基于光强可调的浊度智能检测传感器研究

李 文，张志永，金 旭，吕 赫，徐明刚

(北方工业大学机械与材料工程学院，北京 100144)

0 引言

浊度(Turbidity)是衡量水质的一个重要指标，它反映了水中微小悬浮物质密度的大小。研究已证实水体中的有机物、细菌与相关的悬浮物粒子形成包裹层，可降低氯离子或UV对水的消毒能力，进而危害到人体健康[1-2],定期的对水体进行浊度监测将有利于生存环境的改善。目前，浊度检测主要分为散射光检测[3-4]、透射光检测[5-6]、散射光透射光混合检测[7]、神经网络反演预测[8]和卫星遥感预测[9]。透射法和散射法因结构简单、精度高且不需要大量的前期数据，依然是现在主要的检测方式。透射法与散射法有各自的优势[1]，透射法可以通过改变光强或机械结构增大在低浊度的分辨力，在本文中选用了透射法进行研究。

我国规定生活饮用水卫生低于1NTU，不少发达国家规定饮用水卫生不超过0.3NTU[2]；对于污水排放，浊度值一般超过100NTU，污染较重的地方，达到了1 000 NTU以上。这说明不同的应用环境，对浊度传感器的量程与精度要求不同。尽管在一些研究中出现了高低量程切换的方法[10-11]，但多数是通过改变机械结构和硬件放大电路实现，且量程与精度调节比较固定，不适应大范围的应用；通过增益放大器改变量程的传感器，会将干扰信号同时放大，信噪比提升有限。针对此，本文提出一种基于光强调节量程与精度的浊度传感器。基于透射光原理，从水的光学特性中增大分辨力。选用650 nm光源和相应的光电二极管，以内部集成24位ADC的ADuCM360微控制器进行实验设计。通过调节不同的光强，实现量程与精度的调节。与传统量程切换的传感器相比，体积小，在不改变任何硬件结构的基础上，可根据实际情况建立任意的量程与精度模型，可操作性强。

1 检测原理

1.1 透射光检测原理

透射光检测系统由光源、准直透镜、检测池、光电检测器组成。光源与检测器平行放置，当光线照射水中，一部分光被吸收，另一部分光发生出射现象，由检测器测量出射光的大小。水体的浑浊度越大，透过光的强度越低，检测的电压越低。透射法的检测原理如图1所示。

图1 透射法检测原理

图1中：I0、IT分别为入射光强和透射光强。由图1可知，入射光经过准直透镜后进入待测液体，透射光经准直透镜后进入光电检测器进行测量。应用荷兰爱万提斯的光源与光谱仪基于透射光的原理搭建实验平台，扫描不同的浊度标准溶液(中国计量院提供)，得到浊度吸光度图谱如图2所示。

图2 不同浊度的吸光图谱

图2中，溶液吸光度与浊度大小有较好的相关性，随着浊度值的增大，溶液吸光度逐渐增大。由朗伯-比尔定律可知，溶液的吸光度与入射光和透射光有关。在同一测量系统中，溶液的入射光保持不变，吸光度值的变化反应了透射光强随浊度溶液的变化。通过测量溶液的透射光强与浊度的关系建立浊度测量模型，构成了利用透射光强检测的基本原理。

1.2 光强与检测电压的关系

透射光的强弱，以检测管转换的电信号来表征，光强越强，电信号越高。在光源检测中，以光敏二极管作为检测管，调节PWM变换光源强度，通过由光敏二极管转换的电流值，建立电压与浊度的关系。分析电压与光强的关系，阐明通过调节光强改变量程与精度的原理。

由光功率与光敏二极管电流转换的关系分析可知，光敏二极管的入射光功率与输出电流之间具有良好的线性，光生电流和光功率的关系可以表示为式(1)[12]。

(1)

式中：iP为光生电流，mA；λ为入射光波长，nm；h为普朗克常数,h=6.626×10-34J·S；q为电子电量，q=1.6×10-19C；c为光速，m/s；η为光敏二极管的光量子效率，无量纲；P光功率,mW；SW为光敏二极管的电流灵敏度，mA/mW，在同一光源，同一材料下SW为常数(按照低光子效率20%计算，约为0.5×106mA/mW)。

由朗伯-比尔定律可知，溶液的吸光度与浊度成正比。依据光强、光功率、光通量、视见函数之间的关系，在理想条件下，相同波长、相同结构的光强与光功率成正比。结合式(1)，可得溶液浊度与电流之间的关系，如式(2)。

(2)

式中：K为吸光度系数，与待测物质相关；C为溶液浓度，此处表示浊度(NTU)；l为待测溶液的光程，mm；i0为入射光感应电流，mA；iT为出射光感应电流，mA；γ为光强与光功率比值。

在某一检测电路中，假设I/V转换电路放大电阻为R。由式(2)得电压与浊度的关系为：

(3)

式中V0为入射光感应电压，mV；VT为出射光感应电压，mV，R为放大电阻值，Ω。

将式(3)整理为：

VT=V0/10KCl

(4)

式(4)说明了透射光的电压与入射光和浊度有关。保持溶液不变，假设光强增大ΔI，由式(1)可知，入射光电压线性增大ΔV，结合式(4)得式(5)。

(5)

将式(4)、式(5)比较可知，在同一种溶液中，光强增大，测量的透射光电压增大。在不同的溶液中，假设任意两种溶液浊度分别为C1,C2(C1

D1=VT1-VT2=V0/10KC1l-V0/10KC2l

(6)

(7)

根据式(5),式(6)得光强增加前后不同溶液透射光电压差值D，如(8)式。

(8)

由式(8)可知，当光强变化量ΔI≥0时，ΔV≥0，电压的差值D在不同的溶液间的差值增大；当光强变化量，ΔI≤0时ΔV≤0，电压的差值D在不同的溶液间的差值变小。溶液透射光的电压差值随着光强的增大而增大，随着光强的减小而减小。VT与V0、浊度的关系如图3所示。

图3 透射光电压与浊度仿真图

图3(a)、图(c)、图(d)显示，随着溶液浊度的增加，透射光的检测电压降低；随着入射光检测电压增加，透射光检测电压升高。图3(d)中显示透射光电压差随着入射光电压增大而增大，入射光电压越大，增大越明显，符合式(4)、式(5)的分析结果。图3(a)、图3(b)中显示，保持溶液差值不变，透射光的电压差随着入射光电压的升高而增大，与式(8)的分析结果相同。利用光强变大引起不同溶液间的电压差变大，可增大传感器的精度；利用光强变小引起不同溶液间的电压差值变小，可增大传感器的量程。图3(b)中观察到，浊度之间的差值不变，浊度越大，透射光的电压差变化越缓慢，相差越小，反应了通过入射光调节精度，浊度越低，效果越明显，浊度越大，精度增大越有限。

2 实验平台设计

实验平台包括光源、检测管、微控制器、电流转电压模块、交直流转换器、放大器、恒流源电路、通信模块、温度传感器。通过微控制器调制PWM占空比和频率控制恒流源改变光源的强弱；由光敏二极管作为检测管采集透射光强，经过I/V转换电路，交直流转换二次放大后送入到CPU的A/D输入端，通过CPU完成运算，由串口与上位机通信。浊度传感器原理如图4所示。

该设备选用内部集成高分辨率的ADuCM360为微处理器，缩小了传感器的体积，增大了分辨力；以AD736、AD820为放大器和有效值转换器；以光耦隔离的RS-485收发器为数据传输接口，在保证数据传输稳定的同时，通过串口可进行光强的调整。

在光源的选择上，美国USEPA180.1标准与ISO7027标准采用的光源波长不同。经过图2的分析得出，波长的长短对检测有重要的影响，在600 nm以后浊度吸光度变化逐渐平稳，且随着波长的增大分辨率逐渐减小，即溶液透过的光强变化减小。波长短，光源不稳定性增加，如小于550 nm处出现的吸光度波动；波长长，低浊度分辨力降低。考虑到光源波长在超过760 nm后为非可见光区，造成安装和维修不便，故选用650 nm波长光源为检测光源。为了减弱背景光的干扰，采用了PWM控制的恒流源作为激励源。与以往的光源调制模式相比，频率调节范围更宽，为大量程范围与高精度精度提供了保证。

3 试验与分析

3.1 量程1与量程2的数据分析

实验中，将PWM调制成16.0 kHz，占空比30%，对应量程1(1～1 000 NTU)；将PWM调制成32.1 kHz，占空比40%，对应量程2(0～200 NTU)。

在量程1中，对18种浊度值溶液进行测量，其透射光电压V1000具体数据见表1。

在量程2中，对10种浊度值的溶液进行测量，其透射光电压V200数据见表2。

通过软件仿真建立浊度值与电压值的数学模型，其结果如图5所示。

表1 量程1中不同浊度的V1 000

表2 量程2中不同浊度的V200

图5 量程1与量程2的电压与浊度的关系

图5中，V为不同溶液测量的透射光电压值。由图5可知：浊度与电压间有较好的拟合结果，拟合度均大于0.9，量程1：K≈5.838×10-6；量程2：K≈6.004×10-6。透射光的电压随着浊度的增大而减小。在低浊度时，随着浊度的增大，量程2的电压减少较快，即单位浊度对应的电压下降更大，分辨力更高；反之，当浊度差值保持不变，量程2比量程1的差值较大，在微控制器的ADC标准电压不变的情况下，量程2先达到标准电压的最大值，其所对应的量程范围小于量程1的范围，实现了通过减小光强增大量程，符合式(8)中的理论结果。考虑到光源的使用寿命和实际的使用情况，一般将传感器设置为量程1。

3.2 仪器性能参数

3.2.1 模型1重复性误差

将校正好的传感器按照检定规程JJG880-2006进行仪器重复性误差测试，包括平均值、标准偏差、相对标准偏差的计算。仪器重复性误差的测试数据如表3。

表3 仪器复性误差数据

从表3测量实验数据计算可知，量程1的平均测量值为40.43NTU、标准偏差0.70、相对标准偏差为1.7%；量程2的平均测量值为40.15NTU、标准偏差0.42、相对标准偏差为1.0%。经过比较可知，量程2比量程1测量的浊度值更接近标准值，数据波动小，说明了量程2测量低浊度数据重复性误差更小，精密度更高。

3.2.2 模型1仪器示值误差

将校正好的传感器按照检定规程JJG880-2006进行仪器示值误差测试，包括平均值、相对误差。仪器示值误差实验结果如图6。

A-量程1内各测量值平均值，B-量程2内各测量值的平均值，C-浊度标称值，D-量程2内各测量值的相对误差，E-量程1内各测量值的相对误差。

(a)平均值比较

(b)相对误差比较图6 仪器示值误差

由图6(a)可知，在量程2内，所测量数据的平均值与标称值相差较小，距离标准值线C更近。使用量程1所测试的数据波动较大，且距离标准值线A较远。通过图6(b)中D、E线的比较可知，在量程2时，测量低浊度时相对误差比调整为量程1时较小，其示值误差分别为4.5%、10.0%，随着浊度的增大，量程2的示值误差在逐渐减小，经过分析是由于随着浊度增大，浊度示值误差计算所承受的浊度变动变大引起，但数据波动与量程2相比较为明显。该实验结果说明仪器在测量小浊度范围时，量程2的测量数据误差更小，实现了调节精度的可行性。反之，当把光强降低为量程1时，单位浊度引起的电压变化减小，在微控制器ADC最大标准采样值恒定不变的情况下，量程变大，实现量程调节的目的。

4 结束语

本文分析了透射光检测电压与浊度的关系。同种溶液，透射光检测电压随着入射光增大而增大，不同的溶液间透射光电压差随入射光强增大而增大。该电压差越大反映了单位浊度对应的电压越大。保持浊度间差值不变，浊度越小，电压差值随入射光强增大越快，说明在低浊度时受入射光强的影响更大。通过控制光强，改变不同溶液间的电压差值，改变传感器的精度和量程。在实验中以ADuCM360微控制器为核心搭建了实验平台。实验显示，量程2比量程1精度更高，更适合在低浊度精度要求高的场合使用；当光强降低为量程1时，量程1比量程2测量范围更大，实现了量程增大的目的。与传统浊度传感器相比较，量程与精度通过PWM调节方便，结构更加简单。根据实际情况设定特有的量程和精度，不局限于固定的量程切换，拓宽了浊度传感器的应用范围。