基于光纤传感器的智能污泥浓度测量系统的研究

黄云飞，朱向冰，吴 彬

（安徽师范大学 物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241000）

当前阻碍我国健康发展的首要因素之一，就是日益严重的环境污染，水污染是其中之一，加强污水处理是件非常重要的事情。现代污水处理技术中，常用的活性污泥法按处理程度通常划分为三级处理，文献资料表明其中的第二级处理可去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质 （BOD和COD物质等），去除率可达90%以上，从而使有机污染物达到排放标准[1]。其中在第二级处理中评价活性污泥量的指标是污泥浓度，又称为悬浮物浓度（MLSS），是代表曝气池中污水和活性污泥混合后的混合液悬浮固体数量，是表征液体的一个非常重要的特性参量，其一般用称重法测定[2]。显然用称重法测定不仅费时费力，而且滞后严重，无法及时反映污泥浓度的变化，不能满足当前污水实时处理的要求，因此国内外已经有许多技术来实现污泥浓度测定这一目的[3]，依靠现代自动化控制技术，专门针对市政污水和工业废水处理过程中污水处理而设计的悬浮污泥浓度测量仪器，如超声波污泥浓度计、光电污泥浓度计等，可实现较稳定、较精确的巡检测量，但其结构上的缺陷不可避免。本文基于对光纤技术的分析，提出了一种基于光纤的污泥浓度传感器实时智能检测系统，以单片机作为数据处理和系统检测控制部件，改造反射结构的光纤探头作为敏感元件和光纤作为光通路，并能通过合理的软件算法，能够消除现场干扰，提高系统对污泥浓度的可靠性检测。

1 工作原理

光纤传感技术是光纤通信的发展产物，它改变了传统的电类传感器的结构形式，也即光纤传感器是通过被测物理量（例如液体浓度、折射率等）对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，然后对被调制过的光信号进行检测的一类新型传感器，具有远程和抗化学腐蚀性。

由光折射和反射的Snell定律可知，当光波入射到两种媒介的交界面时，反射率与相邻两种媒介的折射率纤芯n1、包层n2有关。当包层为被测污水体，则被污水体的污泥浓度发生变化时，其折射率n2必然发生变化，从而通过反射回到纤芯的光也发生变化，通过测量接收端光强的大小，就可以得到被测污水体的污泥浓度。根据该原理，可用光纤制作成如图1所示的反射型敏感探头。

图1 反射型光纤传感器Fig.1 Reflective optical fiber sensor

LED发出来的恒定光通过发送光纤束送到另一端的球形敏感探头至含有污水的浑浊水体。在敏感探头的球面上，有一部分光透过，而其余的光被反射回来。当没有接触污水体时，透射光量和反射光量一定；当插入污水体时，敏感探头与污水体相接触，球面部的光透射量增大，而反射量减少。因此，由反射光量即可知道敏感探头接触污水体污泥浓度。反射光量决定于敏感探头的折射率和被测定污水体的折射率。接收光纤束下端接收到来自敏感探头的光强，被污染物水体调制[4]后，通过接收光纤束由光电探测器进行光电转换输出，从而获得污泥浓度变化的特征信息。

2 系统组成

2.1 光纤污泥浓度智能检测系统原理框图

系统如图2所示，采用单片机可调节LED的工作电流，提高信噪比，提高仪器的抗干扰能力。该系统采用单片机控制PWM发光方法，即在每测量一次数据的周期内，LED发光大约250μs，同时光信号由光电探测器转换为电信号，放大后进行取样保持[5]。一旦采集完成，则单片机进行数据处理，此时LED不必发光。由于LED处于占空比较小的PWM发光状态，使LED工作在物理特性最好的阶段，可延长LED的实际使用寿命，保证LED稳定的发光，实现绝对值测量。

图2 光纤污泥浓度智能检测系统结构图Fig.2 Structure diagram of the optical fiber sludge concentration intelligent detection system

2.2 主要元件

2.2.1 光纤污泥浓度传感器

系统中有多过光纤传感器，如温度传感器和流速传感器，其中最重要的是光纤污泥浓度传感器。众所周知，Y型结构的光纤是由两束光纤束组成，一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为发送光纤束和接收光纤束。其基本传感原理是：光从光源耦合到发送光纤束，通过光纤传输，射向反射体，再被反射到接收光纤束，最后由光电探测器接收，光电探测器接收到的光强度与反射体污泥浓度性质、光纤探头的结构有关。

根据工作的原理，再结合污泥浓度检测的要求可知光纤反射型敏感元件是整个实验装置的关键部件，用光纤熔接器进行电弧熔接制成，以和被测污水直接接触的探头熔融部分作为反射体。

2.2.2 光源的选择

一般所使用的光源是半导体激光器，其发光是利用光的受激辐射原理，耦合效率高、响应速度快，但价格比较高，而发光二极管光源则价格低廉、可靠性高、工作方便、寿命长和便于控制[5]。根据制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于hc/λ=1.8ev，故通常用砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，其中x代表磷化镓的比例，当x>0.35时，可得到禁带宽度Eg≥1.8e V的材料。改变x值还可以决定发光波长，使λ在550～900 nm间变化，它已经进入红外区，实际采用的光源为850 nm的发光二极管。

2.2.3 光电探测器的选择

经过比较多种光电探测器后，选择雪崩光电二极管（APD）比较合理，因为当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子现场标定简单，另外响应速度特别快，带宽可达100 GHz，是目前响应速度最快，灵敏度很高的一种光电二极管。

理论证明，雪崩光电二极管APD的雪崩增益（响应度）是环境温度和偏置电压的函数[6]，其稳定性直接影响了整个实验装置的测量灵敏度。为了使APD能以恒定的增益工作，通过单片机调节APD的偏置电压使其随环境温度的变化而按一定比例改变，可保持APD的增益不变。

2.2.4 单片机

污泥浓度与污泥的生长速度有关，受季节和温度等因素影响，检测时还要注意外界光的干扰因素、污泥的流速及被控制的反馈量等对检测信号的作用，采用单片机可以灵活的编程，实现复杂的检测控制。

这里选用凌阳SPCE061A 16位32 768 Hz RTC的单片机，具有8通道的10位AD转换器，并具有ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，又增强了数据处理能力。工业级工作温度为-40至+85℃。

SPCE061A具有两路PWM输出功能，利用单片机I/O端口输出PWM信号即可控制LED，为了避免浪费了宝贵的定时器资源，故采用软件生成PWM的方法，通过分频产生4 Hz的时基信号，利用时基中断，改变I/O端口的电平状态，从而模拟特定占空比的PWM波形，输出4位可调脉宽比PWM信号。另外采用中断方式定时，来强迫定时开启LED发光电路。为了给LED提供足够的电流，将PWM信号发给LED驱动芯片，由驱动芯片直接控制驱动LED。

2.3 光纤传感器的安装

光纤传感器的测量单元安装在曝气池现场，光电转换箱、二次仪表、电源和计算机系统安装在仪表控制室，两者之间通过光缆连接，完全做到曝气池现场无电检测，如图3所示。

图3 反射型光纤污泥浓度传感器的构造Fig.3 Structureof thereflectiveoptical fiber sludgeconcentrationsensor

为保证获得具有代表性的测量结果，光纤传感器一般安装在以下位置：一是二沉池的回流污泥口；二是曝气池的出口；三是曝气池中的适当位置。

为了方便对传感器进行定期的清洗和维护，将传感器的探头及光纤通路安装在易于触及的位置；同时应避免将探头安装在气泡较多的位置，因为气泡会产生干扰信号；另外探头应安装在工艺混合良好和不出现停机的位置。光纤探头通过安装支架浸入曝气池中，同时注意光纤探头应浸没至水面下不小于30 cm的深度，并避免阳光直射。

3 软件设计

借鉴文献中蔗糖溶液和食盐溶液浓度测量的实验方案[5]，根据要处理的信息，编写的单片机主程序流程如图4所示，限于篇幅没有给出产生PWM脉冲的子程序和计算污泥浓度信息的子程序。程序中包含定时的常规检测，如果接近污泥浓度的临界值时加大测量频率，这样间断测量和连续测量相结合，既满足实时测量的要求，又有利于提高LED和光电探测器的使用寿命。

检测部分程序的关键是采用合理的算法。根据曝气池中污泥浓度控制的特点，本文采用神经网络算法。设定3个测量点即曝气池出水口、二次沉淀池污泥回流口和中间位置，根据污泥浓度、污泥的生长速度、温度对污泥的影响、污泥的流速、池中颗粒的散射、外界光的干扰因素等，调节神经网络算法的权重，得到合适的计算参数。经过实验室实验及现场测试，得出结论与实际情况相符合。

4 结束语

图4 主程序流程图Fig.4 Main program flow chart

该智能检测装置以单片机为核心，构建了一个污泥浓度测量系统，具有原理简单、实用性强。通过光来检测和传输信息，因而现场可以不用电信号，灵敏度高、响应速度快、动态范围大，可适用于远距离遥感，便于推广使用。利用光纤传感器具有很强的抗干扰能力、耐高温、耐腐蚀的优点，及与光纤作为信息传输的通道，构建污水处理厂以现场总线的测量点网络系统，减少原来测控系统的故障率。另外以LED作为光源，可得到了很高的测量精度，但不同LED发光特性不一致，并且随温度和工作时间而变化，为进一步提高测量准确性和延长LED有效的使用寿命，下一步需要通过相对测量的方式减小这些因素的影响。

[1]崔玉川，马志毅.废水处理工艺设计计算[M].北京：水力电力出版社，1994.

[2]国家环境保护总局科技标准司.城镇污水处理厂污染物排放标准[S].2003.

[3]黄菊文，李光明，韦鹤平.光纤反射型传感器测量污水浊度的方法[J].上海:同济大学学报：自然科学版，2005，10（33）:1334-1336.HUANG Ju-wen，LI Guang-ming，WEI He-ping.Measuring sewage turbidity with fiber reflective-type sensors[J].Journal of Tongji University，2005，10（33）:1334-1336.

[4]方宏，秦曦.光纤传感器中光源的选用及比较[J].传感器世界，2004（11）：13-17.FANG Hong，QIN Xi.Selection and comparison of light sources in optical fiber sensor[J].Sensor World，2004（11）：13-17.

[5]张娜，李秀媛.基于8031单片机的智能化液体浓度测量系统的研究[J].电子器件，2003，29（1）：227-230.ZHANG Na，LI Xiu-yuan.Research of intellectualized liquid concentration measurement system based on 8031 single chip microcomputer[J].Chinese Journal of Electron Devices，2003，29（1）：227-230.

[6]赵洪志，李乃吉，赵达尊.基于背向喇曼散射的分布式光纤温度传感器APD最佳雪崩增益的分析[J].传感器技术学报，1997，10（3）:27-31.ZHAO Hong-zhi，LI Nai-ji，ZHAO Da-zun.Research on the optimum gain of APD in distributed fiber temperature sensors[J].Journal of Transcluction Technology，1997，10（3）:27-31.

[7]李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，1999：119-129.

[8]朱震，叶茂.光散射粒度测量中Mie理论的高精度算法[J].光电子.激光，1999，10（02）:135-138.ZHU Zhen，YE Mao.High precise algorithm of mie scattering in the particle sizing by light scattering[J].Journal of Optoelectronics Laser，1999，10（2）:135-138.

[9]贾伯年，俞朴，宋爱国.传感器技术[M].3版.南京：东南大学出版社，2007.