一種超低量程濁度傳感器設(shè)計與實現(xiàn)*

胡曉力， 余 名， 莫 斌， 唐云建

(重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶401123)

一種超低量程濁度傳感器設(shè)計與實現(xiàn)*

胡曉力， 余 名， 莫 斌， 唐云建

(重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶401123)

針對飲用水濁度檢測，設(shè)計了一種超低量程濁度傳感器。該濁度傳感器采用獨特結(jié)構(gòu)環(huán)形的光電轉(zhuǎn)換器，極大程度增加了信噪比。同時對光源鏡片溫度進行控制，消除了透光鏡片起霧與光源不穩(wěn)定引起的檢測誤差，進一步保證了濁度檢測的準(zhǔn)確性。最后，采用卡爾曼濾波算法對采集數(shù)據(jù)進行處理，消除高斯噪聲對傳感器的影響。

超低量程濁度檢測； 在線監(jiān)測； 卡爾曼濾波

0 引 言

濁度是水體光學(xué)性質(zhì)的一種特征參數(shù)，它不但是衡量水質(zhì)良好程度的重要指標(biāo)之一，也是考核水處理效果的重要依據(jù)，因此，對水體濁度的在線檢測具有非常重要的現(xiàn)實意義。

濁度分析的方式可分為：透射方式、散射方式，散射方式與透射方式相比，在低濁度測量時具有靈敏度高、檢測下限低的優(yōu)點[1,2]。目前針對水體的濁度檢測主要采用散射法進行檢測。文獻[3]公開了一種利用散射法進行濁度檢測的濁度傳感器，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計的原因，該濁度傳感器的檢測性能會受到外界因素的干擾較大，降低了檢測精度與可靠性。文獻[4]設(shè)計了散射式水下在線濁度傳感器，該傳感器具有水下在線測量、濁度標(biāo)定、數(shù)據(jù)存儲等功能，具有較高的精度，但未考慮天氣因素造成光源部分出現(xiàn)霧狀的情況。針對上述濁度傳感器存在的問題，本文提出了一種超低量程濁度傳感器，在光源部分增加了加熱片，將光源部分的鏡片維持在一個恒定的溫度，克服了光源部分出現(xiàn)霧狀的情況，提高了濁度傳感器檢測的準(zhǔn)確性，并采用卡爾曼濾波算法對濁度值進行處理，消除高斯噪聲對濁度傳感器的影響，更進一步提高了濁度傳感器檢測的準(zhǔn)確性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，濁度傳感器由上部殼體、下部殼體、檢測控制集成電路、光源和光電轉(zhuǎn)換器件等組成。檢測控制集成電路采用單片機、嵌入式芯片等微處理器為核心的集成電路，用于對濁度檢測過程進行控制和數(shù)據(jù)采集并處理輸出濁度檢測結(jié)果；光源采用的是激光二極管，激光二極管向下射出光速的方向與水通道管的中軸線在同一直線，這樣使得光束被水體散射后在水通道管側(cè)壁各方向的散射光強度均衡，減少散射光檢測的誤差；光電轉(zhuǎn)換器件為環(huán)形，如圖2所示，光電轉(zhuǎn)換器件由數(shù)個光電轉(zhuǎn)換器單體串接形成環(huán)形，這使得環(huán)形的光電轉(zhuǎn)換器件可以360°地采集水體的散射光，最大限度增加了對散射光的有效接收量，提高了信噪比。本濁度傳感器采用了獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，光源和透光通孔設(shè)置于上部殼體內(nèi)，作為水體濁度檢測區(qū)域的水通道管設(shè)置于下部殼體內(nèi)，上部殼體與下部殼體之間具有一橫向貫通的凹陷空腔，該凹陷空腔使得上部殼體和下部殼體之間具有一個開放式的隔離區(qū)，從而可以大幅減少,甚至避免光源處的透光鏡片直接與待檢測水體接觸，盡可能地避免了水體中的污物附著在透光鏡片上而影響濁度檢測的準(zhǔn)確性。本傳感器的上部殼體內(nèi)還安裝了電熱元件和溫度傳感器，通過加熱防止透光鏡片凝結(jié)水霧，消除了透光鏡片起霧對檢測的影響，同時可以利用溫度傳感器進行溫度監(jiān)控，防止過熱對器件的壽命產(chǎn)生影響。

圖1 傳感器的結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure of sensor

圖2 環(huán)形的光電轉(zhuǎn)換器Fig 2 Ring structure of photoelectric converter

2 傳感器的工作原理

ISO 7027中規(guī)定：濁度表示的是水中懸浮物物質(zhì)與膠態(tài)物質(zhì)對光線透過時所發(fā)生的阻礙程度(或發(fā)生的散射現(xiàn)象)。超低量程濁度傳感器采用散射法進行檢測，其檢測原理是：使用光源將一束固定波長的入射光射入待測的水體中，入射光照射到水體中懸浮的粒子時發(fā)生散射，水體越渾濁則光的散射越明顯，采用光電池等光電轉(zhuǎn)換器件從與入射光呈90°的方向上檢測散射光強度，根據(jù)散射光強度與水體濁度的換算關(guān)系檢測出水體濁度。傳感器具體的工作步驟如下：

1)檢測控制集成電路獲取溫度傳感器檢測的溫度，判斷溫度傳感器檢測的溫度是否達到預(yù)設(shè)定的溫度閾值T；若是，則立即執(zhí)行步驟(2)；否則，檢測控制集成電路控制啟動電熱元件，對透光鏡片進行加熱，直至溫度傳感器檢測的溫度達到預(yù)設(shè)定的溫度閾值T時，關(guān)閉電熱元件，然后執(zhí)行步驟(2)；

2)檢測控制集成電路控制開啟光源，等待預(yù)設(shè)定的光源穩(wěn)定延時Δt1后，執(zhí)行步驟(3)；

3)檢測控制集成電路采集一次光電轉(zhuǎn)換器件的輸出電壓值，并判斷當(dāng)前采集光電轉(zhuǎn)換器件輸出電壓值的次數(shù)是否已達到預(yù)設(shè)定的求均值次數(shù)N；若是，則執(zhí)行步驟(4)；否則，執(zhí)行步驟(5)；

4)檢測控制集成電路計算最近N次采集的光電轉(zhuǎn)換器件輸出電壓值的平均電壓值，根據(jù)預(yù)設(shè)定的濁度檢測擬合函數(shù)將所述平均電壓值轉(zhuǎn)換為濁度檢測值，并通過信號輸出端輸出濁度檢測值；然后執(zhí)行步驟(5)；

5)檢測控制集成電路控制關(guān)閉光源，等待預(yù)設(shè)定的光源休眠延時Δt2后，返回執(zhí)行步驟(1)。

在水體濁度檢測中，溫度閾值T的取值范圍為35～45 ℃，均值次數(shù)N的取值范圍為10～30，光源穩(wěn)定延時Δt1的取值范圍為300～600 ms，光源休眠延時Δt2的取值范圍為5～15 s。

3 傳感器的性能測試

本實驗采用Formazine標(biāo)準(zhǔn)濁度液，濁度液單位為NTU[5,6]。為使測量過程更為簡單，本次測量在第一次測量時采用了UP水(UP水濁度值趨于0)，隨后逐次增加0.2 NTU，對33種不同的濁度值進行測定，表1為測試實驗室數(shù)據(jù)，圖3為濁度值與電壓的關(guān)系圖。

表1 傳感器性能測試實驗數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data of sensor performance test

圖3 濁度值與電壓關(guān)系圖Fig 3 Relationship diagram of turbidity value and voltage

從圖3可看出:濁度傳感器的濁度值與輸出電壓呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，為進一步改善傳感器的測量精度，采用卡爾曼濾波對輸出的數(shù)據(jù)進行處理。

4 基于卡爾曼濾波的濁度傳感器信號處理

卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計的準(zhǔn)則，可根據(jù)系統(tǒng)的量測值來消除隨機干擾，再現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)[7,8]。針對本文的濁度傳感器的特性，將濁度值與電壓的關(guān)系進行線性擬合，狀態(tài)模型為

x(k)=x(k-1)+u+w(k),

y(k)=396.6x(k)+36.91+v(k).

圖4 基于卡爾曼濾波的濁度傳感器輸出時序圖Fig 4 Output timing diagram of turbidity sensor based on Kalman filtering

5 結(jié) 論

本文討論了一種超低量程濁度傳感器設(shè)計，與現(xiàn)有的濁度傳感器不同的是，本傳感器在光源部分增加了加熱片，用以消除透光鏡片起霧對檢測的影響，采用環(huán)形的光電轉(zhuǎn)換，360°采集水體的散射光，最后對采集結(jié)果進行卡爾曼濾波。實驗結(jié)果表明：采用加熱片后，提高了濁度檢測的精度，而采用環(huán)形光電轉(zhuǎn)換，最大限度地增加散射光的有效接受量，同時經(jīng)過卡爾曼濾波處理后的數(shù)據(jù)，線性化程度更好，說明設(shè)計的濁度傳感器具有高精度與高穩(wěn)定性。

[1] 高 平.散射光式在線濁度測量的研究[D].上海：上海大學(xué)，2002：1.

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[3] 李道亮.自清洗智能濁度傳感器: 中國，200920350660.7[P].2010—09—15.

[4] 楊 健，陶正蘇.散射式水下在線濁度傳感器設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng)， 2007，26(12)：72-74.

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Design and realization of an ultra low range turbidity sensor*

HU Xiao-li， YU Ming， MO Bin， TANG Yun-jian

(Chongqing Academy of Science & Technology,Chongqing 401123,China)

For detecting turbidity of drinking water,design an ultra low range turbidity sensor.The turbidity sensor adopts unique ring structure of photoelectric converter,significantly increase signal-to-noise ratio.At the same time,control temperature of light lens,eliminate detection error caused by fog and instability of light source,ensure accuracy of turbidity detection.Finally,eliminate effect of Gaussian noise on sensor by adopting Kalman filtering algorithm to process acquired datas.

ultra low range turbidity detection;on-line monitoring;Kalman filtering

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0116—03

2014—01—06

重慶市科技攻關(guān)計劃資助項目(CSTC2012GG—SFGC40002)；重慶市科研院所創(chuàng)新能力建設(shè)計劃資助項目(CSTC2012PT—KYYS40002)

TH 744

B

1000—9787(2014)08—0116—03

胡曉力(1982-)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向為并行計算。