许 金，张晓昶，叶 懋，李 姮，王明杰

(1.广西自动检测技术与仪器重点实验室，广西桂林 541004；2.桂林电子科技大学教学实践部，广西桂林 541004；3.桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林 541004)

0 引言

浊度常用来表征液体的浑浊度，是由水体中无机物、胶体物质和浮游生物等悬浮物对光的吸收和散射作用形成的光学效应[1]。浊度测量在供水及环境保护等行业有着广泛的用途，是评价水体质量的重要依据之一。水体的浑浊度越高，对光的反射和散射作用就越强，而透射作用就越弱，因此通过测定散射光强或透射光强的变化，可实现水样浊度的测量[2]。

20世纪90年代后，随着科学技术的发展，国外一些仪表公司开发了技术先进、性能优良的浊度仪。美国哈希(HACH)公司推出了2100Q型便携式浊度仪，其采用了HACH在浊度测量领域的比率测量技术专利，提高了仪器的精确度、灵敏度和可靠性[3]。国内浊度仪的研究相对国外起步较晚，上海昕瑞公司生产的WGZ系列浊度仪产品[4]，其技术指标达到了较高水平，但大部分国产浊度仪的性能指标相比国外同类产品仍有较大差距[5-6]。

本文提出了散射式红外浊度仪的设计方案。浊度仪以ARM微控制器为核心，采用恒流源驱动红外LED作为测量光源，以TSL2581光强传感器为检测单元，并使用OLED显示屏设计友好的人机交互界面。基于GRIN-Lens自聚焦透镜分别设计了光源准直光路和散射光自聚焦光路，简化了光路设计，提高了系统稳定性。通过3D打印技术，设计并加工了机械装置，搭建了避免受外界扰动的一体化测量系统，提高浊度仪抗干扰性、便携性。

1 浊度测量原理

浊度的测量方法主要分为散射法和透射法，透射法测量原理遵循朗伯—比尔定律，其线性范围较广，但在测量低浊度时，大部分光直接透射进入检测器，透射光强无法体现浊度的微小变化，测量精度和灵敏度较低；对于散射法测量浊度，在中、低浊度范围内，散射光强与浊度有着较好的线性关系，当浊度超过2 000 NTU时，由于水样中悬浮物对入射光进行多次散射，导致散射光强开始减弱，散射光强与浊度间的关系较复杂且并非完整的线性关系[7]。为实现较高的测量精度和灵敏度，本文采用垂直散射法测量原理设计浊度测量系统，以满足一般环境水体的浊度测量需求。

根据测量的散射光和入射光之间的角度，散射法分为垂直(90°)散射、前向散射和后向散射3种方式。其中，在90°方向上的散射光强对悬浮物颗粒粒径的变化不敏感，且不易受杂散光的影响[8]。散射法测量浊度主要是利用瑞利散射(RayLeigh)原理和米氏散射(Mie)原理实现[9]，当水样中悬浮物颗粒粒径小于光源波长时，90°方向的散射光强Ir可以用RayLeigh定律描述：

(1)

式中：I0为入射光强度；λ为入射光波长；N为单位体积微粒数；V为微粒体积；Kr为RayLeigh散射系数。

当水样中悬浮物颗粒粒径大于等于光源波长时，散射光强Im可以用Mie定律描述：

Im=KmANI0

(2)

式中：A为微粒表面积；Km为Mie散射系数。

RayLeigh定律中，当入射光波长和微粒体积一定时，90°方向的散射光强Ir与浊度成正比；Mie定律中，当微粒表面积一定时，Im也与浊度成正比。因此，综合RayLeigh定律和Mie定律，散射法测量浊度时，90°方向的散射光强与浊度成正比，散射光强度Is可表示为

Is=KsTI0

(3)

式中：Ks为散射系数；T为水样浊度。

因此，可根据90°方向散射光的强度反应样品浊度。

2 浊度测量系统方案设计

2.1 浊度测量系统总体设计

浊度测量系统原理框图如图1(a)所示，发光二极管作为测量光源，入射光经过透镜准直后进入四面通透的荧光石英比色皿并发生散射作用，90°方向的散射光通过透镜聚焦于光强传感器上完成采集。系统设计了光源恒流驱动模块、光强检测模块、功能按键模块、OLED显示模块和逻辑控制模块，ARM微控制器通过电流检测控制恒流源模块驱动光源输出恒定发光功率，实时获取光强传感器的采集值并通过OLED显示屏完成人机交互。采用3D打印技术实现了浊度仪光路系统机械结构，如图1(b)所示。光源与检测器两端的GRIN-Lens透镜分别实现了光源准直和自聚焦功能，并通过机械紧密装配与光源恒流模块和TSL2581检测模块构成一体式光路系统。

2.2 光学透镜设计

标准ISO 7027-1:2016中规定：散射法测量浊度时散射光(比浊法测量)相对于入射光束的检测角度为 90°，孔径角最大为30°；入射光波长应在830～890 nm范围内，并需为平行光且没有发散性，散焦不超过1.5°。为满足ISO标准对入射光源和散射光的要求，浊度仪选用了自聚焦透镜搭建光路系统。自聚焦透镜是一种折射率分布沿径向渐变的柱状光学透镜，其焦点在透镜的表面[10]，这允许将光纤直接粘合到透镜上，也是GRIN透镜的主要应用之一。自聚焦透镜的中心部位折射率最高，并从轴部随径向向外递减，折射率N(r)分布为

(4)

式中：A为自聚焦透镜的折射率分布常数；N0为自聚焦透镜的中心折射率，r为距离中心的径向距离。

在自聚焦透镜中，光束根据折射率的分布在透镜内沿正弦路径传播[11]，光路周期宽度称为节距P，节距与透镜长度Z之间的关系如下：

(5)

对于不同长度的自聚焦透镜，可以得到如图2所示的光线传播轨迹。当自聚焦透镜长度为0.25P和0.75P时，一束平行光入射到透镜，在透镜另一端形成聚焦作用；汇聚在一点的光入射到透镜，在透镜另一端形成准直光。当自聚焦透镜长度为0.5P和1.0P时，入射端面的物像经过透镜后，在出射端面分别形成倒立和正立的像。本文选用0.25P长度的自聚焦透镜进行光路设计，一个在光源处利用准直作用得到平行的入射光，另一个GRIN镜头收集散射光并将其聚焦在光频传感器上，检测角度为90°。光源和传感器可直接和透镜贴合，避免了传统透镜需要根据焦距设计光路的问题。

图2 不同长度自聚焦透镜的传播光路

2.3 硬件电路设计

根据国际标准的要求，浊度测量系统选用波长为880 nm的红外LED(欧司朗，sfh485)作为测量光源。由于LED的电压-电流关系近似指数，微小的电压波动都会引起很大的光强波动，为提高浊度测量系统的准确性，保持恒定的发光功率，设计了光源恒流驱动电路，原理图如图3所示。电流源芯片LT3092和两个电阻(R9、R14)构成恒流源，可向光源输出恒定电流，通过调节可调电阻R14设定光源DS1的电流：I=10 μA×R9/R14。使用INA194构成电流采样电路，实时对采样电阻R10两端的压降进行监测，从而实现电流采样，INA194芯片1脚OUT端的输出电压为：UOUT=50×I×R10。运算放大器LM358构成电压跟随电路，将同相端连接至INA194芯片OUT端，输出端连接至ARM微控制器的ADC模块，对电压进行采集并通过运算转换成电流值，实现对光源电流的监测。为实现暗电流采集，需对光源进行控制，使用三极管MMBT3904和场效应管CSD18531Q5A设计了光源开关电路。

图3 光源恒流驱动原理图

光强检测电路如图4所示，使用TSL2581光强传感器进行设计。RT193-33稳压芯片可单独向TSL2581提供稳定的3.3V工作电压，确保供电电源波动时，采集模块不受干扰。TSL2581芯片内部有两个光电检测转换通道，其中CH0对可见光和红外光响应，CH1仅对红外光响应，两个光敏二极管检测的模拟信号经过内部信号放大器后通过16位的积分型A/D转换器转换成数字量。微控制器通过I2C总线接口从TSL2581获取两个通道的光强信息，经过信号处理后计算出实际光强，完成光强采集。

图4 TSL2581驱动原理图

2.4 软件流程设计

浊度测量系统软件流程如图5所示，系统上电后首先对TSL2581、OLED和串口等进行初始化配置；然后查询“测量按键”的状态，长按进入参数设置模式，OLED显示光源电流，根据需要调节电阻器控制恒流源电流，同时设置TSL2581的积分时间和增益等参数；系统参数设置完成后，按下“DARK按键”，系统自动熄灭LED并采集暗电流；当检测到短按“测量按键”时进入浊度测量模式，启动TSL2581开始采集散射光强，采集完成后读取TSL2581的ADC数据，转换计算得出浊度值并在OLED显示；测量完成后循环扫描“测量按键”的状态，等待下次测量。

图5 测量系统软件流程图

3 实验与结果讨论

3.1 浊度标准液的配置和测试步骤

所用试剂如无特殊说明均为分析纯，实验用水均为当日制备的超纯水(电阻率为18.2 MΩ·cm)。参考标准GB13200-91[12]制备无浊度水和浊度标准储备液。无浊度水制备：将超纯水通过0.2 μm滤膜过滤，作为零浊度水。400 NTU浊度标准贮备液制备：(1)分别吸取10 mL硫酸肼溶液(10 g/L)和10 mL 6次甲基四胺溶液(100 g/L)置于200 mL容量瓶中，摇匀混合，于(25±3)℃下静置反应24 h；(2)冷却后，用零浊度水稀释至标线，此溶液浊度定义为400 NTU。

实验步骤：(1)分别吸取浊度标准贮备液0、0.50、1.25、2.50、5.00、10.00、12.50 、25 和50 mL于50 mL具塞比色管中，并使用零浊度水定容至50 mL，配制得浊度依次为0、4、10、20、40、80、100 、200和400 NTU的标准使用液；(2)合上浊度仪避光盖(如图6所示)，触发按键(Dark键)，系统自动控制LED关闭并采集暗电流；(3)将各浊度标准使用液置于浊度仪中，在同种实验条件下测量，记录光传感器输出的ADC数值。

3.2 工作曲线、方法检出限和平行性

以TSL2581光传感器输出的ADC计数数值(counts)为纵坐标，浊度(NTU)为横坐标，绘制标准工作曲线，如图7所示。采用最小二乘法线性拟合，得到工作曲线方程y=10.272x+46.115(R2=0.999 9，n=9)，根据决定系数可知该曲线可解释99.99%的实验数据，线性良好。分别连续测定7次4、40、80 NTU标准使用液，计算各浊度下相对标准偏差(RSD)为1.11%、0.82%和0.48%，说明浊度仪在不同浊度下精密度都良好。方法检出限以D.L.=3 Sb/S 确定[13]，即以7次空白测定值的3倍标准偏差除以工作曲线斜率，可得方法检出限为0.2 NTU。

图6 浊度仪实物

图7 浊度仪工作曲线

4 结束语

根据散射法浊度测量原理，采用GRIN-Lens自聚焦透镜，通过设计光源恒流驱动模块、TSL2581光强检测模块、OLED显示模块和ARM控制系统，使用3D打印技术设计加工机械装置，研制了一种小型化、便携式的低成本散射光红外浊度仪。通过实验测试了浊度仪的工作性能，在0～400 NTU浊度范围内，浊度仪线性良好，测量精密度良好，方法检出限为0.2 NTU。