李先瑞,許 斌,倪文軍,張 磊

(1.天津大學(xué)，天津 300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

0 引言

通常待測水樣越渾濁，對光線的阻礙程度越強(qiáng)。在物理現(xiàn)象中表現(xiàn)為：當(dāng)水越渾濁，透射光越弱，散射光越強(qiáng)；反之，透射光越強(qiáng)，散射光越弱。由此可見，濁度是水中的懸浮顆粒對光線有阻礙作用的光學(xué)效應(yīng)，與水中懸浮顆粒的質(zhì)量無關(guān)，因?yàn)槊芏却笄屹|(zhì)量大的懸浮顆粒會迅速下沉至底部，對光線不會造成阻礙作用。

文獻(xiàn)[1-3]提出采用透射光檢測的方式進(jìn)行濁度測量，該方式結(jié)構(gòu)簡單，但濁度較低或光源較強(qiáng)時易造成透射光接收器上光飽和，若降低光強(qiáng)，則會出現(xiàn)透射光接收器靈敏度不夠問題；文獻(xiàn)[4-5]提出采用散射-投射比較式濁度探測法，該方式可削弱水樣變色和光源變化導(dǎo)致的誤差，但需保證散射光接收器和透射光接收器在待測水樣中的路徑一樣長，而散射光和透射光之比并非嚴(yán)格線性關(guān)系，造成該種方式的局限性。

文獻(xiàn)[6-7]提出采用前向散射式和垂直90°散射式濁度測量，這2種方式的光源與散射光接收器距離較遠(yuǎn)，因此對光源選擇和整體設(shè)計結(jié)構(gòu)有較高要求，無法滿足便攜式測量要求。

綜上所述，本文采用后向散射光接收方式，以850 nm的VCSEL半導(dǎo)體激光器為光源，設(shè)計了一種濁度傳感器，可輸出穩(wěn)定的4～20 mA信號，測量量程最高可達(dá)400 NTU。

1 半導(dǎo)體激光器濁度傳感器設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

半導(dǎo)體激光器濁度傳感器整體結(jié)構(gòu)包括光學(xué)采集模塊、信號處理模塊、信號輸出模塊、電源供電模塊等，如圖1所示。光學(xué)采集模塊主要提供穩(wěn)定性強(qiáng)、線性度高、功耗低的光源，濾除干擾波段的外界光源，并接收850 nm波段的散射光信號；信號處理模塊包括積分放大電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、濾波檢波電路、三級運(yùn)放電路、振蕩電路、溫度補(bǔ)償電路和差分放大電路，用于將接收的散射光信號進(jìn)行處理；信號輸出模塊包括反向放大電路和4～20 mA轉(zhuǎn)換電路，將散射光信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號；電源供電模塊可提供9～15 V寬電壓電源，給硬件電路中的芯片供電。

圖1 濁度傳感器整體結(jié)構(gòu)

1.2 光學(xué)采集模塊設(shè)計

光學(xué)采集模塊采用后向散射光接收方式，光源以水為介質(zhì)進(jìn)行傳播，由于介質(zhì)中存在雜質(zhì)導(dǎo)致部分光源偏離原來傳播方向，通過接收該部分光源，當(dāng)水中懸浮物直徑小于入射光波長時，根據(jù)瑞利散射定律推導(dǎo)出散射光光強(qiáng)[8-10]，如式(1)所示。

(1)

式中：IR為散射光光強(qiáng)；I0為入射光光強(qiáng)；V為單個微粒的體積數(shù)；N為單個體積水中的微粒數(shù)；λ為入射光波長；γ為懸浮顆粒到散射光接收點(diǎn)的距離；n為水的折射率；n0為微粒的折射率。

當(dāng)水中懸浮物直徑大于入射光波長時，根據(jù)米爾散射定律推導(dǎo)出散射光光強(qiáng)，如式(2)所示。

IR=KmANI0

(2)

式中：Km為米爾散射系數(shù)；A為懸浮微粒的表面積；N為水中的懸浮微粒個數(shù)。

綜合瑞利散射定律和米爾散射定律可得出，入射光在水中與水中懸浮物的體積、數(shù)量成正比，與波長成反比。因此，選擇合適的光源和濾光處理十分重要。

本文以VCSEL半導(dǎo)體激光器作為光源[11-12]，波長為850 nm，半導(dǎo)體激光器相對于其他光源具有更好的線性度，溫度更易控制，并且功耗較低，其比較如表1所示。

表1 探測器光源比較

光學(xué)采集模塊前端由VCSEL半導(dǎo)體激光器、遮光套管、濾光片、散射光接收器統(tǒng)一整合到一起，采用聚氨樹脂進(jìn)行密封灌膠，如圖2所示。其中遮光套管套于半導(dǎo)體激光器外部，以免發(fā)出的光源直接被散射光接收器接收，造成測量誤差；濾光片置于半導(dǎo)體激光器和散射光接收器上方，用于濾除多余的環(huán)境光和其他波段的光源；散射光接收器用于接收后向散射的光源。

圖2 光學(xué)采集模塊整體圖

鑒于VCSEL半導(dǎo)體激光器的發(fā)射角度為垂直腔面出射，為提高濁度檢測范圍以及對光學(xué)采集窗口大小的控制，半導(dǎo)體激光器和散射光接收器間的距離設(shè)置為固定值，以保證散射光接收角度為140°～170°。

1.3 信號處理模塊設(shè)計

信號處理模塊由I/V轉(zhuǎn)換電路、濾波檢波電路、三級運(yùn)放電路、振蕩電路、溫度補(bǔ)償電路和差分放大電路組成。

I/V轉(zhuǎn)換電路在接收到光源散射后，將μA級的光電流信號進(jìn)行初步放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號并經(jīng)過濾波檢波電路濾除低頻信號，電路如圖3所示。鑒于接收的光電信號較微弱，設(shè)計采用低噪聲、偏置電流小的運(yùn)算放大器，其容性負(fù)載可超過500 pF，電源電流低于630 μA/amp，軌到軌擺幅能力可緩沖CMOS和DAC等器件。

圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路圖

由于電路在放大微弱的光電信號過程中會產(chǎn)生額外的誤差，特別是放大電路引起的失調(diào)誤差和輸出漂移[13-14]，因此增加振蕩電路，為各運(yùn)算放大器提供標(biāo)準(zhǔn)頻率的振蕩信號，該信號為5 kHz的方波，經(jīng)過調(diào)制后的交流方波信號在處理過程中受噪聲和誤差的影響較小，確保信號放大的穩(wěn)定性。

溫度補(bǔ)償電路用于對發(fā)射的光電信號進(jìn)行補(bǔ)償，采用高精度的熱敏電阻捕獲外界環(huán)境溫度的變化，然后經(jīng)過一級運(yùn)算放大器獲取相應(yīng)的電壓值，再通過振蕩電路和高精密模擬開關(guān)的控制，每0.2 ms對發(fā)射光源信號進(jìn)行溫度修正補(bǔ)償，將溫度對濁度的影響降到最低，如圖4所示。

圖4 振蕩及溫度補(bǔ)償電路圖

1.4 信號輸出模塊設(shè)計

考慮到信號穩(wěn)定性和用戶使用便捷性，信號輸出模塊主要由反向放大電路和4～20 mA轉(zhuǎn)換電路組成。

反向放大電路主要具有2個功能，一是將信號處理模塊輸出的信號進(jìn)行進(jìn)一步放大，提供給4～20 mA轉(zhuǎn)換電路，二是在反向放大電路的同向端加入電壓補(bǔ)償電路，該電路可將運(yùn)算放大器差分輸入信號控制在一定范圍，以防壓差太大，無法進(jìn)行4～20 mA信號的轉(zhuǎn)換。

4～20 mA轉(zhuǎn)換電路主要用于將電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號，考慮到增益誤差和非線性度的影響，本次設(shè)計采用INA105系列的芯片，該芯片通過配置對應(yīng)的源阻抗可將共模抑制比降低到80 dB，且非線性度誤差影響可降到0.001%，具體設(shè)計如圖5所示。

圖5 信號輸出模塊電路圖

2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

基于VESEL半導(dǎo)體激光器的濁度傳感器計量方式分為標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液下的測量和非標(biāo)準(zhǔn)溶液下的測量2種方式。

標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液測量采用0.01 g/mL的硫酸肼與0.1 g/mL的六次甲基甲胺，按照1∶1混合制成濁度為4 000 NTU的標(biāo)準(zhǔn)溶液500 mL。然后依次稀釋至2 000 NTU、1 000 NTU、500 NTU、250 NTU及125 NTU。非標(biāo)準(zhǔn)溶液采用清水和牛奶的混合，通過調(diào)整兩者的配比得到不同濁度溶液。

濁度傳感器的率定工作在標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液中進(jìn)行，如圖6所示。率定完成后將濁度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)的計量器具進(jìn)行對比，以驗(yàn)證傳感器的精確性和穩(wěn)定性。

圖6 濁度傳感器

2.2 實(shí)驗(yàn)分析

2.2.1 率定分析

將濁度傳感器分別置于空氣、清水、125 NTU、250 NTU、500 NTU、1 000 NTU、2 000 NTU和4 000 NTU的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液中，記錄輸出的4～20 mA電流值。注意率定過程中需保證測量容器側(cè)壁無反光，光路20 cm內(nèi)無障礙物。每組率定數(shù)據(jù)測試5次，測量結(jié)果如表2所示。

表2 濁度率定數(shù)據(jù)

根據(jù)5次的測量結(jié)果取平均值，然后獲取濁度的率定曲線圖，如圖7所示。其中x為測量的4～20 mA電流信號值，y為溶液的濁度。

圖7 濁度傳感器率定曲線

根據(jù)獲得的擬合曲線進(jìn)行反算可知，該擬合曲線最大示值誤差為1.6%，擬合度較好，精度符合要求。

2.2.2 重復(fù)性分析

重復(fù)性試驗(yàn)是濁度傳感器的重要指標(biāo)，將傳感器浸泡于清水中72 h，每0.5 h記錄1次濁度數(shù)據(jù)值，測得對應(yīng)的濁度數(shù)據(jù)曲線圖如圖8所示。

圖8 濁度傳感器重復(fù)性試驗(yàn)曲線

由測試結(jié)果可知，該濁度傳感器在水中濁度保持不變的條件下，所測得的電流信號值也趨于穩(wěn)定，最大誤差值為3 μA，能夠保證濁度傳感器長期置于水中穩(wěn)定可靠。

2.2.3 精度分析

精度試驗(yàn)主要將濁度傳感器和計量設(shè)備同時放置于標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液和非標(biāo)準(zhǔn)溶液中，比對兩者的精度值。

標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液測量中，將4套濁度傳感器和一套計量設(shè)備同時置于31.25、62.5、125、250、500、1 000、2 000、2 666、3 000、4 000 NTU的標(biāo)準(zhǔn)溶液中，測得對應(yīng)的4～20 mA電流值信號，根據(jù)率定曲線轉(zhuǎn)化成NTU值，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)溶液下濁度比對數(shù)據(jù) NTU

通過實(shí)驗(yàn)測得，在標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液下，計量設(shè)備的最大相對偏差為1.39%，1#～4#濁度傳感器的最大相對偏差分別為0.94%、1.29%、1.36%、0.91%，測量結(jié)果較精準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確地測量不同渾濁度的溶液的濁度值。

非標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液測量中，將4套濁度傳感器和一套計量設(shè)備同時置于牛奶和清水混合的非標(biāo)準(zhǔn)溶液中，測得對應(yīng)的4～20 mA電流值信號，根據(jù)率定曲線轉(zhuǎn)化成NTU值，將4套濁度傳感器和計量設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果如表4所示。

表4 非標(biāo)準(zhǔn)溶液下濁度比對數(shù)據(jù) NTU

通過實(shí)驗(yàn)測得，在非標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液下，1#～4#濁度傳感器與計量設(shè)備的最大相對偏差分別為0.162%、0.154%、0.105%、0.91%，測量結(jié)果較精準(zhǔn)，能夠準(zhǔn)確地測量不同渾濁度的溶液的濁度值。

3 結(jié)論

本文設(shè)計一種濁度傳感器，利用850 nm的VESEL半導(dǎo)體激光器為光源，采用后向散射光檢測法，配合光學(xué)采集模塊、信號處理模塊、信號輸出模塊和電源供電模塊，將散射光信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA信號，并通過率定曲線計算出具體的溶液濁度，其搭配濁度含沙量采集器可實(shí)時傳輸測量數(shù)據(jù)至管理中心。濁度傳感器準(zhǔn)確度誤差在±1.36%以內(nèi)，穩(wěn)定性優(yōu)于0.6%，具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。