雙通道光纖濁度傳感器的設計

吳 剛，劉月明，高曉良，夏忠誠

(中國計量學院光學與電子科技學院，浙江杭州 310018)

0 引言

水體濁度是表征水質的重要指標。水質濁度是由水體中泥沙、有機大分子、懸浮顆粒等雜質造成的。這些雜質顆粒可成為細菌和病毒的載體與包裹層，降低了氯離子、UV或臭氧對水的消毒殺菌作用，可能引發(fā)疾病傳播；而且水中雜質會磨損和腐蝕浸在其中的機械部件，從而加速零件老化。因此濁度的檢測是環(huán)保的重要方面，通常以水中雜質對光的散射和吸收作用來衡量，濁度傳感器可歸類為散射法、透射法以及將此二者相結合的比值法[1-4]，可根據(jù)實際檢測需求和濁度測量范圍靈活選擇和改進設計。濁度的定義和測量都是相對的，通常以按國標配制的福爾馬肼溶液作為標準濁度液，為濁度傳感器定標。將傳感器在相同條件下測得的樣品與標準液的散射或透射光強作對比，從而得知樣品的濁度。濁度傳感器隨著人們環(huán)保意識的增強而得到廣泛應用，其發(fā)展趨勢為高精度、高靈敏度、大量程、低檢測閾值，要求便攜式檢測或在線監(jiān)測實時預警。與傳統(tǒng)的電類濁度傳感器相比，光纖傳感器更加適合這種技術趨勢。光纖傳感有眾多優(yōu)點：便于微型化和集成化，易于實現(xiàn)檢測儀器的便攜化；且耐高溫高壓、抗腐蝕、抗干擾、便于在線監(jiān)測。傳感器采用光纖傳輸光信號，無需防水措施，直接用光纖發(fā)射和接收光信號，抗干擾能力強，成本低，便于遠距離傳輸和組網等[5-6]。

本文設計的光纖濁度傳感器采用單光源雙發(fā)光通道、單光譜儀雙探測通道四光束檢測系統(tǒng)。光源通過光開關雙通道交替發(fā)光，同時光譜儀根據(jù)發(fā)光通道的改變分時交替測量透射光和散射光。共用同一光源和光譜儀，增強了穩(wěn)定性和抗干擾能力，降低了成本，結合空分和時分復用技術可拓展實現(xiàn)濁度的準分布式多點在線監(jiān)測。

1 檢測原理

1．1朗伯-比爾定律

入射光通過介質時，會與介質中懸浮雜質發(fā)生吸收和散射作用，導致透射光減弱，這稱為消光作用。由朗伯-比爾定律，強度為I0的入射光在與介質相互作用有效距離L后，透射光強IT為：

IT=I0e-μL=I0e-KTL

(1)

式中：IT為透射光強；I0為入射光強；μ為消光系數(shù)，是與濁度相關的系數(shù)，與入射光強無關；T為濁度；K為μ與T的比例系數(shù)；L為透射光程。

式(1)表明，可以利用基于朗伯-比爾定律的透射法測量濁度。

1．2散射定律

介質中不同粒徑雜質顆粒對光的散射作用如圖1所示，隨著雜質粒徑與波長比d/λ增大，前向散射增強，后向散射減弱。因而接收的散射光強與探測器接收角度和位置有關，也與光源的光譜特性有關[7]。

圖1 不同粒徑顆粒的濁液散射光分布

與入射光方向垂直的散射光IS為[8]：

(2)

式中：N為微粒數(shù)密度；V為微粒的體積；λ為入射光波長。

在傳感器設計好后，光源和開放式流通池一旦確定，λ和V可視為常量。則式(2)可改寫為：

IS=K′TI0

(3)

式中：T為水體濁度；K′為比例系數(shù)。

因此，在入射光強I0不變時，濁度T與散射接收光強TS正相關，濁度的測量轉化為散射光強的測量。

1．3散射透射比值法的原理

常見濁液顆粒粒徑大致為0.1～20 μm，所以散射法濁度測量主要依據(jù)瑞利散射和Mie散射原理。式(3)可改寫為：

IS=αNI0e-μl

(4)

式中：IS為散射光強；α為與散射函數(shù)有關的系數(shù)；l為散射光程。

結合透射法的計算公式式(1)，可用散射透射光強的比值來計算濁度：

(5)

由該式可知，濁度與微粒數(shù)密度N，系數(shù)α和散射透射光程比l/L有關，而α和l/L由傳感器結構確定，為常量，這減小了光源波動和探測器差異對濁度測量結果的影響。

2 傳感器結構與工作原理

傳感器由信號單元和傳感頭組成，兩者由光纖相連，如圖2所示。信號單元包括光源、光譜儀、計算機各一個和兩個1×2光開關。開放式流通池即為傳感頭。計算機既是光譜儀的上位機，對光譜儀輸出信號進行顯示和存儲等操作；又通過程序自動控制兩個1×2光開關的開啟和關閉。

圖2 傳感器結構原理圖

傳感器工作原理如圖3所示，4條光纖分別通過SMA905接口安置在開放式流通池的四周，各相差90°。將流通池投入待測水體，開啟傳感系統(tǒng)，每間隔1 s，光源雙通道交替發(fā)光和關閉。當光源通道1開啟且光源通道2關閉時，探測通道1接收透射光，探測通道2接收散射光；當光源通道2開啟且光源通道1關閉時，探測通道2接收透射光，探測通道1接收散射光。共用同一光源，利用1×2光開關選擇發(fā)光通道；共用同一光譜儀，利用1×2光開關分時接收同一次測量時的透射光和散射光，分時時間遠小于1 s，略大于光譜儀測量時的積分時間。采用同一光源和光譜儀，減小了光源波動和探測器差異對測量結果的影響，提高了穩(wěn)定性，降低了成本，結合空分和時分復用技術可拓展實現(xiàn)準分布式多點在線監(jiān)測。

(a)

(b)

散射透射光強比值的平均值為：

(6)

式中：IS1和IT1為光源通道1開啟時測得的散射光和透射光；IS2和IT2為光源通道2開啟時測得的散射光和透射光。

3 試驗結果與分析

為了測試雙通道比值法濁度儀的特性，并與基本的透射法、散射法作對比，實驗中分別采用自制的雙通道光纖濁度傳感器，以及基于比值法的上海珊科WZG-200型濁度儀對福爾馬肼標準濁度液進行測量，雙通道傳感器測量的光強數(shù)據(jù)見表1，各方法測得的結果見表2。

雙通道光纖濁度傳感器由光源、流通池和光譜儀等組成。采用中心波長為632．8 nm的氦氖激光器作光源，用光纖光譜儀測量傳感器出射光在632．8 nm處的光強。

表1 雙通道光纖濁度傳感器測量濁度結果

表2 各方法測得的濁度 NTU

對于散射法，IS=KSTI0，利用濁度標準液標定系數(shù)KS，即可由測量散射光得出濁度。

透射法的濁度計算方法由式(1)：IT=I0e-KTTL，則使用濁度標準液標定出參數(shù)KT，即可利用上式通過透射法測量濁度。

對于比值法，由式(5)，IS/IT=αNe(1/L)，濁度與微粒數(shù)密度N，系數(shù)α和散射透射光程比l/L有關，而α和l/L由傳感器結構確定，為常量。故可設N=KSTT，則有IS/IT=αe(l/L)KSTT=KSTT，標定系數(shù)KST后，即可用于濁度測量。

試驗中，利用微型光纖光譜儀測得氦氖激光器在中心波長632．8 nm處的光強為65 295．77 counts，對表1測量數(shù)據(jù)進行處理，擬合結果如圖4和圖5所示。將圖中擬合曲線作為標定曲線，用于各方法下的濁度測量。

圖4 散射法和透射法光強與濁度關系曲線

圖5 雙通道濁度測量數(shù)據(jù)擬合曲線

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，散射法在測量較高濁度時不夠精確，透射法在測量較低濁度時誤差較大。而基于比值法的WZG-200型濁度儀和雙通道光纖濁度傳感器在低濁度和較高濁度段都有較好的測量精度。

4 結束語

基于比值法的雙通道光纖濁度傳感器利用光纖傳輸探測光，增強了傳感信號傳輸性能和抗干擾能力，無需防水裝置，降低了成本，而且便于遠距離傳輸和組建在線監(jiān)測傳感網。雙通道濁度測量方法綜合了散射法和透射法的優(yōu)點，連續(xù)從兩個相互垂直的方向探測濁度信息，利用散射光透射光比值的平均值表征濁度，消除了光源波動和探測器差異、水中氣泡等干擾，對低濁度和較高濁度都有較好的測量精度，提高了測量量程和適應性。

參考文獻：

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作者簡介：吳剛(1986-)，碩士研究生，主要研究光纖水質監(jiān)測傳感器。E-mail：shellyzer@163．com

劉月明(1965-)，教授，碩士生導師，主要研究方向是光纖傳感與微光機電系統(tǒng)。E-mail：．edu．cn(通訊作者)