黃云飛，朱向冰，吳 彬

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

當(dāng)前阻礙我國健康發(fā)展的首要因素之一，就是日益嚴(yán)重的環(huán)境污染，水污染是其中之一，加強(qiáng)污水處理是件非常重要的事情?，F(xiàn)代污水處理技術(shù)中，常用的活性污泥法按處理程度通常劃分為三級處理，文獻(xiàn)資料表明其中的第二級處理可去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì) （BOD和COD物質(zhì)等），去除率可達(dá)90%以上，從而使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。其中在第二級處理中評價活性污泥量的指標(biāo)是污泥濃度，又稱為懸浮物濃度（MLSS），是代表曝氣池中污水和活性污泥混合后的混合液懸浮固體數(shù)量，是表征液體的一個非常重要的特性參量，其一般用稱重法測定[2]。顯然用稱重法測定不僅費時費力，而且滯后嚴(yán)重，無法及時反映污泥濃度的變化，不能滿足當(dāng)前污水實時處理的要求，因此國內(nèi)外已經(jīng)有許多技術(shù)來實現(xiàn)污泥濃度測定這一目的[3]，依靠現(xiàn)代自動化控制技術(shù)，專門針對市政污水和工業(yè)廢水處理過程中污水處理而設(shè)計的懸浮污泥濃度測量儀器，如超聲波污泥濃度計、光電污泥濃度計等，可實現(xiàn)較穩(wěn)定、較精確的巡檢測量，但其結(jié)構(gòu)上的缺陷不可避免。本文基于對光纖技術(shù)的分析，提出了一種基于光纖的污泥濃度傳感器實時智能檢測系統(tǒng)，以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)檢測控制部件，改造反射結(jié)構(gòu)的光纖探頭作為敏感元件和光纖作為光通路，并能通過合理的軟件算法，能夠消除現(xiàn)場干擾，提高系統(tǒng)對污泥濃度的可靠性檢測。

1 工作原理

光纖傳感技術(shù)是光纖通信的發(fā)展產(chǎn)物，它改變了傳統(tǒng)的電類傳感器的結(jié)構(gòu)形式，也即光纖傳感器是通過被測物理量（例如液體濃度、折射率等）對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，然后對被調(diào)制過的光信號進(jìn)行檢測的一類新型傳感器，具有遠(yuǎn)程和抗化學(xué)腐蝕性。

由光折射和反射的Snell定律可知，當(dāng)光波入射到兩種媒介的交界面時，反射率與相鄰兩種媒介的折射率纖芯n1、包層n2有關(guān)。當(dāng)包層為被測污水體，則被污水體的污泥濃度發(fā)生變化時，其折射率n2必然發(fā)生變化，從而通過反射回到纖芯的光也發(fā)生變化，通過測量接收端光強(qiáng)的大小，就可以得到被測污水體的污泥濃度。根據(jù)該原理，可用光纖制作成如圖1所示的反射型敏感探頭。

圖1 反射型光纖傳感器Fig.1 Reflective optical fiber sensor

LED發(fā)出來的恒定光通過發(fā)送光纖束送到另一端的球形敏感探頭至含有污水的渾濁水體。在敏感探頭的球面上，有一部分光透過，而其余的光被反射回來。當(dāng)沒有接觸污水體時，透射光量和反射光量一定；當(dāng)插入污水體時，敏感探頭與污水體相接觸，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光量即可知道敏感探頭接觸污水體污泥濃度。反射光量決定于敏感探頭的折射率和被測定污水體的折射率。接收光纖束下端接收到來自敏感探頭的光強(qiáng)，被污染物水體調(diào)制[4]后，通過接收光纖束由光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出，從而獲得污泥濃度變化的特征信息。

2 系統(tǒng)組成

2.1 光纖污泥濃度智能檢測系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)如圖2所示，采用單片機(jī)可調(diào)節(jié)LED的工作電流，提高信噪比，提高儀器的抗干擾能力。該系統(tǒng)采用單片機(jī)控制PWM發(fā)光方法，即在每測量一次數(shù)據(jù)的周期內(nèi)，LED發(fā)光大約250μs，同時光信號由光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，放大后進(jìn)行取樣保持[5]。一旦采集完成，則單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，此時LED不必發(fā)光。由于LED處于占空比較小的PWM發(fā)光狀態(tài)，使LED工作在物理特性最好的階段，可延長LED的實際使用壽命，保證LED穩(wěn)定的發(fā)光，實現(xiàn)絕對值測量。

圖2 光纖污泥濃度智能檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the optical fiber sludge concentration intelligent detection system

2.2 主要元件

2.2.1 光纖污泥濃度傳感器

系統(tǒng)中有多過光纖傳感器，如溫度傳感器和流速傳感器，其中最重要的是光纖污泥濃度傳感器。眾所周知，Y型結(jié)構(gòu)的光纖是由兩束光纖束組成，一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為發(fā)送光纖束和接收光纖束。其基本傳感原理是：光從光源耦合到發(fā)送光纖束，通過光纖傳輸，射向反射體，再被反射到接收光纖束，最后由光電探測器接收，光電探測器接收到的光強(qiáng)度與反射體污泥濃度性質(zhì)、光纖探頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

根據(jù)工作的原理，再結(jié)合污泥濃度檢測的要求可知光纖反射型敏感元件是整個實驗裝置的關(guān)鍵部件，用光纖熔接器進(jìn)行電弧熔接制成，以和被測污水直接接觸的探頭熔融部分作為反射體。

2.2.2 光源的選擇

一般所使用的光源是半導(dǎo)體激光器，其發(fā)光是利用光的受激輻射原理，耦合效率高、響應(yīng)速度快，但價格比較高，而發(fā)光二極管光源則價格低廉、可靠性高、工作方便、壽命長和便于控制[5]。根據(jù)制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于hc/λ=1.8ev，故通常用砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作GaAs1-xPx，其中x代表磷化鎵的比例，當(dāng)x>0.35時，可得到禁帶寬度Eg≥1.8e V的材料。改變x值還可以決定發(fā)光波長，使λ在550～900 nm間變化，它已經(jīng)進(jìn)入紅外區(qū)，實際采用的光源為850 nm的發(fā)光二極管。

2.2.3 光電探測器的選擇

經(jīng)過比較多種光電探測器后，選擇雪崩光電二極管（APD）比較合理，因為當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子現(xiàn)場標(biāo)定簡單，另外響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100 GHz，是目前響應(yīng)速度最快，靈敏度很高的一種光電二極管。

理論證明，雪崩光電二極管APD的雪崩增益（響應(yīng)度）是環(huán)境溫度和偏置電壓的函數(shù)[6]，其穩(wěn)定性直接影響了整個實驗裝置的測量靈敏度。為了使APD能以恒定的增益工作，通過單片機(jī)調(diào)節(jié)APD的偏置電壓使其隨環(huán)境溫度的變化而按一定比例改變，可保持APD的增益不變。

2.2.4 單片機(jī)

污泥濃度與污泥的生長速度有關(guān)，受季節(jié)和溫度等因素影響，檢測時還要注意外界光的干擾因素、污泥的流速及被控制的反饋量等對檢測信號的作用，采用單片機(jī)可以靈活的編程，實現(xiàn)復(fù)雜的檢測控制。

這里選用凌陽SPCE061A 16位32 768 Hz RTC的單片機(jī)，具有8通道的10位AD轉(zhuǎn)換器，并具有ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口直接下載用戶程序，又增強(qiáng)了數(shù)據(jù)處理能力。工業(yè)級工作溫度為-40至+85℃。

SPCE061A具有兩路PWM輸出功能，利用單片機(jī)I/O端口輸出PWM信號即可控制LED，為了避免浪費了寶貴的定時器資源，故采用軟件生成PWM的方法，通過分頻產(chǎn)生4 Hz的時基信號，利用時基中斷，改變I/O端口的電平狀態(tài)，從而模擬特定占空比的PWM波形，輸出4位可調(diào)脈寬比PWM信號。另外采用中斷方式定時，來強(qiáng)迫定時開啟LED發(fā)光電路。為了給LED提供足夠的電流，將PWM信號發(fā)給LED驅(qū)動芯片，由驅(qū)動芯片直接控制驅(qū)動LED。

2.3 光纖傳感器的安裝

光纖傳感器的測量單元安裝在曝氣池現(xiàn)場，光電轉(zhuǎn)換箱、二次儀表、電源和計算機(jī)系統(tǒng)安裝在儀表控制室，兩者之間通過光纜連接，完全做到曝氣池現(xiàn)場無電檢測，如圖3所示。

圖3 反射型光纖污泥濃度傳感器的構(gòu)造Fig.3 Structureof thereflectiveoptical fiber sludgeconcentrationsensor

為保證獲得具有代表性的測量結(jié)果，光纖傳感器一般安裝在以下位置：一是二沉池的回流污泥口；二是曝氣池的出口；三是曝氣池中的適當(dāng)位置。

為了方便對傳感器進(jìn)行定期的清洗和維護(hù)，將傳感器的探頭及光纖通路安裝在易于觸及的位置；同時應(yīng)避免將探頭安裝在氣泡較多的位置，因為氣泡會產(chǎn)生干擾信號；另外探頭應(yīng)安裝在工藝混合良好和不出現(xiàn)停機(jī)的位置。光纖探頭通過安裝支架浸入曝氣池中，同時注意光纖探頭應(yīng)浸沒至水面下不小于30 cm的深度，并避免陽光直射。

3 軟件設(shè)計

借鑒文獻(xiàn)中蔗糖溶液和食鹽溶液濃度測量的實驗方案[5]，根據(jù)要處理的信息，編寫的單片機(jī)主程序流程如圖4所示，限于篇幅沒有給出產(chǎn)生PWM脈沖的子程序和計算污泥濃度信息的子程序。程序中包含定時的常規(guī)檢測，如果接近污泥濃度的臨界值時加大測量頻率，這樣間斷測量和連續(xù)測量相結(jié)合，既滿足實時測量的要求，又有利于提高LED和光電探測器的使用壽命。

檢測部分程序的關(guān)鍵是采用合理的算法。根據(jù)曝氣池中污泥濃度控制的特點，本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。設(shè)定3個測量點即曝氣池出水口、二次沉淀池污泥回流口和中間位置，根據(jù)污泥濃度、污泥的生長速度、溫度對污泥的影響、污泥的流速、池中顆粒的散射、外界光的干擾因素等，調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的權(quán)重，得到合適的計算參數(shù)。經(jīng)過實驗室實驗及現(xiàn)場測試，得出結(jié)論與實際情況相符合。

4 結(jié)束語

圖4 主程序流程圖Fig.4 Main program flow chart

該智能檢測裝置以單片機(jī)為核心，構(gòu)建了一個污泥濃度測量系統(tǒng)，具有原理簡單、實用性強(qiáng)。通過光來檢測和傳輸信息，因而現(xiàn)場可以不用電信號，靈敏度高、響應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大，可適用于遠(yuǎn)距離遙感，便于推廣使用。利用光纖傳感器具有很強(qiáng)的抗干擾能力、耐高溫、耐腐蝕的優(yōu)點，及與光纖作為信息傳輸?shù)耐ǖ溃瑯?gòu)建污水處理廠以現(xiàn)場總線的測量點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，減少原來測控系統(tǒng)的故障率。另外以LED作為光源，可得到了很高的測量精度，但不同LED發(fā)光特性不一致，并且隨溫度和工作時間而變化，為進(jìn)一步提高測量準(zhǔn)確性和延長LED有效的使用壽命，下一步需要通過相對測量的方式減小這些因素的影響。

[1]崔玉川，馬志毅.廢水處理工藝設(shè)計計算[M].北京：水力電力出版社，1994.

[2]國家環(huán)境保護(hù)總局科技標(biāo)準(zhǔn)司.城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].2003.

[3]黃菊文，李光明，韋鶴平.光纖反射型傳感器測量污水濁度的方法[J].上海:同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，10（33）:1334-1336.HUANG Ju-wen，LI Guang-ming，WEI He-ping.Measuring sewage turbidity with fiber reflective-type sensors[J].Journal of Tongji University，2005，10（33）:1334-1336.

[4]方宏，秦曦.光纖傳感器中光源的選用及比較[J].傳感器世界，2004（11）：13-17.FANG Hong，QIN Xi.Selection and comparison of light sources in optical fiber sensor[J].Sensor World，2004（11）：13-17.

[5]張娜，李秀媛.基于8031單片機(jī)的智能化液體濃度測量系統(tǒng)的研究[J].電子器件，2003，29（1）：227-230.ZHANG Na，LI Xiu-yuan.Research of intellectualized liquid concentration measurement system based on 8031 single chip microcomputer[J].Chinese Journal of Electron Devices，2003，29（1）：227-230.

[6]趙洪志，李乃吉，趙達(dá)尊.基于背向喇曼散射的分布式光纖溫度傳感器APD最佳雪崩增益的分析[J].傳感器技術(shù)學(xué)報，1997，10（3）:27-31.ZHAO Hong-zhi，LI Nai-ji，ZHAO Da-zun.Research on the optimum gain of APD in distributed fiber temperature sensors[J].Journal of Transcluction Technology，1997，10（3）:27-31.

[7]李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999：119-129.

[8]朱震，葉茂.光散射粒度測量中Mie理論的高精度算法[J].光電子.激光，1999，10（02）:135-138.ZHU Zhen，YE Mao.High precise algorithm of mie scattering in the particle sizing by light scattering[J].Journal of Optoelectronics Laser，1999，10（2）:135-138.

[9]賈伯年，俞樸，宋愛國.傳感器技術(shù)[M].3版.南京：東南大學(xué)出版社，2007.