雙通道光纖濁度測量方法及傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水質(zhì)監(jiān)測濁度測量方法及傳感器，具體地是一種雙光源雙光電檢 測器的四光束的光纖濁度測量方法及傳感器。屬于傳感器測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 濁度是水的透明程度的量度。由于水中含有懸浮及膠體狀態(tài)的微粒，使得原是無 色透明的水產(chǎn)生渾濁現(xiàn)象，其渾濁的程度稱為渾濁度。濁度顯示出水中存在大量的細(xì)菌，病 原體，或是某些顆粒物。該些顆粒物可能保護(hù)有害微生物，使其在消毒工藝中不被去除。因 此無論在飲用水、工業(yè)過程或產(chǎn)品中，濁度都是一個非常重要的參數(shù)。濁度高意味著水中各 種有毒、有害物質(zhì)的含量高。因此水的濁度是一項(xiàng)重要的水質(zhì)指標(biāo)。對水的濁度進(jìn)行檢測， 是對各類水中非溶性物質(zhì)測量達(dá)到控制水質(zhì)的重要手段。當(dāng)一束入射光射進(jìn)水中，由于水 中懸浮物的存在，懸浮物上出現(xiàn)光學(xué)散射現(xiàn)象剩余的光會透過顆粒產(chǎn)生透射光。散射光強(qiáng) 與透射光強(qiáng)之比，與樣品的散射系數(shù)成正比。根據(jù)散射光系數(shù)來確定濁度值，該就是濁度測 量的基本原理。
[0003] 傳統(tǒng)的水質(zhì)濁度檢測方法是光學(xué)檢測法，光源產(chǎn)生的光未經(jīng)處理直接射入待測液 體中，忽略了水中的色度對光源的影響，測量系統(tǒng)雜散光干擾，懸浮顆粒粒徑對測量結(jié)果的 干擾等問題都會造成測量精度低的問題，同時光源波長的選擇對測量結(jié)果影響很大，因而 對光源具有很高的要求，抗干擾能力差，不易清洗。光纖傳感器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如便于微型 化和集成化，易于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器的便攜化；抗電磁干擾，且耐高溫高壓、抗腐蝕、便于遙測， 可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)、無損監(jiān)測。因此，利用光纖傳感對水質(zhì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式在線監(jiān)測具有良 好的發(fā)展前景。
[0004] 隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，測控儀表正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化 W及集成化的方向發(fā)展，用于濁度測定的濁度傳感器也逐漸向高智能化和高集成度方向的 發(fā)展。
[0005] 現(xiàn)有的光纖水質(zhì)濁度分析儀有的是利用光吸收原理，通過光強(qiáng)被吸收的多少來確 定被測溶液的濁度值。雖然光吸收方法十分簡單且容易應(yīng)用，但它的靈敏度不高，需要被測 水體中懸浮顆粒的含度比較高；有的采用測量與入射光方向90度角的散射光來確定濁度 值，但該種方法在測量高濁度水體是的線性度并不好；也有一部分濁度儀在測量散射光的 同時測量透射光，并采用比濁法，雖提高了精確度和線性度，但是卻不能有效的避免光源和 探測器的老化及不穩(wěn)定性對濁度測量的影響。同時，光纖濁度分析儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積較大， 現(xiàn)有的光纖濁度儀設(shè)有光發(fā)射器和光電接受器，而光發(fā)射器和光電接受器的光電特性與溫 度有很大關(guān)系，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，濁度測量結(jié)果就會出現(xiàn)偏差。在深海中檢測濁度時，隨 著汗水深度的增加，海水的溫度會急劇降低，會嚴(yán)重影響測量結(jié)果的精確度。此外，光纖濁 度儀工作時間久了，就會在探頭部分必然會受到懸浮物的污染而嚴(yán)重影響到測量結(jié)果的準(zhǔn) 確性，但如果在濁度儀中安裝除垢裝置導(dǎo)致體積龐大使用缺乏靈活性。如中國專利文獻(xiàn) CN201210401753. 4公開了一種光纖式激光液體濁度測量裝置及測量方法，其包括激光器調(diào) 制模塊、激光器、第一光纖、=端口光纖環(huán)形器、光纖準(zhǔn)直器、第二光纖、光纖探測器、信號放 大和解調(diào)模塊、光電檢測器及信號解調(diào)和處理系統(tǒng)。在測量系統(tǒng)中采用光纖環(huán)形器和準(zhǔn)直 器的全光纖結(jié)構(gòu)，基于后向散射光測量原理。采用的后向散射光測量原理，方法單一，導(dǎo)致 了濁度檢測的準(zhǔn)確性降低。光電檢測器檢測到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?，?jīng)信號放大和解 調(diào)模塊處理后送至單片機(jī)，由單片機(jī)得到解調(diào)后的信號電壓幅值。該測量系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)濁 度的在線監(jiān)測，不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。該專利設(shè)計的測量系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，沒有 考慮到溫度對濁度檢測的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明公開一種水體濁度的測量方法，采用雙光源+四光束+四光電檢測的方式， 旨在消除光源和探測器老化及不穩(wěn)定性、水的色度和水中氣泡對濁度測量的影響，提高測 量的精確度、抗干擾能力和工作穩(wěn)定性。
[0007] 本發(fā)明還公開一種光纖濁度傳感器，采用不同波長的兩個光源和光纖傳輸光信 號，旨在提供一種可W在線監(jiān)測濁度的便攜式裝置，該裝置可W避免外界對光信號的影響， 耐高溫高壓，抗電磁干擾，體積小成本低，而且集成了自清洗功能。
[000引為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了 W下技術(shù)方案：
[0009] 一種水體濁度的測量方法，包括：
[0010] 1)周期性地選通波長不同的兩個光源交替發(fā)光，
[0011] 2)對各個光源經(jīng)過水體的光線，從相互垂直呈90度的兩個方向同時測量散射光 信號和透射光信號；并采集水體的溫度信號；
[0012] 3)分別對散射光信號、透射光信號和溫度信號進(jìn)行信號處理；
[0013] 4)根據(jù)校準(zhǔn)參數(shù)，對處理后的濁度信號和溫度信號進(jìn)行計算處理，生成濁度值和 溫度值。
[0014] 具體地，
[0015] 在第1步中，每個周期內(nèi)，其中一個光源發(fā)光時，另一個光源關(guān)閉，兩個光源交替 發(fā)光；優(yōu)選每個周期為1S ;兩個光源的波長分別880nm、660nm ;
[0016] 在第2步中，各個光源的光線經(jīng)過被測水體后分兩路，分別用于測量散射光信號 和透射光信號；
[0017] 在第3步中，信號處理是指；將散射光信號、透射光信號生成濁度電信號，將溫度 信號生成溫度電信號；濁度電信號是指由散射光信號和透射光信號得到的透射-散射比 值；
[0018] 在第4步中，所述的對處理后的濁度信號進(jìn)行計算處理是指將濁度信號轉(zhuǎn)換為數(shù) 字信號，再由微處理器進(jìn)行計算，計算公式為；lnY = 41n 0 X，式中X為濁度值、Y為濁度數(shù) 字信號值，0為校準(zhǔn)參數(shù)；
[0019] 在第4步中，所述的對處理后的溫度信號進(jìn)行計算處理是指將濁度信號和溫度信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由微處理器進(jìn)行計算，計算公式為；Y= a Z2+eZ+丫；式中Y為濁度 數(shù)字信號值，Z為溫度數(shù)字信號，a、P、丫為校準(zhǔn)參數(shù)；
[0020] 一種雙通道光纖濁度傳感器，包括；光學(xué)測量模塊、溫度測量模塊、信號調(diào)理模塊 和數(shù)據(jù)處理模塊，其中，
[0021] 光學(xué)測量模塊，周期性地選通波長不同的兩個光源交替發(fā)光，各個光源的光線分 兩路，由兩個光電檢測器同時測量散射光和透射光，采集水體中的濁度光信號；
[0022] 溫度測量模塊，采集水體的溫度信號；
[0023] 信號調(diào)理模塊，分別對濁度光信號和溫度信號進(jìn)行處理，分別生成濁度電信號和 溫度電信號，并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊；
[0024] 數(shù)據(jù)處理模塊，對所測的濁度電信號和溫度電信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號，并根 據(jù)校準(zhǔn)參數(shù)對數(shù)字信號進(jìn)行計算處理，生成濁度值和溫度值；
[0025] 光學(xué)測量模塊和溫度測量模塊連接于信號調(diào)理模塊，信號調(diào)理模塊連接于數(shù)據(jù)處 理模塊。
[0026] 所述光學(xué)測量模塊包括信號發(fā)生器、整流器、雙路選通器、兩個驅(qū)動電路、兩個波 長不同的光源、兩束福射光纖，每束福射光纖配裝兩束接收光纖和兩個光電檢測器；信號發(fā) 生器、整流器、雙路選通器及驅(qū)動電路，交替驅(qū)動相應(yīng)的光源發(fā)光，光線經(jīng)福射光纖和兩束 接收光纖，散射光和透射光信號進(jìn)入各自對應(yīng)的光電檢測器；
[0027] 所述光纖采用塑料多模光纖；所述光電檢測器采用日本濱松光電檢測器；
[002引所述的光學(xué)測量模塊還包括：設(shè)在光源與福射光纖間的藍(lán)寶石透鏡1及濾波片； 光發(fā)射器窗口玻璃1和光電檢測器窗口玻璃2采用藍(lán)寶石透鏡，與福射光纖尾端對應(yīng)設(shè) 置；
[0029] 福射光纖尾端與一個接收光纖前端呈90度角、與另一接收光纖前端相向；
[0030] 所述的光學(xué)測量模塊還包括設(shè)在接收光纖尾端與光電檢測器間的藍(lán)寶石透鏡、帶 通濾波片；
[003U 所述兩個波長不同的光源，分別是為波長880nm和660nm的兩個LED光源；其對 應(yīng)的濾光片的波長分別為660±15nm、880±15nm ;所述的光電檢測器波峰為780nm，帶寬為 600nm?900nm，其對應(yīng)的帶通濾波片的波長為780 + 120nm ;
[0032] 所述溫度測量模塊包含溫度探頭，探頭采用PtlOO銷電阻；
[0033] 所述信號調(diào)理模塊包括電路轉(zhuǎn)換放大電路、放大整流濾波電路和除法器；電流轉(zhuǎn) 換放大電路，用于將測量得到的散射光、透射光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并對轉(zhuǎn)換得到的電信號 進(jìn)行放大處理；再通過放大整流濾波電路進(jìn)行二級放大、整流、濾波，形成直流信號；將所 得的散射光、透射光直流信號送入除法器得到透射-散射比值；溫度信號經(jīng)放大整流濾波 電路處理后得到一個溫度值送入數(shù)據(jù)處理模塊中。
[0034] 所述數(shù)據(jù)處理模塊包括微處理器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線接口，其中，微處理器通過A/ D轉(zhuǎn)換器與所述的信號調(diào)理模塊連接，用于對所測的濁度電壓信號和溫