孫玉霞，楊　晨，呂　杰，嚴(yán)金華

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

散射法檢測(cè)液體中微小顆粒濃度的研究

孫玉霞，楊晨，呂杰，嚴(yán)金華

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

摘要：利用液體中微小顆粒對(duì)光的散射作用原理，設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)測(cè)量溶液中顆粒濃度的裝置。該檢測(cè)裝置選用波長(zhǎng)為830 nm的紅外LED作為光源，在與入射光成90°的散射角處測(cè)量散射光強(qiáng)度，以光敏二極管為光電接收器，并通過(guò)信號(hào)處理將檢測(cè)得到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而獲得與液體中的固體顆粒濃度相關(guān)的電信號(hào)。由于液體中顆粒濃度對(duì)散射光強(qiáng)具有決定作用，進(jìn)而得到待測(cè)液體中固體顆粒濃度與電信號(hào)的關(guān)系。為避免環(huán)境光造成干擾，系統(tǒng)采用不透光暗腔，并采用非接觸式測(cè)量。

關(guān)鍵詞：散射；顆粒濃度；測(cè)量；光敏二極管

人們常用濁度來(lái)衡量水質(zhì)[1]的好壞，水中含有的微小有機(jī)物、泥沙、無(wú)機(jī)物和浮游生物等雜質(zhì)都可以使水質(zhì)變渾濁，ISO 7027標(biāo)準(zhǔn)中定義濁度表示水中懸浮物質(zhì)與膠態(tài)物質(zhì)對(duì)光線(xiàn)透過(guò)時(shí)所發(fā)生的阻礙程度，阻礙程度越大渾濁度就越大。濁度檢測(cè)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中的許多領(lǐng)域。

在液體濁度測(cè)量中，比色法和比濁法[2]是常用的方法。比色法是測(cè)吸光度的，要求在規(guī)定波長(zhǎng)下分別測(cè)樣品溶液與參照物溶液的吸光度，然后按照計(jì)算公式計(jì)算樣品濃度。比濁法是進(jìn)行濁度比較，濁度是指溶液渾濁程度，如生成沉淀的多少就會(huì)有影響，產(chǎn)生的濁度與標(biāo)準(zhǔn)濁度進(jìn)行比較，確定某種成分的含量，它是由測(cè)量透過(guò)懸浮質(zhì)點(diǎn)介質(zhì)的光強(qiáng)度來(lái)確定懸浮物質(zhì)濃度的方法，本質(zhì)上是一種光散射測(cè)量技術(shù)[3]。比色法和比濁法的主要區(qū)別在于比色法是生成溶液，而比濁法是沉淀。比色法測(cè)量培養(yǎng)液的吸光度值并不完全是顆粒數(shù)量的真實(shí)體現(xiàn)，相比之下比濁法是利用光散射法原理，它是通過(guò)檢測(cè)散射光在某一方向上的光信號(hào)強(qiáng)度，來(lái)反映待測(cè)溶液中顆粒濃度大小。該方法具有非接觸測(cè)量，測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且能實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。

1理論基礎(chǔ)

1.1散射原理

光通過(guò)一媒質(zhì)時(shí)，由于構(gòu)成該媒質(zhì)的分子密度漲落而被散射的現(xiàn)象稱(chēng)為分子散射定律。密度漲落是由于媒質(zhì)中存在著其他物質(zhì)的微粒，或者由于介質(zhì)本身密度的不均勻性。溶液中的微小顆粒做永無(wú)停息地?zé)o規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)[4-5]，從而某一特定位置的媒質(zhì)分子密度漲落不定，一束光線(xiàn)通過(guò)溶液時(shí),當(dāng)遇到某個(gè)微小顆粒時(shí)便會(huì)改變傳播方向產(chǎn)生散射光。

圖1　散射原理圖

散射光強(qiáng)的分布與探測(cè)光的波長(zhǎng)和散射角度有關(guān)，所以，選擇適當(dāng)?shù)墓庠春蜕⑸浣嵌葘?duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在能精確測(cè)量光強(qiáng)強(qiáng)度的情況下，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，最終選擇90°散射角進(jìn)行測(cè)量，以最大程度上減少入射光的干擾。散射原理如圖1所示。

光散射法包括單粒子光散射法和顆粒群光散射法，兩者的區(qū)別是傳感器光敏區(qū)的粒子數(shù)不同?？紤]到實(shí)際水質(zhì)的濁度，所以本設(shè)計(jì)選擇顆粒群光散射法。顆粒群光散射法的基本原理是顆粒群通過(guò)光敏區(qū)時(shí)產(chǎn)生散射光能量，探測(cè)器對(duì)一定立體角范圍內(nèi)的光能量進(jìn)行響應(yīng)，此信號(hào)平均值與顆粒濃度成線(xiàn)性關(guān)系。這種測(cè)量方法與入射光波長(zhǎng)、幾何光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)和待測(cè)溶液參數(shù)有關(guān)。典型的顆粒群粒子光散射法光學(xué)系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2　顆粒群粒子光散射法原理圖

1.2布朗運(yùn)動(dòng)

液體的布朗運(yùn)動(dòng)是指液體分子不停地做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，不斷地隨機(jī)撞擊懸浮微粒，當(dāng)這些懸浮小微粒隨著液體分子運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于液體分子在各個(gè)方向上對(duì)懸浮小顆粒的撞擊力不相同，所以在某一時(shí)間，微粒某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)率是不一樣的，即是隨機(jī)的。顆粒在培養(yǎng)液中做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到光敏區(qū)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生散射作用，反之則沒(méi)有散射作用；因此，這種方法測(cè)出的散射光強(qiáng)具有一定的漲落現(xiàn)象，也就是有一定的波動(dòng)性，但是取一段時(shí)間內(nèi)測(cè)得的數(shù)據(jù)，求其平均值依然能反映顆粒濃度的相對(duì)大小。

1.3Mie散射理論

Mie散射理論(Lorenz-Mie theory)是麥克斯韋方程對(duì)處在均勻介質(zhì)中均勻顆粒在平面單色波照射下的嚴(yán)格數(shù)學(xué)解。Mie散射理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)十分復(fù)雜，本文不再贅述，只給出其主要結(jié)論，詳細(xì)內(nèi)容參見(jiàn)文獻(xiàn)[6-7]。當(dāng)散射粒子半徑r與入射光波長(zhǎng)λ之比r/λ很小時(shí)，總散射光能與波長(zhǎng)關(guān)系和瑞利定律一致；當(dāng)這一比值較大時(shí)，總散射光能隨這一比值的增大出現(xiàn)起伏不大的極大值與極小值，這種起伏變化也是隨r/λ的增大而逐漸減小的。因此，對(duì)于足夠大的散射粒子，可得到幾乎與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射(見(jiàn)圖3)，坐標(biāo)原點(diǎn)處有一折射率為m的粒子被波長(zhǎng)為λ的單色光I0照射，使它向空間任意方向發(fā)出散射光。圖3中點(diǎn)Ρ為觀察點(diǎn)，r為散射點(diǎn)與觀察點(diǎn)Ρ的矢徑，觀察點(diǎn)Ρ與z軸組成的平面為散射面，θ為散射角，φ為入射光振動(dòng)面與散射面間夾角。

圖3　球形粒子Mie散射示意圖

垂直于散射面的散射光強(qiáng)Ir和平行于散射面的散射光強(qiáng)It以及總散射光強(qiáng)Is分別為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2微小顆粒濃度檢測(cè)系統(tǒng)方案

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖4所示，選用波長(zhǎng)為830 nm的近紅外LED做光源，固定光源和所測(cè)液體，使光線(xiàn)垂直照射所測(cè)濁度液體，光線(xiàn)遇到固體顆粒會(huì)發(fā)生散射作用，選擇90°角作為散射角固定光探測(cè)器，使光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采集和處理，最后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和儲(chǔ)存。

圖4　系統(tǒng)框圖

2.1光源的選擇

試驗(yàn)中光源選擇波長(zhǎng)為830 nm的近紅外LED。選擇該波長(zhǎng)的光源一方面是因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光源抗外界干擾能力比可見(jiàn)光波段的光源強(qiáng)；另一方面根據(jù)米氏散射定理，檢測(cè)光源波長(zhǎng)因與檢測(cè)顆粒粒徑盡可能在同一數(shù)量級(jí)上，并且比值越小越好，而試驗(yàn)檢測(cè)的固體顆粒是微小顆粒，粒徑大約為0.1～5 μm，故采用波長(zhǎng)為830 nm的LED光源。

2.2福爾馬肼溶液配制

試驗(yàn)選用400 NTU的標(biāo)準(zhǔn)福爾馬肼濁度液，按照XNTU×vml=400NTU×Vml，分別稀釋成10、20、30、40、50、60、70、80、90和100 NTU的濁度液。其中，XNTU表示要配制溶液的濁度，vml表示要配制的溶液的體積，400NTU表示標(biāo)準(zhǔn)的濁度液，Vml表示標(biāo)準(zhǔn)濁度液取量多少。

2.3光路設(shè)計(jì)

散射光強(qiáng)的分布與探測(cè)光的波長(zhǎng)和散射角度有關(guān)，因此，選擇適當(dāng)?shù)墓庠春蜕⑸浣嵌葘?duì)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)大量的光路搭建試驗(yàn)，最終選擇90°散射角進(jìn)行測(cè)量，在最大程度上減少入射光對(duì)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的干擾，使得探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)的變化更靈敏。將光源貼近容量瓶垂直固定，目的是為了將LED發(fā)出的光盡量照射到容量瓶上。由于所測(cè)溶液散射的總光強(qiáng)相對(duì)較弱，所以在光探頭前方處安放一個(gè)焦距為15 mm的透鏡。

由于微小顆粒散射的光比較微弱，為了避免雜散光的影響，光路部分試驗(yàn)在黑暗的盒子里進(jìn)行，這樣，一方面可以使測(cè)得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定；另一方面測(cè)得的數(shù)據(jù)可以更真實(shí)的反映液體中固體顆粒的濃度，使得數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，更加有參考性。

2.4調(diào)理電路與單片機(jī)處理

由于光強(qiáng)轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)比較弱，所以需要對(duì)接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大處理。將光探頭接收到的電信號(hào)用2個(gè)放大器進(jìn)行二級(jí)放大，得到一個(gè)合適的電壓，再用比較器與一個(gè)設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較后，輸出相應(yīng)的PWM波，將此波形輸入到單片機(jī)，編寫(xiě)單片機(jī)程序計(jì)算出高電平的占空比，由此可得到單位時(shí)間內(nèi)待測(cè)樣品中微小顆粒的相對(duì)濃度。

用單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送給上位機(jī)，編寫(xiě)上位機(jī)程序進(jìn)行存儲(chǔ)，將多次試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3數(shù)據(jù)處理和分析

對(duì)所測(cè)液體濁度進(jìn)行檢測(cè)，每隔10 s記錄1個(gè)數(shù)據(jù)，通過(guò)大量試驗(yàn)驗(yàn)證，記錄20個(gè)數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行平均。試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖如圖5所示，橫坐標(biāo)表示待測(cè)溶液的濁度，縱坐標(biāo)表示反映濁度的數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在測(cè)量20～80 NTU的濁度液時(shí)，數(shù)據(jù)成很好的線(xiàn)性變化趨勢(shì)，在測(cè)量較低濁度與較高濁度溶液時(shí)，數(shù)據(jù)變化不太明顯，這是電路中比較電壓大小的設(shè)置所造成的，如果改變其中的某個(gè)參考電壓值，即可調(diào)節(jié)溶液濁度的測(cè)量范圍。

圖5　濁度測(cè)量數(shù)據(jù)生成曲線(xiàn)

4結(jié)語(yǔ)

本文在光散射理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)檢測(cè)液體濁度的裝置，對(duì)比其他生物化學(xué)方法，本方案大大簡(jiǎn)化了試驗(yàn)操作步驟，提高了試驗(yàn)檢測(cè)效率，而且通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了其可行性和可靠性。在后續(xù)的試驗(yàn)中，如果改變電路中的一些參數(shù)，就可以測(cè)量更寬范圍的濁度。另外，本試驗(yàn)的思想也可以用于空氣中的微小顆粒物的檢測(cè)。

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責(zé)任編輯鄭練

The Research On Detecting Tiny Particles Concentration based on Scattering Method

SUN Yuxia, YANG Chen, LYU Jie, YAN Jinhua

(College of Science, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract：A colloidal concentration measurement setup is constructed based on the tiny particles in solution scatter light. In this setup, an LED with central emitting wavelength 830nm is employed. At the 90 degree, the scattered light is collected and measured using a photosensitive diode as a detector. Then the optical signal is transferred to the electrical signal. Since the colloidal concentration is related to scattered light intensity, the output electrical signal is also related to the colloidal concentration. To avoid the disturbing signal by surrounding light, a nontransparent cavity with non-contact measurement is utilized.

Key words:scattering, colloidal concentration, measure, photosensitive diode

收稿日期：2015-02-13

作者簡(jiǎn)介：孫玉霞(1989-)，女，碩士研究生，主要從事光電檢測(cè)等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 247

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A