基于電流與光強(qiáng)雙反饋控制光源的在線濁度儀設(shè)計(jì)

于洙海,鄧 琥,3,劉 偉,漆 雪,魏文卿

(1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院,四川綿陽 621010;2.西南科大四川天府新區(qū)創(chuàng)新研究院,四川成都 610299;3.特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽 621010)

0 引言

濁度是不溶性物質(zhì)引起的液體透明度降低的一種量度,濁度儀作為測量液體濁度的儀器,在生活用水、醫(yī)藥、工業(yè)生產(chǎn)、大氣研究等各領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1-2]。

當(dāng)前濁度的檢測方法主要為散射法、透射法和散射-透射比值法,其中散射法適合于中低濁度的測量,而透射法適合于中高濁度測量,散射-透射比值法是對(duì)2種方法的綜合運(yùn)用,因此測量范圍會(huì)受限[3-4]。以上3種方法都是基于光強(qiáng)檢測來實(shí)現(xiàn)濁度測量,但是當(dāng)濁度儀用于長時(shí)間在線測量時(shí),其內(nèi)部的光源由于屬于半導(dǎo)體器件,發(fā)光特性會(huì)受到發(fā)光時(shí)間和溫度的影響[5-6],造成系統(tǒng)的測量精度降低。此外,環(huán)境光和系統(tǒng)電路噪聲也會(huì)影響測量結(jié)果。針對(duì)上述問題,綦聲波等[7]提出加入溫度補(bǔ)償電路來抑制溫度對(duì)測量結(jié)果的影響,但會(huì)使儀器標(biāo)定和校準(zhǔn)變得復(fù)雜。鄭杰等[8]采用正交數(shù)字鎖相放大電路來消除上述因素的影響,但電路復(fù)雜且響應(yīng)速度慢。

綜合上述分析,本文設(shè)計(jì)了一種基于電流-光強(qiáng)雙反饋控制光源的在線投入式濁度儀,利用電流反饋抑制電路電流波動(dòng)對(duì)光源的影響。利用光強(qiáng)反饋消除光源老化和溫度帶來的影響,此外,采用低頻方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)光源,利用溫度不能突變的特點(diǎn),通過計(jì)算光源開閉時(shí)采集到的電壓信號(hào)之差,來消除檢測電路受到的影響,同時(shí)在低濁度時(shí)采用90°散射法測量,在高濁度范圍采用透射法測量,使得系統(tǒng)測量精度進(jìn)一步提高。

1 濁度檢測原理

當(dāng)一束單色平行光穿過液體時(shí),一部分光由于透射作用會(huì)直接透過液體,一部分光由于吸收作用被液體中不溶性物質(zhì)吸收,還有一部分光會(huì)發(fā)生散射[9],其中,光的散射分為瑞利散射和米氏散射,這2個(gè)類型的散射衰減模型在90°方向可簡化為式(1)[10],而光的透射模型可以簡化為式(2)[11]。

Is=KsTsI0

(1)

It=I0exp(-KtTtL)

(2)

式中:Is為90°散射光強(qiáng)度;It為透射光強(qiáng)度;I0為入射光強(qiáng)度;Ts和Tt分別為散射法和透射法測得的液體濁度;Ks和Kt分別為散射系數(shù)和透射系數(shù);L為透射光程。

在保證I0、L均不變的前提下,以上兩式可進(jìn)一步簡化為:

Ts=ksIs

(3)

Tt=ktlnIt+b

(4)

由式(3)和式(4)可知,當(dāng)采用散射法測量時(shí),濁度與散射光強(qiáng)成正比;當(dāng)采用透射法測量時(shí),濁度與透射光強(qiáng)的自然對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 濁度儀系統(tǒng)框架

濁度儀系統(tǒng)框架如圖1所示,主要分為投入式濁度傳感器和主控系統(tǒng)2部分,傳感器包含1個(gè)光源模塊和3個(gè)檢測模塊,光源模塊驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光,檢測模塊實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換。主控系統(tǒng)包含控制器和A/D轉(zhuǎn)換模塊2部分,控制器采用STM32F103VCT6單片機(jī),其自帶12位DAC,同時(shí)內(nèi)置有串口,可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。A/D轉(zhuǎn)換模塊選用8通道24位的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1256實(shí)現(xiàn),其最高采樣頻率可達(dá)30 KSPS,能夠?qū)崿F(xiàn)多通道信號(hào)的快速測量。

圖1 系統(tǒng)整體框架

2.2 光源驅(qū)動(dòng)

根據(jù)對(duì)濁度檢測原理的分析可知,要實(shí)現(xiàn)濁度的精確測量,需要保證光源的輸出光強(qiáng)穩(wěn)定。而濁度儀在實(shí)際測量時(shí),光源的輸出光強(qiáng)會(huì)受到溫度、電流波動(dòng)的影響,且長時(shí)間發(fā)光會(huì)使光源老化,造成發(fā)光效率降低[12]。以上影響因素中,電流波動(dòng)變化快,幅值小,而溫度和老化的作用較慢,根據(jù)這兩類影響因素的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了電流與光強(qiáng)雙反饋環(huán)路來實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定輸出,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光源雙反饋環(huán)路結(jié)構(gòu)框圖

為抑制驅(qū)動(dòng)電流波動(dòng)對(duì)光源輸出光強(qiáng)的影響,設(shè)計(jì)了帶有電流反饋環(huán)路的驅(qū)動(dòng)電路來穩(wěn)定光源驅(qū)動(dòng)電流。其電路如圖3所示,光源選用中心波長為850 nm的紅外LED作為光源,此波段的光能夠降低液體色度對(duì)測量的影響[13]。電路的第一級(jí)運(yùn)放設(shè)計(jì)為電壓跟隨電路,以減小輸入信號(hào)損耗,第二級(jí)運(yùn)放為比較器,通過將反饋電阻R16產(chǎn)生的電壓與上一級(jí)運(yùn)放的輸出作比較,完成電流反饋,實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)光源。

圖3 光源驅(qū)動(dòng)電路

針對(duì)溫度和光源老化造成的影響,設(shè)計(jì)了光強(qiáng)反饋環(huán)路抑制其影響,環(huán)路采用探測器加轉(zhuǎn)換電路完成光強(qiáng)信號(hào)的采集,由控制器進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。由圖3可知,流經(jīng)光源的電流I可以由式(5)表示。

(5)

由式(5)可知,電流I與驅(qū)動(dòng)電路輸入電壓Vi成正比,而Vi由控制器的DAC產(chǎn)生,因此控制器可以通過DAC來調(diào)整光源的輸出光強(qiáng),實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定輸出。

2.3 光電轉(zhuǎn)換電路

為實(shí)現(xiàn)光源穩(wěn)定控制和液體濁度檢測,設(shè)計(jì)了圖4所示的光電轉(zhuǎn)換電路,光電二極管(PD)在受到光照后產(chǎn)生微弱的電流信號(hào),經(jīng)過精密雙運(yùn)放ADA4625搭建的第一級(jí)跨阻放大電路后,轉(zhuǎn)化成小電壓信號(hào),再由第二級(jí)的低通濾波電路濾除電路中的高頻噪聲,然后由第三級(jí)儀用運(yùn)放器AD623實(shí)現(xiàn)信號(hào)的進(jìn)一步放大,同時(shí)濾除電路中的共模干擾,最后信號(hào)經(jīng)主控系統(tǒng)中的A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入控制器,即可實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)信號(hào)的測量。

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路

2.4 傳感器設(shè)計(jì)

2.4.1 檢測光路

由于透射法和散射法適用的濁度檢測范圍并不相同,故設(shè)置2路光強(qiáng)檢測電路分別檢測散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng),根據(jù)濁度測量范圍選擇合適的測量方法。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)光源光強(qiáng)反饋控制,利用分光鏡將光源發(fā)出的光一分為二,因此系統(tǒng)共需要實(shí)現(xiàn)3種光的強(qiáng)度檢測,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)光路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)光路示意圖

由圖5可知,LED發(fā)出的光經(jīng)過分光鏡后,被分為強(qiáng)度比固定的2路垂直光,其中一路光直接穿過分光鏡進(jìn)入反饋PD中,產(chǎn)生光強(qiáng)反饋信號(hào),以穩(wěn)定光源的輸出。另一路光作為濁度測量入射光進(jìn)入被測液體,由散射PD和透射PD分別檢測90°散射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)。為降低環(huán)境光干擾,在兩個(gè)PD與被測液體之間各自加入一塊中心波長為850 nm窄帶濾波片,濾除非紅外光[14]。

2.4.2 傳感器結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)圖5所示光路,設(shè)計(jì)了如圖6所示的投入式濁度傳感器,由于傳感器需要投入被測液體,因此傳感器整體為密封方形環(huán)狀結(jié)構(gòu),由內(nèi)外殼體、LED及驅(qū)動(dòng)電路、PD及轉(zhuǎn)換電路、分光鏡和濾光片組成。光源及驅(qū)動(dòng)電路、PD及轉(zhuǎn)換電路置于殼體內(nèi)外層之間,且內(nèi)殼體每面有4孔,用于固定電路板。環(huán)形殼體中部為液體流通區(qū)域,分光鏡及濾光片嵌入殼體內(nèi)層,且所有光學(xué)元件位于同一高度,傳感器的信號(hào)均以線纜的形式通過外殼體上接口引出,與濁度儀主控系統(tǒng)相連。所有縫隙處均進(jìn)行密封處理,傳感器殼體由黑色光敏樹脂采用3D打印技術(shù)制成。

圖6 濁度傳感器外觀示意圖

2.5 軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

濁度儀在進(jìn)行長時(shí)間在線測量時(shí),除光源外,光電檢測電路也會(huì)因溫度變化,使電路產(chǎn)生零點(diǎn)漂移[15],同時(shí)檢測電路存在噪聲,這類噪聲難以通過硬件電路濾除[16],這些因素都會(huì)對(duì)測量結(jié)果造成干擾。因此系統(tǒng)通過對(duì)光源開閉時(shí)檢測到的光強(qiáng)信號(hào)作差來消除其影響。

由于溫度的變化相對(duì)緩慢,而電路中的噪聲與電路本身的設(shè)計(jì)有關(guān),其功率一般不會(huì)突變,故在短時(shí)間內(nèi),可以認(rèn)為光電檢測電路受到的影響是不變的。假設(shè)在整個(gè)光電轉(zhuǎn)化過程,散射光和透射光檢測電路的信號(hào)放大倍數(shù)分別為Rs、Rt,檢測時(shí)干擾信號(hào)為N0,進(jìn)一步分析如下:

當(dāng)光源打開時(shí),探測器同時(shí)檢測到干擾信號(hào)和有用信號(hào),此時(shí)散射電壓Vs1與透射電壓Vt1分別為:

Vs1=Rs(Is+N0)

(6)

Vt1=Rt(It+N0)

(7)

當(dāng)光源關(guān)閉時(shí),探測器只能檢測到噪聲信號(hào),此時(shí)散射電壓Vs2與透射電壓Vt2分別為:

Vs2=RsN0

(8)

Vt2=RtN0

(9)

將式(6)和式(8),式(7)和式(9)分別作差后,帶入式(3)和式(4)后,得到:

(10)

(11)

式中:k1、kt、b2均為常數(shù)。

由式(10)和式(11)可知:當(dāng)采用散射法測量時(shí),濁度與光源開閉時(shí)分別測得的電壓之差成正比;當(dāng)采用透射法測量時(shí),濁度與光源開閉時(shí)測得的電壓之差的自然對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。

綜合考慮濁度測量的準(zhǔn)確度和響應(yīng)時(shí)間,系統(tǒng)選用1 Hz的低頻方波信號(hào)控制光源的開閉,以1 kHz的頻率采集3路光強(qiáng)信號(hào),在光源開閉時(shí)各采樣500次。并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波處理,降低電路噪聲的影響,軟件流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定

根據(jù)濁度的檢測國際標(biāo)準(zhǔn)ISO-7027,選用福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)液和零濁度水配制一系列不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)樣品。記錄光源開閉時(shí)的散射電壓差與透射電壓差的自然對(duì)數(shù),測量結(jié)果如圖8與圖9所示。

圖8 散射法測量結(jié)果

圖9 透射法測量結(jié)果

由圖8和圖9得出:低濁度范圍內(nèi),采用散射電壓差作為濁度測量依據(jù)的線性度較好,進(jìn)行最小二乘算法擬合,在0～400 NTU范圍內(nèi),得到的擬合結(jié)果為式(12)。系統(tǒng)擬合度為99.52%,擬合效果較好。

y=211.5x-7.326

(12)

式中:y為液體濁度;x為散射電壓差。

在400～1 000 NTU范圍內(nèi),選用透射電壓差值的自然對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果為式(13)。系統(tǒng)的擬合度為99.53%,擬合效果較好。

y=-369.4x+541.4

(13)

式中:y為液體濁度;x為透射電壓差的自然對(duì)數(shù)。

3.2 重復(fù)性測試

將擬合得到的測量模型寫入控制器后,重新配置50、100、350、600、750、900 NTU的濁度液。將傳感器置于被測液體中,重復(fù)測量7次,測量周期為2 min。6個(gè)樣品的測量結(jié)果如表1所示。

表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表1可知,最大測量示值誤差出現(xiàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)為909.45 NTU,其絕對(duì)誤差為9.45 NTU,但相對(duì)誤差僅1.05%。相對(duì)誤差最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)為48.42 NTU,為3.16%,實(shí)驗(yàn)測量重復(fù)性誤差最大為2.08%。這表明系統(tǒng)無論采用透射法還是散射法,在各自設(shè)定范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)濁度的準(zhǔn)確測量。

3.3 零點(diǎn)漂移測試

為了驗(yàn)證測量系統(tǒng)穩(wěn)定性,將傳感器置于零濁度的去離子水中,持續(xù)測量24 h,每隔0.5 h記錄1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以該段時(shí)間內(nèi)最初5次測量值的平均值作為初期零值,計(jì)算濁度最大變化幅度相對(duì)于滿量程值的百分?jǐn)?shù)。相關(guān)測試結(jié)果如圖10所示,得出濁度儀在零濁度液中24 h內(nèi)最大漂移量為1.88 NTU,零點(diǎn)漂移誤差小于1%。

圖10 系統(tǒng)零點(diǎn)漂移實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型的投入式在線濁度儀,通過光源驅(qū)動(dòng)電路、光強(qiáng)檢測電路和控制器對(duì)光源采用電流與光強(qiáng)雙反饋控制,實(shí)現(xiàn)了光源的穩(wěn)定輸出控制,同時(shí)對(duì)光源采用低頻方波信號(hào)驅(qū)動(dòng),通過將光源開閉時(shí)測得的電壓值作差以降低檢測電路受到的干擾,有效地提升了系統(tǒng)的抗干擾能力。相關(guān)測試結(jié)果顯示:系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0～1 000 NTU范圍液體濁度的精確測量,重復(fù)性誤差優(yōu)于2.08%,24 h內(nèi)零點(diǎn)漂移最大值為1.88 NTU,表明其在水質(zhì)檢測領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。