sensor, and has the ability to detect a single photon, and can detect extremely weak light, thereby enabling detection of extremely low turbidity liquid turbidity, and work at Under the action of the same optical power, the avalanche photodiode in the Geiger mode has a fast current growth rate, an avalanche effect, high sensitivity, a simple subsequent amplifying circuit, and a digital signal, which has measurement accuracy, high sensitivity, and anti-interference.
  • the advantage of convenient signal processing is provided.
  • the present invention adopts time-dependent single photon detection technology (TCSPC), and its detection principle is based on statistical theory, and a large amount of data statistics and averages improve the measurement accuracy and stability of the device.
  • TCSPC time-dependent single photon detection technology
  • the receiving end of the present invention utilizes a high-sensitivity single photon detecting module. Therefore, the small power source that can be used at the transmitting end has the advantages of stable output, low heat generation, long service life, and harmless to the human eye.
  • the invention can solve the deficiencies of the existing turbidity measurement technology, in particular to solve the problem of real-time online accurate measurement of the solution in the low turbidity measurement, high-precision and stable measurement, etc., and has the characteristics of high measurement accuracy, sensitivity, high stability, etc., especially suitable for
  • the field of oilfield water injection development and wellbore water injection turbidity detection technology has certain industrial applicability.
  • Figure 1 is a schematic view of a liquid turbidity measuring device of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic diagram of photoelectric signal conversion of the present invention
  • Figure 3 (a) is a statistical histogram of the photon count value and the optical time of flight when the light source is turned on;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of linear fitting of least squares method of the present invention.
  • the operator first calibrates the device to obtain the device-specific parameter k-value.
  • the specific process of the calibration is as follows: an operation command is issued through the friendly human-computer interaction interface of the display module 402, and the oscillator 501 is controlled to generate a square wave with a duty ratio of 50% and a frequency of 10 MHz, acting on the narrow pulse generator 502, generating a high-speed narrow pulse signal having a frequency of 10 MHz and a pulse width of 800 ps acts on the light source 102 to generate high-speed narrow pulse-modulated light, and the light source control module 101 controls the on and off times of the light source 102; the high-speed narrow pulse-modulated light
  • the first lens 201A is applied to the standard turbidity liquid 11 having a turbidity of y1, and the 90-degree scattered light is collected by the second lens 201B, and sequentially transmitted through the band pass filter 202 and the aperture 203, and finally detected by the single photon.
  • the photon count value average value B obtained in FIG. 3(b) is subtracted from the photon count value peak value A obtained in FIG. 3(a), and the photon count value of the 90-degree scattered light, that is, the photon count value of the signal is obtained.
  • the characteristic parameter x is obtained by comparing with the mean B of the photon count value obtained by 3(b):

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Abstract

一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，装置包括光源模块（100）、光路传输模块（200）、光电转换与信号处理模块（300）和标准浊度液体（11）。该测量方法是光源经高速窄脉冲调制后作用于标准浊度液体（11），接收90度散射光后作用于光电转换与信号处理模块（300），获得光子计数值与光飞行时间的统计直方图，并提取统计直方图上的特征参数；根据上述特征参数获取方法对测量装置进行标定，获得装置固有参数；在实际测量时，利用统计测量得到的对应特征参数以及装置固有参数，反演得到被测液体浊度值，从而实现了液体浊度的精准测量。该装置结构简单、稳定性高、易于实现、测量精度高，且测量速度快、实时性好，为水质在线实时监测提供了技术保障。

Description

一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法 技术领域
本发明涉及一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，属于环境监测技术领域。
背景技术
浊度(Turbidity)是衡量水质的综合指标，同时也是监测水污染和水体富营养化的一项重要指标。目前，各国广泛将浊度作为水净化效果好坏的标志。虽然水中的无机物、泥砂不一定直接有害健康，但它们能吸附细菌、病毒及寄生虫，是一种潜在的不安全因素。有资料表明，随滤后水的浊度增加，病毒性传染病发病率有增大倾向。美国国家环保(USEPA)进行的研究表明，将出厂水浊度降至0.5NTU，可大大降低原虫的传播，而浊度低于0.3NTU，原虫去除率达99％，当浊度低于0.1NTU时，去除率甚至可高达99.9％[1]。因此，随着生活水平的不断提高，人们对饮用水低浊度的要求也越来越高。
然而，当液体浊度越低，测量时其散射光强也越弱，因此，常用的低灵敏度探测器，如光电倍增管、真空二极管、硅二极管以及硫化镉光导体等[2]都难以满足低浊度液体精确测量的要求，同时在使用时还需要复杂的多级放大电路，以检测微弱的信号，这必将引入非线性误差，影响测量精度。另外，其复杂的电路系统以及耗时的微弱模拟信号处理过程也将导致系统测量的实时性受限，例如，美国HACH公司推出的1720E型浊度仪，测量时间为1-5分钟，很难实现实时在线测量[3]；另外，HACH公司于80年代末推出一款2100A型实验室浊度仪，其运用钨卤灯作为光源，测量范围为0-1000NTU，测量精度可达0.01，但是由于采用了多个用于接收光束的硅光二极管，从不同角度接收散射光信号，其结构十分复杂，难以小型化[4-7]；与美国、英国、法国、德国、日本等发达国家相比，国内的溶液浊度检测技术研究起步较晚，技术性能与国外浊度检测技术有着非常大的差距。目前，国内常用的溶液浊度检测装置一般是基于浊液的散射光特性进行分析，但是由于光强信息的转化方式以及对转化结果的分析方法的不准确，导致测量结果精度低，稳定性与实时性差，很难适用于对指标要求较高的低浊度溶液实时检测的应用领域。例如，刘建国等公开了一种门限式激光液体浊度测量装置和测量方法[8]，其光电探测器采用了高灵敏度雪崩光电探测模块，能探测较微弱的光信 号，但仍存在以下几个问题：首先，上述测量方法采用了门控式的测量装置，需要延时模块以及门控信号，在实际测量时需要精确调节延时模块寻找被测信号，因此，系统结构复杂且操作不便；其次，上述测量方法的光电传感器件输出为微弱的皮安级电流信号，需要精密的电流电压转换以及放大电路，系统的灵敏度与精度受限；最后，上述测量方法未采用基于统计原理的时间相关的方法，因此测量结果稳定性较差。
综上所述，国内外的各种浊度测量系统结构复杂，体积较大，很难同时兼顾高精度与实时在线检测；同时，国产浊度计低的测量精度和差的实时性，均很难与国外类似产品的性能相比较，因此设计一种具有自主知识产权的高精度、高灵敏度、快速实时的液体浊度在线测量系统是本发明需要解决的一个关键内容。
现有技术参考文献：
[1]《城市供水水质标准》CJ/T206-2005讲读http://www.gaomi.gov.cn/News.Asp？Id＝12448
[2]Sadar,M.J.Understanding Turbidity Science,Technical Information Series,Booklet 11；Hach Company,Loveland,CO,USA,1996.
[3]Hach Company,"1720E Turbidimeter User Manual",
http://www.hach.com/1720e-low-range-process-turbidimeter-turbidity-sensor-only/product-downloads？id＝7640457219&callback＝bc(2013)
[4]Hach Company,2100-N laboratory turbidimeter application instruction.
[5]Hach Company,2100-AN laboratory turbidimeter application instruction.
[6]Hach Company,2100-NIS laboratory turbidimeter application instruction.
[7]Hach Company,2100-ANIS laboratory turbidimeter application instruction.
[8]刘建国等,"一种门限式激光液体浊度测量装置和测量方法",
http://www2.soopat.com/Patent/201310244241
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，解决现有浊度测量技术的不足，尤其是解决低浊度测量中溶液的实时在线准确测量，高精度且稳定测量等问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，装置包括光源模块、光路传输模块、光电转换与信号处理模块、控制模块、信号发生模块和标准浊度液体；所述光源模块包括光源控制模块、光源；所述光路传输模块包括第一透镜、第二透镜、带通滤光片、光阑；所述光电转换与信号处理模块包括单光子探测模块、时间测量模块、光子计 数模块、特征参数提取模块；所述控制模块包括控制器、显示模块和存储模块；所述信号发生模块包括振荡器、窄脉冲发生器；所述振荡器与窄脉冲发生器连接；所述窄脉冲发生器与光源模块内的光源控制模块连接；所述光源控制模块与光源连接；所述光源的输出光经光路传输模块中的第一透镜后，作用于标准浊度液体；所述标准浊度液体的90度散射光被光路传输模块中的第二透镜接收，经过带通滤光片和光阑后，最终被所述光电转换与信号处理模块中的单光子探测模块接收；所述单光子探测模块分别与时间测量模块、光子计数模块连接；所述时间测量模块、光子计数模块分别与特征参数提取模块互相连接；所述特征参数提取模块与控制模块中的控制器互相连接；所述控制器分别与显示模块和存储模块互相连接，并与信号发生模块中的振荡器连接；该方法包括下述步骤：
a.所述振荡器产生波形作用于窄脉冲发生器，产生高速窄脉冲信号，作用于光源，产生高速窄脉冲调制光，并由光源控制模块控制所述光源开启与关闭的时间；所述高速窄脉冲调制光经过第一透镜作用于标准浊度液体，所述标准浊度液体的90度散射光被所述第二透镜收集，并依次经带通滤光片和光阑传输，最终被单光子探测模块接收，产生与接收散射光对应的电脉冲信号，实现微弱光信号向电脉冲信号的转换；
b.所述振荡器输出波形同时也作用于控制器，作为控制器开启时间测量模块与光子计数模块的同步信号；在测量时，基于时间测量模块，控制器将同步信号的一个整周期均分为若干时间片，并利用光子计数模块，记录每个时间片中单光子探测模块输出的电脉冲数目得到光子计数值，获得光子计数值与光飞行时间的统计直方图，简记为统计直方图，并利用特征参数提取模块提取特征参数；
c.控制器利用不同浊度的标准浊度溶液对装置进行标定，统计测量得到不同浊度的标准浊度溶液的特征参数，将特征参数与标准浊度液体的浊度数据进行最小二乘法线性拟合，得到浊度与特征参数的关系：
y＝kx   (1)
其中：x：特征参数；
y：液体浊度值，单位NTU；
k：最小二乘法线性拟合系数；
并将得到的最小二乘法线性拟合系数k记为装置固有参数，保存到存储模块；
d.在实际测量液体浊度时，针对被测浊度液，将统计测量得到的对应特征参数x代入到公式(1)中，利用装置标定时获得的装置固有参数k值，得到被测液体浊度值y，存储于存储模块，并在显示模块上显示。
所述利用特征参数提取模块提取特征参数的方法是：利用光源控制模块控制光源开启和 关闭相同时间单元，分别提取光源开启时，统计直方图中光子计数值的峰值A，以及光源关闭时，统计直方图中光子计数值的均值B，两者相减后与光源关闭时获得的光子计数值的均值B作比，即可得到所述的特征参数x：
x＝(A-B)/B
所述光子计数值的均值B的计算方法是，将光源关闭时获得的统计直方图中光子计数值总和与其时间片的总数目作比。
所述被测浊度液的浊度与特征参数的关系为正比例函数。
所述光源为激光二极管或LED光源。
所述光路传输模块中光的传输介质采用被测液体或自由空间与被测液体的组合。
所述光电转换与信号处理模块中的单光子探测模块利用工作在盖革模式下的雪崩光电二极管作为光电转换传感器，实现一个同步信号整周期的光电转换。
本发明的原理：
本发明利用光源控制模块控制光源开启与关闭时间；光路传输模块为光源发射高速窄脉冲调制光并通过第一透镜作用于待测液体，其90度散射光被光路传输模块中的第二透镜接收，经过带通滤光片和光阑后，最终被所述光电转换与信号处理模块中的单光子探测模块接收；光电转换与信号处理模块为单光子探测模块将信号发生模块产生的同步信号的一个整周期内微弱光信号转换为电脉冲信号，如图2所示，基于时间测量模块，控制器将同步信号的一个整周期均分为若干时间片，并利用光子计数模块，记录每个时间片中单光子探测模块输出的电脉冲数目得到光子计数值，获得统计直方图，如图3(a)(b)所示，特征参数提取模块提取统计直方图中与浊度成一一对应关系的特征参数。控制模块为控制器实现光电转换与信号处理模块的控制，利用不同浊度的标准浊度溶液对装置进行校准，统计测量得到不同浊度的标准浊度溶液的特征参数，将特征参数与标准浊度液体的浊度数据进行最小二乘法线性拟合，如图4所示，得到装置固有参数，保存到存储模块，实际测量时，利用统计测量得到的对应特征参数以及装置固有参数，反演得到液体浊度值，储于存储模块，并在显示模块显示液体的浊度值。信号发生模块用于窄脉冲信号以及同步信号的产生，振荡器产生信号作用于窄脉冲发生器产生高速窄脉冲，并产生与高速窄脉冲同相位的同步脉冲供控制模块中的控制器使用。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明采用工作在盖革模式下的雪崩光电二极管作为光电传感器，具有探测单个光子的能力，可以探测到极微弱的光，因此，能够实现极低浊度液体浊度的探测，且工作在 盖革模式下的雪崩光电二极管在同等光功率的作用下，电流增长速度快，会产生雪崩效应，灵敏度高，后续放大电路较简单，输出为数字信号，具有测量精度、灵敏度高、抗干扰以及信号处理方便的优点。
(2)本发明采用时间相关的单光子探测技术(TCSPC)，其探测原理基于统计理论，大量的数据统计与平均提高了装置的测量精度及稳定性。
(3)本发明的测量装置采用高速窄脉冲调制，可以实现流动液体浊度的在线实时测量。
(4)本发明接收端利用了高灵敏度的单光子探测模块，因此，发射端可采用的小功率光源，具有输出稳定、产热低、使用寿命长、对人眼无害等优点。
(5)本发明采用的单光子探测模块可以实现一个同步信号整周期的光电转换，无需门控信号，装置中没有延时模块，因此装置结构简单、体积小，操作方便，特别适合小型化。
工业实用性
本发明能够解决现有浊度测量技术的不足，尤其是解决低浊度测量中溶液的实时在线准确测量，高精度且稳定测量等问题，具有测量精度、灵敏度、稳定性高等特点，尤其适用于油田注水开发及井筒注水浊度检测技术领域，具有一定的工业实用性。
附图说明
图1为本发明的液体浊度测量装置示意图；
图2为本发明的光电信号转换示意图；
图3(a)为光源打开时的光子计数值与光飞行时间统计直方图；
图3(b)为光源关闭时的光子计数值与光飞行时间统计直方图；
图4为本发明的最小二乘法线性拟合示意图。
图中标号：100、光源模块；101、光源控制模块；102、光源；200、光路传输模块；201A、第一透镜；201B、第二透镜；202、带通滤光片；203、光阑；300、光电转换与信号处理模块；301、单光子探测模块；302、时间测量模块；303、光子计数模块；304、特征参数提取模块；400、控制模块；401、控制器；402、显示模块；403、存储模块；500、信号发生模块；501、振荡器；502、窄脉冲发生器；11、标准浊度液体；21、接收的光子；22、单光子探测模块输出脉冲；23、光子计数统计结果；41、浊度与特征参数的拟合线性关系；42、浊度与特征参数的实际函数关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示的一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置示意图，主要包括光源模块100、光路传输模块200、光电转换与信号处理模块300、控制模块400、信号发生模块500和标准浊度液体11；所述光源模块100包括光源控制模块101、光源102；所述光路传输模块200包括第一透镜201A、第二透镜201B、带通滤光片202、光阑203；所述光电转换与信号处理模块300包括单光子探测模块301、时间测量模块302、光子计数模块303、特征参数提取模块304；所述控制模块400包括控制器401、显示模块402和存储模块403；所述信号发生模块500包括振荡器501、窄脉冲发生器502。
在本实施例中，操作人员首先对装置进行标定，以获取装置固有参数k值。
标定的具体过程如下：通过显示模块402的友好人机交互界面发出操作指令，控制所述振荡器501产生占空比为50％、频率为10MHz的方波，作用于窄脉冲发生器502，产生频率为10MHz、脉冲宽度为800ps的高速窄脉冲信号，作用于光源102，产生高速窄脉冲调制光，并由光源控制模块101控制所述光源102的开启与关闭时间；所述高速窄脉冲调制光经过第一透镜201A作用于浊度为y1的标准浊度液体11，其90度散射光被所述第二透镜201B收集，并依次经带通滤光片202和光阑203传输，最终被单光子探测模块301接收，产生与接收散射光对应的电脉冲信号，实现微弱光信号向一系列电脉冲信号的转换；所述的光源102为650nm红光激光器；所述带通滤波片202中心波长为650nm，带宽为±10nm。根据GB13200-91与ISO7027-1984的规定，所述的标准浊度液体11是从中国计量研究院采购的福尔马肼标准浊度溶液；同时，所述振荡器501产生的占空比为50％、频率为10MHz的方波也作用于控制器401，作为控制器401开启时间测量模块302与光子计数模块303的同步信号，获得10ms内浊度为y1标准浊度液体的统计直方图，如图3(a)。将光源102关闭10ms，获得背景光的统计直方图，如图3(b)。由特征参数提取模块304提取图3(a)中光子计数值的峰值和图3(b)中光子计数值的均值，两者相减后与3(b)获得的光子计数值均值作比，即可得到所述的特征参数x1。将特征参数与标准浊度液体的浊度数据按照如下关系式进行最小二乘法线性拟合：
y＝kx   (1)
其中：x：特征参数；
y：液体浊度值，单位NTU；
k：最小二乘法线性拟合系数；
并将得到的最小二乘法线性拟合系数k记为装置固有参数，保存到存储模块403；
在实际测量液体浊度时，针对被测浊度液，将统计测量得到的对应特征参数x代入到公式(1)中，得到液体浊度值y，存储于存储模块403，并在显示模块402显示液体的浊度值。
为了减少繁杂的标定过程减小工作量，本实施例采用了一点标定，但是在实际使用时也可以多点标定以提高精度，即利用同种浊度液的多种不同浊度样品按照上述过程进行多次标定。
本实施例中单次测量时间为10ms，因此1s的时间内可以获取100次的浊度测量结果。当然，测量时可以通过减少单次测量时间来增加测量速度，但测量精度会相应的降低；也可以牺牲测量速度，增加单次测量时间和多次测量平均以提高测量精度。
如图2所示，在上述技术方案中，含有液体浊度信息的微弱90度散射光由光路传输模块200接收后作用于光电转换与信号采集模块300中的单光子探测模块301，实现含有液体浊度信息的微弱光信号向一系列电脉冲信号的转换。所述的单光子探测模块301，采用工作在盖革模式下的雪崩光电二极管作为光电转换传感器，具有探测单个光子的能力，可以使用PerkinElmer公司的SPCM-AQRH系列单光子探测模块。本实施例采用的是PerkinElmer公司的SPCM-AQRH-14,其为5V供电，在650nm红光处的探测效率为65％，暗计数100个每秒，死时间32ns，输出15ns宽的TTL兼容的数字电脉冲信号。
本实施例采用ACAM公司的TDC-GPX作为时间测量模块302，利用Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208N芯片作为控制器401，将振荡器501输出的10MHz同步信号的一个整周期100ns均分为时间间隔为81ps的1235个时间片，并利用光子计数模块303，记录每个时间片中单光子探测模块301输出的电脉冲数目得到对应的光子计数值，获得统计直方图。
图3(a)为光源开启时的统计直方图。图中光子计数值峰值的纵坐标值A，即光子计数值为接收到的90度散射光与背景噪声的光子计数值之和，其中90度散射光包含被测液体浊度信息；图中光子计数值峰值的横坐标为光飞行时间，可表示被测液体的被测量区域。
图3(b)为光源关闭时的统计直方图。将图中光子计数值的均值B作为背景噪声的光子计数值。
本实施例中，利用图3(a)获得的光子计数值峰值A减去图3(b)获得的光子计数值均值B，得到90度散射光的光子计数值即信号的光子计数值，再与3(b)获得的光子计数值的均值B作比，即可得到所述的特征参数x：
x＝(A-B)/B
本实施例中，所述光子计数值的均值B的计算方法是，将光源关闭时获得的统计直方图中光子计数值总和N与其时间片的总数目1235作比，即B＝N/1235。
如图4是标准浊度液体的浊度值和特征参数进行的最小二乘法线性拟合示意图。针对不 同浊度的标准浊度液体，统计测量并计算得到相应的特征参数，将特征参数与标准浊度液体的浊度数据进行最小二乘法线性拟合，得到浊度与特征参数的拟合线性关系41，拟合公式为：
y＝kx   (1)
其中：x：特征参数；
y：液体浊度值，单位NTU；
k：最小二乘法线性拟合系数；
误差：
e＝|y1-kx1|
e为实际浊度值与经过最小二乘法拟合后的误差大小，其值的大小可以作为经最小二乘法拟合后精度高低的评价指标。
本发明结构简单、稳定性高、易于实现、测量精度和灵敏度高，并且测量速度快、实时性好，为进行在线实时水质监测提供了技术保障。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

  1. 一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，装置包括光源模块(100)、光路传输模块(200)、光电转换与信号处理模块(300)、控制模块(400)、信号发生模块(500)和标准浊度液体(11)；所述光源模块(100)包括光源控制模块(101)、光源(102)；所述光路传输模块(200)包括第一透镜(201A)、第二透镜(201B)、带通滤光片(202)、光阑(203)；所述光电转换与信号处理模块(300)包括单光子探测模块(301)、时间测量模块(302)、光子计数模块(303)、特征参数提取模块(304)；所述控制模块(400)包括控制器(401)、显示模块(402)和存储模块(403)；所述信号发生模块(500)包括振荡器(501)、窄脉冲发生器(502)；所述振荡器(501)与窄脉冲发生器(502)连接；所述窄脉冲发生器(502)与光源模块(100)内的光源控制模块(101)连接；所述光源控制模块(101)与光源(102)连接；所述光源(102)的输出光经光路传输模块(200)中的第一透镜(201A)后，作用于标准浊度液体(11)；所述标准浊度液体(11)的90度散射光被光路传输模块(200)中的第二透镜(201B)接收，经过带通滤光片(202)和光阑(203)后，最终被所述光电转换与信号处理模块(300)中的单光子探测模块(301)接收；所述单光子探测模块(301)分别与时间测量模块(302)、光子计数模块(303)连接；所述时间测量模块(302)、光子计数模块(303)分别与特征参数提取模块(304)互相连接；所述特征参数提取模块(304)与控制模块(400)中的控制器(401)互相连接；所述控制器(401)分别与显示模块(402)和存储模块(403)互相连接，并与信号发生模块(500)中的振荡器(501)连接；其特征在于：该方法包括下述步骤：
    a.所述振荡器(501)产生波形作用于窄脉冲发生器(502)，产生高速窄脉冲信号，作用于光源(102)，产生高速窄脉冲调制光，并由光源控制模块(101)控制所述光源(102)开启与关闭的时间；所述高速窄脉冲调制光经过第一透镜(201A)作用于标准浊度液体(11)，所述标准浊度液体(11)的90度散射光被所述第二透镜(201B)收集，并依次经带通滤光片(202)和光阑(203)传输，最终被单光子探测模块(301)接收，产生与接收散射光对应的电脉冲信号，实现微弱光信号向电脉冲信号的转换；
    b.所述振荡器(501)输出波形同时也作用于控制器(401)，作为控制器(401)开启时间测量模块(302)与光子计数模块(303)的同步信号；在测量时，基于时间测量模块(302)，控制器(401)将同步信号的一个整周期均分为若干时间片，并利用光子计数模块(303)，记录每个时间片中单光子探测模块(301)输出的电脉冲数目得到光子计数值，获得光子计数值与光飞行时间的统计直方图，简记为统计直方图，并利用特征参数提取模块(304)提 取特征参数；
    c.控制器(401)利用不同浊度的标准浊度溶液对装置进行标定，统计测量得到不同浊度的标准浊度溶液的特征参数，将特征参数与标准浊度液体的浊度数据进行最小二乘法线性拟合，得到浊度与特征参数的关系：
    y＝kx          (1)
    其中：x：特征参数；
    y：液体浊度值，单位NTU；
    k：最小二乘法线性拟合系数；
    并将得到的最小二乘法线性拟合系数k记为装置固有参数，保存到存储模块(403)；
    d.在实际测量液体浊度时，针对被测浊度液，将统计测量得到的对应特征参数x代入到公式(1)中，利用装置标定时获得的装置固有参数k值，得到被测液体浊度值y，存储于存储模块(403)，并在显示模块(402)上显示。
  2. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述利用特征参数提取模块(304)提取特征参数的方法是：利用光源控制模块(101)控制光源开启和关闭相同时间单元，分别提取光源开启时，统计直方图中光子计数值的峰值A，以及光源关闭时，统计直方图中光子计数值的均值B，两者相减后与光源关闭时获得的光子计数值的均值B作比，即可得到所述的特征参数x：
    x＝(A-B)/B
    所述光子计数值的均值B的计算方法是，将光源关闭时获得的统计直方图中光子计数值总和与其时间片的总数目作比。
  3. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述被测浊度液的浊度与特征参数的关系为正比例函数。
  4. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述光源(102)为激光二极管或LED光源。
  5. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述光路传输模块(200)中光的传输介质采用被测液体或自由空间与被测液体的组合。
  6. 根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于：所述光电转换与信号处理模块(300)中的单光子探测模块(301)利用工作在盖革模式下的雪崩光电二极管作为光电转换传感器，实现一个同步信号整周期的光电转换。
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