基于光強可調(diào)的濁度智能檢測傳感器研究

李 文，張志永，金 旭，呂 赫，徐明剛

(北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

0 引言

濁度(Turbidity)是衡量水質(zhì)的一個重要指標，它反映了水中微小懸浮物質(zhì)密度的大小。研究已證實水體中的有機物、細菌與相關(guān)的懸浮物粒子形成包裹層，可降低氯離子或UV對水的消毒能力，進而危害到人體健康[1-2],定期的對水體進行濁度監(jiān)測將有利于生存環(huán)境的改善。目前，濁度檢測主要分為散射光檢測[3-4]、透射光檢測[5-6]、散射光透射光混合檢測[7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演預(yù)測[8]和衛(wèi)星遙感預(yù)測[9]。透射法和散射法因結(jié)構(gòu)簡單、精度高且不需要大量的前期數(shù)據(jù)，依然是現(xiàn)在主要的檢測方式。透射法與散射法有各自的優(yōu)勢[1]，透射法可以通過改變光強或機械結(jié)構(gòu)增大在低濁度的分辨力，在本文中選用了透射法進行研究。

我國規(guī)定生活飲用水衛(wèi)生低于1NTU，不少發(fā)達國家規(guī)定飲用水衛(wèi)生不超過0.3NTU[2]；對于污水排放，濁度值一般超過100NTU，污染較重的地方，達到了1 000 NTU以上。這說明不同的應(yīng)用環(huán)境，對濁度傳感器的量程與精度要求不同。盡管在一些研究中出現(xiàn)了高低量程切換的方法[10-11]，但多數(shù)是通過改變機械結(jié)構(gòu)和硬件放大電路實現(xiàn)，且量程與精度調(diào)節(jié)比較固定，不適應(yīng)大范圍的應(yīng)用；通過增益放大器改變量程的傳感器，會將干擾信號同時放大，信噪比提升有限。針對此，本文提出一種基于光強調(diào)節(jié)量程與精度的濁度傳感器。基于透射光原理，從水的光學(xué)特性中增大分辨力。選用650 nm光源和相應(yīng)的光電二極管，以內(nèi)部集成24位ADC的ADuCM360微控制器進行實驗設(shè)計。通過調(diào)節(jié)不同的光強，實現(xiàn)量程與精度的調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)量程切換的傳感器相比，體積小，在不改變?nèi)魏斡布Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可根據(jù)實際情況建立任意的量程與精度模型，可操作性強。

1 檢測原理

1.1 透射光檢測原理

透射光檢測系統(tǒng)由光源、準直透鏡、檢測池、光電檢測器組成。光源與檢測器平行放置，當光線照射水中，一部分光被吸收，另一部分光發(fā)生出射現(xiàn)象，由檢測器測量出射光的大小。水體的渾濁度越大，透過光的強度越低，檢測的電壓越低。透射法的檢測原理如圖1所示。

圖1 透射法檢測原理

圖1中：I0、IT分別為入射光強和透射光強。由圖1可知，入射光經(jīng)過準直透鏡后進入待測液體，透射光經(jīng)準直透鏡后進入光電檢測器進行測量。應(yīng)用荷蘭愛萬提斯的光源與光譜儀基于透射光的原理搭建實驗平臺，掃描不同的濁度標準溶液(中國計量院提供)，得到濁度吸光度圖譜如圖2所示。

圖2 不同濁度的吸光圖譜

圖2中，溶液吸光度與濁度大小有較好的相關(guān)性，隨著濁度值的增大，溶液吸光度逐漸增大。由朗伯-比爾定律可知，溶液的吸光度與入射光和透射光有關(guān)。在同一測量系統(tǒng)中，溶液的入射光保持不變，吸光度值的變化反應(yīng)了透射光強隨濁度溶液的變化。通過測量溶液的透射光強與濁度的關(guān)系建立濁度測量模型，構(gòu)成了利用透射光強檢測的基本原理。

1.2 光強與檢測電壓的關(guān)系

透射光的強弱，以檢測管轉(zhuǎn)換的電信號來表征，光強越強，電信號越高。在光源檢測中，以光敏二極管作為檢測管，調(diào)節(jié)PWM變換光源強度，通過由光敏二極管轉(zhuǎn)換的電流值，建立電壓與濁度的關(guān)系。分析電壓與光強的關(guān)系，闡明通過調(diào)節(jié)光強改變量程與精度的原理。

由光功率與光敏二極管電流轉(zhuǎn)換的關(guān)系分析可知，光敏二極管的入射光功率與輸出電流之間具有良好的線性，光生電流和光功率的關(guān)系可以表示為式(1)[12]。

(1)

式中：iP為光生電流，mA；λ為入射光波長，nm；h為普朗克常數(shù),h=6.626×10-34J·S；q為電子電量，q=1.6×10-19C；c為光速，m/s；η為光敏二極管的光量子效率，無量綱；P光功率,mW；SW為光敏二極管的電流靈敏度，mA/mW，在同一光源，同一材料下SW為常數(shù)(按照低光子效率20%計算，約為0.5×106mA/mW)。

由朗伯-比爾定律可知，溶液的吸光度與濁度成正比。依據(jù)光強、光功率、光通量、視見函數(shù)之間的關(guān)系，在理想條件下，相同波長、相同結(jié)構(gòu)的光強與光功率成正比。結(jié)合式(1)，可得溶液濁度與電流之間的關(guān)系，如式(2)。

(2)

式中：K為吸光度系數(shù)，與待測物質(zhì)相關(guān)；C為溶液濃度，此處表示濁度(NTU)；l為待測溶液的光程，mm；i0為入射光感應(yīng)電流，mA；iT為出射光感應(yīng)電流，mA；γ為光強與光功率比值。

在某一檢測電路中，假設(shè)I/V轉(zhuǎn)換電路放大電阻為R。由式(2)得電壓與濁度的關(guān)系為：

(3)

式中V0為入射光感應(yīng)電壓，mV；VT為出射光感應(yīng)電壓，mV，R為放大電阻值，Ω。

將式(3)整理為：

VT=V0/10KCl

(4)

式(4)說明了透射光的電壓與入射光和濁度有關(guān)。保持溶液不變，假設(shè)光強增大ΔI，由式(1)可知，入射光電壓線性增大ΔV，結(jié)合式(4)得式(5)。

(5)

將式(4)、式(5)比較可知，在同一種溶液中，光強增大，測量的透射光電壓增大。在不同的溶液中，假設(shè)任意兩種溶液濁度分別為C1,C2(C1

D1=VT1-VT2=V0/10KC1l-V0/10KC2l

(6)

(7)

根據(jù)式(5),式(6)得光強增加前后不同溶液透射光電壓差值D，如(8)式。

(8)

由式(8)可知，當光強變化量ΔI≥0時，ΔV≥0，電壓的差值D在不同的溶液間的差值增大；當光強變化量，ΔI≤0時ΔV≤0，電壓的差值D在不同的溶液間的差值變小。溶液透射光的電壓差值隨著光強的增大而增大，隨著光強的減小而減小。VT與V0、濁度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 透射光電壓與濁度仿真圖

圖3(a)、圖(c)、圖(d)顯示，隨著溶液濁度的增加，透射光的檢測電壓降低；隨著入射光檢測電壓增加，透射光檢測電壓升高。圖3(d)中顯示透射光電壓差隨著入射光電壓增大而增大，入射光電壓越大，增大越明顯，符合式(4)、式(5)的分析結(jié)果。圖3(a)、圖3(b)中顯示，保持溶液差值不變，透射光的電壓差隨著入射光電壓的升高而增大，與式(8)的分析結(jié)果相同。利用光強變大引起不同溶液間的電壓差變大，可增大傳感器的精度；利用光強變小引起不同溶液間的電壓差值變小，可增大傳感器的量程。圖3(b)中觀察到，濁度之間的差值不變，濁度越大，透射光的電壓差變化越緩慢，相差越小，反應(yīng)了通過入射光調(diào)節(jié)精度，濁度越低，效果越明顯，濁度越大，精度增大越有限。

2 實驗平臺設(shè)計

實驗平臺包括光源、檢測管、微控制器、電流轉(zhuǎn)電壓模塊、交直流轉(zhuǎn)換器、放大器、恒流源電路、通信模塊、溫度傳感器。通過微控制器調(diào)制PWM占空比和頻率控制恒流源改變光源的強弱；由光敏二極管作為檢測管采集透射光強，經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換電路，交直流轉(zhuǎn)換二次放大后送入到CPU的A/D輸入端，通過CPU完成運算，由串口與上位機通信。濁度傳感器原理如圖4所示。

該設(shè)備選用內(nèi)部集成高分辨率的ADuCM360為微處理器，縮小了傳感器的體積，增大了分辨力；以AD736、AD820為放大器和有效值轉(zhuǎn)換器；以光耦隔離的RS-485收發(fā)器為數(shù)據(jù)傳輸接口，在保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定的同時，通過串口可進行光強的調(diào)整。

在光源的選擇上，美國USEPA180.1標準與ISO7027標準采用的光源波長不同。經(jīng)過圖2的分析得出，波長的長短對檢測有重要的影響，在600 nm以后濁度吸光度變化逐漸平穩(wěn)，且隨著波長的增大分辨率逐漸減小，即溶液透過的光強變化減小。波長短，光源不穩(wěn)定性增加，如小于550 nm處出現(xiàn)的吸光度波動；波長長，低濁度分辨力降低?？紤]到光源波長在超過760 nm后為非可見光區(qū)，造成安裝和維修不便，故選用650 nm波長光源為檢測光源。為了減弱背景光的干擾，采用了PWM控制的恒流源作為激勵源。與以往的光源調(diào)制模式相比，頻率調(diào)節(jié)范圍更寬，為大量程范圍與高精度精度提供了保證。

3 試驗與分析

3.1 量程1與量程2的數(shù)據(jù)分析

實驗中，將PWM調(diào)制成16.0 kHz，占空比30%，對應(yīng)量程1(1～1 000 NTU)；將PWM調(diào)制成32.1 kHz，占空比40%，對應(yīng)量程2(0～200 NTU)。

在量程1中，對18種濁度值溶液進行測量，其透射光電壓V1000具體數(shù)據(jù)見表1。

在量程2中，對10種濁度值的溶液進行測量，其透射光電壓V200數(shù)據(jù)見表2。

通過軟件仿真建立濁度值與電壓值的數(shù)學(xué)模型，其結(jié)果如圖5所示。

表1 量程1中不同濁度的V1 000

表2 量程2中不同濁度的V200

圖5 量程1與量程2的電壓與濁度的關(guān)系

圖5中，V為不同溶液測量的透射光電壓值。由圖5可知：濁度與電壓間有較好的擬合結(jié)果，擬合度均大于0.9，量程1：K≈5.838×10-6；量程2：K≈6.004×10-6。透射光的電壓隨著濁度的增大而減小。在低濁度時，隨著濁度的增大，量程2的電壓減少較快，即單位濁度對應(yīng)的電壓下降更大，分辨力更高；反之，當濁度差值保持不變，量程2比量程1的差值較大，在微控制器的ADC標準電壓不變的情況下，量程2先達到標準電壓的最大值，其所對應(yīng)的量程范圍小于量程1的范圍，實現(xiàn)了通過減小光強增大量程，符合式(8)中的理論結(jié)果?？紤]到光源的使用壽命和實際的使用情況，一般將傳感器設(shè)置為量程1。

3.2 儀器性能參數(shù)

3.2.1 模型1重復(fù)性誤差

將校正好的傳感器按照檢定規(guī)程JJG880-2006進行儀器重復(fù)性誤差測試，包括平均值、標準偏差、相對標準偏差的計算。儀器重復(fù)性誤差的測試數(shù)據(jù)如表3。

表3 儀器復(fù)性誤差數(shù)據(jù)

從表3測量實驗數(shù)據(jù)計算可知，量程1的平均測量值為40.43NTU、標準偏差0.70、相對標準偏差為1.7%；量程2的平均測量值為40.15NTU、標準偏差0.42、相對標準偏差為1.0%。經(jīng)過比較可知，量程2比量程1測量的濁度值更接近標準值，數(shù)據(jù)波動小，說明了量程2測量低濁度數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差更小，精密度更高。

3.2.2 模型1儀器示值誤差

將校正好的傳感器按照檢定規(guī)程JJG880-2006進行儀器示值誤差測試，包括平均值、相對誤差。儀器示值誤差實驗結(jié)果如圖6。

A-量程1內(nèi)各測量值平均值，B-量程2內(nèi)各測量值的平均值，C-濁度標稱值，D-量程2內(nèi)各測量值的相對誤差，E-量程1內(nèi)各測量值的相對誤差。

(a)平均值比較

(b)相對誤差比較圖6 儀器示值誤差

由圖6(a)可知，在量程2內(nèi)，所測量數(shù)據(jù)的平均值與標稱值相差較小，距離標準值線C更近。使用量程1所測試的數(shù)據(jù)波動較大，且距離標準值線A較遠。通過圖6(b)中D、E線的比較可知，在量程2時，測量低濁度時相對誤差比調(diào)整為量程1時較小，其示值誤差分別為4.5%、10.0%，隨著濁度的增大，量程2的示值誤差在逐漸減小，經(jīng)過分析是由于隨著濁度增大，濁度示值誤差計算所承受的濁度變動變大引起，但數(shù)據(jù)波動與量程2相比較為明顯。該實驗結(jié)果說明儀器在測量小濁度范圍時，量程2的測量數(shù)據(jù)誤差更小，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)精度的可行性。反之，當把光強降低為量程1時，單位濁度引起的電壓變化減小，在微控制器ADC最大標準采樣值恒定不變的情況下，量程變大，實現(xiàn)量程調(diào)節(jié)的目的。

4 結(jié)束語

本文分析了透射光檢測電壓與濁度的關(guān)系。同種溶液，透射光檢測電壓隨著入射光增大而增大，不同的溶液間透射光電壓差隨入射光強增大而增大。該電壓差越大反映了單位濁度對應(yīng)的電壓越大。保持濁度間差值不變，濁度越小，電壓差值隨入射光強增大越快，說明在低濁度時受入射光強的影響更大。通過控制光強，改變不同溶液間的電壓差值，改變傳感器的精度和量程。在實驗中以ADuCM360微控制器為核心搭建了實驗平臺。實驗顯示，量程2比量程1精度更高，更適合在低濁度精度要求高的場合使用；當光強降低為量程1時，量程1比量程2測量范圍更大，實現(xiàn)了量程增大的目的。與傳統(tǒng)濁度傳感器相比較，量程與精度通過PWM調(diào)節(jié)方便，結(jié)構(gòu)更加簡單。根據(jù)實際情況設(shè)定特有的量程和精度，不局限于固定的量程切換，拓寬了濁度傳感器的應(yīng)用范圍。