光纖型液體濁度測量系統

陳恭正

摘 要：對光纖液體濁度儀的工作原理做了概述，并進行了硬件和軟件設計，系統硬件設計采用最大限度復用，提高系統的效率，軟件設計采用了分層化的系統設計理念。此濁度儀簡單易用，在實際中有很大的應用價值。

關鍵詞：光纖；濁度儀；細菌

濁度，即水的混濁程度。由于水中含有一些不溶性的懸浮物質、膠體等存在，造成水樣出現不同程度的混濁。通過測定水的混濁程度，可以間接測定存在在水中的微生物、懸浮顆粒的濃度等，被廣泛應用在水廠、電廠、食品企業、制藥工業，另外也被用來測定天然水、工業廢水和污水的濁度。濁度的測定常用儀器是濁度儀，一般濁度儀可以分為透光式、散光式、表面散射光式和積分球式等。

1 液體濁度光強測量系統的原理

液體濁度光強測定系統的系統結構如圖1：

濁度儀發射特定光源照射到待測定的樣品，待測樣品會吸收一部分的光能，同時光線也會輻射到與原來路徑成各種角度的方向上，即發生散射，通過光線探測器接受束下端檢測散射光強，由于散射光的強度和水樣的濁度存在特定的關系，因此可以利用散射光的強度來測定水樣的濁度。濁度儀檢測系統中光纖探測器是核心部件，光纖探測器的結構。

光通過均勻介質傳播時，光的輻射強度會沿著傳播方向逐漸減小，即朗伯比爾定律。可以用式（1）表示。

式中：IR為入射光強度，I0為出射光強度，ka為樣品中雜質吸收系數，x為光程長度。

由于非溶解物質的存在，液體透明度的濁度會降低。當光通過水樣品，光路中的顆粒會使光的方向發生改變，散射并減弱了入射光到檢測器的光強大小。

如果濁度低，大部分光將繼續在原來的方向前進。通過粒子的光散射允許粒子在水溶液中被檢測到。在所有的情況下，光散射導致（a）散射光的角分布和（b）透射光強度的降低。這兩種效應為用來測量濁度提供了可能。它可以測量光穿過樣品或光發射的量散在一個或多個角度入射的光束。難點在于透射光的測量，特別是對于有色水域這將會是一個顯著的問題。這些問題可以是通過測量散射而不是透射光避免。

散射光可以由一個或多個光電檢測器通過入射光的方向夾角？琢來測量，？琢=90°（前向散射），？琢>90°（前向散射），？琢<90°（后向散射）。在90°于入射光束的角度測量的散射光對粒徑不敏感，并且具有少雜散光的影響，所以選擇90°是最優的。

查閱相關資料，？姿>800納米可以最小化溶解光吸收物質的存在（物質賦予顏色）所引起的干擾。由于有色的有機物質通常存在于地表水和飲用水地表水源，應該假設儀器在使用較長的波長會產生更好的濁度測量。利用高波長850nm紅外光的LED來作為系統的光源，以避免對水顏色的干擾[ 3 ]。

因此，我們開發的裝置為測量90°入射光束的散射光。基于瑞利散射法或米氏散射，若粒徑小于光的波長，與入射光線成90°夾角的散射光強度IR由（2）式給出：

IR=KRTI0（2）

其中，T是濁度，KR是散射系數，在I0不變的情況下，散射光強度正比于濁度。

當粒徑大于等于光的波長，散射光的強度由（3）式給出（通常被稱為三重散射法）：

IM=KMATI0（3）

其中，A是顆粒的表面積，KM是系數。在A仍然不變的情況下，IM與T成正比，散射光強度正比于濁度。

因此，當光通過顆粒大小均勻的液體，由（2）、（3）式可得，測量90°方向上的散射光強即可得到溶液濁度大小。如果待測液體是細菌溶液，我們便能檢測細菌的濃度。

2 液體濁度光強測量系統軟硬件設計分析

2.1 硬件設計

硬件設計的原則是測量的便捷性。充分考慮系統應用的實際環境，在網絡化聯機使用的背景下，考慮為以后通過計算機聯網實施區域的監測和管理進行硬件設計。測量儀實現鍵盤輸入、光電信號的快捷轉換、數據處理、液晶顯示、計算機的串口通訊等，電路板的硬件結構。

電路設計的原則是緊湊結構，盡量使用多功能的元件，提高使用的效率，布線采用多路復用的原則，在不影響正常操作的前提下，實現以線多能。

2.2 軟件設計

軟件設計采用分層設計的方式。底層設計模塊主負責與設備模塊之間進行數據信息通訊，將控制信息和數據信息傳遞給外圍的設備，同時也接受外圍設備檢測到的數據信息。而頂層設計模塊只負責進行模式的控制，只對系統規定的變量進行控制，完成對系統的具體檢測和控制功能，兩個不同的模塊之間可以進行數據信息的共享，協同工作，達到檢測的目的。

3 結論

液體濁度測量系統在快速和現場測定等方面有著巨大的應用潛力，是一種快速檢測、靈敏度相對較高的監測儀器。如果將濁度儀與整體的檢測系統進行有機的結合，將會大大提高現場檢測的效率。系統的軟件的設計也可以考慮和計算機技術進行有效的銜接，實現對復雜數據的監測和處理。

參考文獻：

[1] 趙建莊，柴麗娜，李元珍.農藥殘留速測研究的現狀及展望[J].北京農學院學報，2001，16（2）：76-80.

[2] 盛強.散射光式濁度儀及信號處理的研究[D].太原理工大學，2007.

[3] Komiyama R，Kageyama T，Miura M，et al.Turbidity monitoring of lake water by transmittance measuresment with a simpleoptical.setup[C].SENSORS，2015 IEEE.IEEE，2015：1-4.