双散射光式水质浊度测量及非线性补偿方法的研究

天地（常州）自动化股份有限公司 中煤科工集团常州研究院有限公司 汪学明



双散射光式水质浊度测量及非线性补偿方法的研究

天地（常州）自动化股份有限公司 中煤科工集团常州研究院有限公司 汪学明

【摘要】本文在两种光式90°散射法和表面散射法水质浊度测量的技术基础上，提出了一种基于90°散射与表面散射相结合的双散射光式浊度测量技术方案，该技术设计方案可在满足测量精度的同时显著提高浊度传感器的测量量程范围。

【关键词】浊度；双散射法；非线性补偿

0.引言

水的浊度是衡量水质良好与否的重要标准，我国是一个水资源匮乏的国家，也是水污染严重的国家，每年都有大量的未经处理的污水排入湖泊河流，面对日益严峻的水环境形势，为了更好的保护和改善水环境，国家正在大力发展水质环境实时监测系统，因此，对水体浊度的在线检测具有非常重要的现实意义。

目前，浊度的测量大多基于光电的测量原理，这是因为相比于传统的化学分析方法，光学测量具有测量速度快、精度高、成本低、实时在线检测等诸多优势。常见的基于光学测量原理的方法有透射法和散射法。透射法通过测定水体的吸光度反映浊度，该方法易受到水体色度的干扰。散射法与透射法相比，在低浊度下具有检测下限低、灵敏度高的优点并且90° 散射法也是ISO7027水质浊度的测量中规定的浊度测量方法。但是90°散射法测量范围较窄，因为在高浊度下发生的多次散射现象，使散射光强度迅速下降，这时测得的散射光强度值已不能正确反映真实的浊度值。

本文提出了一种新型的浊度测量方法，即双散射光式浊度检测法。在测量90°散射光的基础上，增加对表面散射光的测量。在低浊度范围内使用90°散射法的测量值，在高浊度使用表面散射法的测量值，通过对检测浊度值进行非线性补偿处理，可显著提高浊度测量值的精度和测量量程。

1.双散色光检测基本原理

图1　双散射光式测量原理

双散射广式测量原理如图1所示，X轴下方充满溶液，有一光强为I0的细平行光束沿θ角入射到溶液中，根据比尔—朗伯定律到达m 处的光强Ix 为：

（1）式中T为浊度，I0为入射光强，K1为吸收系数。光束传播到m处，其90°方向的散射光，经过溶液传播衰减后，在x处的光强Is 为：

（2）式中Ks 为散射系数。将式（1）带入式（2）得到：

在位置x 处取无穷小量dx，设通过该区域的散射光强dIs为：

在x1～x2 的范围内，即浊度检测光电二极管的接收范围内，所能接收到的90°方向的散射光，经过溶液传播衰减后，总的散射光强Iss为：

式中Kss = KsSinθ，K11 = K1（sin θ+ cos θ），Δx = x2 - x1 ，可见总散射光强度与浊度T 不是线性关系。用泰勒级数将式（3）展开，略去二阶无穷小量得到：

由此可见，散射光强Iss与浊度T和Δx呈正比。

表面散射法与90°散射法不同的是它测量样品浅表层的散射光。在样品浊度较高时，对90°方向上散射光起作用的样品长度很小，只在表面薄薄的一层，可有效降低高浊度下的多次散射现象，其原理如图1所示。此时表面散射的总散射光强Iss为：

（4）式中x3 为光电二极管的接收范围，由此式可以得出表面散射光强I' ss-T 关系的非线性程度较式（3）有较大改善，通过泰勒级数将上式展开，略去二阶无穷小量得：

由上式可知，表面散射光强I' ss与浊度T 和x3 呈正比。综上可知，表面散射法可以有效弥补90°散射法的不足，在较大的浊度范围内进行测量还能获得较好的线性关系。

2.浊度传感器检测电路设计

浊度传感器检测电路主要包括光源与光电传感器和信号检测电路两个部分。

2.1光源和光电传感器

光源和光电传感器的选择直接决定了传感器信号的精度和稳定程度。浊度传感器需要光源具有使用寿命长，稳定性高的特点。由于浊度引起的散射光强的变化往往十分微弱，需要光电接收器件在与光源的频率匹配的同时具有较高的灵敏度。

本系统采用850nm高亮度发光二极管作为光源，红外发光二极管是电流型驱动器件，其亮度与电流近似成线性关系，为提高系统的稳定性和使用寿命，使用恒流源电路进行供电。

图2　发光二极管恒流源电路

图3　检测电路原理框图

2.2信号检测电路

浊度传感器的输出信号大多为模拟电压信号或电流信号，光电传感器输出的模拟信号往往比较弱，而且常常伴有噪声和突发性干扰脉冲，需采取若干措施，以实现信号的放大、滤波和抗干扰。为此信号抗干扰能力，检测部分采用 V/F （LM331）转换光电隔离。

3.测量的非线性补偿

在实际测量中，测量也不是完全非线性的，需要采取一定的方法来改善线性程度。浊度测量的非线性度一般要求小于2%，随着浊度的增大，不经过补偿是达不到这个要求的。因此可以采用以下两种方法来实现散射光和浊度的线性关系。常用的采用分段折线补偿的方法来进行非线性补偿。

3.1单片机查表法

通过实验或其他方法较准确地得到光强和浊度值的逐点对应关系，列表存入浊度测量的单片机内部的 FLASH 中。标定时，求出查表得到的数据与实际浊度的比例系数。

测量时通过光强值 查得 对应的浊度值，乘上比例系数，即为实际浊度值。理论上讲，这种方法只要一个点标定，使用很方便。但实际上由于光学系统加工、安装上的误差，每台浊度传感器的曲线都不完全一样，用同一表格误差太大，使用不同的表格在批量生产中又显然是不可行的。改进方法是分段多点标定，每段通过标定得到对应的比例系数，各段比例系数都不相同。测量时由查表得到的数据乘上相应段的比例系数，即为浊度值。当光学参数误差不太大时，这种方法能取得较好的效果。这种方法的优点是运算简单，标准液的误差，只影响其附近对应小部分的值，且误差总是小于等于标准液的误差。

3.2分段折线补偿法

具体的方法是使用不同浊度的标准溶液进行标定，每两个标定值之间为一条直线，确定各条直线的斜率，连接成折线。实际测量时，可以根据测量值的大小确定落在哪条直线上，再根据斜率计算得到浊度值。这种方法的优点是计算方便，标准溶液的误差只影响到其附近值，且误差总是小于等于标准溶液误差，对光学参数的误差也无太高要求。实际测量中，由于分段折线补偿计算方便，不像查表法需要数据表格，易于实现。对光学参数和标定液的误差也比多项式补偿法小很多，是一种较常用的非线性补偿方法。由于设计的浊度传感器输出脉冲信号，通过确定标定点浊度与对应的频率值间的关系，计算出分段折线函数，就可得到浊度值。

图4　分段式非线性补偿

4.结语

本文通过对双散射光式浊度传感器测量原理进行分析，对信号采集电路和非线性补偿等方面进行了分析探讨。该浊度传感器测量采用基于90°散射和表面散射相结合的双散射光式测量方法，在低浊度范围内使用90°散射法，在高浊度使用表面散射法的测量法，并对几种非线性补偿方法进行了具体分析，双散射光式浊度检测方法可显著提高浊度传感器的测量量程和测量精度。

参考文献

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作者简介：

汪学明（1983—），男，安徽安庆人，工程师，主要研究方向：矿山自动化及监测监控系统。

基金项目：中煤科工集团常州研究院科研项目（项目编号15SY002）。