摘 要：介紹了濁度的概念，分析了散射與透射比值法測(cè)量原理的理論依據(jù)，給出了測(cè)量信號(hào)與濁度的關(guān)系式。設(shè)計(jì)了比值法測(cè)量電路，包括紅外光源、紅外探測(cè)器、弱光檢測(cè)放大電路，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了比值法在濁度測(cè)量中的性。

　　【關(guān)鍵詞】濁度 比值法

　　水中的泥沙、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物等細(xì)微懸浮物能吸附大量細(xì)菌、病毒等致害物質(zhì)，對(duì)人體健康造成威脅，濁度是表示水的清澈或渾濁程度的物理指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，自然沉降的水樣固體顆粒的含量為80mg/10L，而濁度為0.1度時(shí)的水樣未檢出固體顆粒。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家飲用水的濁度普遍為0.1～0度。為保障人民飲用水質(zhì)量，我國(guó)將濁度與余氯、PH值等一并納入水質(zhì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)中。

　　1 濁度測(cè)量方法

　　對(duì)水質(zhì)濁度的儀器測(cè)定目前有透射法和散射法兩種基本方法。

　　1.1 透射法

　　特性曲線證明了光電轉(zhuǎn)換信號(hào)與濁度成對(duì)數(shù)關(guān)系，并且S與T之間保持單調(diào)衰減關(guān)系，即濁度越高，透射光越弱。

　　1.2 散射法

　　入射光遇到水樣中微粒將引起光的散射，散射光的強(qiáng)度與水樣單位體積中微粒數(shù)量、直徑有關(guān)。通過(guò)測(cè)量散射光強(qiáng)可得到濁度信息。

　　散射光到達(dá)光電接收器前，光強(qiáng)同樣會(huì)因?yàn)榇┩敢欢ü獬痰乃畼佣l(fā)生衰減，散射光衰減程度服從比爾-朗伯定律。采用線性光電元件作為接收器，獲得的電信號(hào)符合式(4)：

　　實(shí)驗(yàn)曲線表明，散射法適用濁度范圍在0～T0之間的水樣測(cè)試。超過(guò)T0(取決于儀器幾何參數(shù)及懸浮顆粒分布)，測(cè)量結(jié)果不再是濁度的單值函數(shù)，無(wú)法表征濁度值。因此，散射法只適用于低濁度測(cè)量。

　　1.3 散射光和透射光比值法

　　光通過(guò)水樣，會(huì)同時(shí)發(fā)生透射與散射。散射光強(qiáng)度會(huì)隨著濁度的增加而增加，而透射光則反之。因此，通過(guò)散射光與透射光強(qiáng)度變化關(guān)系可以推算出水樣濁度值。

　　2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

　　2.1光源電路

　　研究表明，入射光波長(zhǎng)范圍在400～600nm時(shí)，散射光強(qiáng)度大，測(cè)試效果好。但與此同時(shí)，水樣中微粒對(duì)可見(jiàn)光的吸收波長(zhǎng)也在這個(gè)區(qū)域。為避免吸收作用對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，入射光光譜應(yīng)該避開(kāi)這個(gè)區(qū)域。由于水樣強(qiáng)制檢測(cè)項(xiàng)目--色度分析所使用的光源波長(zhǎng)為500多nm，濁度測(cè)量所用光源光譜應(yīng)避開(kāi)可見(jiàn)光區(qū)。并且，在飲用水質(zhì)檢測(cè)中，水樣顆粒粒度大多在0.1μm～20μm之間，光源波長(zhǎng)選擇在紅外光區(qū)，散射光強(qiáng)度服從瑞利定律和米氏定律。實(shí)驗(yàn)中按照ISO7027規(guī)定，選擇浜松公司的L7558紅外LED作為入射光源。光強(qiáng)的變化，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的不穩(wěn)定性，因此，實(shí)驗(yàn)中采用LM317構(gòu)成穩(wěn)流電路，確保電流穩(wěn)定，光強(qiáng)穩(wěn)定，如圖4所示：

　　2.2 光電接收器

　　光電接收器選用西門(mén)子的紅外接收管SFH214FA。其光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍在750～1100nm，峰值波長(zhǎng)900nm，與L7558紅外LED匹配。并且SFH214FA暗電流小，上升時(shí)間tr及下降時(shí)間tf小，適應(yīng)于計(jì)算機(jī)高速采集。

　　2.3 放大電路

　　由于光敏二極管光電流小，為保障信號(hào)不被噪聲淹沒(méi)，實(shí)驗(yàn)中采用ADI公司低輸入電流，低輸入補(bǔ)償?shù)腁D549作為電流電壓轉(zhuǎn)換電路;采用Intersil公司的ICL7650斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放作為前置運(yùn)放。濁度儀通常使用的環(huán)境比較惡劣，為提高傳感器信號(hào)的抗干擾能力，將光電探測(cè)器SFH214FA與前置放大電路安裝在一起。

　　3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

　　按照公式(6)將400NTU福馬肼儲(chǔ)備液加入按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO7027制備的零濁度水稀釋，選擇得到10個(gè)0-100NTU的樣品。

　　測(cè)量數(shù)據(jù)顯示：散射信號(hào)與透射信號(hào)的比值隨濁度上升而增加。按照公式(7)，以濁度作為X，比值為Y，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，R=0.97307，證明散射與投射信號(hào)的比值與濁度高度相關(guān)。

　　以濁度作為X，比值為Y，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析：

　　推出描述濁度與傳感器輸出數(shù)學(xué)模型的一元線性回歸方程：

　　實(shí)驗(yàn)證明，采用比值法測(cè)量水樣濁度，能消除水樣色度、光源、元件參數(shù)、環(huán)境光等變化對(duì)測(cè)量值的影響，相對(duì)于透射法、散射法而言具有更強(qiáng)的抗干擾能力。在中低濁度范圍，使用比值法測(cè)量的傳感器線性度好于其他方法，因此在外圍電路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理等方面易于實(shí)現(xiàn)，能降低系統(tǒng)軟硬件的投入，具有較好的經(jīng)濟(jì)型。

　　綜上所述，比值法測(cè)量濁度在中低濁度范圍具有很好的應(yīng)用前景，具有較高的推廣價(jià)值。

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　　作者簡(jiǎn)介

　　康亞(1972-)，女，重慶人，本科，講師，主要研究方向智能儀器儀表。

　　作者單位

　　1.重慶城市管理職業(yè)學(xué)院 重慶市 401331

　　2.重慶科技學(xué)院 重慶市 401331

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