光纤型液体浊度测量系统

陈恭正

摘 要：对光纤液体浊度仪的工作原理做了概述，并进行了硬件和软件设计，系统硬件设计采用最大限度复用，提高系统的效率，软件设计采用了分层化的系统设计理念。此浊度仪简单易用，在实际中有很大的应用价值。

关键词：光纤；浊度仪；细菌

浊度，即水的混浊程度。由于水中含有一些不溶性的悬浮物质、胶体等存在，造成水样出现不同程度的混浊。通过测定水的混浊程度，可以间接测定存在在水中的微生物、悬浮颗粒的浓度等，被广泛应用在水厂、电厂、食品企业、制药工业，另外也被用来测定天然水、工业废水和污水的浊度。浊度的测定常用仪器是浊度仪，一般浊度仪可以分为透光式、散光式、表面散射光式和积分球式等。

1 液体浊度光强测量系统的原理

液体浊度光强测定系统的系统结构如图1：

浊度仪发射特定光源照射到待测定的样品，待测样品会吸收一部分的光能，同时光线也会辐射到与原来路径成各种角度的方向上，即发生散射，通过光线探测器接受束下端检测散射光强，由于散射光的强度和水样的浊度存在特定的关系，因此可以利用散射光的强度来测定水样的浊度。浊度仪检测系统中光纤探测器是核心部件，光纤探测器的结构。

光通过均匀介质传播时，光的辐射强度会沿着传播方向逐渐减小，即朗伯比尔定律。可以用式（1）表示。

式中：IR为入射光强度，I0为出射光强度，ka为样品中杂质吸收系数，x为光程长度。

由于非溶解物质的存在，液体透明度的浊度会降低。当光通过水样品，光路中的颗粒会使光的方向发生改变，散射并减弱了入射光到检测器的光强大小。

如果浊度低，大部分光将继续在原来的方向前进。通过粒子的光散射允许粒子在水溶液中被检测到。在所有的情况下，光散射导致（a）散射光的角分布和（b）透射光强度的降低。这两种效应为用来测量浊度提供了可能。它可以测量光穿过样品或光发射的量散在一个或多个角度入射的光束。难点在于透射光的测量，特别是对于有色水域这将会是一个显著的问题。这些问题可以是通过测量散射而不是透射光避免。

散射光可以由一个或多个光电检测器通过入射光的方向夹角？琢来测量，？琢=90°（前向散射），？琢>90°（前向散射），？琢<90°（后向散射）。在90°于入射光束的角度测量的散射光对粒径不敏感，并且具有少杂散光的影响，所以选择90°是最优的。

查阅相关资料，？姿>800纳米可以最小化溶解光吸收物质的存在（物质赋予颜色）所引起的干扰。由于有色的有机物质通常存在于地表水和饮用水地表水源，应该假设仪器在使用较长的波长会产生更好的浊度测量。利用高波长850nm红外光的LED来作为系统的光源，以避免对水颜色的干扰[ 3 ]。

因此，我们开发的装置为测量90°入射光束的散射光。基于瑞利散射法或米氏散射，若粒径小于光的波长，与入射光线成90°夹角的散射光强度IR由（2）式给出：

IR=KRTI0（2）

其中，T是浊度，KR是散射系数，在I0不变的情况下，散射光强度正比于浊度。

当粒径大于等于光的波长，散射光的强度由（3）式给出（通常被称为三重散射法）：

IM=KMATI0（3）

其中，A是颗粒的表面积，KM是系数。在A仍然不变的情况下，IM与T成正比，散射光强度正比于浊度。

因此，当光通过颗粒大小均匀的液体，由（2）、（3）式可得，测量90°方向上的散射光强即可得到溶液浊度大小。如果待测液体是细菌溶液，我们便能检测细菌的浓度。

2 液体浊度光强测量系统软硬件设计分析

2.1 硬件设计

硬件设计的原则是测量的便捷性。充分考虑系统应用的实际环境，在网络化联机使用的背景下，考虑为以后通过计算机联网实施区域的监测和管理进行硬件设计。测量仪实现键盘输入、光电信号的快捷转换、数据处理、液晶显示、计算机的串口通讯等，电路板的硬件结构。

电路设计的原则是紧凑结构，尽量使用多功能的元件，提高使用的效率，布线采用多路复用的原则，在不影响正常操作的前提下，实现以线多能。

2.2 软件设计

软件设计采用分层设计的方式。底层设计模块主负责与设备模块之间进行数据信息通讯，将控制信息和数据信息传递给外围的设备，同时也接受外围设备检测到的数据信息。而顶层设计模块只负责进行模式的控制，只对系统规定的变量进行控制，完成对系统的具体检测和控制功能，两个不同的模块之间可以进行数据信息的共享，协同工作，达到检测的目的。

3 结论

液体浊度测量系统在快速和现场测定等方面有着巨大的应用潜力，是一种快速检测、灵敏度相对较高的监测仪器。如果将浊度仪与整体的检测系统进行有机的结合，将会大大提高现场检测的效率。系统的软件的设计也可以考虑和计算机技术进行有效的衔接，实现对复杂数据的监测和处理。

参考文献：

[1] 赵建庄，柴丽娜，李元珍.农药残留速测研究的现状及展望[J].北京农学院学报，2001，16（2）：76-80.

[2] 盛强.散射光式浊度仪及信号处理的研究[D].太原理工大学，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.