便攜式光電式濁度儀的設(shè)計(jì)

潘銀松 蒲春宇 李政英 王麗芳 黃鴻

摘要：濁度是指水中的懸浮顆粒和膠體對(duì)光線的阻礙作用，反映水渾濁度的重要指標(biāo)之一。根據(jù)朗伯-比爾定律，我們提出了一種基于光電式測(cè)量水樣濁度的方法，并闡述了該濁度儀的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及光路設(shè)計(jì)的整套嵌入式系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：作者設(shè)計(jì)的濁度儀在（0-400NTU）的范圍內(nèi)，濁度與采樣的AD值是呈分段線性的關(guān)系，測(cè)量效果較好。與傳統(tǒng)的光電式濁度儀相比，該方法不僅電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且具有測(cè)量重復(fù)性好、測(cè)量精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：濁度;瑞利散射;米氏散射;濁度儀;光電式

中圖分類號(hào)：TH741? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）24-0249-05

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design of Portable Photoelectric Turbidimeter

PAN Yin-song 1，2，PU Chun-yu 1，LI Zheng-ying 1，WANG Li-fang 1，2， HUANG Hong1

（1 .Key Laboratory of Optoelectronic Technique System of the Ministry of Education， Chongqing University， Chongqing 400044， China;2. City College of Science and Technology， Chongqing University， Chongqing 400044， China）

Abstract： Turbidity refers to the obstruction of suspended particles and colloids in water， reflecting one of the important indicators of water turbidity. According to Lambert-Beer's law， this paper proposed a method based on photoelectric measurement of turbidity of water samples， and describes the hardware circuit design， software design and optical system design of the turbidity meter. The experimental results show that the turbidity meter designed in this paper is in the range of （0-400 NTU）， and the turbidity and the sampled AD value are linear relationship of the component segments， and the measurement results are better. Compared with the traditional photoelectric turbidimeter， this method not only has a simple circuit structure， but also has the advantages of good measurement repeatability， high measurement accuracy， low power consumption， and the like.

Key words： turbidity;Rayleigh scattering;Mie scattering;turbidity meter;photoelectric

1 理論基礎(chǔ)

水是人類生命的源泉，是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展不可或缺而又無法替代最重要的物質(zhì)資源之一。水不但是所有生命體的重要組成部分，而且在工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)中水都發(fā)揮著重要作用。水資源日益污染不僅對(duì)人類自身生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響，也會(huì)對(duì)生態(tài)平衡造成巨大破壞，保護(hù)和改善水資源已經(jīng)成為全球性問題之一。

濁度是用來反映水的清澈或者渾濁程度的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7027《水質(zhì)-濁度的測(cè)定》定義，濁度是由于不溶性物質(zhì)的存在而引起液體透明度降低的一種量度[1]。在自然界中，大多數(shù)淡水水源都包含泥沙、微生物、懸浮顆粒等有機(jī)物和無機(jī)物，這些無機(jī)物等懸浮顆粒容易滋生細(xì)菌和病毒，而過濾這些懸浮物質(zhì)有利于改善水質(zhì)，對(duì)人們的生產(chǎn)和生活具有極其重要的作用。根據(jù)GB5749-2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[2]中規(guī)定，自來水的濁度必須在3NTU以下，這樣可以有效地保證了去除附著在懸浮物上的病菌、寄生蟲等有害微生物。

濁度是表征水體的光學(xué)性質(zhì)，表示水中的懸浮顆粒對(duì)光線投射產(chǎn)生阻礙作用程度。當(dāng)一束光線射向水樣中，水中的物質(zhì)與光線相互作用，會(huì)產(chǎn)生折射、散射和吸收，根據(jù)入射光的衰減程度，從而測(cè)出水樣濁度的大小。在物理現(xiàn)象中表現(xiàn)為，當(dāng)水越渾濁，透射光越弱，而散射光越強(qiáng);反之，透射光越強(qiáng)，而散射光越弱。具體如圖1所示。

朗伯-比爾定律定義為：光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無關(guān);在光程上每等層介質(zhì)吸收相同比例值的光。又稱為光化學(xué)第三定律比爾定律、布格-朗伯-比爾定律。朗伯-比爾定律適用于所有的電磁波輻射與吸光物質(zhì)的相互作用，包括固體、液體和氣體[3]。

假設(shè)待測(cè)溶液是均勻的介質(zhì)，光源發(fā)出的Io表示入射光強(qiáng);IT透射光強(qiáng);c為物質(zhì)的濃度;I為吸收層的厚度;K為摩爾系數(shù)，K與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)和入射光波長(zhǎng)有關(guān)。朗伯-比爾的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

[IT=I0?10-Kcl]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

由朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以得知，當(dāng)衰減系數(shù)和光程一定時(shí)，輸入光的強(qiáng)度和透射光的強(qiáng)度是呈線性關(guān)系的[4]。

瑞利散射現(xiàn)象[5]和米氏散射[6]現(xiàn)象是常見的光學(xué)現(xiàn)象，是待測(cè)液中的懸浮顆粒與入射光相互作用的結(jié)果。非均勻介質(zhì)中的液體才會(huì)產(chǎn)生散射現(xiàn)象，而均勻介質(zhì)中則不產(chǎn)生散射。散射現(xiàn)象的本質(zhì)是由于入射光的傳播方向發(fā)生改變。根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，散射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)、入射光的波長(zhǎng)和懸浮顆粒大小有關(guān)。當(dāng)顆粒直徑小于入射光波長(zhǎng)的1/10時(shí)（≤1/10λ）產(chǎn)生瑞利散射現(xiàn)象;當(dāng)顆粒直徑大于1/10λ產(chǎn)生米氏散射現(xiàn)象;當(dāng)顆粒直徑大于50λ適用于幾何光學(xué)。

濁度測(cè)量發(fā)展到現(xiàn)在，分為以下三種方式：目視法、分光光度法、儀器測(cè)量法。目視法就是指用眼睛觀，比較濁液濁度以確定物質(zhì)含量的方法，該方法是定性分析，無法準(zhǔn)確了解溶液濁度。分光光度法是通過測(cè)定被測(cè)物質(zhì)在特定波長(zhǎng)處或一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)光的吸收度，對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的方法，此方法雖可定量分析，但準(zhǔn)確度不高[7]。而儀器測(cè)量法可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的濁度檢測(cè)，此方法一般分為衰減光測(cè)量法、透過散射式測(cè)量法和表面散射式測(cè)量法三種測(cè)量方法。

① 衰減光測(cè)量法

在衰減光測(cè)量法測(cè)量液體濁度時(shí)，遵循光的吸收定律[8]。具體公式如下：

[It=I0?e-kTL]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中I0為入射光強(qiáng)，It為透射光強(qiáng)，k為待測(cè)液體的吸收系數(shù)，T為濁度，L為光程。由式（4）可知，透射光強(qiáng)隨著濁度的增加按照指數(shù)的方式遞減。

衰減光測(cè)量法檢測(cè)原理較為簡(jiǎn)單，如圖2所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)容易。在測(cè)量低濁度濁液時(shí)，絕大部分的入射光直接透過待測(cè)液體，入射光幾乎沒有衰減，造成低濃度濁液之間的分辨率非常低，給硬件電路設(shè)計(jì)帶了難度。因此，衰減光測(cè)量法適用于高濁度測(cè)量[9]。

②表面散射式測(cè)量法

表面散射方式是一種分離式測(cè)量液體濁度的方法。光源和光電探測(cè)器安裝在待測(cè)液體表面的上方，適用于工業(yè)中在線測(cè)量[10]，該方法如圖3所示。

③ 透過式散射測(cè)量法

散射光濁度測(cè)量法以其靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確而著稱，按照測(cè)量散射光接受角度和入射光之間的角度不同，又分為垂直散射（=90°）、前向散射（<90°）和后向散射（90°）。如圖4所示：

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光學(xué)式濁度儀測(cè)量范圍在0-400NTU，采用透過式散射測(cè)量法。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)表明[11]，測(cè)量90°角方向上的散射光，受待測(cè)液中散射粒子大小的變化影響最小，同時(shí)由于光束的不嚴(yán)格平行，接收到的雜散光也是最小的。同時(shí)垂直散射式是國際上通用測(cè)量濁度的方法，各種類濁度儀也是采樣此方法測(cè)量液體的渾濁度。故本文采用圖3即垂直90°方向的散射法捕獲光信號(hào)。

使用富爾馬肼濁液作為標(biāo)液。根據(jù)濁度儀設(shè)計(jì)要求，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下：

① 測(cè)量范圍：0-400NTU;

② 分辨率：0.1NTU;

③ 重復(fù)性誤差：±2%;

④ 零點(diǎn)漂移：±3%;

⑤ 示值誤差：±2%。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，本文所設(shè)計(jì)光電式濁度儀的總體設(shè)計(jì)框圖如圖6所示。該濁度儀從功能上將其分為恒壓源驅(qū)動(dòng)電路、I/V轉(zhuǎn)化電路、濾波電路、EEPROM電路、串口通信電路等。恒壓源驅(qū)動(dòng)電路使光源能夠穩(wěn)定的發(fā)光，保證入射光強(qiáng)不變。I/V轉(zhuǎn)化電路是將光電池產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成供單片機(jī)采集的電壓信號(hào)。為了方便數(shù)據(jù)的查詢和儀器的校準(zhǔn)，EEPROM電路是將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)芯片中，在掉電的情況數(shù)據(jù)也不會(huì)消失。

3? 硬件設(shè)計(jì)

本文采用的主控芯片型號(hào)是STM32f103[12]，采用的Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核具有強(qiáng)大的異常響應(yīng)系統(tǒng)，能打斷當(dāng)前代碼執(zhí)行流程的事件分為異常（exception）和中斷（interrupt）。軟件的程序設(shè)計(jì)采用輕量級(jí)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)u/cos-ii[13]，能夠快速響應(yīng)外部事件。硬件電路包括了I/V轉(zhuǎn)換電路，穩(wěn)壓電路，濾波電路和E2PROM電路。

3.1? I/V轉(zhuǎn)換電路

光電池產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成供單片機(jī)采集的電壓信號(hào)，光電池接受散射光，產(chǎn)生與散射光強(qiáng)成正比的電流信號(hào)，使用放大器完成電流電壓的轉(zhuǎn)換，選用的運(yùn)算放大器必須具有偏置電流小，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。圖7是電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，R2是反饋電阻，C2是抑制噪聲的濾波電容，根據(jù)選用光電池的技術(shù)手冊(cè)，光電池差生的光電流是60uA-0.55mA，調(diào)節(jié)電位R3，使輸出的電壓范圍在0-3.3V范圍，經(jīng)過一階低通濾波器，輸出的電壓供單片機(jī)采集。

3.2? 穩(wěn)壓電路

光源電路要求輸入光強(qiáng)的不變，而發(fā)光二極管LED具有壽命長(zhǎng)、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在此選用LED作為發(fā)光二極管。為保證LED供電電壓穩(wěn)定，采用電壓可調(diào)的恒壓源為其供電，在此選用LM317做直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，它是一個(gè)可調(diào)三端穩(wěn)壓器，最小輸出電壓在1.25V。穩(wěn)壓電路具體如圖8所示。

3.3? EEPROM電路

濁度儀由于受到外界環(huán)境條件、器件的零點(diǎn)漂移、光源亮度變化等因素的影響會(huì)降低其可靠性和精度，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確[14]。因此大多數(shù)測(cè)量?jī)x器在使用的之前需要校準(zhǔn)，該濁度儀使用標(biāo)液標(biāo)定的方法為儀器校準(zhǔn)。在標(biāo)定的過程中，參數(shù)的寫入需要EEPROM芯片為其保存必要的數(shù)據(jù)，在掉電之后也不會(huì)消失。EEPROM電路如下：

4 光路設(shè)計(jì)

光路設(shè)計(jì)選擇符合國際標(biāo)準(zhǔn)的90°散射光測(cè)量法。因?yàn)榇郎y(cè)液體散射光強(qiáng)一般變化比較微弱，為了提高測(cè)量的靈敏度和光路設(shè)計(jì)的可靠性，傳感器的選型和水樣槽的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

4.1 硅光電池

硅光電池是一種直接將光能直接轉(zhuǎn)化成電能的半導(dǎo)體器件，它內(nèi)部是由二極管陣列組成，當(dāng)硅光電池收到光照時(shí)，硅光電池就會(huì)產(chǎn)生光電流，是一種光生伏特效應(yīng)。由于硅光電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接受光照面積大，高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，本文選用光電池作為光照的接受器件。硅光電池光譜曲線如下，由圖可知該硅光電池在700nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它的靈敏度是最好的。

4.2? 水樣槽的設(shè)計(jì)

很多傳統(tǒng)的水樣槽的設(shè)計(jì)都是圓柱形，比色皿能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，靠比色皿的十字標(biāo)記對(duì)齊水樣槽，如果比色皿在水樣槽中稍微晃動(dòng)，造成θ的改變，影響測(cè)量結(jié)果。針對(duì)上述不足，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)長(zhǎng)方體水樣槽，內(nèi)壁有固定裝置，以減少測(cè)量值的變化。水樣槽具體設(shè)計(jì)如圖11所示：

90°散射式測(cè)量濁度的方法過程中，必須要確定散射光和探測(cè)器之間成90度的夾角，如圖12所示。圖中θ為測(cè)量角，即入射光和散射光軸之間的夾角;β為孔徑角，即垂直于入射光光電傳感器接受到的散射光所成的立體角。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7027-1999（水質(zhì)-濁度的測(cè)量）中，散射法測(cè)量濁度必須滿足一下幾個(gè)個(gè)條件：入射光的波長(zhǎng)為860nm;入射光是平行光，沒有散射，散射角不超過1.5°;濁度儀的孔徑角要小于20度。

5? 軟件設(shè)計(jì)

本文涉及的濁度儀包括按鍵掃描任務(wù)，數(shù)據(jù)采集任務(wù)和LCD顯示任務(wù)任務(wù)。軟件系統(tǒng)的流程圖如下：

儀器在工作過程中，隨著使用時(shí)間和使用環(huán)境的變化，濁度儀會(huì)發(fā)生零點(diǎn)偏移等問題，會(huì)降低濁度儀的可靠性和精度。在使用之前，最好對(duì)儀器重新標(biāo)定校準(zhǔn)。標(biāo)定時(shí)，只需要標(biāo)定0、100NTU和400NTU 3個(gè)點(diǎn)即可，通過三個(gè)點(diǎn)就可以計(jì)算出這兩段直線的標(biāo)定參數(shù)，并重新寫入EEPROM中，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)完成后，接下來就是進(jìn)行溶液測(cè)量。ADC采集的數(shù)據(jù)通過DMA傳輸數(shù)據(jù)，CPU直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。測(cè)量一次未知溶液的濁度，單片機(jī)一次讀取600次采樣值，首先對(duì)這600個(gè)數(shù)據(jù)分組處理，每組15個(gè)數(shù)據(jù)，分成40組。對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行排序處理，取出排序后中間的數(shù)據(jù)，對(duì)每組取出后的數(shù)據(jù)取平均值作為該配置溶液的采樣結(jié)果。

濁度溶液在測(cè)量的過程中，溶液中的顆粒和膠體會(huì)發(fā)生沉淀，測(cè)量的結(jié)果會(huì)慢慢變小。為了避免測(cè)量結(jié)果跳動(dòng)過大，采取滑動(dòng)窗口處理的辦法減小數(shù)據(jù)的跳動(dòng)。具體的做法如下：有一個(gè)保存10個(gè)數(shù)據(jù)大小的數(shù)組Buffer，這個(gè)數(shù)組保存了去噪處理后的數(shù)據(jù)，第一次顯示的數(shù)據(jù)是Buffer的平均值，第二次更新數(shù)組Buffer第一個(gè)數(shù)據(jù)，再一次求取Buffer的平均值，以此類推，依次更新Buffer數(shù)組中的10個(gè)數(shù)據(jù)，該方法有效減小了數(shù)據(jù)的跳動(dòng)。

6 實(shí)驗(yàn)

濁液的配置：溶液采用的是國際標(biāo)準(zhǔn)的福爾馬肼（Formazine）聚合物懸浮液作為標(biāo)液，由硫酸肼（N2H6SO4）和六次甲基四胺（C6H12N4）配置而成。標(biāo)液的配置只需將4000NTU福爾馬肼標(biāo)液稀釋至指定的濃度。

根據(jù)配置的標(biāo)液，分別對(duì)0、20、40、60、80、100、200、300、400一共9個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)量的數(shù)據(jù)如下表所示：

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，以采樣值A(chǔ)D為橫坐標(biāo)，測(cè)量值為縱坐標(biāo)。在（0-100NTU）范圍內(nèi)，連接（16，0）和（473，100.0）兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn);在（100-400NTU）范圍內(nèi)，連接（473，100.0）和（1701，400.0）兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，繪制如下圖所示的折線圖。

在（0-100NTU）范圍內(nèi)，濁度與采樣值的關(guān)系表達(dá)式為：

Y=0.219x-3.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

在（100-400NTU）范圍內(nèi)，濁度與采樣值的關(guān)系表達(dá)式為：

Y=0.244x-15.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

根據(jù)表達(dá)式（3）和（4）可知，高濁度段比低濁度段的斜率要稍微增大一些。由此可得到，隨著溶液的濃度不斷增加，濁度與采樣值將不再保持線性關(guān)系，需要用分段線性表示的方法近似代替這段曲線。由此，將溶液的真實(shí)值減去測(cè)量值， 得到誤差柱狀圖15所示。

由圖15可以得知，在200NTU時(shí)，最大誤差達(dá)到0.7NTU，示值誤差最大為1.5%，滿足實(shí)際應(yīng)用所需。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光電式濁度儀重復(fù)性好，均滿足HJ/T 98-2003《濁度水質(zhì)自動(dòng)分析儀技術(shù)要求》中規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。

7 結(jié)論

濁度儀是對(duì)水質(zhì)檢測(cè)的電子測(cè)量?jī)x器中不可或缺的一部分，它對(duì)環(huán)境治理、食品安全、工業(yè)生產(chǎn)等方面也發(fā)揮著重要的作用。本文根據(jù)垂直90°方向的散射法，提出了一種基于光電式測(cè)量水樣濁度的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)在（0-400NTU）范圍內(nèi)的光電式濁度儀，闡述了該濁度儀的硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及光路設(shè)計(jì)的整套嵌入式系統(tǒng)。與傳統(tǒng)型濁度儀相比，該濁度儀具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】