散射式浊度仪的研究与设计

表 1 测试结果
标准溶液 测量值 1 浊度值（NTU） 30 50 100 150 30.2 50.6 100.8 151.1 30.6 50.4 101.1 148.9 29.7 50.2 99.6 147.5 29.5 49.5 99.5 150.6 30.3 50.3 100.7 148.4 1.27% 0.8% 0.7% 0.9% 测量值 2 测量值 3 测量值 4 测量值 5 平均误差
当水中悬浮颗粒直径大于等于光波波长时，根据 Mie 散射定理 ，某一方向上的散射光
[8]
IM 也与溶液的浓度成正比。
I M = K M ANI O
式中 A：微粒表面积 （3）
KM：Mie 散射的散射系数 N：单位体积水中的微粒数
以上的方法相比， 散射光浊度法灵敏度和准确度较高， 故在本设计中采用了垂直散射法 进行测量，其测量原理图如 2 所示：
[9]
入射光 光源
浊液试样
透射光
图 1 透射光式测浊法框图
在散射法中，根据瑞利定理，当液体中悬浮颗粒的大小小于入射光波长时，光线将发生 强烈的散射，散射光强度与水样浊度成正比，通过测定经水样的散射光强度，即可测出水样 的浊度
[10]
。散射光强 Ir、入射光强 Io 和悬浮粒子浓度等参数之间的关系由（2）式决定：
o [20]
。 （4）
dI s = K 2TI x dx
式中 K2为散射系数，T 为浊度，Ix 为 x 处的入射光强考虑浊液的厚度一定情况下，又考 虑到二次散射所引起的光强增强和浊液吸收所引起的光强衰减大体持平，其散射光在90 方 向的总散射光强可由式（5）表示。
o
I SS =
K2 I O e − K T ( x +ay ) (1 − e − K T∆x ) K1
1 1 1
（5）
式中 K1为吸收衰减系数，T 为浊度的浊度， ∆x 为测量光程长 式（5）按泰勒级数展开，并舍去二阶无穷小量，则式（5）可表示为：
I SS ≈ K 2 I 0T∆x
由式（6）可知，低浊度情况下，散射光强与浊度成正比（光程一定的情况下） 。
（6）
散 射 光 强
非线性区 线性区
盲区
0
200
开始
初始化
是否按键 N 发wenku.baidu.com器的驱 动信号
Y
N 按键 1 Y
读 A/D
背光切换
按键 2 Y
N
N 按键 1 Y
计算
返回
保存数据
显示
返回
零水标定 按键次数加 1
满量程标定 按键次数清零
返回
图6 系统软件流程图
5. 浊度仪的测试与实验 在经过对 0NTU 和 200NTU 的标准溶液进行标定后， 分别对不同浊度值的标准溶液进行测 量，所得测试结果如表 1 所示，由测试结果可见系统重复精度较好，平均误差在 1%左右， 基本满足了液体浑浊度测量的需求。
6. 结论 浊度测量技术是一个多学科交叉的工作，涉及到材料、光学、机械、电子、化学、信号 处理等学科。 在本系统的设计中提出了一种散射式液体浊度仪的解决方法， 并对系统的软硬 件进行了实现和测试， 基本完成了原型机的搭建。 在之后的工作中需要在信号处理电路和软 件算法上进行改进，进一步提高系统的测试精度和稳定性以满足实际应用场合的需求。
1
I = gI 0 e − KtL
式中 I：浊度为 t 时透射光强度
(1)
Io：入射光强度 K：比例常数 t：浊度 L：试样厚度 g：测量仪器的几何参数
由（1）式可知如果能测量出入射光和透射光的光强，即可计算出液体的浊度值。透射 光式浊度仪的原理简单， 仪器的设计方面也比较简单， 采用透射式测量可以获得更大的浊度 测量范围，但是在测量较低浊度液体时，由于大部分的光直接透射了，微小的浊度变化引起 这样对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就非 的透射光的变化是相当小的 ， 常高，低浊度时不易满足，所以透射式测量方法不适合测量低浊度，更适合于测量高浊度水 样，其测量原理图如图 1 所示。
散射式浊度仪的研究与设计
王宁馨 1 李欢 1 吴莉 1 钱敏 2
（ 苏州大学 文正学院光电系，江苏苏州 215104 2 苏州大学 物理科技学院，江苏苏州 215006） 摘要：介绍了一种散射式浊度仪的原理、结构和设计方法，该仪器以单片机为核心，由电源 电路、发光二极管驱动电路、信号采集和调理电路、显示电路等模块组成，在使用标准浊度 溶液进行标定后可以自动完成对待测溶液浊度的测量和显示。 经实验证明， 该仪器简单易用， 具有较高的精度和灵敏度，可以满足生产、生活中对液体浊度测量的需求。 关键字：液体浊度；瑞利散射；单片机 1. 研究背景 浑浊度是反映液体物理性状的参数之一，与液体中悬浮物的浓度、颗粒的大小、形状、 等有关，例如在水质好坏的检测中，浑浊度就是一项非常重要的指标。我国每年没有处理的 水的排放量是 2000 亿吨，这些污水造成了 90％流经城市的河道受到污染，75％的湖泊富 营养化，并且日益严重。在此背景下，提高水环境监测水平，大力发展水环境监测仪器刻不 容缓。本课题目的是设计一个能应用于环保部门监控、管理环境的散射式浊度仪，通过对水 样的检测，准确及时地反映水质的变化状态。 2. 测量原理 美国公共卫生协会将浊度定义为 “样品使穿过其中的光发生散射或吸收而不是沿直线穿 透的光学特性的表征” ，即水样对光在某方向上的散射和吸收的强度，所以根据光接收方式 测量方法可以分为透射式和散射式测量法。 在透射法中， 透射光强度随浊度的变化遵从朗伯-比尔(Lamber-Beer)定律， 即透射光随 浊度增加按指数形式衰减：
光检测器件
90o 散射光 透 射 光
入 射 光 光源
浊液试样
图2 垂直散射光式测浊法框图
目前国际上广泛使用福尔马肼溶液作为测量浊度的标准液， 该溶液的浓度即为浊度。 本 文采用的单位为散射浊度单位：NTU，即1L 水中含有1mg 的福尔马肼聚合物悬浮物质时， 称为一个散射浊度单位，用1NTU 表示。 综上所述， 一定波长范围的非相干光通过颗粒大小均匀的福尔马肼标准液， 在某一小区 域 dx 所产生的90 方向的散射光强度与颗粒浓度成正比
2000
液体浊度 （NTU）
图3 散射光强度与浊度的关系
图3中给出浊度与散度强度之间的关系。当浊度较低时，光射光强度与浊度之间呈线性 关系； 随浊度的升高 （>200NTU） ， 两者关系呈非线性关系； 当浊度超过一定界限时 （>2000NTU） ， 会导致发生多次散射现象，使散射光强度迅速下降，已不能正确地反映浊度值，成为测量盲 区
硅光电池
前置放大电路 （76SOSCP02）
滤波放大电路 （OP07）
A/D 转换器
图5 检测电路原理图
4. 系统软件设计 系统的单片机软件可以分为以下几个部分： 1) A/D 采样程序：控制 A/D 采样的频率，将模拟量变为数字量； 2) 数据处理程序： 对采集的信号进行处理， 利用光强与浊度之间的关系及系统的标定数据， 计算出待测溶液的浑浊度； 3) 判键程序：判别当前按键输入，实现在当前状态下的按键功能。 4) 液晶显示程序：控制液晶上显示当前的状态或测量的浊度值。 在软件设计中，将系统划分为预热初始化状态、正常测量状态、标定零点0NTU 状态、 标定满量程200NTU 状态等，通过按键或定时器在上述几个状态间切换，在每个状态下给出 不同的控制功能，从而完成系统的测试需求。系统的软件流程图如图6所示：
附录：实物照片
参考文献 [1] 张宏陶等，生活饮用水标准检测方法注解。重庆：重庆大学出版社，1993 [2] Dag Hongve,Gunvor Akesson.Comparison of nephelometeric turbidity measurements using wavelengths 400~600 and 860nm[J].Water Reseach,1998,32(10);3134~3145 [3] 刘建斌，吴建。球形粒子的散射特性分析[J].激光杂志，2004,25（6） ：39~41 [4] William F.Mccoy， Betty H.Olson.Relationship among turbidity,particle counts and bacteriological quality within water distribution lines[J].Water Research，1986， 20（8） ；1023~1029 [5] M.Raphael ， S.Rohani.On-line estimation of solids concenteations and mean particle size using a turbidimetry method[J].Power Technology，1996（89） ：157~163 [6] 谢沐风，高原，高鸿慈.浅议光的吸收原理[J].数理医药杂志，2004.17（4） ：359~360 [7] 孔斌，卢胜利.散射式智能液体浊度仪的研制[J].宁夏大学学报（自然科学版）1999,20 （4） ：332~334 [8] 李亦军.基于 Mie 散射的微粒浓度和粒度测试的理论与实验研究[学位论文].太原， 中北 大学，2005 [9] M.Colladl-Fernandez ， M,L,Gonzalez-Sanjose ， R.Pino-Navarro,Evaluation of turbidity correlation between Kerstez tuibidimerer and nephelometric
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Ir =
式中 Ir：散射光强度
9π 2 n22 − n12 2 1 + cos 2 θ v NI 0 2 2 2 λ4 r 2 n2 + 2n1
2
（2）
Io：入射光强度 n1，n2：分别为微粒和水的折射率 λ：入射光的波长 ν：单个微粒的体积 N：单位体积水中的微粒数 θ：散射光和入射光的夹角 r：微粒到散射光强测试点的距离
[21]
。
3. 浊度仪的硬件电路设计 浊度仪的硬件电路整体框图如图4所示： 电源
驱动模块 发 光 二极管 调理电路 及 A/D 模块
C8051 F350
LCD 显示屏
待 测 溶 液
硅光 电池
键盘
图4 硬件设计总框图
系统中由单片机控制驱动模块输出稳定的电流送入发光二极管， 由硅光电池接收到经过 待测溶液的90度散射光信号，经过调理电路后进行 A/D 采样，采样后的数据存入单片机进 行运算处理，最终通过 LCD 显示测量出的溶液浑浊度。 对于光源， 首先要求的是光强稳定； 其次， 要求光源的寿命比较长， 故本系统采用850nm 高亮度发光二极管作为光源。 红外发光二极管是电流型驱动器件， 其亮度与电流近似成线性 关系，系统中使用 LM358构成的恒流源电路进行供电。由于散射光的强度很弱，光电接收器 件的灵敏度必须很高，能分辨出极小的光强变化，并且产生电流上的强弱变化。由于光电接 收器件本身不是线性元件，所以在选择时，要考虑满足一定的线性要求。硅光电池是一个大 面积的光电二极管，当有光照射时，硅光电池输出电压，本系统选择了型号为2DV10的硅光 电池。 浊度信号检测电路中， 接收到的散射光信号非常微弱， 系统中采用 76SOSCP02 构成前置 放大电路就近将硅光电池输出的信号进行放大后传输到后级电路，在后级电路中采用 OP07G 构成的滤波放大电路进一步对信号进行处理， 为使测量的数据能被 C8051 单片机构成的控制 系统采集和处理，还需要进行 A/D 变换。 本系统的检测电路框图如下：