（检测技术与自动化装置专业论文）基于cygnal单片机的便携式浊度仪设计.pdf

摘要 摘要 浊度是评价水质的重要依据之一。随着生活水平的改善，对水质的要求随 之更加严格，从而对浊度测量也提出了更高的要求。为改变目前大量采用国外 浊度仪的现状，急需开发高性能的浊度测量仪器。在这个背景下开展了便携式 浊度测量研究的课题。 本文分析了几种测量浊度的方法，讨论了国内外现有的浊度仪，确定了散 射光测量浊度的方案。便携式浊度仪主要由传感器、硬件电路和软件程序组成， 并且针对这三部分详细介绍了便携式浊度仪的结构和特点。本仪器测量浊度范 围为0 - 1 0 0 n t u 。 接着本文介绍浊度仪的传感部分的设计，详细说明了传感装置由发射装置、 接收装置和光路组成。光源采用波长为8 8 0 r i m 的红外发光二极管，光电转换元 件采用峰值响应为8 5 0 r i m 附近的硅光电池。并以c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机为核心，初 步完成了浊度仪的软硬件设计。在仪器的硬件设计中，充分利用了c 8 0 5 1 f 3 4 0 的a d 转换、u s b 通信和s p i 串行存储等多种增强功能，使仪器结构紧凑，增 强了仪器的抗干扰能力。为实现便携式浊度仪设计奠定了良好的基础。 关键词：散射光，便携式，浊度仪，标定，单片机c 8 0 5 1f 3 4 0 东北电力大学硕士学位论文 a b s t r a c t t u r b i d i t yi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r st oa p p r a i s et h ew a t e rq u a l i t y w i t h t h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，t h er e q u e s to fw a t e rq u a l i t yi ss t r i c t e r t h a nb e f o r e i no r d e rt oc h a n g et h es i t u a t i o na d o p t i n gs om a n yf o r e i g nt u r b i d i m e t e r s a tp r e s e n t ，i ti se s s e n t i a lt od e v e l o pah i g h - q u a l i t yt u r b i d i m e t e r s ow es t a r t e dt h e r e s e a r c ho ft h i sp r o j e c t w eh a v ea no v e r v i e wo ft h ep r e s e n tt u r b i d i m e t e ra n da n a l y s et h ep r i n c i p l e so f t u r b i d i t ym e a s u r e ，t h e nw ed e c i d et od e s i g nat u r b i d i m e t e rw i t hs c a t t e r e dl i g h t t h e p o r t a b l et u r b i d i m e t e ri sf o r m e db yt h es e n s o r , h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o r w a r ep r o c e s s a i m e da tt h et h r e ep a r t s ，w ed e t a i l e d l yi n t r o d u c et h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i co f t h e p o r t a b l et u r b i d i m e t e r t h es c o p eo ft h em e a s u r e m e n to ft u r b i d i t yi s w i t h i n 0 1 0 0 n t u t h e s et h e s e sa l s oi n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h es e n s o rp a r to ft h et u r b i d i m e t e r , a n de l a b o r a t e so nt h es e n s i n gd e v i c ew h i c hi sc o n s t i t u t e db yl a u n c h i n gd e v i c e s ， r e c e i v i n ge q u i p m e n ta n do p t i c a lp a t h l i g h ts o u r c e u s e s8 8 0 n mw a v e l e n g t ho f i n f r a r e dl i g h te m i t t i n gd i o d e s ，o p t o e l e c t r o n i cc o n v e r s i o nu s e ds i l i c o ns o l a rc e l l s w h i c ht h ep e a kr e s p o n s ei sn e a r8 5 0 n m b a s e do nt h ec 8 0 51 f 3 4 0m i c r o c o n t r o u e r , w ei n i t i a l l yc o m p l e t e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h et u r b i d i m e t e r i nt h e h a r d w a r ed e s i g no ft h et u r b i d i m e t e r , w eg r e a t l yu s e da i ) c o n v e r s i o n ，u s b c o m m u n i c a t i o na n ds p is e r i a ls t o r a g eo fc 8 0 51f 3 4 0 ，w h i c hm a k et h ei n s t r u m e n t m o r ec o m p a c t ，s i m p l i f ya n di m p r o v et h ea b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g i te s t a b l i s h e daw e l l b a s ef o rt h ea c h i e v e m e n to fd e s i g no ft h ep o r t a b l et u r b i d i m e t e r k e y w o r d s ：s c a t t e r e d l i g h t ，p o r t a b l e ，t u r b i d i m e t e r , c a l i b r a t e ，s i n g l e c h i p c 8 0 5 1 f 3 4 0 1 1 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意 义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论 文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： 1 交回学校授予的学位证书： 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文储签名：黝眦翌旦年皿月丑日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学 校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为东北电力大学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：! l 年4 月毕日 日期：盟年孚月啦日 第1 章绪论 第1 章绪论 水的浊度是与光紧密关联的一个概念，只有在光照的情况下，才能看清水 的“清和“浊”。浊度是水中不同大小、形状、比重的悬浮物、胶体物质和微 生物等杂质对光所产生效应的表达语【l 】。美国公共卫生协会( a p h a ) 等组织把浊度 定义为：“水样使光散射和吸收的光学性质的表达语 2 1 。可以理解，总重量相 同，但颗粒大小不同的杂质，对光的效应是不同的，即浊度是不同的。显然， 浊度并不能直接表示水中杂质的含量( 比例) ，但与它的含量是相关的。浊度不 仅仅是表示水质最重要的物理外观指标，浊度低还意味着水中各种有毒、有害 物质的含量低。 1 1 测量浊度的重要性 由于浊度的测定能够简单的获得预期的信息，因此得到广泛的应用，在公 用水域，根据水质污染防止法，需要经常进行水质监测。采用浊度仪对水质的 浊度进行检测，是对各类水中非溶性物质测量达到控制水质的重要手段。 生活饮用水的浊度是自来水厂出水水质要求的一个主要参数。一般自来水 厂对水处理各个环节都需要进行浊度检测，特别是出水部分更需要进行在线浊 度测量仪表。我国国家标准生活饮用水卫生标准( gb5 7 4 9 1 9 8 5 ) 中规定生 活饮用水( 自来水) 的浊度5 n t u t 引。 浊度是污水处理厂处理各种污水净化后，对出水水质要求的重要参数之一。 在污水处理厂，一般是在出水部分才需进行在线浊度测量，要求出水浊度 5 n t u 。 浊度又是工业水处理( 除盐水) 检验水质要求的一个重要参数，由于对除盐 的水质要求较高，除对出水部分要求进行在线测量外，对入口水也需要进行在 线浊度测量，只不过有低浊度和高浊度测量之分别。 东北电力大学硕士学位论文 在进行水环境监测时，浊度是必需测量的重要参数之一。因为浊度的大小 往往即可直接判断出水环境污染的程度。因为p h ( 或o r p ) 、浊度、氨氮、溶氧 四大参数是监测水环境的指标。所以浊度测量的重要性是不言而喻的。 此外，浊度的测量不仅限于水处理方面，在酿造工业上，进行麦芽汁处理 的各个阶段，还有在生产高品质啤酒的澄清阶段，为保证产品的质量，都需要 利用浊度仪测量浊度。浊度仪还可用于任何类型的过滤过程中，当过滤器破漏 失效时，浊度将立即增大，同时发出报警信号，以便及时排除故障。 1 2 浊度的测量方法 对水的浊度进行检测，是对各类水中非溶性物质测量达到控制水质的重要 手段。浊度测量因其方法原理不同有透射光测定法、散射光测定法、表面散射 光测定法和透射光一散射光比较测定法【4 】等几种。以下通过简单介绍来分析其优 点和缺点。 1 2 1 透射光测定法 从光源发出的平行光束射入水样，水样中的浊度物质会使光的强度衰减， 另一束光周期性被切换成比较光束，两束光交替被光电池接收转换并比较两光 束强度之差，得出水中浊度的大小。光强的衰减程度与水样的浊度之间的关系 可用下式表示：i = x o e 一砒。式中，k 为比例常数，d 为浊度，l 为水样透过深 度。透射光测定法测定浊度，方法十分简便，其原理见图1 1 所示。 y f l ：= = = ：= = ：= = ：= ：= ： i 窖 - ， o+ 。+ 。7 。 图1 - 1 透射光浊度测定原理示意图 入射光通过半透膜分为两束光强相同的光，一束光通过水样透射入射在测 量光电池上( 1 2 ) ，另一束光直接照射在参比光电池上( 1 1 ) ，测量光电池与参比 第1 章绪论 光电池将两光束的强度进行接收比较，从而测出水样的浊度。 显然，透射光浊度仪的原理相当简单，计算不复杂，仪器的设计方面也比 较简单，但是在测量较低浊度时，由于大部分的光都直接透射了，微小的浊度 变化所引起的透射光的变化是相当小的。或者说，变化率是很小的，这样对光 电接收元件和放大器的分辨率和稳定性要求就非常高，低浊度时不易满足。所 以，透射光方法不适合测量低浊度。 1 2 2 散射光测定法 一定波长的光束射入水样时，由于水样中浊度物质使光产生散射，散射光 强度与水样浊度成正比，通过测定与入射垂直方向的散射光强度，即可测出水 样中的浊度。按照测定散射光和入射光的角度的不同，分为垂直( 9 0 。) 散射式、 前向散射式、后向散射式三种方式，其原理见图1 2 所示。 y - 7 b 一 蠢麓一 一 d：整：蔓* ：_ x _ 1 r 乙 b 一 黛嚣鞲黧麓j 一 0 篓蕊州j x a ) 垂直散射式b ) 前向散射式c ) 后向散射式 图1 - 2 散射法测定浊度原理图 光的散射是散射光浊度仪的设计理论基础，具体的原理在以后的章节中将 提到。目前使用比较多的都是这类浊度仪，可以测量比较宽的浊度范围。 1 2 3 表面散射光测定法 将一定波长的光束射在水样表面，由于水中的浊度颗粒对光的散射作用， 测定来自水样液面的散射光强度而得出水样浊度的大小。其原理见图1 - 3 所示。 东北电力大学硕士学位论文 y 留 ”局光 、鼬一 ：* ：* ：d ；：；激：瞄划 j _ 。x + - i 图1 3 表面散射测定浊度原理图 光源发出的光i 。经射向水面，一部分经水面反射，另一部分透射入水中， 水中的透射光发生散射，y 方向的散射光被光电接收器件接收后，即可测出水样 的浊度。表面散射式浊度仪比较适合测量浊度比较高的环境。 1 2 4 透射光一散射光比较测定法 测量投射于水样光束的透射光和散射光强度，再按这两者光强度之比值测 定其浊度大小。由于透射光和散射光测定时光程相同，水样色度和光源变化对 浊度测定影响较小。但是散射光和透射光之比并非是严格的线性关系，所以只 是在一定的浊度范围内有近似的线性关系，浊度仪的量程范围从而有一定的局 限性。 以上讨论了不同浊度测量方法测得浊度值的长处和短处。因此，选择一种 合理的单色光作光源，采用一种统一的散射光接收方式，对统- - n 浊标准方法 是很有必要的。 国际标准i s 0 7 0 2 7 ：1 9 9 4 水质一浊度测定法中规定了两种水质浊度测定 方法：衰减光法( 透射光法) 和散射光法。我国目前已采用该标准作为我国水质 浊度测定法的电力行业标准。所以本课题采用散射光法测量浊度。 该标准规定散射光浊度测量仪器必须符合下列要求1 5 j ： ( 1 ) 入射光波长入采用8 6 0 n m ； ( 2 ) 入射光光谱半宽度入6 0 n m ； ( 3 ) 入射的平行光散焦不超过1 5 。； ( 4 ) 测量角( 入射光方向与散射光方向的夹角) 0 = 9 0 。2 5 。； ( 5 ) 光线在水样中的孔径角q 3 0 。 入射光采用8 6 0 n m 的近红外光进行测量比在较短波长下测量的散射光强度 第1 章绪论 低，但仍选择8 6 0 n m 主要有以下两方面原因： ( 1 ) 水样中的有机物对浊度测定产生干扰，它对小于5 0 0 n m 的光有明显的 吸收作用，一般吸收峰值在2 6 0 - 3 0 0 n m 。 ( 2 ) 水样中的色度会对特定波长的光产生吸收，从而影响浊度的测量，为 此选用近红外光测浊，以使这种影响减至最小。在该光谱区域，对确定的水样 只发现兰色对浊度测量有轻微的影响。 在高浓度范围内，二次散射会影响直接散射测量，解决办法是在某一固定 的角度接收散射光。有文献报导在9 0 。接收散射光对颗粒粒径的变化最不敏感， 另外9 0 。接收时受杂散光( 非散射途径的光) 影响最小i 铺】，故该标准采用9 0 。的 测量角。 1 3课题的目的 随着环保事业的发展和人类对环境保护越来越重视，随着高参数大容量发 电机组成为现代电力工业的支柱，火力发电厂中的化学分析和化学监督越来越 被重视，随着电子产品制造业技术的进步，对水的品质要求提高了。浊度是水 质指标的重要参数之一，因此浊度仪广泛地应用于净水处理、污水处理及饮料 生产等工业控制过程中。水的浊度与以下因素密切相关【9 】： ( 1 ) 水中悬浮物和胶体物质( 统称浊质) 数量： ( 2 ) 水中重金属含量； ( 3 ) 水中有机污染物、有机致癌物含量： ( 4 ) 消毒、除c o d 和脱盐等工艺功效。 传统的测试方法已不能满足新工艺、净水过程自动化的要求。为提高给水 净化技术和生产管理水平，能稳定测量，将数据立即变换成电信号、并能保证 一定的准确度和精度的水质分析仪表，已经得到越来越广泛的应用。那么便携 式浊度自动分析仪的研制成功对快速检测环境自然水体，生活用水等质量保障 有着重要的意义。它的研究开发着重体现出便携式浊度测量的高性能价格比的 特点，适合于环境、企业等部门的应用。 东北电力大学硕士学位论文 1 4 国内外该课题的研究现状及研究趋势 1 4 1 国外浊度仪器的现状 进入9 0 年代后，国外许多仪器仪表公司【l m l 4 】推出了技术先进、性能优良的 浊度仪。最具有代表性的品种有美国哈希( h a c h ) 公司的2 1 0 0 p 型便携式浊度仪 ( 2 1 0 0 p 采用专利r a t i o 光学设计，具有很高的精确度、灵敏度和可靠性，便于 在野外测定。双检测器光学系统可补偿样品颜色、光波动及杂散光，使在野外 现场的困难条件下的分析结果达到实验室测试结果水平) ，德国w t w 仪器公司的 t u r b 3 5 5 t 3 5 5 i r 型便携手持式浊度检测仪，德国m e r c k 公司的t u r b i q u a n t ii o o i r 型浊度仪便携式浊度仪，美国优特( e u t e c h ) 公司t n l 0 0 型便携式浊度仪， 意大利哈纳公司的微电脑便携式浊度仪h 1 9 3 7 0 3 - 1 1 型等等。这些新型的便携式 浊度仪，都是采用目前最新型单片机芯片技术，显示屏采用带有背光的点阵l c d 液晶屏，使得所显示的信息量非常大，方便了用户的使用。 以下是网上搜索的一些国外的产品，有外观图片和相应的技术参数，可以 对浊度仪的发展现状有个比较感性的认识，如图所示。 测量范围 精度 重现性 分辨率 取样要求 电源 尺寸 自动0 - i ，0 0 0 n t u ；手动o - 9 9 9 ， o _ 9 9 9 和0 - 1 ，0 0 0 n t u 读数的2 9 6 或l 最小有效数字： 读数的3 ( 5 0 0 - 1 。0 0 0 n t u ) 读数的l ，0 o i n t u ，取最大值 低量程o 0 1 n 1 1 j 1 5 m l 4 从碱性电池( 1 2 0 2 3 0 v a c 可选) 2 2 2 9 5 x 8 9 ( 哪) 图l _ 4 美国哈希( h a c h ) 公司的2 1 0 0 p 型便携式浊度仪 第l 章绪论 图1 5 德国w t w 仪器公司的t u r b 3 5 5 t 3 5 5 i r 型便携手持式浊度检测仪 图i - 6 德国m e r c k 公司的t u r b i q u a n t1 i o o i r 型浊度仪便携式浊度仪 图1 7 意大利哈纳公司的微电脑便携式浊度仪h 1 9 3 7 0 3 一1 1 犁 东北电力大学硕士学位论文 1 4 2 国内浊度仪器的现状 我国从8 0 年代开始研制和生产工业光电浊度仪，由于光源和传感器技术较 落后，所以与国外浊度仪相比，技术性能差距非常大，加之电子控制线路部分 不先进，长时间以来，工业浊度仪在分析仪器中几乎是个空白点。随着国民经 济和科学技术的发展，目前国内关于浊度与浊度仪的研究开始逐渐丰富起来， 一些高校科研实验室相继投入到研究相关的浊度仪行列中去。但是整体来讲， 无论是研究机构的数量还是产品的型号，都比较少和单一，而且大多都是台式 的，不是很适合在工厂里使用，在工业应用上有所限制，根据产品技术参数的 说明，其测量范围也很有限。 据不完全统计，我国每年所需工业浊度仪超过1 0 0 0 台，目前8 0 几乎都是 使用进口仪器，但往往价格昂贵，技术封闭，在我国主要依靠代理商销售，并 且，维护维修服务费用高，技术方面始终处于受制于人的局面。国产浊度仪最 大的问题是浊度传感器过不了关，特别是光源的稳定性，寿命都没有解决。因 此，解决国产浊度传感器稳定测量，是目前急待解决的一个课题。限制我国工 业浊度仪发展的另一个难题是：波长8 8 0 h m 红外光发光二极管这种特殊的l e d 器件是研制高性能浊度传感发送器的关键，它可以取代以往复庞大的光源和光 学系统，不仅结构可以简单小巧，而且成本大大降低，可技术水平非常高，达 到9 0 年代后期国际水平。在以前，8 8 0 n m 近红外l e d 器件几乎都是国外浊度仪 厂商特殊订货制造的，市场上并无销售，因此，直接采购十分困难，几乎无法 解决。所以许多企业为了解决生产和环保中急需的浊度监测问题，不惜高价进 口浊度仪，从而使工程预算上升，为不突破总造价，往往采用减少仪表数量， 甚至干脆取消的作法维持平衡，使分析监测手段大大削弱，整体自动化水平下 降，不能不说是生产过程和环保治理中的一大遗憾。 进入9 0 年代后，在消化吸收国外浊度仪先进技术的基础上，不断进行改进 创新，所推出的一些浊度仪器品种虽然没有进口仪器先进，但可以在一般工况 中使用，总算填补了我国浊度仪的空白【i5 1 。如下图所示是国内最近的部分便携 式浊度仪的产品及其技术参数。从其技术参数来看，测量精度及范围还是有限 的。 第1 章绪论 图1 - 8 上海海恒机电仪表有限公司b z - 1 便携式浊度仪 图1 - 9 上海昕瑞仪器仪表有限公司w g z 一1 便携式浊度仪 目前，经文献检索，对我国具有一定影响的分析仪器公司中( 如上海雷磁 分析仪器厂，北京分析仪器厂及四川分析仪器厂等) 没有类似成熟产品的信息。 同时本仪器采用的波长8 8 0 n m 近红外光发光二极管这种特殊的l e d 器件，随着 国内生产半导体器件的厂商不断发展，技术逐渐进步，已经具备开发这类具有 固定波长的l e d 器件的能力，极大地满足了我国分析仪器这一特殊仪器仪表行 业使用需求。在这样的背景下，开发出我们自己的高质量的浊度仪具有非常现 实的意义。 1 5 本课题的主要工作 本课题主要进行如下几方面的研究工作： 东北电力大学硕士学位论文 1 从理论和实践上对国内外典型的便携式浊度仪进行解剖和分析，经过大 量的实验确定仪器采用的具体测量方式，对影响精度的因素进行分析，并解决 这些问题。 2 研究适于便携式浊度自动分析仪的新型传感器装置和相应的分析流程。 3 采用微计算机系统c y g n a l 单片机作m c u 完成仪器的硬件设计，充分发 挥c y g n a l 内部所具有的1 0 位a d 、s p i 串1 2 1 、u s b 通信功能。优化系统设计并 提高仪器的抗干扰能力。 4 为优化分析仪的程序设计，整个系统采用模块化设计技术。各个模块分 别完成相应的功能，如浊度的信号采集、标定、数据分析和存储等。 5 做模拟实验来验证便携式浊度仪的稳定性和可靠性，看其测量精度是否 能达到国家标准规定的范围，是否具有良好的可重复性。并进一步进行现场模 拟运行，解决各种实际问题及进行各方面的优化，使之更趋合理。 第2 章便携式浊度仪的测量原理 第2 章便携式浊度仪的测量原理 浊度是一个与光学特性相关的概念，而且浊度的测量也是利用了光的吸收、 散射等方法，在设计浊度仪前，首先要对光在溶液中传播时的吸收和散射有所 了解。光的吸收和散射是散射式浊度仪的理论基础。本章讨论光学原理方面的 研究。 2 1 便携式浊度仪的测量原理 浊度的光学特性是由于水样中的悬浮颗粒与光相互作用的结果，带有悬浮 颗粒的水样对光的传播的影响取决于以下几点【1 6 】： ( 1 ) 颗粒的大小； ( 2 ) 颗粒的形状； ( 3 ) 颗粒的组成； ( 4 ) 入射光波长； 水样中微小颗粒会吸收入射光的能量，然后再向各个方向辐射出去，这种 全方向的再次辐射即包含散射光，散射光的空间分布取决于颗粒粒径与入射光 波长的比值，图2 1 表示在试样介质和微粒的折射率及入射光强为常量时，不同 的x = 碰形值时，散射光强度的空间分布图【1 7 1 ( 为了更详细地表示出来，外面曲 线比里面曲线放大1 0 倍) ，式中d 是微粒直径，入是入射光波长。 可见，不同粒径的颗粒对光的散射效应是不同的，随着颗粒粒径与入射光 波长比值( 驯五) 的增大，散射光的图形逐渐沿入射光的方向伸展，这表明前 角散射光增强，后角散射光减弱。因此，散射光强度与散射光的接收角度有关， 同时也与所用光源的光谱特性有关，使用光谱能量曲线不同的光源或者使用同 一光源在不同角度接收散射光，其强度都不会相同。 颗粒的形状和折射率也会影响散射光的强度和分布。只有在悬浮颗粒与周 围介质的折射率不同时，光散射才会发生，并且两者差别越大，散射光越强。 东北电力大学硕士学位论文 w 。饥， 瞥i 二葛、 ， k 、 j 、 1- r 。， 9 0 x 。j l 口 ”少、 、： x w , l l o 蝌一o 、 、p = ，- b ) 。，= t o 、h - - 一， 砂喊。 j _ 。一 ， 。、p 。j 图2 1 激光一散射不意图 当微粒直径远小于入射光波长时，散射光强可用瑞利公式( 2 一1 ) 表示【1 8 】： ，= 字( 箍卜 1 ， 式中：入一入射光波长； y 一单位体积试样中的粒子数； v 一单位粒子的体积； 一微粒的折射率 一介质的折射率； ，一散射光强； 厶一入射光强。 这就说明，不同等长的入射光，对于同一试样产生的光效应不同，且波长 越短，散射光越强。同时也说明即使在波长一定的条件下，浊度( 用散射光强 表示) 与微粒的质量浓度无直接关系。而且由于有浊试样的物系构成不同造成 散射光分布的差别，使得从不同角度接收散射光而得到的结果不同。 散射光强度会随着悬浮颗粒浓度的增加而增强，但是当散射光照射到其它 粒子上时，就会发生二次散射，在此过程中散射光能量会被部分吸收。当粒子 第2 章便携式浊度仪的测量原理 浓度超过某一值时，散射光和透射光强度会迅速下降，使浊度测量出现上限， 减小水样中光程长会减小被光照射的粒子数近而提高测量上限。 以上是对散射光式浊度仪原理的简单介绍，在接下来的部分，具体推导散 射光光强公式，在这个过程中，可以得到上述的一些结论。 2 2 水样对水的吸收和散射【侈捌】 前面己经强调，光的吸收和散射是散射式浊度仪的理论基础。入射的光束 在水中传播时，始终要受介质吸收作用的影响。发生散射后，在原传播方向上 的光强也要衰减。所以，当入射光到达某一点时，所收到的衰减包括了两个方 面：吸收衰减和散射衰减。 2 2 1 光经吸收后的光强衰减 光在均匀介质中传播时，符合b o u g u e r - l a m b e r t 吸收定律： i i = o e a j ( 2 - 2 ) 式中： i o 一原来的光强； 厶一经过长为l 的路程后的光强； 巩一吸收系数； 可见，当吸收层的厚度按算术级数增加时，光的功率密度按几何级数减弱。 物质的吸收率取决于该物质的性质，并与波长有关，而与入射光的功率密度及 物质的厚度无关。 当光通过溶液时，光被溶解在透明溶剂中的物质的吸收量与溶液内单位长 度上吸收分子的数目成正比，因为单位长度上吸收分子的数目与溶液的浓度c 成正比，所以吸收率a 也就与浓度成正比，即 a = 膨 ( 2 - 3 ) 式中，1 3 为吸收系数，与溶液浓度无关，取决于吸收媒质分子的特征。 由此，可得到b e e r 定律： ，=ioe一心(2-4) 东北电力大学硕士学位论文 需要指出，只有当溶液里的分子特性不因它的邻近分子的存在而发生变化 时，b e e r 定律才能适用，并可用以测量溶液的浓度，在很浓的溶液里，分子问 相互作用的影响颇强，b e e r 定律不复适用。但b o u g u e r - l a m b e r t 吸收定律仍适用。 事实上，本次课题所设计的浊度仪，应用于水厂电厂水质的检验，浊度相对较 低，水中杂质含量低，可以应用b e e r 定律。式2 4 ( 即b e e r 定律) 反映了吸 收衰减的作用。 2 2 2 光经散射后的光强衰减 当光波在媒质中传播时，由于光和物质的相互作用，媒质的原子或分子中 的电子，在光波场作用下，发生受迫振动。根据电磁理论，这种电振动也要辐 射与入射光频率相同的光波，于是原子和分子成为发射子波的次级源，由此产 生了光的散射。 先研究一下光散射后在原来传播方向上的光强。显然，当光波在传播过程 中，不仅会因为吸收而使光强减弱，而且光的散射也会使光波沿原入射方向损 失部分功率密度。吸收和散射两种作用同等重要。由于吸收和散射都起消光作 用，因此在普遍情况下，可得出消光定律： i = i o e 一耐= 厶p 一+ q y ( 2 - 5 ) 式中，a a 为式2 2 中的散射系数，a s 为散射系数，两者之和a 为衰减系数，它表 征光通过溶液时因溶液的吸收和散射的共同作用而使光强减弱的程度。a a 与溶 液浓度成正比( 参见式2 3 ) ，a s 也与浓度成正比，则可将式2 5 整理得： 1 = 厶e 一墨m( 2 6 ) 我们将k 。也称为衰减系数，事实上，式2 - 6 仅仅是把式2 4 的浓度因子n ( 即c ) 提出来而已。这样，就得到了光在吸收和散射双重作用下，沿原传播方向的光 强变化公式。亦即式2 - 6 。 2 3 散射光强度 接下来讨论散射光的强度。在光学教程中，用一个电偶极子模型来分析散 射光的光强，在此不作冗述，只参照其散射光的光强公式。作为次级源的粒子 第2 章便携式浊度仪的测量原理 的数目和大小，对散射光有很大影响。按照散射粒子大小不同，有r a y l e i g h ( 瑞 利) 散射和m i e ( 米氏) 散射。 2 3 1 r a y ieig h ( 瑞利) 散射 从上述式2 - 1 中可以发现，当入射光波长和微粒体积一定时，在某方向上 的散射光光强i 与溶液的浓度成正比。由此，可以把上式简化为： 1 只= 口。厶= k _ 厶 ( 2 7 ) 式中，g 一2 4 n - 3 ) , v 2l ( 甩n 卜1 2 - 2 n 刀2 2 ) 2 = ，k 。为酬e ；曲散射的散射系数。 2 3 2mje ( 米氏) 散射 当水中悬浮颗粒直径大于等于光波波长时，其某一方向上的散射光i m 可用 m i e 定律来描述： k = 如么厶 ( 2 - 8 ) 式中，a 为微粒表面积，k m 为m i e 散射的散射系数，且a s = k ma n 。显然 当微粒表面积一定时，i m 也与溶液浓度成正比。 综合r a y l e i g h 散射和m i e 散射，可以认为，在一定波长范围内的非相干光， 通过颗粒大小均匀的溶液，无论是r a y l e i g h 散射抑或是m i e 散射，在某一方向 上所产生的散射光强度与浓度均成正比。 i s = k s ix n ( 2 - 9 、) 式中，磁为散射系数，n 为溶液浓度，i x 为发生散射处的入射光强。 2 4 浊度仪中接收的散射光强度 浊度仪的基本原理是测量溶液中的散射光大小，从而得到溶液的浊度值。 前面已经分别从吸收及散射的角度对光强和溶液浓度的关系进行了计算论证， 表明了两者的关系。但是在实际的浊度仪测量中，光电池接收的散射光，是入 射光经透射、传播衰减、散射、二次散射等得到的，最后的散射光光强同溶液 东北电力大学硕+ 学位论文 浓度之间的关系，需要作进一步的论证。 我们使用的浊度单位是n t u ，就是1 l 水中含有lm g 的福尔马肼聚合物悬 浮物质时，称为一个散射浊度单位n t u 。显然，以该溶液作为标准溶液时，其 浊度也就是它的浓度，在以后的公式推导中，用浊度符号t 来代替浓度符号n ， 以便在形式上统一。 2 4 1 9 0 。方向的散射光 图2 - 29 0 。方向的散射光 如图2 29 0 。方向的散射光所示，y 轴的右方充满溶液， 的光束沿x 正方向入射到溶液中，到达x 处的光强i x 为： i x2k o j o e 一墨a 设有一强度为i o 式中，硒为光从空气入射到溶液中( 入射角为o ) 的透射系数， ( 见式2 6 ) 。 ( 2 1 0 ) k l 即衰减系数 光束在x 处发生散射，其9 0 度方向的散射光，经过y 方向的传播衰减后， 在y 处( 到达光电池的垂直距离) 的光强i s 为( 参考式2 9 ) i s = k s t x e 一局砂= k s 玎o e 一墨7 x e 一臣砂 ( 2 11 ) 把x 附近极小区域记作d x ，则所产生的散射光为d i s ，有 d i s = k s k o t l o e k 彤e - l q r y d r ( 2 - 1 2 ) 在x 1 到) ( 2 这一短距离内( 在浊度仪中为光电池的接收范围) 所产生的 9 0 度方向的散射光，经过y 方向的传播并衰减后，其总的散射光强i s s 为： r ， is s2k ld 】s 第2 章便携式浊度仪的测量原理 代入式2 1 2 ，整理可得： k d i s ：k s k o l l o e - k i t x e - k l 乃出= 警岫- k i t x l _ e - k i t x 2 ) ( 2 - 1 3 ) 式( 2 - 1 3 ) 表明了在入射光强度一定时，水的浊度和光电池接收到的散射光强度的 关系，显然并不是成直线关系。 2 4 2 二次散射 以上讨论的是光电池所接收的9 0 度方向的散射光，实际上，到达光电池的， 还包括二次散射的散射光，下面对二次散射进行计算。 如图2 3 所示，入射光在x 处发生与x 方向成0l 角的散射，到达位于y 1 处时，再次发生散射，其角度为02 ，散射光最终以9 0 度方向进入光电池( 0l + 02 = 9 0 ) ，其光强分两步计算： 图2 3 二次散射图 i s l 可参照式2 1 0 得： l 。：k s ”p _ k i t 锄y 伊l - ( 1 + c o s 21 9 1 ) ：k s k 。口。p x - 砑p i r 盎( 1 + c o s 2e 1 ) 同样，i s 2 可参照式2 - 1 0 得： i s 2 = k s s l p - k i t ( y - y 1 ) o + c o s 2 岛) ：k s k o t i o e - k i t x e - k i t 盎o l0 + c o s 2e 1 ) r s r e - g t t ( y - y 1 ) 0 + c o s 2 岛) 可以把式2 1 0 的i s 和这里的i s 2 作一下比较，先把i s 2 进一步简化，把指 数项e 一”s m o l 中的s m0 。忽略( 显然指数项的值略有增大，但不影响和i s 的比较) ， 那么i s 2 可以简化为： 东北电力大学硕+ 学位论文 2 = k s k o t i o e - k i t x 口- k i t y1 + c o s 2 幺皿s r ( 1 + c o s 2 岛) = i s 0 + c o s 2q 户b r 【1 + c o s 2 幺j 式中0l + 02 = 9 0 ，【l - i - c o s 2 岛x 14 - c o s 2 岛) = 2 + ( 1 2 s i n 2 8 1 ) 2 2 2 5 ，再观察k 丁， 可参照式2 8i s = k 。i r n ，考虑到我们的浊度仪应用于浊度比较低的场合， 所以浊度值不是很大，散射光也非常微弱，可以认为k 。t 1 ，所以 0 、- 1 - c o s 。2 e 1 ) 珞r 1 + c o s 2 岛) 1 。因此，虽然经过指数项近似( 指把指数项 e “咖口1 中的s i n01 忽略) ，i s 2 略有增大，但是分析表明i s 2 8 0 0 r i m 时能将水中溶解物对测量的干扰降到最低。在可见光区小于5 0 0 n m 波长范围内， 水中有机物对光的吸收能力较强，会给测量带来较大误差。因此选用长波长的 浊度仪测量浊度更加准确【2 5 】。本课题选用的光源是近红外发光二极管( l e d ) 。 针对上述特性，光源采用恒流源进行供电，主要有以下原因： ( 1 ) 为了避免上电时对光源的瞬时冲击，以提高其使用寿命。 ( 2 ) 发光二极管的发光强度与电流成线性关系，而与电压成对数关系，也 就是说其发光特性对电压的变化比对电流的变化敏感得多，因而采用恒流源供 电，以减少发光强度的波动。 此外仪器在测量中由于温度的变化会引起光源发光强度发生变化。由于本 课题采用的是测量与参比双光电池电路结构，浊度由两光电池电路电