新型寬量程濁度傳感器設計*

王志丹,常建華,2,3,朱成剛,伍　煜

(1.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 濱江學院 電子工程系，江蘇 南京 210044)

新型寬量程濁度傳感器設計*

王志丹1,常建華1,2,3,朱成剛1,伍煜1

(1.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210044;3.南京信息工程大學 濱江學院 電子工程系，江蘇 南京 210044)

摘要:針對90°散射法和表面散射法分別只適用于低濁度和高濁度范圍測量的技術特點，提出了一種90°散射法與表面散射法相結合的寬量程濁度測量新方案?；谠撍枷朐O計了新型的濁度探測結構，將兩種濁度測量方法集成于一個濁度傳感器探頭，大大拓寬了濁度測量范圍，且有效降低了傳感器的體積和成本。實驗結果顯示：該濁度傳感器能夠準確測量0～4 000 NTU范圍內(nèi)待測溶液的濁度，且測量精度在±5 %FS以內(nèi)，在保證測量精度的前提下顯著提高了濁度傳感器的測量范圍。

關鍵詞：濁度傳感器；90°散射；表面散射；寬量程

0引言

水的濁度是泥沙、粘土、微細的有機物和無機物、可溶的有色有機化合物以及浮游生物和其它微生物等懸浮物質(zhì)所引起的。這些雜質(zhì)顆?？沙蔀榧毦筒《镜妮d體與包裹層，降低了氯離子、UV或臭氧對水的消毒殺菌作用，會引發(fā)疾病傳播；而且水中雜質(zhì)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，對水體濁度的在線檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義[1,2]。

目前，濁度的測量大多基于光電的測量原理，這是因為相比于傳統(tǒng)的化學分析方法，光學測量具有測量速度快、精度高、成本低、實時在線檢測等諸多優(yōu)勢。常見的基于光學測量原理的方法有透射法和散射法[3]。透射法通過測定水體的吸光度反映濁度，該方法易受到水體色度的干擾[4]。散射法與透射法相比，在低濁度下具有檢測下限低、靈敏度高的優(yōu)點并且90°散射法也是ISO 7027水質(zhì)濁度的測量[5]中規(guī)定的濁度測量方法。但是90°散射法測量范圍較窄，因為在高濁度下發(fā)生的多次散射現(xiàn)象，使散射光強度迅速下降，這時測得的散射光強度值已不能正確反映真實的濁度值[6～8]。

本文提出了一種濁度測量的改進方法。在測量90°散射光的基礎上，增加對表面散射光的測量。在低濁度范圍內(nèi)使用90°散射法的測量值，在高濁度使用表面散射法的測量值，以此得到待測液體的濁度。利用這一方法設計了一種新型的濁度傳感器探測結構，該結構將兩種測量方法集成到一個濁度傳感器的探頭上，大大簡化了濁度傳感器的光路結構設計，降低了濁度傳感器的體積和成本。

1基本原理

如圖1所示,X軸下方充滿溶液，有一光強為I0的細平行光束沿θ角入射到溶液中，根據(jù)比爾—朗伯定律到達m處的光強Ix為

Ix=I0e-K1Txsin θ

(1)

式中T為濁度,I0為入射光強,K1為吸收系數(shù)。光束傳播到m處，其90°方向的散射光，經(jīng)過溶液傳播衰減后，在x處的光強Is為

Is=KsTIxe-K1Txcos θ

(2)

式中Ks為散射系數(shù)。將式(1)帶入式(2)得到

Is=KsTI0e-K1Txsin θe-K1Txcos θ

(3)

圖1　90°散射與表面散射法原理Fig 1　Principle of 90° scattering and surface scattering method

在位置x處取無窮小量d x，設通過該區(qū)域的散射光強dIs為

dIs=KsTI0e-K1Txsin θe-K1Txcos θsin θdx

(4)

在x1～x2的范圍內(nèi)，即濁度傳感器的光電二極管的接收范圍內(nèi)，所能接收到的90°方向的散射光，經(jīng)過溶液傳播衰減后，總的散射光強Iss為

(5)

式中Kss=Kssin θ，K11=K1(sin θ+cos θ)，Δx=x2-x1，可見總散射光強度與濁度T不是線性關系。用泰勒級數(shù)將式(5)展開，略去二階無窮小量得到

Iss=KssI0(1-K11Tx1)TΔx

(6)

在低濁度K11Tx1?1時

Iss=KssI0TΔx

(7)

由此可見，散射光強Iss與濁度T和Δx呈正比。

(8)

(9)

綜上可知，表面散射法可以有效彌補90°散射法的不足，在較大的濁度范圍內(nèi)進行測量還能獲得較好的線性關系。

2濁度傳感器的設計

基于90°散射和表面散射法的濁度傳感器主要由光學部分和電路部分構成。光學部分主要包括光學濁度傳感器探頭結構及其光路設計；電路部分主要包含光源、光電探測器、信號的采集與處理、單片機處理以及串口通信模塊，系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結構框圖Fig 2　Block diagram of system structure

2.1傳感器探頭結構

為了能夠同時測量90°散射光和表面散射光，本文設計了一種新的散射光路結構，如圖3所示。濁度傳感器的探頭由光源、光電探測器、光學窗以及透鏡組成。隔離板的作用是防止光源發(fā)出的光直接進入光電探測器，對測量造成干擾。此外，濁度傳感器探頭的端面采用斜面式的設計，這樣設計的優(yōu)點是當傳感器浸入待測液體進行濁度測量時，如有氣泡附著，液體的壓力會迫使氣泡沿著斜面向上排出，從而有效減小氣泡在測量過程中帶來的干擾，提高測量精度。

2.2光源與光電探測器

光源選用的是Marktech公司制造的發(fā)光二極管(LED，MTE8760NJ2)，波長峰值為870 nm。選擇發(fā)光峰值位于近紅外波段的光源，這是因為該波段光能有效降低液體色度對濁度測量的影響[9]。光源采用恒流電路進行供電，采用較為常見的運算放大器反饋恒流電路。光電探測器采用PIN光電二極管，它的特點是結電容小、渡越時間短、靈敏度高。

2.3信號采集與處理電路

本系統(tǒng)的信號采集與處理電路包括I/V轉換電路、A/D轉換電路以及單片機和串口輸出單元。由于光電二極管產(chǎn)生的電信號很微弱，一般在μA量級，所以,應選擇合適的運算放大器來實現(xiàn)I/V轉換。本文選擇的是AD549，其輸入偏置電流低達150 fA。A/D轉換采用MSP430內(nèi)部自帶的ADC12模塊，分辨率為12位。串口通信使用MAX3221來完成RS—232電平轉換。

3實驗結果與分析

實驗過程中，使用4 000 NTU的福爾馬肼標準液，利用實驗室的燒杯、量筒、滴定管配置了17種不同濃度的標準液，測試結果如圖4所示。

圖4　90°散射信號與標準濁度液的關系曲線Fig 4　Curve of relationship between 90°scattering signal and standard turbidity solution

由圖4可知，90°散射法在低濁度呈現(xiàn)較好的線性關系，當濁度上升到一定值時(1 000 NTU)，水樣對光的吸收作用會削弱散射光強，導致輸出曲線出現(xiàn)轉折。特別是超過3 000 NTU后，散射光強的衰減相當大，此時很難再進行準確的測量，所以,90°散射法精確測量濁度的范圍是有限的。而由圖5可知，表面散射法在較大的濁度范圍內(nèi)呈現(xiàn)較好的線性，但在測量低濁度時，由于微小的濁度變化所引起的表面散射光變化很小，對光電探測器和放大器的分辨率和穩(wěn)定性的要求非常高，在傳感器和光源的穩(wěn)定性不夠強時采取表面散射法會影響低濁度探測的準確性，因此，將兩種測量方法有機結合既可提高濁度測量精度又可有效拓寬濁度測量范圍。圖6給出了在0～300 NTU內(nèi)測量時，選用90°散射法，圖7給出了在300 NTU以上測量時，選用表面散射法的測量結果及其線性擬合曲線。

圖5　表面散射信號與標準濁度值的關系曲線Fig 5　Curve of relationship between surface scattering signal and standard turbidity value

圖6　0～300 NTU內(nèi)90°散射的擬合曲線Fig 6　Fitting curve of 90°scattering within 0～300 NTU

圖7　300～4 000 NTU內(nèi)表面散射的擬合曲線Fig 7　Fitting curve of surface scattering within 300～4 000 NTU

圖6為濁度在0～300 NTU內(nèi)90°散射法的擬合結果：y=0.011 24x+5.345，相關系數(shù)R=0.994 6；圖7為濁度在300～4 000 NTU內(nèi)表面散射法的擬合結果：y=0.007 5x+126.78，相關系數(shù)R=0.993。利用上述擬合結果，利用設計的濁度傳感器測量了10種不同濁度的標準液，實測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　實際測量結果

由表1可知，當液體濁度在0～4 000 NTU范圍內(nèi)變化時，濁度傳感器的測量精度在5 %FS以內(nèi)，在保證測量精度的前提下大幅提高了濁度傳感器的測量范圍。

4結論

本文設計并研制了一種新型寬量程濁度傳感器。該濁度傳感器采用90°散射和表面散射相結合的測量方法，在低

濁度0～300 NTU范圍內(nèi)使用90°散射法的測量值，在高濁度300 NTU以上使用表面散射法的測量值，以此得到待測液體的濁度?；谠摲椒ㄔO計了一種新型的濁度探測結構，通過合理的光路設計，將兩種濁度測量方法集成到一個濁度傳感器的探頭上，降低了濁度傳感器的體積和成本。實驗結果顯示：該測量系統(tǒng)能夠準確測量0～4 000 NTU濁度范圍內(nèi)的待測溶液的濁度，且測量精度在5 %FS以內(nèi)。該濁度傳感器具有結構簡單、檢測范圍大、體積小、成本低等特點，在污水處理、啤酒生產(chǎn)等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻:

[1]Girao P,Pereira M,Ramos H.An IR turbidity sensor:Design and application[C]∥IEEE Instrumentation and Technology Confe-rence,Anchorage,AK,USA,2002:535-539.

[2]索猛，羅益眀.基于STM32的循環(huán)水在線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2014，10(12):78-83.

[3]張愷，張玉鈞，殷高方，等.綜合散射法與透射法測量水濁度的研究[J].大氣與環(huán)境光學學報，2011,6(2):100-105.

[4]Wang A,Xie Y,Liang Z H.Study on determination of water co-lority[J].Environmental Monitoring in China,2000,16(2):37-40.

[5]International Organization for Standardization.ISO7027 Water quality-determination of turbidity[S].1999.

[6]孟慶磊，孫國強，佟國香．液體濁度測量系統(tǒng)[J]．儀器儀表學報，2005,26(8):252-253.

[7]Mizaikoff B.Infrared optical sensors for water quality monito-ring[J].Water Science and Technology,2003,47(2):35-42.

[8]Baiden G,Bissiri Y,Masoti A.Paving the way for a future underwater omni-directional wireless optical communication syste-m[J].Ocean Engineering,2009,36:633-640.

[9]Hongve D,Akesson G.Comparison of nephelometric turbidity measurements using wavelengths 400,600 and 860nm[J].Water Research,1998,32(10):3143-3145.

Design of new type of wide-range turbidity sensor*

WANG Zhi-dan1,CHANG Jian-hua1,2,3,ZHU Cheng-gang1,WU Yu1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;3.Department of Electronic Engineering,Binjiang College,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:Since 90° scattering method and surface scattering method only suitable for low and high turbidity range measurement,a novel wide-range turbidity measurement scheme is proposed by incorporating both the above two methods.A new type of turbidity detecting structure integrates the two measurement methods in one turbidity sensor probe is designed based on this idea,which can greatly broaden turbidity measurement range and effectively reduce volume and cost of sensor.Experimental results show that the turbidity sensor can precisely measure turbidity of solution under test in a wide range of 0～4 000 NTU,with measurement precision within ±5 %FS,on the premise of assuring measurement precision,measurement range is improved obviously.

Key words:turbidity sensor;90°scattering;surface scattering;wide-range

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0077—03

收稿日期：2015—08—10

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(11374161)；中國博士后科學基金資助項目(2015M571781)；江蘇省博士后科研計劃資助項目(1401022B)；江蘇省信息與通信工程優(yōu)勢學科資助以及2014年度大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃資助項目

中圖分類號：TP 212

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0077—03

作者簡介:

王志丹(1990-)，男，江蘇鹽城人，碩士，主要從事光電傳感技術研究。