專利名稱：一種濁度測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濁度測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，是一種采用單平行光束照射待測(cè)環(huán)境并在光軸同側(cè)且與光軸保持相等距離的多個(gè)位置同時(shí)探測(cè)90度散射光功率的濁度探測(cè)方法和基于該方法的濁度測(cè)量裝置，可用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)、污水處理、化工及食品醫(yī)藥等領(lǐng)域的濁度測(cè)量。
背景技術(shù)：
光學(xué)傳感器是指?jìng)鞲衅鞯暮诵拿舾袡C(jī)理為光學(xué)部分的傳感器。光學(xué)傳感器具有靈敏度高，電絕緣性好，抗電磁干擾，容易微型化等諸多優(yōu)點(diǎn)，特別適宜運(yùn)用于長期在線探測(cè)。 以水環(huán)境監(jiān)測(cè)為例，典型的應(yīng)用有熒光法測(cè)量光學(xué)溶解氧和羅丹明，90°散射法測(cè)量濁度。水體濁度反映泥沙、粘土、微細(xì)的有機(jī)物和無機(jī)物、可溶的有色有機(jī)化合物以及浮游生物和其它微生物等懸浮物質(zhì)的含量。這些懸浮物質(zhì)能吸附細(xì)菌和病毒。一般來說，濁度越高，水體清潔程度越低。濁度的測(cè)量方法包括透射法和散射法。當(dāng)前濁度測(cè)量裝置一般使用散射法測(cè)量。在低濁度時(shí)能取得線性度較好的數(shù)據(jù)。散射濁度探測(cè)法按被接收的散射光與入射光的夾角不同分為直角散射(90° )， 前向散射(< 90° )和后向散射(> 90° )三種。入射光方向與試樣表面的夾角又可分為垂直入射和傾斜入射。對(duì)于在線測(cè)量，由于體積等因素限制，現(xiàn)有的濁度儀裝置的光路一般難以保證90°散射測(cè)量。但散射法測(cè)量的光強(qiáng)為平行光與顆粒作用形成。顆粒的直徑能使散射光強(qiáng)在空間的分布改變。在90°這一角度光強(qiáng)幅度改變最小。同時(shí)90度散射能最大程度避免雜散光，因而使用嚴(yán)格90度散射對(duì)于降低誤差有很大作用。IS07027標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了散射光測(cè)量法的5個(gè)基本條件。(1)入射光線波長采用860nm ；(2)入射光線光譜半寬度小于60nm ；(3)入射的平行光線沒有發(fā)射性，散焦不超過1. 5度；(4)入射光軸與散射光光軸間的夾角測(cè)量角0 = 90° 士2. 5° ；(5)儀器的孔徑角介于20度-30度之間。水體濁度監(jiān)測(cè)裝置，特別是長期在線探頭式監(jiān)測(cè)裝置，不易完全滿足IS07027標(biāo)準(zhǔn)，且因部件老化和窗口的污染隨著時(shí)間在加劇，對(duì)濁度測(cè)量有較大影響，易導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的精度降低。因而這類在線濁度探測(cè)裝置需要較頻繁的人工維護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種濁度測(cè)量方法及裝置，以克服現(xiàn)有的濁度測(cè)量裝置，特別是在線水體濁度探頭，一般難以完全滿足IS07027標(biāo)準(zhǔn)，且探測(cè)方式一般為單點(diǎn)探測(cè)，容易受到溫度等外界因素的影響，難以克服窗口污染、光源漂移引入的誤差等缺陷。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種濁度測(cè)量方法，其包括a)采用一束平行光照射待測(cè)環(huán)境；
b)并利用至少兩個(gè)同樣的光電探測(cè)器，探測(cè)其傳播光路中多個(gè)位置的90度散射光功率；c)所有探測(cè)點(diǎn)均位于光軸同側(cè)，且與光軸保持相等距離；d)通過對(duì)探測(cè)值的數(shù)學(xué)處理，獲得待測(cè)環(huán)境的濁度值。一種所述的濁度測(cè)量方法使用的濁度測(cè)量裝置，其包括殼體，平行光發(fā)射系統(tǒng)，硅光電接收系統(tǒng)和信號(hào)處理電路；筒狀殼體一端封閉、另一端為敞口，其內(nèi)腔中設(shè)有信號(hào)處理電路，殼體頭端內(nèi)腔里集成有平行光發(fā)射系統(tǒng)和硅光電接收系統(tǒng)，平行光發(fā)射系統(tǒng)和硅光電接收系統(tǒng)均與信號(hào)處理電路電連接，殼體尾端中部為一水封插頭，水封插頭連接上位機(jī)并雙向通訊、連接各部件提供電源；殼體敞口端與殼體頭端后部可分離的固接；
殼體頭端前端還設(shè)有取樣罩。所述的濁度測(cè)量裝置，其所述平行光發(fā)射系統(tǒng)，包括LED光源，棱鏡及凸透鏡；LED 光源的出射光光路上順序設(shè)有凸透鏡、棱鏡；LED光源發(fā)出的光束經(jīng)凸透鏡調(diào)整為平行光束，沿裝置軸線方向發(fā)射，再經(jīng)過90 度反射棱鏡調(diào)整光束方向，使得沿光程探測(cè)的散射光線始終為90度散射光。所述的濁度測(cè)量裝置，其所述棱鏡，其處理方式是使用棱鏡反射面鍍膜，或使用棱鏡保護(hù)模塊，棱鏡鑲嵌于保護(hù)模塊內(nèi)，且棱鏡反射面與保護(hù)模塊間有一密封腔體，填充有干燥氣體。所述的濁度測(cè)量裝置，其所述硅光電接收系統(tǒng)，包括至少兩個(gè)光敏元件，兩個(gè)光敏元件的探測(cè)端位于殼體頭端外側(cè)，兩個(gè)光敏元件探測(cè)端上由內(nèi)向外各順序覆有濾光鏡片、 光闌、密封窗鏡；照射待測(cè)物的散射光從密封窗鏡進(jìn)入光闌，再透過濾光鏡片射入光敏元件；其使得光敏元件的探測(cè)孔徑角小于20度，降低了發(fā)射光譜半寬度，且能同時(shí)接收到多組散射光測(cè)量值。所述的濁度測(cè)量裝置，其所述至少兩個(gè)光敏元件，是分布于以平行光發(fā)射系統(tǒng)出射光軸的同一側(cè)，且與光軸保持相等距離。所述的濁度測(cè)量裝置，其所述殼體敞口端與殼體頭端后部可分離的固接，是為螺接，相接處設(shè)有密封圈密封，能進(jìn)行拆卸，便于光學(xué)部分和電路部分調(diào)試與維護(hù)；殼體內(nèi)腔里還設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，殼體頭端內(nèi)腔里還設(shè)有步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸固接有表面清潔塊，表面清潔塊貼覆于棱鏡或保護(hù)模塊、密封窗鏡外表面，電機(jī)軸與殼體頭端之間由密封圈做防水處理，步進(jìn)電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片與信號(hào)處理電路電連接；啟動(dòng)后，電機(jī)軸帶動(dòng)起隔離保護(hù)和潔凈維持作用的表面清潔塊擦拭殼體頭端外表所述的濁度測(cè)量裝置，其所述取樣罩，內(nèi)壁涂有吸光材料或進(jìn)行發(fā)黑處理，在樣罩壁對(duì)應(yīng)光軸的位置具有與外部環(huán)境相連通的孔道，便于測(cè)試樣品的進(jìn)出；取樣罩與殼體頭端前端使用螺紋套扣連接。所述的濁度測(cè)量裝置，其所述表面清潔塊，是使用橡膠材料制作。本發(fā)明的方法測(cè)量水體同一平面得到的多個(gè)散射光功率值，由其比值反映濁度， 精度高，消除了光源的不穩(wěn)定性，降低了溫度誤差和窗口污染對(duì)濁度測(cè)量的影響，延長了人工清潔維護(hù)周期，提高了測(cè)量精度。探頭光路系統(tǒng)在任何條件下都滿足90度散射。使用的光源若為860nm，探測(cè)即完全符合IS07027標(biāo)準(zhǔn)。具有較高的精度和抗干擾能力，可以長期精確的在水下工作。


圖1 本發(fā)明的水體在線濁度探頭裝置的主視圖；圖2 本發(fā)明的水體在線濁度探頭裝置仰視圖(表面清潔塊閉合狀態(tài))；圖3 本發(fā)明的水體在線濁度探頭裝置仰視圖(表面清潔塊開啟狀態(tài))；圖4 利用本發(fā)明的測(cè)試裝置取得的濁度數(shù)據(jù)示意圖；圖5 利用本發(fā)明的測(cè)試裝置取得的消除光源漂移數(shù)據(jù)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1—?dú)んw2—平行光發(fā)射系統(tǒng)3—硅光電接收系統(tǒng)
4—步進(jìn)電機(jī)5—濾光片一6—濾光片二
7—光敏元件一8—光敏元件二9-LED光源
10-棱鏡11-水封插頭12-信號(hào)處理系統(tǒng)
13-電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片14-軸水封墊圈15-電機(jī)軸
16-凸透鏡17-密封窗鏡一18-光闌一
19-密封窗鏡20-光闌二21-表面清潔塊
22-殼體頭端23-殼體體端24-殼體墊圈
25-棱鏡保護(hù)模塊26-取樣罩
具體實(shí)施例方式以Pci表示入射光強(qiáng)，h表示樣品的吸收系數(shù)，k表示其散射系數(shù).當(dāng)平行光束通過厚度為X的樣品后，光功率應(yīng)為P (χ) = P0 exp [- (k+h) χ]對(duì)上式求導(dǎo)，可得功率為P(X)的平行光束通過厚度為dx的樣品的散射功率。對(duì)于低吸收的液體(h · χ趨近于0)，這一散射光功率Ps為
權(quán)利要求
1.一種濁度測(cè)量方法，其特征在于，包括a)采用一束平行光照射待測(cè)環(huán)境；b)并利用至少兩個(gè)同樣的光敏元件，探測(cè)其傳播光路中多個(gè)位置的90度散射光功率；c)所有探測(cè)點(diǎn)均位于光軸同側(cè)，且與光軸保持相等距離；d)通過對(duì)探測(cè)值的數(shù)學(xué)處理，獲得待測(cè)環(huán)境的濁度值。
2.一種如權(quán)利要求1所述的濁度測(cè)量方法使用的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，包括殼體(1)，平行光發(fā)射系統(tǒng)O)，硅光電接收系統(tǒng)⑶和信號(hào)處理電路(12)；筒狀殼體⑴一端封閉、另一端為敞口，其內(nèi)腔中設(shè)有信號(hào)處理電路(12)，殼體頭端0 內(nèi)腔里集成有平行光發(fā)射系統(tǒng)(2)和硅光電接收系統(tǒng)(3)，平行光發(fā)射系統(tǒng)(2)和硅光電接收系統(tǒng)(3)均與信號(hào)處理電路(1 電連接，殼體尾端中部為一水封插頭(11)，水封插頭(11)連接上位機(jī)并雙向通訊、連接各部件提供電源；殼體(1)敞口端與殼體頭端02)后部可分離的固接；殼體頭端0 前端還設(shè)有取樣罩06)。
3.如權(quán)利要求2所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述平行光發(fā)射系統(tǒng)0)，包括LED 光源(9)，棱鏡(10)及凸透鏡(16) ；LED光源(9)的出射光光路上順序設(shè)有凸透鏡(16)、棱鏡(10)；LED光源(9)發(fā)出的光束經(jīng)凸透鏡(16)調(diào)整為平行光束，沿裝置軸線方向發(fā)射，再經(jīng)過 90度反射棱鏡(10)調(diào)整光束方向，使得沿光程探測(cè)的散射光線始終為90度散射光。
4.如權(quán)利要求3所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述棱鏡(10)，其處理方式是使用棱鏡反射面鍍膜，或使用棱鏡保護(hù)模塊(25)，棱鏡(10)鑲嵌于保護(hù)模塊05)內(nèi)，且棱鏡反射面與保護(hù)模塊0 間有一密封腔體，填充有干燥氣體。
5.如權(quán)利要求2所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述硅光電接收系統(tǒng)(3)，包括至少兩個(gè)光敏元件(7，8)，兩個(gè)光敏元件(7，8)的探測(cè)端位于殼體頭端0 外側(cè)，兩個(gè)光敏元件(7，8)探測(cè)端上由內(nèi)向外各順序覆有濾光鏡片(5，6)、光闌(18，20)、密封窗鏡(17，19)； 照射待測(cè)物的散射光從密封窗鏡(17，19)進(jìn)入光闌(18，20)，再透過濾光鏡片(5，6)射入光敏元件(7，8)；其使得光敏元件(7，8)的探測(cè)孔徑角小于20度，降低了發(fā)射光譜半寬度，且能同時(shí)接收到多組散射光測(cè)量值。
6.如權(quán)利要求3或5所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述至少兩個(gè)光敏元件(7， 8)，是分布于以平行光發(fā)射系統(tǒng)O)出射光軸的同側(cè)，且與光軸保持相等距離。
7.如權(quán)利要求2所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述殼體(1)敞口端與殼體頭端 (22)后部可分離的固接，是為螺接，相接處設(shè)有密封圈04)密封，能進(jìn)行拆卸，便于光學(xué)部分和電路部分調(diào)試與維護(hù)；殼體(1)內(nèi)腔里還設(shè)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(13)，殼體頭端0 內(nèi)腔里還設(shè)有步進(jìn)電機(jī)G)，步進(jìn)電機(jī)的電機(jī)軸(1 固接有表面清潔塊(21)，表面清潔塊 (21)貼覆于棱鏡(10)或保護(hù)模塊(25)、密封窗鏡(17，19)外表面，電機(jī)軸(15)與殼體頭端02)之間由密封圈(14)做防水處理，步進(jìn)電機(jī)⑷與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(13)電連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(13)與信號(hào)處理電路(12)電連接；啟動(dòng)后，電機(jī)軸(15)帶動(dòng)起隔離保護(hù)和潔凈維持作用的表面清潔塊擦拭殼體頭端02)外表面。
8.如權(quán)利要求2所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述取樣罩( )，內(nèi)壁涂有吸光材料或進(jìn)行發(fā)黑處理，在樣罩壁對(duì)應(yīng)光軸的位置具有與外部環(huán)境相連通的孔道，便于測(cè)試樣品的進(jìn)出；取樣罩06)與殼體頭端0 前端使用螺紋套扣連接。
9.如權(quán)利要求7所述的濁度測(cè)量裝置，其特征在于，所述表面清潔塊(21)，是使用橡膠材料制作。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種濁度測(cè)量方法及裝置，涉及濁度探測(cè)技術(shù)，該方法是采用一束平行光照射待測(cè)環(huán)境，并探測(cè)其光路中的多個(gè)位置的90度散射光功率，通過對(duì)探測(cè)值的數(shù)學(xué)處理，獲得待測(cè)環(huán)境的濁度值。該方法的測(cè)量裝置，封裝為探頭形式，包括殼體，平行光發(fā)射系統(tǒng)，光電接收系統(tǒng)，信號(hào)處理電路。其光路結(jié)構(gòu)在任何條件下都滿足90度散射探測(cè)，并可縮小裝置體積。本發(fā)明消除了光源的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量的影響，降低了溫度誤差和窗口污染對(duì)濁度測(cè)量的干擾，延長了人工清潔維護(hù)周期，提高了測(cè)量精度。測(cè)量裝置體積小，功耗低，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，符合ISO7027標(biāo)準(zhǔn)，安裝調(diào)試方便，可應(yīng)用于多種環(huán)境的濁度測(cè)量及智能監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/49GK102445437SQ20101050416
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者劉橋, 劉瑞鵬, 祁志美 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所