散射法检测液体中微小颗粒浓度的研究

孙玉霞，杨　晨，吕　杰，严金华

(浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023)

散射法检测液体中微小颗粒浓度的研究

孙玉霞，杨晨，吕杰，严金华

(浙江工业大学 理学院，浙江 杭州 310023)

摘要：利用液体中微小颗粒对光的散射作用原理，设计了一种检测测量溶液中颗粒浓度的装置。该检测装置选用波长为830 nm的红外LED作为光源，在与入射光成90°的散射角处测量散射光强度，以光敏二极管为光电接收器，并通过信号处理将检测得到的光信号转换为电信号，从而获得与液体中的固体颗粒浓度相关的电信号。由于液体中颗粒浓度对散射光强具有决定作用，进而得到待测液体中固体颗粒浓度与电信号的关系。为避免环境光造成干扰，系统采用不透光暗腔，并采用非接触式测量。

关键词：散射；颗粒浓度；测量；光敏二极管

人们常用浊度来衡量水质[1]的好坏，水中含有的微小有机物、泥沙、无机物和浮游生物等杂质都可以使水质变浑浊，ISO 7027标准中定义浊度表示水中悬浮物质与胶态物质对光线透过时所发生的阻碍程度，阻碍程度越大浑浊度就越大。浊度检测广泛应用于生产和生活中的许多领域。

在液体浊度测量中，比色法和比浊法[2]是常用的方法。比色法是测吸光度的，要求在规定波长下分别测样品溶液与参照物溶液的吸光度，然后按照计算公式计算样品浓度。比浊法是进行浊度比较，浊度是指溶液浑浊程度，如生成沉淀的多少就会有影响，产生的浊度与标准浊度进行比较，确定某种成分的含量，它是由测量透过悬浮质点介质的光强度来确定悬浮物质浓度的方法，本质上是一种光散射测量技术[3]。比色法和比浊法的主要区别在于比色法是生成溶液，而比浊法是沉淀。比色法测量培养液的吸光度值并不完全是颗粒数量的真实体现，相比之下比浊法是利用光散射法原理，它是通过检测散射光在某一方向上的光信号强度，来反映待测溶液中颗粒浓度大小。该方法具有非接触测量，测量时间短，测量数据准确，且能实时测量等优点，具有广阔的发展前景。

1理论基础

1.1散射原理

光通过一媒质时，由于构成该媒质的分子密度涨落而被散射的现象称为分子散射定律。密度涨落是由于媒质中存在着其他物质的微粒，或者由于介质本身密度的不均匀性。溶液中的微小颗粒做永无停息地无规则的热运动[4-5]，从而某一特定位置的媒质分子密度涨落不定，一束光线通过溶液时,当遇到某个微小颗粒时便会改变传播方向产生散射光。

图1　散射原理图

散射光强的分布与探测光的波长和散射角度有关，所以，选择适当的光源和散射角度对设计至关重要。在能精确测量光强强度的情况下，经过大量的试验，最终选择90°散射角进行测量，以最大程度上减少入射光的干扰。散射原理如图1所示。

光散射法包括单粒子光散射法和颗粒群光散射法，两者的区别是传感器光敏区的粒子数不同。考虑到实际水质的浊度，所以本设计选择颗粒群光散射法。颗粒群光散射法的基本原理是颗粒群通过光敏区时产生散射光能量，探测器对一定立体角范围内的光能量进行响应，此信号平均值与颗粒浓度成线性关系。这种测量方法与入射光波长、几何光学探测系统和待测溶液参数有关。典型的颗粒群粒子光散射法光学系统原理图如图2所示。

图2　颗粒群粒子光散射法原理图

1.2布朗运动

液体的布朗运动是指液体分子不停地做无规则的运动，不断地随机撞击悬浮微粒，当这些悬浮小微粒随着液体分子运动时，由于液体分子在各个方向上对悬浮小颗粒的撞击力不相同，所以在某一时间，微粒某一个方向运动的机率是不一样的，即是随机的。颗粒在培养液中做无规则的运动，当其运动到光敏区时就会产生散射作用，反之则没有散射作用；因此，这种方法测出的散射光强具有一定的涨落现象，也就是有一定的波动性，但是取一段时间内测得的数据，求其平均值依然能反映颗粒浓度的相对大小。

1.3Mie散射理论

Mie散射理论(Lorenz-Mie theory)是麦克斯韦方程对处在均匀介质中均匀颗粒在平面单色波照射下的严格数学解。Mie散射理论的数学推导十分复杂，本文不再赘述，只给出其主要结论，详细内容参见文献[6-7]。当散射粒子半径r与入射光波长λ之比r/λ很小时，总散射光能与波长关系和瑞利定律一致；当这一比值较大时，总散射光能随这一比值的增大出现起伏不大的极大值与极小值，这种起伏变化也是随r/λ的增大而逐渐减小的。因此，对于足够大的散射粒子，可得到几乎与波长无关的散射(见图3)，坐标原点处有一折射率为m的粒子被波长为λ的单色光I0照射，使它向空间任意方向发出散射光。图3中点Ρ为观察点，r为散射点与观察点Ρ的矢径，观察点Ρ与z轴组成的平面为散射面，θ为散射角，φ为入射光振动面与散射面间夹角。

图3　球形粒子Mie散射示意图

垂直于散射面的散射光强Ir和平行于散射面的散射光强It以及总散射光强Is分别为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2微小颗粒浓度检测系统方案

本设计的系统框图如图4所示，选用波长为830 nm的近红外LED做光源，固定光源和所测液体，使光线垂直照射所测浊度液体，光线遇到固体颗粒会发生散射作用，选择90°角作为散射角固定光探测器，使光信号转变为电信号，然后对电信号进行采集和处理，最后将采集到的数据进行显示和储存。

图4　系统框图

2.1光源的选择

试验中光源选择波长为830 nm的近红外LED。选择该波长的光源一方面是因为波长较长的红外光源抗外界干扰能力比可见光波段的光源强；另一方面根据米氏散射定理，检测光源波长因与检测颗粒粒径尽可能在同一数量级上，并且比值越小越好，而试验检测的固体颗粒是微小颗粒，粒径大约为0.1～5 μm，故采用波长为830 nm的LED光源。

2.2福尔马肼溶液配制

试验选用400 NTU的标准福尔马肼浊度液，按照XNTU×vml=400NTU×Vml，分别稀释成10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 NTU的浊度液。其中，XNTU表示要配制溶液的浊度，vml表示要配制的溶液的体积，400NTU表示标准的浊度液，Vml表示标准浊度液取量多少。

2.3光路设计

散射光强的分布与探测光的波长和散射角度有关，因此，选择适当的光源和散射角度对设计至关重要。经过大量的光路搭建试验，最终选择90°散射角进行测量，在最大程度上减少入射光对试验测量数据的干扰，使得探测器对光强的变化更灵敏。将光源贴近容量瓶垂直固定，目的是为了将LED发出的光尽量照射到容量瓶上。由于所测溶液散射的总光强相对较弱，所以在光探头前方处安放一个焦距为15 mm的透镜。

由于微小颗粒散射的光比较微弱，为了避免杂散光的影响，光路部分试验在黑暗的盒子里进行，这样，一方面可以使测得的数据稳定；另一方面测得的数据可以更真实的反映液体中固体颗粒的浓度，使得数据更加准确，更加有参考性。

2.4调理电路与单片机处理

由于光强转化后的电信号比较弱，所以需要对接收到的电信号进行放大处理。将光探头接收到的电信号用2个放大器进行二级放大，得到一个合适的电压，再用比较器与一个设定的电压值进行比较后，输出相应的PWM波，将此波形输入到单片机，编写单片机程序计算出高电平的占空比，由此可得到单位时间内待测样品中微小颗粒的相对浓度。

用单片机采集到的数据通过串口传送给上位机，编写上位机程序进行存储，将多次试验测得的数据进行对比。

3数据处理和分析

对所测液体浊度进行检测，每隔10 s记录1个数据，通过大量试验验证，记录20个数据，然后对其进行平均。试验数据图如图5所示，横坐标表示待测溶液的浊度，纵坐标表示反映浊度的数据，试验结果表明，在测量20～80 NTU的浊度液时，数据成很好的线性变化趋势，在测量较低浊度与较高浊度溶液时，数据变化不太明显，这是电路中比较电压大小的设置所造成的，如果改变其中的某个参考电压值，即可调节溶液浊度的测量范围。

图5　浊度测量数据生成曲线

4结语

本文在光散射理论的基础上，设计了一种可以实时检测液体浊度的装置，对比其他生物化学方法，本方案大大简化了试验操作步骤，提高了试验检测效率，而且通过试验证实了其可行性和可靠性。在后续的试验中，如果改变电路中的一些参数，就可以测量更宽范围的浊度。另外，本试验的思想也可以用于空气中的微小颗粒物的检测。

参考文献

[1] 程万虎，刘红武. 不同类型的浊度仪对浊度测试的研究[J]. 净水技术，2002,21(4)：34-35.

[2] 杨广. 液体培养条件下细菌浓度两种测定方法比较[J]. 微生物学杂志, 2004, 25(4): 71-72.

[3] Vande Hulst H C. Light scattering by small particle[M]. New York: John Wiley & Sons Ltd, 1957.

[4] 万黎明, 刘朝, 刘方，等. 液体分子分数布朗运动的研究[J]. 工程热物理学报, 2005, 26(6): 5-8.

[5] 方励之, 王愍. 布朗运动的动力学理论(Sandri方法)[J]. 中国科学技术大学学报, 1966,2(1): 80-89.

[6] 陈华忠. 基于米氏散射细胞粒径分布的测量[D]. 温州：温州医学院, 2010.

[7] 李墨瑞.吴碧珍,陆祖康. 福尔马肼聚合物粒子的Mie散射研究[J]. 光学技术, 1998,1(1): 15-19.

责任编辑郑练

The Research On Detecting Tiny Particles Concentration based on Scattering Method

SUN Yuxia, YANG Chen, LYU Jie, YAN Jinhua

(College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract：A colloidal concentration measurement setup is constructed based on the tiny particles in solution scatter light. In this setup, an LED with central emitting wavelength 830nm is employed. At the 90 degree, the scattered light is collected and measured using a photosensitive diode as a detector. Then the optical signal is transferred to the electrical signal. Since the colloidal concentration is related to scattered light intensity, the output electrical signal is also related to the colloidal concentration. To avoid the disturbing signal by surrounding light, a nontransparent cavity with non-contact measurement is utilized.

Key words:scattering, colloidal concentration, measure, photosensitive diode

收稿日期：2015-02-13

作者简介：孙玉霞(1989-)，女，硕士研究生，主要从事光电检测等方面的研究。

中图分类号：TN 247

文献标志码:A