双通道光纤浊度传感器的设计

吴 刚，刘月明，高晓良，夏忠诚

(中国计量学院光学与电子科技学院，浙江杭州 310018)

0 引言

水体浊度是表征水质的重要指标。水质浊度是由水体中泥沙、有机大分子、悬浮颗粒等杂质造成的。这些杂质颗粒可成为细菌和病毒的载体与包裹层，降低了氯离子、UV或臭氧对水的消毒杀菌作用，可能引发疾病传播；而且水中杂质会磨损和腐蚀浸在其中的机械部件，从而加速零件老化。因此浊度的检测是环保的重要方面，通常以水中杂质对光的散射和吸收作用来衡量，浊度传感器可归类为散射法、透射法以及将此二者相结合的比值法[1-4]，可根据实际检测需求和浊度测量范围灵活选择和改进设计。浊度的定义和测量都是相对的，通常以按国标配制的福尔马肼溶液作为标准浊度液，为浊度传感器定标。将传感器在相同条件下测得的样品与标准液的散射或透射光强作对比，从而得知样品的浊度。浊度传感器随着人们环保意识的增强而得到广泛应用，其发展趋势为高精度、高灵敏度、大量程、低检测阈值，要求便携式检测或在线监测实时预警。与传统的电类浊度传感器相比，光纤传感器更加适合这种技术趋势。光纤传感有众多优点：便于微型化和集成化，易于实现检测仪器的便携化；且耐高温高压、抗腐蚀、抗干扰、便于在线监测。传感器采用光纤传输光信号，无需防水措施，直接用光纤发射和接收光信号，抗干扰能力强，成本低，便于远距离传输和组网等[5-6]。

本文设计的光纤浊度传感器采用单光源双发光通道、单光谱仪双探测通道四光束检测系统。光源通过光开关双通道交替发光，同时光谱仪根据发光通道的改变分时交替测量透射光和散射光。共用同一光源和光谱仪，增强了稳定性和抗干扰能力，降低了成本，结合空分和时分复用技术可拓展实现浊度的准分布式多点在线监测。

1 检测原理

1．1朗伯-比尔定律

入射光通过介质时，会与介质中悬浮杂质发生吸收和散射作用，导致透射光减弱，这称为消光作用。由朗伯-比尔定律，强度为I0的入射光在与介质相互作用有效距离L后，透射光强IT为：

IT=I0e-μL=I0e-KTL

(1)

式中：IT为透射光强；I0为入射光强；μ为消光系数，是与浊度相关的系数，与入射光强无关；T为浊度；K为μ与T的比例系数；L为透射光程。

式(1)表明，可以利用基于朗伯-比尔定律的透射法测量浊度。

1．2散射定律

介质中不同粒径杂质颗粒对光的散射作用如图1所示，随着杂质粒径与波长比d/λ增大，前向散射增强，后向散射减弱。因而接收的散射光强与探测器接收角度和位置有关，也与光源的光谱特性有关[7]。

图1 不同粒径颗粒的浊液散射光分布

与入射光方向垂直的散射光IS为[8]：

(2)

式中：N为微粒数密度；V为微粒的体积；λ为入射光波长。

在传感器设计好后，光源和开放式流通池一旦确定，λ和V可视为常量。则式(2)可改写为：

IS=K′TI0

(3)

式中：T为水体浊度；K′为比例系数。

因此，在入射光强I0不变时，浊度T与散射接收光强TS正相关，浊度的测量转化为散射光强的测量。

1．3散射透射比值法的原理

常见浊液颗粒粒径大致为0.1～20 μm，所以散射法浊度测量主要依据瑞利散射和Mie散射原理。式(3)可改写为：

IS=αNI0e-μl

(4)

式中：IS为散射光强；α为与散射函数有关的系数；l为散射光程。

结合透射法的计算公式式(1)，可用散射透射光强的比值来计算浊度：

(5)

由该式可知，浊度与微粒数密度N，系数α和散射透射光程比l/L有关，而α和l/L由传感器结构确定，为常量，这减小了光源波动和探测器差异对浊度测量结果的影响。

2 传感器结构与工作原理

传感器由信号单元和传感头组成，两者由光纤相连，如图2所示。信号单元包括光源、光谱仪、计算机各一个和两个1×2光开关。开放式流通池即为传感头。计算机既是光谱仪的上位机，对光谱仪输出信号进行显示和存储等操作；又通过程序自动控制两个1×2光开关的开启和关闭。

图2 传感器结构原理图

传感器工作原理如图3所示，4条光纤分别通过SMA905接口安置在开放式流通池的四周，各相差90°。将流通池投入待测水体，开启传感系统，每间隔1 s，光源双通道交替发光和关闭。当光源通道1开启且光源通道2关闭时，探测通道1接收透射光，探测通道2接收散射光；当光源通道2开启且光源通道1关闭时，探测通道2接收透射光，探测通道1接收散射光。共用同一光源，利用1×2光开关选择发光通道；共用同一光谱仪，利用1×2光开关分时接收同一次测量时的透射光和散射光，分时时间远小于1 s，略大于光谱仪测量时的积分时间。采用同一光源和光谱仪，减小了光源波动和探测器差异对测量结果的影响，提高了稳定性，降低了成本，结合空分和时分复用技术可拓展实现准分布式多点在线监测。

(a)

(b)

散射透射光强比值的平均值为：

(6)

式中：IS1和IT1为光源通道1开启时测得的散射光和透射光；IS2和IT2为光源通道2开启时测得的散射光和透射光。

3 试验结果与分析

为了测试双通道比值法浊度仪的特性，并与基本的透射法、散射法作对比，实验中分别采用自制的双通道光纤浊度传感器，以及基于比值法的上海珊科WZG-200型浊度仪对福尔马肼标准浊度液进行测量，双通道传感器测量的光强数据见表1，各方法测得的结果见表2。

双通道光纤浊度传感器由光源、流通池和光谱仪等组成。采用中心波长为632．8 nm的氦氖激光器作光源，用光纤光谱仪测量传感器出射光在632．8 nm处的光强。

表1 双通道光纤浊度传感器测量浊度结果

表2 各方法测得的浊度 NTU

对于散射法，IS=KSTI0，利用浊度标准液标定系数KS，即可由测量散射光得出浊度。

透射法的浊度计算方法由式(1)：IT=I0e-KTTL，则使用浊度标准液标定出参数KT，即可利用上式通过透射法测量浊度。

对于比值法，由式(5)，IS/IT=αNe(1/L)，浊度与微粒数密度N，系数α和散射透射光程比l/L有关，而α和l/L由传感器结构确定，为常量。故可设N=KSTT，则有IS/IT=αe(l/L)KSTT=KSTT，标定系数KST后，即可用于浊度测量。

试验中，利用微型光纤光谱仪测得氦氖激光器在中心波长632．8 nm处的光强为65 295．77 counts，对表1测量数据进行处理，拟合结果如图4和图5所示。将图中拟合曲线作为标定曲线，用于各方法下的浊度测量。

图4 散射法和透射法光强与浊度关系曲线

图5 双通道浊度测量数据拟合曲线

根据表2数据，散射法在测量较高浊度时不够精确，透射法在测量较低浊度时误差较大。而基于比值法的WZG-200型浊度仪和双通道光纤浊度传感器在低浊度和较高浊度段都有较好的测量精度。

4 结束语

基于比值法的双通道光纤浊度传感器利用光纤传输探测光，增强了传感信号传输性能和抗干扰能力，无需防水装置，降低了成本，而且便于远距离传输和组建在线监测传感网。双通道浊度测量方法综合了散射法和透射法的优点，连续从两个相互垂直的方向探测浊度信息，利用散射光透射光比值的平均值表征浊度，消除了光源波动和探测器差异、水中气泡等干扰，对低浊度和较高浊度都有较好的测量精度，提高了测量量程和适应性。

参考文献：

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[8]陈建．采用调制光强测量浊度．分析仪器，2004(4):39-42．

作者简介：吴刚(1986-)，硕士研究生，主要研究光纤水质监测传感器。E-mail：shellyzer@163．com

刘月明(1965-)，教授，硕士生导师，主要研究方向是光纤传感与微光机电系统。E-mail：．edu．cn(通讯作者)