基于电流与光强双反馈控制光源的在线浊度仪设计

于洙海,邓 琥,3,刘 伟,漆 雪,魏文卿

(1.西南科技大学信息工程学院,四川绵阳 621010;2.西南科大四川天府新区创新研究院,四川成都 610299;3.特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川绵阳 621010)

0 引言

浊度是不溶性物质引起的液体透明度降低的一种量度,浊度仪作为测量液体浊度的仪器,在生活用水、医药、工业生产、大气研究等各领域都有广泛的应用[1-2]。

当前浊度的检测方法主要为散射法、透射法和散射-透射比值法,其中散射法适合于中低浊度的测量,而透射法适合于中高浊度测量,散射-透射比值法是对2种方法的综合运用,因此测量范围会受限[3-4]。以上3种方法都是基于光强检测来实现浊度测量,但是当浊度仪用于长时间在线测量时,其内部的光源由于属于半导体器件,发光特性会受到发光时间和温度的影响[5-6],造成系统的测量精度降低。此外,环境光和系统电路噪声也会影响测量结果。针对上述问题,綦声波等[7]提出加入温度补偿电路来抑制温度对测量结果的影响,但会使仪器标定和校准变得复杂。郑杰等[8]采用正交数字锁相放大电路来消除上述因素的影响,但电路复杂且响应速度慢。

综合上述分析,本文设计了一种基于电流-光强双反馈控制光源的在线投入式浊度仪,利用电流反馈抑制电路电流波动对光源的影响。利用光强反馈消除光源老化和温度带来的影响,此外,采用低频方波信号驱动光源,利用温度不能突变的特点,通过计算光源开闭时采集到的电压信号之差,来消除检测电路受到的影响,同时在低浊度时采用90°散射法测量,在高浊度范围采用透射法测量,使得系统测量精度进一步提高。

1 浊度检测原理

当一束单色平行光穿过液体时,一部分光由于透射作用会直接透过液体,一部分光由于吸收作用被液体中不溶性物质吸收,还有一部分光会发生散射[9],其中,光的散射分为瑞利散射和米氏散射,这2个类型的散射衰减模型在90°方向可简化为式(1)[10],而光的透射模型可以简化为式(2)[11]。

Is=KsTsI0

(1)

It=I0exp(-KtTtL)

(2)

式中:Is为90°散射光强度;It为透射光强度;I0为入射光强度;Ts和Tt分别为散射法和透射法测得的液体浊度;Ks和Kt分别为散射系数和透射系数;L为透射光程。

在保证I0、L均不变的前提下,以上两式可进一步简化为:

Ts=ksIs

(3)

Tt=ktlnIt+b

(4)

由式(3)和式(4)可知,当采用散射法测量时,浊度与散射光强成正比;当采用透射法测量时,浊度与透射光强的自然对数成线性关系。

2 系统设计

2.1 浊度仪系统框架

浊度仪系统框架如图1所示,主要分为投入式浊度传感器和主控系统2部分,传感器包含1个光源模块和3个检测模块,光源模块驱动光源发光,检测模块实现光电信号转换。主控系统包含控制器和A/D转换模块2部分,控制器采用STM32F103VCT6单片机,其自带12位DAC,同时内置有串口,可以实现与上位机的通信。A/D转换模块选用8通道24位的A/D转换芯片ADS1256实现,其最高采样频率可达30 KSPS,能够实现多通道信号的快速测量。

图1 系统整体框架

2.2 光源驱动

根据对浊度检测原理的分析可知,要实现浊度的精确测量,需要保证光源的输出光强稳定。而浊度仪在实际测量时,光源的输出光强会受到温度、电流波动的影响,且长时间发光会使光源老化,造成发光效率降低[12]。以上影响因素中,电流波动变化快,幅值小,而温度和老化的作用较慢,根据这两类影响因素的特点,设计了电流与光强双反馈环路来实现光源的稳定输出,其结构如图2所示。

图2 光源双反馈环路结构框图

为抑制驱动电流波动对光源输出光强的影响,设计了带有电流反馈环路的驱动电路来稳定光源驱动电流。其电路如图3所示,光源选用中心波长为850 nm的红外LED作为光源,此波段的光能够降低液体色度对测量的影响[13]。电路的第一级运放设计为电压跟随电路,以减小输入信号损耗,第二级运放为比较器,通过将反馈电阻R16产生的电压与上一级运放的输出作比较,完成电流反馈,实现恒流驱动光源。

图3 光源驱动电路

针对温度和光源老化造成的影响,设计了光强反馈环路抑制其影响,环路采用探测器加转换电路完成光强信号的采集,由控制器进行PI调节。由图3可知,流经光源的电流I可以由式(5)表示。

(5)

由式(5)可知,电流I与驱动电路输入电压Vi成正比,而Vi由控制器的DAC产生,因此控制器可以通过DAC来调整光源的输出光强,实现光源的稳定输出。

2.3 光电转换电路

为实现光源稳定控制和液体浊度检测,设计了图4所示的光电转换电路,光电二极管(PD)在受到光照后产生微弱的电流信号,经过精密双运放ADA4625搭建的第一级跨阻放大电路后,转化成小电压信号,再由第二级的低通滤波电路滤除电路中的高频噪声,然后由第三级仪用运放器AD623实现信号的进一步放大,同时滤除电路中的共模干扰,最后信号经主控系统中的A/D转换芯片转化为数字信号送入控制器,即可实现光强信号的测量。

图4 光电转换电路

2.4 传感器设计

2.4.1 检测光路

由于透射法和散射法适用的浊度检测范围并不相同,故设置2路光强检测电路分别检测散射光强和透射光强,根据浊度测量范围选择合适的测量方法。同时为实现光源光强反馈控制,利用分光镜将光源发出的光一分为二,因此系统共需要实现3种光的强度检测,设计的系统光路如图5所示。

图5 系统光路示意图

由图5可知,LED发出的光经过分光镜后,被分为强度比固定的2路垂直光,其中一路光直接穿过分光镜进入反馈PD中,产生光强反馈信号,以稳定光源的输出。另一路光作为浊度测量入射光进入被测液体,由散射PD和透射PD分别检测90°散射光强和透射光强。为降低环境光干扰,在两个PD与被测液体之间各自加入一块中心波长为850 nm窄带滤波片,滤除非红外光[14]。

2.4.2 传感器结构

为实现图5所示光路,设计了如图6所示的投入式浊度传感器,由于传感器需要投入被测液体,因此传感器整体为密封方形环状结构,由内外壳体、LED及驱动电路、PD及转换电路、分光镜和滤光片组成。光源及驱动电路、PD及转换电路置于壳体内外层之间,且内壳体每面有4孔,用于固定电路板。环形壳体中部为液体流通区域,分光镜及滤光片嵌入壳体内层,且所有光学元件位于同一高度,传感器的信号均以线缆的形式通过外壳体上接口引出,与浊度仪主控系统相连。所有缝隙处均进行密封处理,传感器壳体由黑色光敏树脂采用3D打印技术制成。

图6 浊度传感器外观示意图

2.5 软件优化设计

浊度仪在进行长时间在线测量时,除光源外,光电检测电路也会因温度变化,使电路产生零点漂移[15],同时检测电路存在噪声,这类噪声难以通过硬件电路滤除[16],这些因素都会对测量结果造成干扰。因此系统通过对光源开闭时检测到的光强信号作差来消除其影响。

由于温度的变化相对缓慢,而电路中的噪声与电路本身的设计有关,其功率一般不会突变,故在短时间内,可以认为光电检测电路受到的影响是不变的。假设在整个光电转化过程,散射光和透射光检测电路的信号放大倍数分别为Rs、Rt,检测时干扰信号为N0,进一步分析如下:

当光源打开时,探测器同时检测到干扰信号和有用信号,此时散射电压Vs1与透射电压Vt1分别为:

Vs1=Rs(Is+N0)

(6)

Vt1=Rt(It+N0)

(7)

当光源关闭时,探测器只能检测到噪声信号,此时散射电压Vs2与透射电压Vt2分别为:

Vs2=RsN0

(8)

Vt2=RtN0

(9)

将式(6)和式(8),式(7)和式(9)分别作差后,带入式(3)和式(4)后,得到:

(10)

(11)

式中:k1、kt、b2均为常数。

由式(10)和式(11)可知:当采用散射法测量时,浊度与光源开闭时分别测得的电压之差成正比;当采用透射法测量时,浊度与光源开闭时测得的电压之差的自然对数成线性关系。

综合考虑浊度测量的准确度和响应时间,系统选用1 Hz的低频方波信号控制光源的开闭,以1 kHz的频率采集3路光强信号,在光源开闭时各采样500次。并对其进行数字滤波处理,降低电路噪声的影响,软件流程如图7所示。

图7 系统软件流程图

3 实验结果与数据分析

3.1 实验标定

根据浊度的检测国际标准ISO-7027,选用福尔马肼标准液和零浊度水配制一系列不同浊度的标准样品。记录光源开闭时的散射电压差与透射电压差的自然对数,测量结果如图8与图9所示。

图8 散射法测量结果

图9 透射法测量结果

由图8和图9得出:低浊度范围内,采用散射电压差作为浊度测量依据的线性度较好,进行最小二乘算法拟合,在0～400 NTU范围内,得到的拟合结果为式(12)。系统拟合度为99.52%,拟合效果较好。

y=211.5x-7.326

(12)

式中:y为液体浊度;x为散射电压差。

在400～1 000 NTU范围内,选用透射电压差值的自然对数进行拟合,拟合结果为式(13)。系统的拟合度为99.53%,拟合效果较好。

y=-369.4x+541.4

(13)

式中:y为液体浊度;x为透射电压差的自然对数。

3.2 重复性测试

将拟合得到的测量模型写入控制器后,重新配置50、100、350、600、750、900 NTU的浊度液。将传感器置于被测液体中,重复测量7次,测量周期为2 min。6个样品的测量结果如表1所示。

表1 重复性实验结果

由表1可知,最大测量示值误差出现的数据点为909.45 NTU,其绝对误差为9.45 NTU,但相对误差仅1.05%。相对误差最大的数据点为48.42 NTU,为3.16%,实验测量重复性误差最大为2.08%。这表明系统无论采用透射法还是散射法,在各自设定范围内都能实现浊度的准确测量。

3.3 零点漂移测试

为了验证测量系统稳定性,将传感器置于零浊度的去离子水中,持续测量24 h,每隔0.5 h记录1次实验数据,以该段时间内最初5次测量值的平均值作为初期零值,计算浊度最大变化幅度相对于满量程值的百分数。相关测试结果如图10所示,得出浊度仪在零浊度液中24 h内最大漂移量为1.88 NTU,零点漂移误差小于1%。

图10 系统零点漂移实验结果图

4 结束语

本文设计了一种新型的投入式在线浊度仪,通过光源驱动电路、光强检测电路和控制器对光源采用电流与光强双反馈控制,实现了光源的稳定输出控制,同时对光源采用低频方波信号驱动,通过将光源开闭时测得的电压值作差以降低检测电路受到的干扰,有效地提升了系统的抗干扰能力。相关测试结果显示:系统实现了0～1 000 NTU范围液体浊度的精确测量,重复性误差优于2.08%,24 h内零点漂移最大值为1.88 NTU,表明其在水质检测领域具有较好的应用前景。