便携式光电式浊度仪的设计

潘银松 蒲春宇 李政英 王丽芳 黄鸿

摘要：浊度是指水中的悬浮颗粒和胶体对光线的阻碍作用，反映水浑浊度的重要指标之一。根据朗伯-比尔定律，我们提出了一种基于光电式测量水样浊度的方法，并阐述了该浊度仪的硬件电路设计、软件设计以及光路设计的整套嵌入式系统。实验结果表明：作者设计的浊度仪在（0-400NTU）的范围内，浊度与采样的AD值是呈分段线性的关系，测量效果较好。与传统的光电式浊度仪相比，该方法不仅电路结构简单，而且具有测量重复性好、测量精度高、功耗低等优点。

关键词：浊度;瑞利散射;米氏散射;浊度仪;光电式

中图分类号：TH741        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）24-0249-05

开放科学（资源服务）标识码（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 理論基础

水是人类生命的源泉，是人类赖以生存和社会发展不可或缺而又无法替代最重要的物质资源之一。水不但是所有生命体的重要组成部分，而且在工农业的生产中水都发挥着重要作用。水资源日益污染不仅对人类自身生产生活造成严重影响，也会对生态平衡造成巨大破坏，保护和改善水资源已经成为全球性问题之一。

浊度是用来反映水的清澈或者浑浊程度的一个重要技术指标。按照国际标准ISO 7027《水质-浊度的测定》定义，浊度是由于不溶性物质的存在而引起液体透明度降低的一种量度[1]。在自然界中，大多数淡水水源都包含泥沙、微生物、悬浮颗粒等有机物和无机物，这些无机物等悬浮颗粒容易滋生细菌和病毒，而过滤这些悬浮物质有利于改善水质，对人们的生产和生活具有极其重要的作用。根据GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》[2]中规定，自来水的浊度必须在3NTU以下，这样可以有效地保证了去除附着在悬浮物上的病菌、寄生虫等有害微生物。

浊度是表征水体的光学性质，表示水中的悬浮颗粒对光线投射产生阻碍作用程度。当一束光线射向水样中，水中的物质与光线相互作用，会产生折射、散射和吸收，根据入射光的衰减程度，从而测出水样浊度的大小。在物理现象中表现为，当水越浑浊，透射光越弱，而散射光越强;反之，透射光越强，而散射光越弱。具体如图1所示。

朗伯-比尔定律定义为：光被透明介质吸收的比例与入射光的强度无关;在光程上每等层介质吸收相同比例值的光。又称为光化学第三定律比尔定律、布格-朗伯-比尔定律。朗伯-比尔定律适用于所有的电磁波辐射与吸光物质的相互作用，包括固体、液体和气体[3]。

假设待测溶液是均匀的介质，光源发出的Io表示入射光强;IT透射光强;c为物质的浓度;I为吸收层的厚度;K为摩尔系数，K与吸收物质本身的性质和入射光波长有关。朗伯-比尔的数学表达式为：

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

由朗伯-比尔定律的数学表达式可以得知，当衰减系数和光程一定时，输入光的强度和透射光的强度是呈线性关系的[4]。

瑞利散射现象[5]和米氏散射[6]现象是常见的光学现象，是待测液中的悬浮颗粒与入射光相互作用的结果。非均匀介质中的液体才会产生散射现象，而均匀介质中则不产生散射。散射现象的本質是由于入射光的传播方向发生改变。根据实验表明，散射光强与入射光强、入射光的波长和悬浮颗粒大小有关。当颗粒直径小于入射光波长的1/10时（≤1/10λ）产生瑞利散射现象;当颗粒直径大于1/10λ产生米氏散射现象;当颗粒直径大于50λ适用于几何光学。

浊度测量发展到现在，分为以下三种方式：目视法、分光光度法、仪器测量法。目视法就是指用眼睛观，比较浊液浊度以确定物质含量的方法，该方法是定性分析，无法准确了解溶液浊度。分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析的方法，此方法虽可定量分析，但准确度不高[7]。而仪器测量法可实现准确的浊度检测，此方法一般分为衰减光测量法、透过散射式测量法和表面散射式测量法三种测量方法。

① 衰减光测量法

在衰减光测量法测量液体浊度时，遵循光的吸收定律[8]。具体公式如下：

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

式中I0为入射光强，It为透射光强，k为待测液体的吸收系数，T为浊度，L为光程。由式（4）可知，透射光强随着浊度的增加按照指数的方式递减。

衰减光测量法检测原理较为简单，如图2所示，机械结构设计相对容易。在测量低浊度浊液时，绝大部分的入射光直接透过待测液体，入射光几乎没有衰减，造成低浓度浊液之间的分辨率非常低，给硬件电路设计带了难度。因此，衰减光测量法适用于高浊度测量[9]。

②表面散射式测量法

表面散射方式是一种分离式测量液体浊度的方法。光源和光电探测器安装在待测液体表面的上方，适用于工业中在线测量[10]，该方法如图3所示。

③ 透过式散射测量法

散射光浊度测量法以其灵敏度高、测量准确而著称，按照测量散射光接受角度和入射光之间的角度不同，又分为垂直散射（=90°）、前向散射（<90°）和后向散射（90°）。如图4所示：

2  系统设计

本文设计的光学式浊度仪测量范围在0-400NTU，采用透过式散射测量法。根据大量实验表明[11]，测量90°角方向上的散射光，受待测液中散射粒子大小的变化影响最小，同时由于光束的不严格平行，接收到的杂散光也是最小的。同时垂直散射式是国际上通用测量浊度的方法，各种类浊度仪也是采样此方法测量液体的浑浊度。故本文采用图3即垂直90°方向的散射法捕获光信号。

使用富尔马肼浊液作为标液。根据浊度仪设计要求，其各项技术指标如下：

① 测量范围：0-400NTU;

② 分辨率：0.1NTU;

③ 重复性误差：±2%;

④ 零点漂移：±3%;

⑤ 示值误差：±2%。

根据系统设计指标要求，本文所设计光电式浊度仪的总体设计框图如图6所示。该浊度仪从功能上将其分为恒压源驱动电路、I/V转化电路、滤波电路、EEPROM电路、串口通信电路等。恒压源驱动电路使光源能够稳定的发光，保证入射光强不变。I/V转化电路是将光电池产生的电流信号转换成供单片机采集的电压信号。为了方便数据的查询和仪器的校准，EEPROM电路是将产生的数据保存在存储芯片中，在掉电的情况数据也不会消失。

3  硬件设计

本文采用的主控芯片型号是STM32f103[12]，采用的Cortex-M3内核，该内核具有强大的异常响应系统，能打断当前代码执行流程的事件分为异常（exception）和中断（interrupt）。软件的程序设计采用轻量级的嵌入式实时操作系统u/cos-ii[13]，能够快速响应外部事件。硬件电路包括了I/V转换电路，稳压电路，滤波电路和E2PROM电路。

3.1  I/V转换电路

光电池产生微弱的电流信号转换成供单片机采集的电压信号，光电池接受散射光，产生与散射光强成正比的电流信号，使用放大器完成电流电压的转换，选用的运算放大器必须具有偏置电流小，噪声低等优点。图7是电流-电压转换电路，R2是反馈电阻，C2是抑制噪声的滤波电容，根据选用光电池的技术手册，光电池差生的光电流是60uA-0.55mA，调节电位R3，使输出的电压范围在0-3.3V范围，经过一阶低通滤波器，输出的电压供单片机采集。

3.2  稳压电路

光源电路要求输入光强的不变，而发光二极管LED具有寿命长、功耗低、发光稳定等优点，在此选用LED作为发光二极管。为保证LED供电电压稳定，采用电压可调的恒压源为其供电，在此选用LM317做直流可调稳压电源，它是一个可调三端稳压器，最小输出电压在1.25V。稳压电路具体如图8所示。

3.3  EEPROM电路

浊度仪由于受到外界环境条件、器件的零点漂移、光源亮度变化等因素的影响会降低其可靠性和精度，导致测量结果的不准确[14]。因此大多数测量仪器在使用的之前需要校准，该浊度仪使用标液标定的方法为仪器校准。在标定的过程中，参数的写入需要EEPROM芯片为其保存必要的数据，在掉电之后也不会消失。EEPROM电路如下：

4 光路设计

光路设计选择符合国际标准的90°散射光测量法。因为待测液体散射光强一般变化比较微弱，为了提高测量的灵敏度和光路设计的可靠性，传感器的选型和水样槽的设计至关重要。

4.1 硅光电池

硅光电池是一种直接将光能直接转化成电能的半导体器件，它内部是由二极管阵列组成，当硅光电池收到光照时，硅光电池就会产生光电流，是一种光生伏特效应。由于硅光电池结构简单，接受光照面积大，高灵敏度等优点，本文选用光电池作为光照的接受器件。硅光电池光谱曲线如下，由图可知该硅光电池在700nm的波長范围内，它的灵敏度是最好的。

4.2  水样槽的设计

很多传统的水样槽的设计都是圆柱形，比色皿能够自由转动，靠比色皿的十字标记对齐水样槽，如果比色皿在水样槽中稍微晃动，造成θ的改变，影响测量结果。针对上述不足，本文设计了一个长方体水样槽，内壁有固定装置，以减少测量值的变化。水样槽具体设计如图11所示：

90°散射式测量浊度的方法过程中，必须要确定散射光和探测器之间成90度的夹角，如图12所示。图中θ为测量角，即入射光和散射光轴之间的夹角;β为孔径角，即垂直于入射光光电传感器接受到的散射光所成的立体角。根据国际标准ISO 7027-1999（水质-浊度的测量）中，散射法测量浊度必须满足一下几个个条件：入射光的波长为860nm;入射光是平行光，没有散射，散射角不超过1.5°;浊度仪的孔径角要小于20度。

5  软件设计

本文涉及的浊度仪包括按键扫描任务，数据采集任务和LCD显示任务任务。软件系统的流程图如下：

仪器在工作过程中，随着使用时间和使用环境的变化，浊度仪会发生零点偏移等问题，会降低浊度仪的可靠性和精度。在使用之前，最好对仪器重新标定校准。标定时，只需要标定0、100NTU和400NTU 3个点即可，通过三个点就可以计算出这两段直线的标定参数，并重新写入EEPROM中，保证测量的准确性。

对仪器进行标定校准完成后，接下来就是进行溶液测量。ADC采集的数据通过DMA传输数据，CPU直接从内存中读取数据，读取的数据进行去噪处理。测量一次未知溶液的浊度，单片机一次读取600次采样值，首先对这600个数据分组处理，每组15个数据，分成40组。对每组数据进行排序处理，取出排序后中间的数据，对每组取出后的数据取平均值作为该配置溶液的采样结果。

浊度溶液在测量的过程中，溶液中的颗粒和胶体会发生沉淀，测量的结果会慢慢变小。为了避免测量结果跳动过大，采取滑动窗口处理的办法减小数据的跳动。具体的做法如下：有一个保存10个数据大小的数组Buffer，这个数组保存了去噪处理后的数据，第一次显示的数据是Buffer的平均值，第二次更新数组Buffer第一个数据，再一次求取Buffer的平均值，以此类推，依次更新Buffer数组中的10个数据，该方法有效减小了数据的跳动。

6 实验

浊液的配置：溶液采用的是国际标准的福尔马肼（Formazine）聚合物悬浮液作为标液，由硫酸肼（N2H6SO4）和六次甲基四胺（C6H12N4）配置而成。标液的配置只需将4000NTU福尔马肼标液稀释至指定的浓度。

根据配置的标液，分别对0、20、40、60、80、100、200、300、400一共9个点进行实验。测量的数据如下表所示：

根据表1中的数据，以采样值AD为横坐标，测量值为纵坐标。在（0-100NTU）范围内，连接（16，0）和（473，100.0）两个标定点;在（100-400NTU）范围内，连接（473，100.0）和（1701，400.0）两个标定点，绘制如下图所示的折线图。

在（0-100NTU）范围内，浊度与采样值的关系表达式为：

Y=0.219x-3.5                                 （3）

在（100-400NTU）范围内，浊度与采样值的关系表达式为：

Y=0.244x-15.4                                （4）

根据表达式（3）和（4）可知，高浊度段比低浊度段的斜率要稍微增大一些。由此可得到，随着溶液的浓度不断增加，浊度与采样值将不再保持线性关系，需要用分段线性表示的方法近似代替这段曲线。由此，将溶液的真实值减去测量值， 得到误差柱状图15所示。

由图15可以得知，在200NTU时，最大误差达到0.7NTU，示值误差最大为1.5%，满足实际应用所需。上述实验结果表明，该光电式浊度仪重复性好，均满足HJ/T 98-2003《浊度水质自动分析仪技术要求》中规定的技术指标。

7 结论

浊度仪是对水质检测的电子测量仪器中不可或缺的一部分，它对环境治理、食品安全、工业生产等方面也发挥着重要的作用。本文根据垂直90°方向的散射法，提出了一种基于光电式测量水样浊度的方法，并设计了一个在（0-400NTU）范围内的光电式浊度仪，阐述了该浊度仪的硬件电路设计、软件设计以及光路设计的整套嵌入式系统。与传统型浊度仪相比，该浊度仪具有电路结构简单、测量精度高、重复性好等优点。

参考文献：

[1] 国家环境保护局. ISO7027水质-浊度的测定[S]. 北京： 中国标准出版社， 1991： 510-512.

[2] 国家标准化管理委员会. GB5749-2006生活饮用水卫生标准[S]. 北京： 中国标准出版社，2006：3-4.

[3] 朱达. 朗伯比尔定律在硫酸铜溶液浓度中的应用[J]. 考试周刊， 2017（105）：178.

[4] 薛云偉. 朗伯-比尔定律和光[J]. 产业与科技论坛， 2013， 12（13）：106-107.

[5] 谌丹， 陈健. 散射式红外浊度传感器的设计[J]. 科技与创新， 2009（19）：97-98.

[6] Shirosaki T， Tsuda T， Horikawa M， et al. Enhancement of the Mie scattering effect using floatstone-like TiO2 spherical micropigment [J]. Coloration Technology， 2017，3（133）： 187-913.

[7] 王英阁. 分光光度法测定污水中甲醛不确定度评定[J]. 辽宁化工，2018（5）：99-101.

[8] 谢沐风， 高原， 高鸿慈. 浅议光的吸收定律[J]. 数理医药学杂志，2004，17（4）：359-360.

[9] 罗民富. 便携式光电浊度仪的研究[D]. 重庆： 重庆大学， 2010：15-16.

[10] 王志丹. 光学浊度传感器的设计与实现[D]. 南京： 南京信息工程大学，2016： 14-16.

[11] 王丽. 散射式水下浊度测量方法的研究[J]. 国外电子测量技术，2012，31（9）：27-30.

[12] 李圆方. 基于u-cos-Ⅱ实时操作系统的协议转换模块[D]. 北方工业大学，2015.

[13] 徐建功， 赵捷， 李伟，等. 基于STM32F103XX微处理器的Micro SD卡读写[J].现代电子技术，2010， 33（20）：26-28.

[14] Münzberg M， Hass R. Limitations of turbidity process probes and Formazine as their calibration standard[J]. Analytical & Bioanalytical Chemistry，2017，409（3）：719-728.

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