吳 剛，劉月明，高曉良，夏忠誠

(中國計(jì)量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 引言

水體濁度是表征水質(zhì)的重要指標(biāo)。水質(zhì)濁度是由水體中泥沙、有機(jī)大分子、懸浮顆粒等雜質(zhì)造成的。這些雜質(zhì)顆?？沙蔀榧?xì)菌和病毒的載體與包裹層，降低了氯離子、UV或臭氧對水的消毒殺菌作用，可能引發(fā)疾病傳播；而且水中雜質(zhì)會磨損和腐蝕浸在其中的機(jī)械部件，從而加速零件老化。因此濁度的檢測是環(huán)保的重要方面，通常以水中雜質(zhì)對光的散射和吸收作用來衡量，濁度傳感器可歸類為散射法、透射法以及將此二者相結(jié)合的比值法[1-4]，可根據(jù)實(shí)際檢測需求和濁度測量范圍靈活選擇和改進(jìn)設(shè)計(jì)。濁度的定義和測量都是相對的，通常以按國標(biāo)配制的福爾馬肼溶液作為標(biāo)準(zhǔn)濁度液，為濁度傳感器定標(biāo)。將傳感器在相同條件下測得的樣品與標(biāo)準(zhǔn)液的散射或透射光強(qiáng)作對比，從而得知樣品的濁度。濁度傳感器隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用，其發(fā)展趨勢為高精度、高靈敏度、大量程、低檢測閾值，要求便攜式檢測或在線監(jiān)測實(shí)時(shí)預(yù)警。與傳統(tǒng)的電類濁度傳感器相比，光纖傳感器更加適合這種技術(shù)趨勢。光纖傳感有眾多優(yōu)點(diǎn)：便于微型化和集成化，易于實(shí)現(xiàn)檢測儀器的便攜化；且耐高溫高壓、抗腐蝕、抗干擾、便于在線監(jiān)測。傳感器采用光纖傳輸光信號，無需防水措施，直接用光纖發(fā)射和接收光信號，抗干擾能力強(qiáng)，成本低，便于遠(yuǎn)距離傳輸和組網(wǎng)等[5-6]。

本文設(shè)計(jì)的光纖濁度傳感器采用單光源雙發(fā)光通道、單光譜儀雙探測通道四光束檢測系統(tǒng)。光源通過光開關(guān)雙通道交替發(fā)光，同時(shí)光譜儀根據(jù)發(fā)光通道的改變分時(shí)交替測量透射光和散射光。共用同一光源和光譜儀，增強(qiáng)了穩(wěn)定性和抗干擾能力，降低了成本，結(jié)合空分和時(shí)分復(fù)用技術(shù)可拓展實(shí)現(xiàn)濁度的準(zhǔn)分布式多點(diǎn)在線監(jiān)測。

1 檢測原理

1．1朗伯-比爾定律

入射光通過介質(zhì)時(shí)，會與介質(zhì)中懸浮雜質(zhì)發(fā)生吸收和散射作用，導(dǎo)致透射光減弱，這稱為消光作用。由朗伯-比爾定律，強(qiáng)度為I0的入射光在與介質(zhì)相互作用有效距離L后，透射光強(qiáng)IT為：

IT=I0e-μL=I0e-KTL

(1)

式中：IT為透射光強(qiáng)；I0為入射光強(qiáng)；μ為消光系數(shù)，是與濁度相關(guān)的系數(shù)，與入射光強(qiáng)無關(guān)；T為濁度；K為μ與T的比例系數(shù)；L為透射光程。

式(1)表明，可以利用基于朗伯-比爾定律的透射法測量濁度。

1．2散射定律

介質(zhì)中不同粒徑雜質(zhì)顆粒對光的散射作用如圖1所示，隨著雜質(zhì)粒徑與波長比d/λ增大，前向散射增強(qiáng)，后向散射減弱。因而接收的散射光強(qiáng)與探測器接收角度和位置有關(guān)，也與光源的光譜特性有關(guān)[7]。

圖1 不同粒徑顆粒的濁液散射光分布

與入射光方向垂直的散射光IS為[8]：

(2)

式中：N為微粒數(shù)密度；V為微粒的體積；λ為入射光波長。

在傳感器設(shè)計(jì)好后，光源和開放式流通池一旦確定，λ和V可視為常量。則式(2)可改寫為：

IS=K′TI0

(3)

式中：T為水體濁度；K′為比例系數(shù)。

因此，在入射光強(qiáng)I0不變時(shí)，濁度T與散射接收光強(qiáng)TS正相關(guān)，濁度的測量轉(zhuǎn)化為散射光強(qiáng)的測量。

1．3散射透射比值法的原理

常見濁液顆粒粒徑大致為0.1～20 μm，所以散射法濁度測量主要依據(jù)瑞利散射和Mie散射原理。式(3)可改寫為：

IS=αNI0e-μl

(4)

式中：IS為散射光強(qiáng)；α為與散射函數(shù)有關(guān)的系數(shù)；l為散射光程。

結(jié)合透射法的計(jì)算公式式(1)，可用散射透射光強(qiáng)的比值來計(jì)算濁度：

(5)

由該式可知，濁度與微粒數(shù)密度N，系數(shù)α和散射透射光程比l/L有關(guān)，而α和l/L由傳感器結(jié)構(gòu)確定，為常量，這減小了光源波動和探測器差異對濁度測量結(jié)果的影響。

2 傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理

傳感器由信號單元和傳感頭組成，兩者由光纖相連，如圖2所示。信號單元包括光源、光譜儀、計(jì)算機(jī)各一個(gè)和兩個(gè)1×2光開關(guān)。開放式流通池即為傳感頭。計(jì)算機(jī)既是光譜儀的上位機(jī)，對光譜儀輸出信號進(jìn)行顯示和存儲等操作；又通過程序自動控制兩個(gè)1×2光開關(guān)的開啟和關(guān)閉。

圖2 傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

傳感器工作原理如圖3所示，4條光纖分別通過SMA905接口安置在開放式流通池的四周，各相差90°。將流通池投入待測水體，開啟傳感系統(tǒng)，每間隔1 s，光源雙通道交替發(fā)光和關(guān)閉。當(dāng)光源通道1開啟且光源通道2關(guān)閉時(shí)，探測通道1接收透射光，探測通道2接收散射光；當(dāng)光源通道2開啟且光源通道1關(guān)閉時(shí)，探測通道2接收透射光，探測通道1接收散射光。共用同一光源，利用1×2光開關(guān)選擇發(fā)光通道；共用同一光譜儀，利用1×2光開關(guān)分時(shí)接收同一次測量時(shí)的透射光和散射光，分時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)小于1 s，略大于光譜儀測量時(shí)的積分時(shí)間。采用同一光源和光譜儀，減小了光源波動和探測器差異對測量結(jié)果的影響，提高了穩(wěn)定性，降低了成本，結(jié)合空分和時(shí)分復(fù)用技術(shù)可拓展實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式多點(diǎn)在線監(jiān)測。

(a)

(b)

散射透射光強(qiáng)比值的平均值為：

(6)

式中：IS1和IT1為光源通道1開啟時(shí)測得的散射光和透射光；IS2和IT2為光源通道2開啟時(shí)測得的散射光和透射光。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了測試雙通道比值法濁度儀的特性，并與基本的透射法、散射法作對比，實(shí)驗(yàn)中分別采用自制的雙通道光纖濁度傳感器，以及基于比值法的上海珊科WZG-200型濁度儀對福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)濁度液進(jìn)行測量，雙通道傳感器測量的光強(qiáng)數(shù)據(jù)見表1，各方法測得的結(jié)果見表2。

雙通道光纖濁度傳感器由光源、流通池和光譜儀等組成。采用中心波長為632．8 nm的氦氖激光器作光源，用光纖光譜儀測量傳感器出射光在632．8 nm處的光強(qiáng)。

表1 雙通道光纖濁度傳感器測量濁度結(jié)果

表2 各方法測得的濁度 NTU

對于散射法，IS=KSTI0，利用濁度標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定系數(shù)KS，即可由測量散射光得出濁度。

透射法的濁度計(jì)算方法由式(1)：IT=I0e-KTTL，則使用濁度標(biāo)準(zhǔn)液標(biāo)定出參數(shù)KT，即可利用上式通過透射法測量濁度。

對于比值法，由式(5)，IS/IT=αNe(1/L)，濁度與微粒數(shù)密度N，系數(shù)α和散射透射光程比l/L有關(guān)，而α和l/L由傳感器結(jié)構(gòu)確定，為常量。故可設(shè)N=KSTT，則有IS/IT=αe(l/L)KSTT=KSTT，標(biāo)定系數(shù)KST后，即可用于濁度測量。

試驗(yàn)中，利用微型光纖光譜儀測得氦氖激光器在中心波長632．8 nm處的光強(qiáng)為65 295．77 counts，對表1測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，擬合結(jié)果如圖4和圖5所示。將圖中擬合曲線作為標(biāo)定曲線，用于各方法下的濁度測量。

圖4 散射法和透射法光強(qiáng)與濁度關(guān)系曲線

圖5 雙通道濁度測量數(shù)據(jù)擬合曲線

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，散射法在測量較高濁度時(shí)不夠精確，透射法在測量較低濁度時(shí)誤差較大。而基于比值法的WZG-200型濁度儀和雙通道光纖濁度傳感器在低濁度和較高濁度段都有較好的測量精度。

4 結(jié)束語

基于比值法的雙通道光纖濁度傳感器利用光纖傳輸探測光，增強(qiáng)了傳感信號傳輸性能和抗干擾能力，無需防水裝置，降低了成本，而且便于遠(yuǎn)距離傳輸和組建在線監(jiān)測傳感網(wǎng)。雙通道濁度測量方法綜合了散射法和透射法的優(yōu)點(diǎn)，連續(xù)從兩個(gè)相互垂直的方向探測濁度信息，利用散射光透射光比值的平均值表征濁度，消除了光源波動和探測器差異、水中氣泡等干擾，對低濁度和較高濁度都有較好的測量精度，提高了測量量程和適應(yīng)性。

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作者簡介：吳剛(1986-)，碩士研究生，主要研究光纖水質(zhì)監(jiān)測傳感器。E-mail：shellyzer@163．com

劉月明(1965-)，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向是光纖傳感與微光機(jī)電系統(tǒng)。E-mail：．edu．cn(通訊作者)