黃 鴻，陳 杰，黃云彪

(1.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400044；2.重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

水的濁度是由粘土、微小的無(wú)機(jī)物、有機(jī)物、浮游生物和其他微生物等懸浮物所引起的。很多疾病的傳播就是由于一些病毒以及細(xì)菌附著在這些細(xì)小的顆粒上，降低了臭氧、氯離子等對(duì)水的殺菌消毒作用所導(dǎo)致的。因此，水質(zhì)的濁度測(cè)量有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

濁度測(cè)量的歷史大致分為三個(gè)階段[3]。最開(kāi)始濁度的測(cè)量是目視法，即靠人們的眼睛來(lái)觀測(cè)，其使用的光源也是原始的燭光，測(cè)量非常不準(zhǔn)確。后來(lái)人們使用鎢燈代替燭光，使用光電轉(zhuǎn)換器件代替肉眼，使得測(cè)量變得精確。特別是進(jìn)入20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了激光光源以及LED光源[4]，并且伴隨著光電探測(cè)器件的發(fā)展[5-6]，使得隨后出現(xiàn)的濁度儀測(cè)量精度以及測(cè)量范圍都得到了極大的提升。目前，國(guó)外的濁度測(cè)量技術(shù)較為領(lǐng)先，濁度儀的種類繁多，測(cè)量精度也較高。而國(guó)內(nèi)濁度儀的研究相對(duì)國(guó)外起步較晚，技術(shù)還存在一定的差距。

本文采用福爾馬肼(Formazine)聚合物溶液作為標(biāo)液校準(zhǔn)儀器[7]，并將專用探頭直接插入測(cè)試溶液進(jìn)行檢測(cè)，不必用傳統(tǒng)的取樣方法就可以得到待測(cè)水質(zhì)的濁度值。

1 測(cè)量原理及方法

1.1 測(cè)量原理

當(dāng)一束光射向待測(cè)液中，待測(cè)液中的物質(zhì)會(huì)和光線相互作用，產(chǎn)生折射、散射等現(xiàn)象。光在液體中的光學(xué)現(xiàn)象如圖1所示。

圖1 光在液體中的光學(xué)現(xiàn)象

假設(shè)待測(cè)液中的介質(zhì)是均勻的。入射光強(qiáng)度為I0；穿過(guò)水樣的透射光強(qiáng)度衰減到It；K為摩爾吸收系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ有關(guān)；c為吸光物質(zhì)的濃度;b為吸收層厚度。朗伯-比爾定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

It=I0exp(-Kbc)

(1)

由朗伯-比爾定律的表達(dá)式可知，當(dāng)摩爾吸收系數(shù)和吸收層厚度一定時(shí)，輸入光的強(qiáng)度和透射光的強(qiáng)度呈線性關(guān)系[8]。

水樣中顆粒的大小決定與光線的相互作用，散射分為瑞利散射和米氏散射。當(dāng)入射光I0與半徑小于光波長(zhǎng)的1/10的顆粒相互作用，在所有方向上均勻散射；當(dāng)與半徑為光波長(zhǎng)1/4左右顆粒發(fā)生相互作用，前向散射強(qiáng)烈，會(huì)發(fā)生瑞利散射；米氏散射是指當(dāng)入射光與半徑大于光波長(zhǎng)的粒子相互作用時(shí)，在發(fā)生前向散射的同時(shí)，側(cè)向散射強(qiáng)烈。該濁度儀使用福爾馬肼聚合物溶液作為標(biāo)液，其懸浮物顆粒的直徑大于波長(zhǎng)，主要發(fā)生的是米氏散射。米氏散射的數(shù)學(xué)描述為：

IM=KMANI0

(2)

式中：IM為米氏散射光強(qiáng);I0為入射光強(qiáng)度;A為微粒表面積;N為單位液體中的顆粒數(shù);KM為散射系數(shù)，其中散射系數(shù)只與溶液的性質(zhì)有關(guān)。

由米氏散射定理可知，當(dāng)入射光強(qiáng)度一定時(shí)，散射光強(qiáng)跟溶液的濃度成線性關(guān)系。

1.2 測(cè)量方法

濁度測(cè)量發(fā)展到現(xiàn)在，分為以下三種方式：目視法、分光光度法、儀器測(cè)量法[9]。而儀器測(cè)量法一般分為透射法、散射法和散射-透射比值法三種。散射測(cè)量法以其靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確而著稱[10]，按照散射光接收器件和入射光之間的角度不同，又分為垂直散射(=90°)、前向散射(<90°)和后向散射(>90°)。散射測(cè)量法如圖2所示。

圖2 散射測(cè)量法

已有研究結(jié)果表明，測(cè)量90°角方向上的散射光，受到待測(cè)液中散射粒子大小的變化影響最??；同時(shí)，由于光束的不嚴(yán)格平行，接收到的雜散光也是最小的。垂直散射法是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7027水質(zhì)濁度測(cè)量中所規(guī)定的濁度測(cè)量方法[11]，各類濁度儀也是采用此方法進(jìn)行液體的濁度測(cè)量。因此，采用垂直90°方向的散射法捕獲光信號(hào)。

2 濁度儀設(shè)計(jì)

濁度儀是一種直接投入待測(cè)液測(cè)量水樣濁度的儀器，主要由光源、光電探測(cè)器、I/V 轉(zhuǎn)換電路、濾波電路以及顯示電路構(gòu)成。其選用的主控芯片為STM32F103系列[12]。它的內(nèi)核Cortex-M3具有強(qiáng)大的異常響應(yīng)功能，所有的菜單跳轉(zhuǎn)均由外部按鍵去觸發(fā)外部中斷執(zhí)行。相比傳統(tǒng)的取樣測(cè)量，該濁度儀由專用探頭直接插入待測(cè)液中進(jìn)行測(cè)量，特別適合對(duì)液體濁度的快速測(cè)量[13]。

濁度儀結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 濁度儀結(jié)構(gòu)框圖

2.1 專用探頭設(shè)計(jì)

探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

光源選擇波長(zhǎng)860 nm的紅外LED燈。LED具有壽命長(zhǎng)、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[14]。光電接收器件選擇硅光電池，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、接收光照面積大，有較高的響應(yīng)特性且在860 nm處有較好的靈敏度[15]。光源由恒壓源驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮后，透過(guò)透鏡[16]，然后打在待測(cè)液中，通過(guò)光闌，由光電池接收90°方向的散射光。透射光由一個(gè)黑屏吸收，以便最小化反射光對(duì)測(cè)量的影響。其中，透鏡的作用是匯聚光線，在光電池的前面安裝一個(gè)光闌，使得光電池接收到光的角度受到限制，基本上為90度，且可以減少雜散光的干擾。其次，兩個(gè)光闌以及透鏡都可以起到隔絕探頭內(nèi)部器件與待測(cè)液的作用。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，光電池接收到的電信號(hào)會(huì)受到外界物理環(huán)境干擾，主要是光線變化的影響，導(dǎo)致信號(hào)的不穩(wěn)定，最終會(huì)影響后期的信號(hào)處理。故需要在專用探頭上加一個(gè)遮光罩，其作用是減小外界光線的干擾。遮光罩由Solid Works2014繪制，并由試驗(yàn)室的3D打印機(jī)Maker Bot ReplicatorTM打印。

2.2 穩(wěn)壓電路

光源發(fā)光強(qiáng)度的穩(wěn)定程度影響整個(gè)儀器的性能，選用LM317直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，作為L(zhǎng)ED的驅(qū)動(dòng)電壓?？烧{(diào)恒壓源電路如圖5所示。它不僅具有簡(jiǎn)單形式的三端穩(wěn)壓電路，而且還具有可調(diào)節(jié)輸出電壓的特點(diǎn)。此外，它還具有較寬的調(diào)壓范圍、良好的穩(wěn)壓性能、低噪聲以及高紋波抑制比等優(yōu)點(diǎn)。

圖5 可調(diào)恒壓源電路

輸出電壓Uout的計(jì)算公式為：

(3)

因?yàn)镮Adj小于100 μA，所以IAdjR6在大多數(shù)的應(yīng)用中都可以忽略不計(jì)。

2.3 I/V轉(zhuǎn)換電路

I/V轉(zhuǎn)換電路的作用是將光電池產(chǎn)生微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為供單片機(jī)采集的電壓信號(hào)。該濁度儀采用的運(yùn)算放大器為AD795。它是一款低功耗、低噪聲的精密FET運(yùn)算放大器。圖6是I/V轉(zhuǎn)換電路。圖6中：R1為反饋電阻;C1為抑制噪聲的濾波電容;R4為調(diào)節(jié)電位器，它的作用是調(diào)節(jié)輸出電壓，然后經(jīng)過(guò)一階RC低通濾波器去除尖峰噪聲，輸出的電壓output供MCU采集并由MCU作數(shù)據(jù)處理。

圖6 I/V轉(zhuǎn)換電路

2.4 E2PROM電路

本濁度儀需要用標(biāo)液標(biāo)定。在標(biāo)定過(guò)程中，參數(shù)的寫(xiě)入需要E2PROM芯片為其保存必要的數(shù)據(jù)，同時(shí)歷史數(shù)據(jù)也需要E2PROM芯片來(lái)保存，以保證這些數(shù)據(jù)在掉電之后也不會(huì)消失。E2PROM芯片使用AT系列的AT24C02。該類器件通過(guò)I2C總線操作。AT24C02共有256個(gè)字節(jié)，其內(nèi)存空間滿足本濁度儀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求。E2PROM電路如圖7所示。

圖7 E2PROM電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該濁度儀的主菜單包括讀取測(cè)量值、標(biāo)定以及查詢?nèi)齻€(gè)子菜單。讀取測(cè)量值包括一個(gè)數(shù)據(jù)保存子菜單，用來(lái)保存當(dāng)前測(cè)量值。測(cè)量值采用比濁法濁度單位(nephelometric turbidity unit,NTU)。標(biāo)定界面包含0 NTU、100 NTU、400 NTU以及1 000 NTU四個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。查詢界面可以依次上、下循環(huán)查詢最近保存的20個(gè)歷史數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)的程序流程如圖8所示。

圖8 程序流程圖

儀器在使用和工作的過(guò)程中，隨著儀器的老化以及其使用環(huán)境的改變，濁度儀會(huì)發(fā)生零點(diǎn)偏移等問(wèn)題，從而影響其可靠性以及精度。在使用一段時(shí)間之后，必須對(duì)儀器重新標(biāo)定，更新各線段的斜率和截距寫(xiě)入E2PROM芯片當(dāng)中，保證測(cè)量的精度。

此外，由于溶液內(nèi)部的不穩(wěn)定和沒(méi)有完全消除的外界光線的干擾，最終在LCD屏顯示的測(cè)量結(jié)果會(huì)有一定的跳動(dòng)。為了減小測(cè)量結(jié)果的跳動(dòng)，采取在測(cè)量結(jié)果顯示模塊加上滑動(dòng)窗口的方法減小跳動(dòng)。具體做法如下：有一個(gè)數(shù)組buffer，其長(zhǎng)度為5個(gè)數(shù)據(jù)大??；第一次顯示的數(shù)據(jù)是buffer的平均值；第二次顯示更新數(shù)組buffer第一個(gè)數(shù)據(jù)；去掉數(shù)組buffer的最后一個(gè)值，原來(lái)下標(biāo)為0的數(shù)據(jù)往后移動(dòng)一個(gè)位置存在下標(biāo)為1的位置，原來(lái)下標(biāo)為1的數(shù)據(jù)往后移動(dòng)一個(gè)位置存在下標(biāo)為2的位置。以此類推，再一次求取Buffer的平均值作為最后的測(cè)量值。

4 試驗(yàn)

溶液的配置：溶液選取的是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的福爾馬肼懸浮液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液。將需要測(cè)試的溶液用4 000 NTU的福爾馬肼標(biāo)液稀釋至指定的濃度。另外，零濁度水不能用蒸餾水去代替。因?yàn)槠錆岫戎挡⒉皇?，需要嚴(yán)格按照規(guī)定，用孔徑不大于0.2 μm的微孔過(guò)濾蒸餾水2次以上，來(lái)獲得零濁度水。

4.1 穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試

不同濃度的探頭試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同濃度的探頭試驗(yàn)結(jié)果

前期制作專用探頭直接試驗(yàn)，若外界的物理環(huán)境發(fā)生變化，當(dāng)手在探頭外圍晃動(dòng)，通過(guò)RS-232串口打印在PC端，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)所采集到的A/D值不夠穩(wěn)定，最大差值達(dá)到10左右，最終會(huì)導(dǎo)致顯示的測(cè)量結(jié)果不夠穩(wěn)定。故后期在專用探頭上加上了遮光罩，再重新用40 NTU、100 NTU、600 NTU以及1 000 NTU四種濁度液進(jìn)行了試驗(yàn)。從該測(cè)試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，即使用手在探頭外圍晃動(dòng)，采集到的A/D值也趨于穩(wěn)定，最大跳動(dòng)僅為2個(gè)A/D值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)配置好的溶液，分別對(duì)0、20、40、60、80、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000一共15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。15個(gè)點(diǎn)的采樣A/D值如表1所示。

表1 15個(gè)點(diǎn)的采樣A/D值

根據(jù)表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，把測(cè)量范圍分成0～100 NTU、100～400 NTU 以及400～1 000 NTU 這3段進(jìn)行標(biāo)定，可以得到比較理想的效果。標(biāo)定時(shí)，只需要標(biāo)定0 NTU、100 NTU、400 NTU以及1 000 NTU 這4個(gè)點(diǎn)，即可得到這3段的斜率以及截距。對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)后，就可以測(cè)量未知濃度的待測(cè)液。分段折線圖如圖10所示。

圖10 分段折線圖

在(0～100 NTU)范圍內(nèi)，連接(20,0)和(478,100)兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)；在(100～400 NTU)范圍內(nèi)，連接(478,100)和(1 704,400)兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，在(400～1 000 NTU)范圍內(nèi)，連接(1 704,400)和(3 606,1 000)兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)。

在(0～100 NTU)范圍內(nèi)，濁度值與采樣A/D值的關(guān)系表達(dá)式為：

y=0.218x-4.37

(4)

在(100～400 NTU)范圍內(nèi)，濁度值與采樣A/D值的關(guān)系表達(dá)式為：

y=0.245x-16.97

(5)

在(400～1 000 NTU)范圍內(nèi)，濁度值與采樣A/D值的關(guān)系表達(dá)式為：

y=0.315x-137.54

(6)

式中:y為濁度值;x為采樣A/D值。

根據(jù)式(4)、式(5)和式(6)可知，隨著濃度的增加，斜率k值也在變大。其原因是濃度過(guò)大時(shí)，光線在溶液內(nèi)部發(fā)生多次散射，導(dǎo)致光電池接收到的光強(qiáng)度增加速度變緩。由此可知，隨著溶液的濃度不斷增加，濁度值與采樣A/D值將不會(huì)一直保持線性關(guān)系，故需要用分段的方法去標(biāo)定儀器。儀器的誤差以及重復(fù)性是測(cè)量?jī)x器非常重要的指標(biāo)。重復(fù)性試驗(yàn)如表2所示。

表2 重復(fù)性試驗(yàn)

由表2可知，測(cè)量的最大示值誤差數(shù)據(jù)點(diǎn)為測(cè)量值1中的806.7 NTU，其示值誤差為6.7 NTU，但相對(duì)誤差僅為0.838%。相對(duì)誤差最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)為測(cè)量值2中的19.3 NTU，其相對(duì)誤差為3.5%，重復(fù)性誤差最大為2.4%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于近紅外LED的90°垂直散射式濁度儀。在0～1 000 NTU的測(cè)量范圍內(nèi)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，該濁度儀測(cè)量精度高、重復(fù)性好、性能穩(wěn)定。與傳統(tǒng)型濁度儀相比，本濁度儀具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易于制造等優(yōu)點(diǎn)。相比于一般的取樣測(cè)量，該濁度儀僅需將專用探頭直接插入待測(cè)液中就可進(jìn)行測(cè)量，特別適合對(duì)液體濁度進(jìn)行快速測(cè)量。