光纖型液體濁度測(cè)量系統(tǒng)

陳恭正

摘 要：對(duì)光纖液體濁度儀的工作原理做了概述，并進(jìn)行了硬件和軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用最大限度復(fù)用，提高系統(tǒng)的效率，軟件設(shè)計(jì)采用了分層化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。此濁度儀簡(jiǎn)單易用，在實(shí)際中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：光纖；濁度儀；細(xì)菌

濁度，即水的混濁程度。由于水中含有一些不溶性的懸浮物質(zhì)、膠體等存在，造成水樣出現(xiàn)不同程度的混濁。通過(guò)測(cè)定水的混濁程度，可以間接測(cè)定存在在水中的微生物、懸浮顆粒的濃度等，被廣泛應(yīng)用在水廠、電廠、食品企業(yè)、制藥工業(yè)，另外也被用來(lái)測(cè)定天然水、工業(yè)廢水和污水的濁度。濁度的測(cè)定常用儀器是濁度儀，一般濁度儀可以分為透光式、散光式、表面散射光式和積分球式等。

1 液體濁度光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)的原理

液體濁度光強(qiáng)測(cè)定系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1：

濁度儀發(fā)射特定光源照射到待測(cè)定的樣品，待測(cè)樣品會(huì)吸收一部分的光能，同時(shí)光線也會(huì)輻射到與原來(lái)路徑成各種角度的方向上，即發(fā)生散射，通過(guò)光線探測(cè)器接受束下端檢測(cè)散射光強(qiáng)，由于散射光的強(qiáng)度和水樣的濁度存在特定的關(guān)系，因此可以利用散射光的強(qiáng)度來(lái)測(cè)定水樣的濁度。濁度儀檢測(cè)系統(tǒng)中光纖探測(cè)器是核心部件，光纖探測(cè)器的結(jié)構(gòu)。

光通過(guò)均勻介質(zhì)傳播時(shí)，光的輻射強(qiáng)度會(huì)沿著傳播方向逐漸減小，即朗伯比爾定律?？梢杂檬剑?）表示。

式中：IR為入射光強(qiáng)度，I0為出射光強(qiáng)度，ka為樣品中雜質(zhì)吸收系數(shù)，x為光程長(zhǎng)度。

由于非溶解物質(zhì)的存在，液體透明度的濁度會(huì)降低。當(dāng)光通過(guò)水樣品，光路中的顆粒會(huì)使光的方向發(fā)生改變，散射并減弱了入射光到檢測(cè)器的光強(qiáng)大小。

如果濁度低，大部分光將繼續(xù)在原來(lái)的方向前進(jìn)。通過(guò)粒子的光散射允許粒子在水溶液中被檢測(cè)到。在所有的情況下，光散射導(dǎo)致（a）散射光的角分布和（b）透射光強(qiáng)度的降低。這兩種效應(yīng)為用來(lái)測(cè)量濁度提供了可能。它可以測(cè)量光穿過(guò)樣品或光發(fā)射的量散在一個(gè)或多個(gè)角度入射的光束。難點(diǎn)在于透射光的測(cè)量，特別是對(duì)于有色水域這將會(huì)是一個(gè)顯著的問(wèn)題。這些問(wèn)題可以是通過(guò)測(cè)量散射而不是透射光避免。

散射光可以由一個(gè)或多個(gè)光電檢測(cè)器通過(guò)入射光的方向夾角？琢來(lái)測(cè)量，？琢=90°（前向散射），？琢>90°（前向散射），？琢<90°（后向散射）。在90°于入射光束的角度測(cè)量的散射光對(duì)粒徑不敏感，并且具有少雜散光的影響，所以選擇90°是最優(yōu)的。

查閱相關(guān)資料，？姿>800納米可以最小化溶解光吸收物質(zhì)的存在（物質(zhì)賦予顏色）所引起的干擾。由于有色的有機(jī)物質(zhì)通常存在于地表水和飲用水地表水源，應(yīng)該假設(shè)儀器在使用較長(zhǎng)的波長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生更好的濁度測(cè)量。利用高波長(zhǎng)850nm紅外光的LED來(lái)作為系統(tǒng)的光源，以避免對(duì)水顏色的干擾[ 3 ]。

因此，我們開(kāi)發(fā)的裝置為測(cè)量90°入射光束的散射光?；谌鹄⑸浞ɑ蛎资仙⑸?，若粒徑小于光的波長(zhǎng)，與入射光線成90°夾角的散射光強(qiáng)度IR由（2）式給出：

IR=KRTI0（2）

其中，T是濁度，KR是散射系數(shù)，在I0不變的情況下，散射光強(qiáng)度正比于濁度。

當(dāng)粒徑大于等于光的波長(zhǎng)，散射光的強(qiáng)度由（3）式給出（通常被稱(chēng)為三重散射法）：

IM=KMATI0（3）

其中，A是顆粒的表面積，KM是系數(shù)。在A仍然不變的情況下，IM與T成正比，散射光強(qiáng)度正比于濁度。

因此，當(dāng)光通過(guò)顆粒大小均勻的液體，由（2）、（3）式可得，測(cè)量90°方向上的散射光強(qiáng)即可得到溶液濁度大小。如果待測(cè)液體是細(xì)菌溶液，我們便能檢測(cè)細(xì)菌的濃度。

2 液體濁度光強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)分析

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的原則是測(cè)量的便捷性。充分考慮系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)際環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)機(jī)使用的背景下，考慮為以后通過(guò)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)實(shí)施區(qū)域的監(jiān)測(cè)和管理進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)輸入、光電信號(hào)的快捷轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、液晶顯示、計(jì)算機(jī)的串口通訊等，電路板的硬件結(jié)構(gòu)。

電路設(shè)計(jì)的原則是緊湊結(jié)構(gòu)，盡量使用多功能的元件，提高使用的效率，布線采用多路復(fù)用的原則，在不影響正常操作的前提下，實(shí)現(xiàn)以線多能。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)的方式。底層設(shè)計(jì)模塊主負(fù)責(zé)與設(shè)備模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息通訊，將控制信息和數(shù)據(jù)信息傳遞給外圍的設(shè)備，同時(shí)也接受外圍設(shè)備檢測(cè)到的數(shù)據(jù)信息。而頂層設(shè)計(jì)模塊只負(fù)責(zé)進(jìn)行模式的控制，只對(duì)系統(tǒng)規(guī)定的變量進(jìn)行控制，完成對(duì)系統(tǒng)的具體檢測(cè)和控制功能，兩個(gè)不同的模塊之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的共享，協(xié)同工作，達(dá)到檢測(cè)的目的。

3 結(jié)論

液體濁度測(cè)量系統(tǒng)在快速和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定等方面有著巨大的應(yīng)用潛力，是一種快速檢測(cè)、靈敏度相對(duì)較高的監(jiān)測(cè)儀器。如果將濁度儀與整體的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，將會(huì)大大提高現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的效率。系統(tǒng)的軟件的設(shè)計(jì)也可以考慮和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行有效的銜接，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和處理。

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