王志丹,常建华,2,3,朱成刚,伍　煜

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 滨江学院 电子工程系，江苏 南京 210044)

新型宽量程浊度传感器设计*

王志丹1,常建华1,2,3,朱成刚1,伍煜1

(1.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省大气环境与装备技术协同创新中心，江苏 南京 210044;3.南京信息工程大学 滨江学院 电子工程系，江苏 南京 210044)

摘要:针对90°散射法和表面散射法分别只适用于低浊度和高浊度范围测量的技术特点，提出了一种90°散射法与表面散射法相结合的宽量程浊度测量新方案。基于该思想设计了新型的浊度探测结构，将两种浊度测量方法集成于一个浊度传感器探头，大大拓宽了浊度测量范围，且有效降低了传感器的体积和成本。实验结果显示：该浊度传感器能够准确测量0～4 000 NTU范围内待测溶液的浊度，且测量精度在±5 %FS以内，在保证测量精度的前提下显著提高了浊度传感器的测量范围。

关键词：浊度传感器；90°散射；表面散射；宽量程

0引言

水的浊度是泥沙、粘土、微细的有机物和无机物、可溶的有色有机化合物以及浮游生物和其它微生物等悬浮物质所引起的。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，会引发疾病传播；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，对水体浊度的在线检测具有非常重要的现实意义[1,2]。

目前，浊度的测量大多基于光电的测量原理，这是因为相比于传统的化学分析方法，光学测量具有测量速度快、精度高、成本低、实时在线检测等诸多优势。常见的基于光学测量原理的方法有透射法和散射法[3]。透射法通过测定水体的吸光度反映浊度，该方法易受到水体色度的干扰[4]。散射法与透射法相比，在低浊度下具有检测下限低、灵敏度高的优点并且90°散射法也是ISO 7027水质浊度的测量[5]中规定的浊度测量方法。但是90°散射法测量范围较窄，因为在高浊度下发生的多次散射现象，使散射光强度迅速下降，这时测得的散射光强度值已不能正确反映真实的浊度值[6～8]。

本文提出了一种浊度测量的改进方法。在测量90°散射光的基础上，增加对表面散射光的测量。在低浊度范围内使用90°散射法的测量值，在高浊度使用表面散射法的测量值，以此得到待测液体的浊度。利用这一方法设计了一种新型的浊度传感器探测结构，该结构将两种测量方法集成到一个浊度传感器的探头上，大大简化了浊度传感器的光路结构设计，降低了浊度传感器的体积和成本。

1基本原理

如图1所示,X轴下方充满溶液，有一光强为I0的细平行光束沿θ角入射到溶液中，根据比尔—朗伯定律到达m处的光强Ix为

Ix=I0e-K1Txsin θ

(1)

式中T为浊度,I0为入射光强,K1为吸收系数。光束传播到m处，其90°方向的散射光，经过溶液传播衰减后，在x处的光强Is为

Is=KsTIxe-K1Txcos θ

(2)

式中Ks为散射系数。将式(1)带入式(2)得到

Is=KsTI0e-K1Txsin θe-K1Txcos θ

(3)

图1　90°散射与表面散射法原理Fig 1　Principle of 90° scattering and surface scattering method

在位置x处取无穷小量d x，设通过该区域的散射光强dIs为

dIs=KsTI0e-K1Txsin θe-K1Txcos θsin θdx

(4)

在x1～x2的范围内，即浊度传感器的光电二极管的接收范围内，所能接收到的90°方向的散射光，经过溶液传播衰减后，总的散射光强Iss为

(5)

式中Kss=Kssin θ，K11=K1(sin θ+cos θ)，Δx=x2-x1，可见总散射光强度与浊度T不是线性关系。用泰勒级数将式(5)展开，略去二阶无穷小量得到

Iss=KssI0(1-K11Tx1)TΔx

(6)

在低浊度K11Tx1≪1时

Iss=KssI0TΔx

(7)

由此可见，散射光强Iss与浊度T和Δx呈正比。

(8)

(9)

综上可知，表面散射法可以有效弥补90°散射法的不足，在较大的浊度范围内进行测量还能获得较好的线性关系。

2浊度传感器的设计

基于90°散射和表面散射法的浊度传感器主要由光学部分和电路部分构成。光学部分主要包括光学浊度传感器探头结构及其光路设计；电路部分主要包含光源、光电探测器、信号的采集与处理、单片机处理以及串口通信模块，系统结构框图如图2所示。

图2　系统结构框图Fig 2　Block diagram of system structure

2.1传感器探头结构

为了能够同时测量90°散射光和表面散射光，本文设计了一种新的散射光路结构，如图3所示。浊度传感器的探头由光源、光电探测器、光学窗以及透镜组成。隔离板的作用是防止光源发出的光直接进入光电探测器，对测量造成干扰。此外，浊度传感器探头的端面采用斜面式的设计，这样设计的优点是当传感器浸入待测液体进行浊度测量时，如有气泡附着，液体的压力会迫使气泡沿着斜面向上排出，从而有效减小气泡在测量过程中带来的干扰，提高测量精度。

2.2光源与光电探测器

光源选用的是Marktech公司制造的发光二极管(LED，MTE8760NJ2)，波长峰值为870 nm。选择发光峰值位于近红外波段的光源，这是因为该波段光能有效降低液体色度对浊度测量的影响[9]。光源采用恒流电路进行供电，采用较为常见的运算放大器反馈恒流电路。光电探测器采用PIN光电二极管，它的特点是结电容小、渡越时间短、灵敏度高。

2.3信号采集与处理电路

本系统的信号采集与处理电路包括I/V转换电路、A/D转换电路以及单片机和串口输出单元。由于光电二极管产生的电信号很微弱，一般在μA量级，所以,应选择合适的运算放大器来实现I/V转换。本文选择的是AD549，其输入偏置电流低达150 fA。A/D转换采用MSP430内部自带的ADC12模块，分辨率为12位。串口通信使用MAX3221来完成RS—232电平转换。

3实验结果与分析

实验过程中，使用4 000 NTU的福尔马肼标准液，利用实验室的烧杯、量筒、滴定管配置了17种不同浓度的标准液，测试结果如图4所示。

图4　90°散射信号与标准浊度液的关系曲线Fig 4　Curve of relationship between 90°scattering signal and standard turbidity solution

由图4可知，90°散射法在低浊度呈现较好的线性关系，当浊度上升到一定值时(1 000 NTU)，水样对光的吸收作用会削弱散射光强，导致输出曲线出现转折。特别是超过3 000 NTU后，散射光强的衰减相当大，此时很难再进行准确的测量，所以,90°散射法精确测量浊度的范围是有限的。而由图5可知，表面散射法在较大的浊度范围内呈现较好的线性，但在测量低浊度时，由于微小的浊度变化所引起的表面散射光变化很小，对光电探测器和放大器的分辨率和稳定性的要求非常高，在传感器和光源的稳定性不够强时采取表面散射法会影响低浊度探测的准确性，因此，将两种测量方法有机结合既可提高浊度测量精度又可有效拓宽浊度测量范围。图6给出了在0～300 NTU内测量时，选用90°散射法，图7给出了在300 NTU以上测量时，选用表面散射法的测量结果及其线性拟合曲线。

图5　表面散射信号与标准浊度值的关系曲线Fig 5　Curve of relationship between surface scattering signal and standard turbidity value

图6　0～300 NTU内90°散射的拟合曲线Fig 6　Fitting curve of 90°scattering within 0～300 NTU

图7　300～4 000 NTU内表面散射的拟合曲线Fig 7　Fitting curve of surface scattering within 300～4 000 NTU

图6为浊度在0～300 NTU内90°散射法的拟合结果：y=0.011 24x+5.345，相关系数R=0.994 6；图7为浊度在300～4 000 NTU内表面散射法的拟合结果：y=0.007 5x+126.78，相关系数R=0.993。利用上述拟合结果，利用设计的浊度传感器测量了10种不同浊度的标准液，实测数据如表1所示。

表1　实际测量结果

由表1可知，当液体浊度在0～4 000 NTU范围内变化时，浊度传感器的测量精度在5 %FS以内，在保证测量精度的前提下大幅提高了浊度传感器的测量范围。

4结论

本文设计并研制了一种新型宽量程浊度传感器。该浊度传感器采用90°散射和表面散射相结合的测量方法，在低

浊度0～300 NTU范围内使用90°散射法的测量值，在高浊度300 NTU以上使用表面散射法的测量值，以此得到待测液体的浊度。基于该方法设计了一种新型的浊度探测结构，通过合理的光路设计，将两种浊度测量方法集成到一个浊度传感器的探头上，降低了浊度传感器的体积和成本。实验结果显示：该测量系统能够准确测量0～4 000 NTU浊度范围内的待测溶液的浊度，且测量精度在5 %FS以内。该浊度传感器具有结构简单、检测范围大、体积小、成本低等特点，在污水处理、啤酒生产等领域具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]Girao P,Pereira M,Ramos H.An IR turbidity sensor:Design and application[C]∥IEEE Instrumentation and Technology Confe-rence,Anchorage,AK,USA,2002:535-539.

[2]索猛，罗益眀.基于STM32的循环水在线监测系统设计[J].仪表技术与传感器，2014，10(12):78-83.

[3]张恺，张玉钧，殷高方，等.综合散射法与透射法测量水浊度的研究[J].大气与环境光学学报，2011,6(2):100-105.

[4]Wang A,Xie Y,Liang Z H.Study on determination of water co-lority[J].Environmental Monitoring in China,2000,16(2):37-40.

[5]International Organization for Standardization.ISO7027 Water quality-determination of turbidity[S].1999.

[6]孟庆磊，孙国强，佟国香．液体浊度测量系统[J]．仪器仪表学报，2005,26(8):252-253.

[7]Mizaikoff B.Infrared optical sensors for water quality monito-ring[J].Water Science and Technology,2003,47(2):35-42.

[8]Baiden G,Bissiri Y,Masoti A.Paving the way for a future underwater omni-directional wireless optical communication syste-m[J].Ocean Engineering,2009,36:633-640.

[9]Hongve D,Akesson G.Comparison of nephelometric turbidity measurements using wavelengths 400,600 and 860nm[J].Water Research,1998,32(10):3143-3145.

Design of new type of wide-range turbidity sensor*

WANG Zhi-dan1,CHANG Jian-hua1,2,3,ZHU Cheng-gang1,WU Yu1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing, Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;2.Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China;3.Department of Electronic Engineering,Binjiang College,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing 210044,China)

Abstract:Since 90° scattering method and surface scattering method only suitable for low and high turbidity range measurement,a novel wide-range turbidity measurement scheme is proposed by incorporating both the above two methods.A new type of turbidity detecting structure integrates the two measurement methods in one turbidity sensor probe is designed based on this idea,which can greatly broaden turbidity measurement range and effectively reduce volume and cost of sensor.Experimental results show that the turbidity sensor can precisely measure turbidity of solution under test in a wide range of 0～4 000 NTU,with measurement precision within ±5 %FS,on the premise of assuring measurement precision,measurement range is improved obviously.

Key words:turbidity sensor;90°scattering;surface scattering;wide-range

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0077—03

收稿日期：2015—08—10

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(11374161)；中国博士后科学基金资助项目(2015M571781)；江苏省博士后科研计划资助项目(1401022B)；江苏省信息与通信工程优势学科资助以及2014年度大学生实践创新训练计划资助项目

中图分类号：TP 212

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)05—0077—03

作者简介:

王志丹(1990-)，男，江苏盐城人，硕士，主要从事光电传感技术研究。