基于光纖傳感器的智能污泥濃度測(cè)量系統(tǒng)的研究

黃云飛，朱向冰，吳 彬

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

當(dāng)前阻礙我國(guó)健康發(fā)展的首要因素之一，就是日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，水污染是其中之一，加強(qiáng)污水處理是件非常重要的事情。現(xiàn)代污水處理技術(shù)中，常用的活性污泥法按處理程度通常劃分為三級(jí)處理，文獻(xiàn)資料表明其中的第二級(jí)處理可去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì) （BOD和COD物質(zhì)等），去除率可達(dá)90%以上，從而使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。其中在第二級(jí)處理中評(píng)價(jià)活性污泥量的指標(biāo)是污泥濃度，又稱為懸浮物濃度（MLSS），是代表曝氣池中污水和活性污泥混合后的混合液懸浮固體數(shù)量，是表征液體的一個(gè)非常重要的特性參量，其一般用稱重法測(cè)定[2]。顯然用稱重法測(cè)定不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且滯后嚴(yán)重，無(wú)法及時(shí)反映污泥濃度的變化，不能滿足當(dāng)前污水實(shí)時(shí)處理的要求，因此國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)污泥濃度測(cè)定這一目的[3]，依靠現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)，專門針對(duì)市政污水和工業(yè)廢水處理過(guò)程中污水處理而設(shè)計(jì)的懸浮污泥濃度測(cè)量?jī)x器，如超聲波污泥濃度計(jì)、光電污泥濃度計(jì)等，可實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定、較精確的巡檢測(cè)量，但其結(jié)構(gòu)上的缺陷不可避免。本文基于對(duì)光纖技術(shù)的分析，提出了一種基于光纖的污泥濃度傳感器實(shí)時(shí)智能檢測(cè)系統(tǒng)，以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)檢測(cè)控制部件，改造反射結(jié)構(gòu)的光纖探頭作為敏感元件和光纖作為光通路，并能通過(guò)合理的軟件算法，能夠消除現(xiàn)場(chǎng)干擾，提高系統(tǒng)對(duì)污泥濃度的可靠性檢測(cè)。

1 工作原理

光纖傳感技術(shù)是光纖通信的發(fā)展產(chǎn)物，它改變了傳統(tǒng)的電類傳感器的結(jié)構(gòu)形式，也即光纖傳感器是通過(guò)被測(cè)物理量（例如液體濃度、折射率等）對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，然后對(duì)被調(diào)制過(guò)的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的一類新型傳感器，具有遠(yuǎn)程和抗化學(xué)腐蝕性。

由光折射和反射的Snell定律可知，當(dāng)光波入射到兩種媒介的交界面時(shí)，反射率與相鄰兩種媒介的折射率纖芯n1、包層n2有關(guān)。當(dāng)包層為被測(cè)污水體，則被污水體的污泥濃度發(fā)生變化時(shí)，其折射率n2必然發(fā)生變化，從而通過(guò)反射回到纖芯的光也發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量接收端光強(qiáng)的大小，就可以得到被測(cè)污水體的污泥濃度。根據(jù)該原理，可用光纖制作成如圖1所示的反射型敏感探頭。

圖1 反射型光纖傳感器Fig.1 Reflective optical fiber sensor

LED發(fā)出來(lái)的恒定光通過(guò)發(fā)送光纖束送到另一端的球形敏感探頭至含有污水的渾濁水體。在敏感探頭的球面上，有一部分光透過(guò)，而其余的光被反射回來(lái)。當(dāng)沒(méi)有接觸污水體時(shí)，透射光量和反射光量一定；當(dāng)插入污水體時(shí)，敏感探頭與污水體相接觸，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光量即可知道敏感探頭接觸污水體污泥濃度。反射光量決定于敏感探頭的折射率和被測(cè)定污水體的折射率。接收光纖束下端接收到來(lái)自敏感探頭的光強(qiáng)，被污染物水體調(diào)制[4]后，通過(guò)接收光纖束由光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出，從而獲得污泥濃度變化的特征信息。

2 系統(tǒng)組成

2.1 光纖污泥濃度智能檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)如圖2所示，采用單片機(jī)可調(diào)節(jié)LED的工作電流，提高信噪比，提高儀器的抗干擾能力。該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制PWM發(fā)光方法，即在每測(cè)量一次數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，LED發(fā)光大約250μs，同時(shí)光信號(hào)由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大后進(jìn)行取樣保持[5]。一旦采集完成，則單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此時(shí)LED不必發(fā)光。由于LED處于占空比較小的PWM發(fā)光狀態(tài)，使LED工作在物理特性最好的階段，可延長(zhǎng)LED的實(shí)際使用壽命，保證LED穩(wěn)定的發(fā)光，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值測(cè)量。

圖2 光纖污泥濃度智能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the optical fiber sludge concentration intelligent detection system

2.2 主要元件

2.2.1 光纖污泥濃度傳感器

系統(tǒng)中有多過(guò)光纖傳感器，如溫度傳感器和流速傳感器，其中最重要的是光纖污泥濃度傳感器。眾所周知，Y型結(jié)構(gòu)的光纖是由兩束光纖束組成，一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為發(fā)送光纖束和接收光纖束。其基本傳感原理是：光從光源耦合到發(fā)送光纖束，通過(guò)光纖傳輸，射向反射體，再被反射到接收光纖束，最后由光電探測(cè)器接收，光電探測(cè)器接收到的光強(qiáng)度與反射體污泥濃度性質(zhì)、光纖探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

根據(jù)工作的原理，再結(jié)合污泥濃度檢測(cè)的要求可知光纖反射型敏感元件是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件，用光纖熔接器進(jìn)行電弧熔接制成，以和被測(cè)污水直接接觸的探頭熔融部分作為反射體。

2.2.2 光源的選擇

一般所使用的光源是半導(dǎo)體激光器，其發(fā)光是利用光的受激輻射原理，耦合效率高、響應(yīng)速度快，但價(jià)格比較高，而發(fā)光二極管光源則價(jià)格低廉、可靠性高、工作方便、壽命長(zhǎng)和便于控制[5]。根據(jù)制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8ev，故通常用砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，其中x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x>0.35時(shí)，可得到禁帶寬度Eg≥1.8e V的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長(zhǎng)，使λ在550～900 nm間變化，它已經(jīng)進(jìn)入紅外區(qū)，實(shí)際采用的光源為850 nm的發(fā)光二極管。

2.2.3 光電探測(cè)器的選擇

經(jīng)過(guò)比較多種光電探測(cè)器后，選擇雪崩光電二極管（APD）比較合理，因?yàn)楫?dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定簡(jiǎn)單，另外響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100 GHz，是目前響應(yīng)速度最快，靈敏度很高的一種光電二極管。

理論證明，雪崩光電二極管APD的雪崩增益（響應(yīng)度）是環(huán)境溫度和偏置電壓的函數(shù)[6]，其穩(wěn)定性直接影響了整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量靈敏度。為了使APD能以恒定的增益工作，通過(guò)單片機(jī)調(diào)節(jié)APD的偏置電壓使其隨環(huán)境溫度的變化而按一定比例改變，可保持APD的增益不變。

2.2.4 單片機(jī)

污泥濃度與污泥的生長(zhǎng)速度有關(guān)，受季節(jié)和溫度等因素影響，檢測(cè)時(shí)還要注意外界光的干擾因素、污泥的流速及被控制的反饋量等對(duì)檢測(cè)信號(hào)的作用，采用單片機(jī)可以靈活的編程，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的檢測(cè)控制。

這里選用凌陽(yáng)SPCE061A 16位32 768 Hz RTC的單片機(jī)，具有8通道的10位AD轉(zhuǎn)換器，并具有ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專用編程器，無(wú)需專用仿真器，可通過(guò)串口直接下載用戶程序，又增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力。工業(yè)級(jí)工作溫度為-40至+85℃。

SPCE061A具有兩路PWM輸出功能，利用單片機(jī)I/O端口輸出PWM信號(hào)即可控制LED，為了避免浪費(fèi)了寶貴的定時(shí)器資源，故采用軟件生成PWM的方法，通過(guò)分頻產(chǎn)生4 Hz的時(shí)基信號(hào)，利用時(shí)基中斷，改變I/O端口的電平狀態(tài)，從而模擬特定占空比的PWM波形，輸出4位可調(diào)脈寬比PWM信號(hào)。另外采用中斷方式定時(shí)，來(lái)強(qiáng)迫定時(shí)開(kāi)啟LED發(fā)光電路。為了給LED提供足夠的電流，將PWM信號(hào)發(fā)給LED驅(qū)動(dòng)芯片，由驅(qū)動(dòng)芯片直接控制驅(qū)動(dòng)LED。

2.3 光纖傳感器的安裝

光纖傳感器的測(cè)量單元安裝在曝氣池現(xiàn)場(chǎng)，光電轉(zhuǎn)換箱、二次儀表、電源和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝在儀表控制室，兩者之間通過(guò)光纜連接，完全做到曝氣池現(xiàn)場(chǎng)無(wú)電檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 反射型光纖污泥濃度傳感器的構(gòu)造Fig.3 Structureof thereflectiveoptical fiber sludgeconcentrationsensor

為保證獲得具有代表性的測(cè)量結(jié)果，光纖傳感器一般安裝在以下位置：一是二沉池的回流污泥口；二是曝氣池的出口；三是曝氣池中的適當(dāng)位置。

為了方便對(duì)傳感器進(jìn)行定期的清洗和維護(hù)，將傳感器的探頭及光纖通路安裝在易于觸及的位置；同時(shí)應(yīng)避免將探頭安裝在氣泡較多的位置，因?yàn)闅馀輹?huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)；另外探頭應(yīng)安裝在工藝混合良好和不出現(xiàn)停機(jī)的位置。光纖探頭通過(guò)安裝支架浸入曝氣池中，同時(shí)注意光纖探頭應(yīng)浸沒(méi)至水面下不小于30 cm的深度，并避免陽(yáng)光直射。

3 軟件設(shè)計(jì)

借鑒文獻(xiàn)中蔗糖溶液和食鹽溶液濃度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)方案[5]，根據(jù)要處理的信息，編寫的單片機(jī)主程序流程如圖4所示，限于篇幅沒(méi)有給出產(chǎn)生PWM脈沖的子程序和計(jì)算污泥濃度信息的子程序。程序中包含定時(shí)的常規(guī)檢測(cè)，如果接近污泥濃度的臨界值時(shí)加大測(cè)量頻率，這樣間斷測(cè)量和連續(xù)測(cè)量相結(jié)合，既滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求，又有利于提高LED和光電探測(cè)器的使用壽命。

檢測(cè)部分程序的關(guān)鍵是采用合理的算法。根據(jù)曝氣池中污泥濃度控制的特點(diǎn)，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。設(shè)定3個(gè)測(cè)量點(diǎn)即曝氣池出水口、二次沉淀池污泥回流口和中間位置，根據(jù)污泥濃度、污泥的生長(zhǎng)速度、溫度對(duì)污泥的影響、污泥的流速、池中顆粒的散射、外界光的干擾因素等，調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的權(quán)重，得到合適的計(jì)算參數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，得出結(jié)論與實(shí)際情況相符合。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

該智能檢測(cè)裝置以單片機(jī)為核心，構(gòu)建了一個(gè)污泥濃度測(cè)量系統(tǒng)，具有原理簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。通過(guò)光來(lái)檢測(cè)和傳輸信息，因而現(xiàn)場(chǎng)可以不用電信號(hào)，靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范圍大，可適用于遠(yuǎn)距離遙感，便于推廣使用。利用光纖傳感器具有很強(qiáng)的抗干擾能力、耐高溫、耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)，及與光纖作為信息傳輸?shù)耐ǖ溃瑯?gòu)建污水處理廠以現(xiàn)場(chǎng)總線的測(cè)量點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，減少原來(lái)測(cè)控系統(tǒng)的故障率。另外以LED作為光源，可得到了很高的測(cè)量精度，但不同LED發(fā)光特性不一致，并且隨溫度和工作時(shí)間而變化，為進(jìn)一步提高測(cè)量準(zhǔn)確性和延長(zhǎng)LED有效的使用壽命，下一步需要通過(guò)相對(duì)測(cè)量的方式減小這些因素的影響。

[1]崔玉川，馬志毅.廢水處理工藝設(shè)計(jì)計(jì)算[M].北京：水力電力出版社，1994.

[2]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局科技標(biāo)準(zhǔn)司.城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2003.

[3]黃菊文，李光明，韋鶴平.光纖反射型傳感器測(cè)量污水濁度的方法[J].上海:同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，10（33）:1334-1336.HUANG Ju-wen，LI Guang-ming，WEI He-ping.Measuring sewage turbidity with fiber reflective-type sensors[J].Journal of Tongji University，2005，10（33）:1334-1336.

[4]方宏，秦曦.光纖傳感器中光源的選用及比較[J].傳感器世界，2004（11）：13-17.FANG Hong，QIN Xi.Selection and comparison of light sources in optical fiber sensor[J].Sensor World，2004（11）：13-17.

[5]張娜，李秀媛.基于8031單片機(jī)的智能化液體濃度測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].電子器件，2003，29（1）：227-230.ZHANG Na，LI Xiu-yuan.Research of intellectualized liquid concentration measurement system based on 8031 single chip microcomputer[J].Chinese Journal of Electron Devices，2003，29（1）：227-230.

[6]趙洪志，李乃吉，趙達(dá)尊.基于背向喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器APD最佳雪崩增益的分析[J].傳感器技術(shù)學(xué)報(bào)，1997，10（3）:27-31.ZHAO Hong-zhi，LI Nai-ji，ZHAO Da-zun.Research on the optimum gain of APD in distributed fiber temperature sensors[J].Journal of Transcluction Technology，1997，10（3）:27-31.

[7]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999：119-129.

[8]朱震，葉茂.光散射粒度測(cè)量中Mie理論的高精度算法[J].光電子.激光，1999，10（02）:135-138.ZHU Zhen，YE Mao.High precise algorithm of mie scattering in the particle sizing by light scattering[J].Journal of Optoelectronics Laser，1999，10（2）:135-138.

[9]賈伯年，俞樸，宋愛(ài)國(guó).傳感器技術(shù)[M].3版.南京：東南大學(xué)出版社，2007.