浊度传感器及浊度测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种浊度传感器，属于液体参数测量【技术领域】。该浊度传感器包括壳体、光源、光电接收模块，所述壳体为具有一个平面状底面的桶状壳体；所述光源设置于靠近所述底面的壳体侧壁内侧，可向所述底面发射与所述底面的夹角为20°的平行光；所述底面上嵌设有沿光源出射光方向依次排布的两个透明窗镜：第一窗镜、第二窗镜，其中第一窗镜位于光源所发射光线与底面的交点处；所述光电接收模块包括设置于所述壳体内部空间中的两个光电探测器：第一光电探测器、第二光电探测器，分别用于检测从第一窗镜、第二窗镜射入的与光源所发射平行光垂直的光线强度。本发明还公开了一种浊度测量装置。本发明具有结构设计简单、精度准确、测量范围宽的优点。
【专利说明】浊度传感器及浊度测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种浊度传感器，尤其涉及一种基于散射光测量法的浊度传感器，属 于液体参数测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 水的浊度是水中不同形状、大小、比重的悬浮物、微生物和胶体物质等杂质对光的 吸收和散射作用的一种反映，是水样的一种光学性质。随着人们生活水平的日益提高，以及 对生命健康、自然环境的日益关注，对于水质浊度的监测越来越受到人们的重视。浊度不仅 是衡量水质良好程度的重要指标之一，而且也是考察水处理效果的重要依据。因此，对水体 浊度的在线检测具有非常重要的现实意义。
[0003] 根据浊度的测量原理，浊度的检测方法可分为两种，一种是透射光测量法，另一种 是散射光测量法。其中散射光测量法又可分为样品内散射法及样品表面散射法。浊度测 量国际标准IS07027和美国环保标准EPA180. 1就是利用样品内散射法测量与入射光方向 成9(T角的散射光强度来确定浊度值。这种浊度测量方法其线性度好，测量精度高，但由于 在高浊度测量时会产生二次散射，9(T方向上的散射光已不能正确反映其浊度，进入测量盲 区，所以这种测量方法的范围一般在(T200NTU。表面散射法只需测量样品浅表面的散射光， 入射光无需在样品内长时间传输，因而有着更大的测量范围，可以达到1000NTU以上，并在 整个范围内线性度也较好。一般认为，散射光浊度测量仪从原理上更符合浊度的定义，而且 在应用上其对低浊度情况下的测量更加精准，散射光浊度测量仪相对于透射光浊度测量仪 更为合理。
[0004] 近年来，表面散射法因其优点受到了人们的重视。现有技术中也有借助表面散射 法进行检测的浊度传感器。例如中国专利CN1087425A公开了一种浊度仪，就是利用表面散 射法进行浊度检测，其包括水取样器、清洗装置、光源、聚光镜、光电接收器、信号处理与显 示电路，水取样器是一个直立圆桶，在此圆桶上半截有一个带出水口的套桶，圆桶底的中央 安装一个密封轴承，与自动清洗装置的主轴相配合。测量时，待测液体经进水口流入直立圆 桶并在桶口形成一个光滑的镜面，而后溢出圆桶进入套桶再由出水口流出。光源和光电探 测器安装在直立圆桶上方，两者成90。角。这种结构设计的优点是光源和光电接收模块和待 测液体是非接触式的，可以避免光学接收窗的污染现象，但是对待测液体的流速有要求，流 速太快会导致形成的液体平面产生波动，散射光的位置会发生改变，这样光电探测器接收 到的散射光强就会发生改变，影响测量准确性。整个装置的结构安装比较复杂，不能满足小 型化、便携性的要求。并且，上述缺陷在现有的基于表面散射法设计的浊度仪中普遍存在。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种浊度传感器及浊度 测量装置，采用样品内散射法和样品表面散射法相结合的测量方式，具有结构设计简单、精 度准确、测量范围宽的优点。
[0006] 本发明的浊度传感器包括壳体、光源、光电接收模块，所述壳体为具有一个平面状 底面的桶状壳体；所述光源设置于靠近所述底面的壳体侧壁内侧，可向所述底面发射与所 述底面的夹角为20°的平行光；所述底面上嵌设有沿光源出射光方向依次排布的两个透 明窗镜：第一窗镜、第二窗镜，其中第一窗镜位于光源所发射光线与底面的交点处；所述光 电接收模块包括设置于所述壳体内部空间中的两个光电探测器：第一光电探测器、第二光 电探测器，分别用于检测从第一窗镜、第二窗镜射入的与光源所发射平行光垂直的光线强 度。
[0007] 优选地，光源所在的壳体侧壁与所述底面间的夹角为70°，光源所发射的平行光 垂直于光源所在的壳体侧壁。
[0008] 进一步地，在光源与第一窗镜之间光路和第一窗镜与第一光电检测器之间光路的 中间，以及第一窗镜与第一光电检测器之间光路和第二窗镜与第二光电检测器之间光路的 中间，分别设置有防止光串扰的挡板。
[0009] 本发明的浊度测量装置，包括浊度传感器及信号处理模块，所述浊度传感器为以 上任一技术方案所述浊度传感器，所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所述信号 处理模块电连接，所述信号处理模块可利用样品表面散射法对第一光电探测器输出的信号 进行处理，得到第一浊度值，同时，利用样品内散射法对第二光电探测器输出的信号进行处 理，得到第二浊度值。
[0010] 优选地，所述信号处理模块可按照以下方法从第一浊度值、第二浊度值中选择一 个作为最终输出的浊度值：如第一浊度值、第二浊度值均小于200NTU，则以第二浊度值作 为最终输出的浊度值，否则，以第一浊度值作为最终输出的浊度值。
[0011] 相比现有技术，本发明技术方案及其进一步改进技术方案具有以下有益效果： 本发明采用独特的结构设计，以往基于表面散射法的浊度传感器的光路模块与待测样 品的分离式结构做成一体式结构，这样就大大简化了浊度仪的整体结构设计，无需固定式 安装，具有小型化、便携性的优势； 本发明采用样品内散射法和表面散射法相结合的测量方式，在低浊度（(T200NTU)测量 时选用样品内散射法，在高浊度（200 NTU 测量时选用表面散射法，能自动切换量程，提 高了测量结果的准确度，增大了测量装置的量程； 本发明浊度传感器与待测液体接触的端面进一步采用了斜面设计，可消除待测液体液 面波动以及气泡对测量所产生的不良影响，有效提高测量精度，同时也便于光源以及光电 探测器件的安装与调试。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1为本发明浊度测量装置的一个实施例的结构示意图； 图2为本发明浊度测量装置的另一个实施例的结构示意图； 图中各标号含义如下： 1 :壳体；2 :信号处理模块；3 :支架；4 :光敏兀件；5 :汇聚透镜；6 :窗镜；7 :窗镜；8 :准 直透镜；9 :LED光源；10 :汇聚透镜；11 :光敏元件；12 :信号输出线；13 :水封插头；14 :挡 板；15 :挡板；16 :壳体底面。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明： 图1显示了本发明浊度测量装置的一个实施例，该测量装置包括浊度传感器和信号处 理模块。如图1所示，浊度传感器包括一桶状的壳体1，壳体1可以为圆桶状或方桶状，其 顶部可以敞开也可以密闭。本实施例中壳体1的壳体底面16与壳体侧壁垂直，壳体1靠近 底面16的侧壁内侧设置有LED光源9 ;LED光源9前面设置有准直透镜8,可将LED光源9 所发射的光准直为平行光（图中虚线所示为光路)射向壳体底面16,且平行光与壳体底面16 之间的夹角为20°。如图1所不，在壳体底面16上嵌设有两个沿光源出射光方向依次排布 的两个透明的窗镜：窗镜7和窗镜6,其中，窗镜7距LED光源9较近并可使LED光源9所 发射并经准直透镜8准直的平行光透过。壳体1的内部固定有支架3,支架3的下面固定有 两个光电探测器，一个光电探测器位于窗镜6上方，由光敏元件4和固定于光敏元件4之前 的汇聚透镜5构成；另一个光电探测器位于窗镜7上方，由光敏元件11和固定于光敏元件 11之前的汇聚透镜10构成；汇聚透镜5和汇聚透镜10的镜面均与LED光源9所发射并经 准直透镜8准直的平行光平行，这样光敏元件4和光敏元件11可分别接收由窗镜6、窗镜7 入射的90°散射光，并将光强信号转换为电信号输出。为了防止光源发出的平行光与从窗 镜7射入的90°散射光之间，从窗镜7射入的90°散射光与从窗镜6射入的90°散射光 之间，以及其它杂散光的相互串扰，从而进一步提高测量准确性，本发明在LED光源9与光 敏元件11之间、光敏元件11与光敏元件4之间分别设有挡光板14、挡光板15。本实施例 中信号处理模块2集成于壳体1内部，如图所示，固定于支架3的上面，可分别接收光敏元 件11与光敏元件4输出的信号，并分别利用样品表面散射法、样本内散射法进行信号处理 计算，从而得到两个测量通道的测量值。本实施例中信号处理模块2还可通过信号输出线 12与外部的其它设备进行数据通信，信号输出线12通过设置于壳体1上盖的水封插头13 引出，可保证壳体1内部的水密性，当然，信号处理模块2也可置于壳体1外部，通过有线或 无线的方式获取光敏元件11与光敏元件4所采集到的两路信号。此外，为了便于光学模块 和电路模块的调试与维护，本实施例中的壳体1的底部与上部为可拆卸的两部分，例如可 采用螺纹联结的方式或其他方式。
[0014] 在使用该测量装置进行液体浊度测量时，将壳体1下部浸入待测液体，如图1所 示，LED光源9所发射并经准直透镜8准直的平行光透过窗镜7射入液体，液体表面的90° 散射光经由窗镜7进入壳体1内，经汇聚透镜10汇聚后被光敏元件11接收；射入液体内部 的平行光继续向前前进，液体内部的90°散射光经由窗镜6进入壳体1内，经汇聚透镜5汇 聚后被光敏元件4接收。根据散射光理论，不同粒径的颗粒对光的散射是不同的，而只有 与入射光成直角的散射光强度对于不同粒径的颗粒是相同的，而且散射光强度与浊度值成 线性关系。此外，基于表面散射法的浊度传感器的入射光角度要大，接收光角度要小，这样 浊度传感器的线性度较好，精确度也高。由于光源所发出的平行光与壳体底面16的夹角为 20°，则进入窗镜7下待测液体表面的光入射角为70°，接收角为160°，两者成90°，满足 了大角度入射，小角度接收的原则，可提高表面散射法的线性度，提高浊度测量的准确性。
[0015] 光敏元件11与光敏元件4所采集到的两路信号分别送入信号处理模块2,信号处 理模块2利用现有的样品表面散射法对光敏元件11采集到的信号进行计算处理，即可得 到基于表面散射测量方法的浊度测量值；同理，信号处理模块2利用现有的样品内散射法 对光敏元件4采集到的信号进行计算处理，即可得到基于内散射测量方法的浊度测量值。 正如【背景技术】中所介绍的，内散射浊度测量方法的线性度好，测量精度高，但由于在高浊度 测量时会产生二次散射，90 °方向上的散射光已不能正确反映其浊度，进入测量盲区，所以 这种测量方法的范围一般在(T200NTU ;而表面散射法只需测量样品浅表面的散射光，入射 光无需在样品内长时间传输，因而有着更大的测量范围，可以达到1000NTU以上，并在整个 范围内线性度也较好。因此，可以200NTU为信号通道选择阈值，从而根据实际情况选择最 佳的测量通道。如果预知待测液体浊度的大致范围，则用户可通过与该测量装置连接的 上位机或设置于本发明测量装置中的测量通道选择开关直接选择开启并输出结果的测量 通道，可降低浊度传感器的电量消耗，延长使用时间，例如，如预知待测液体的浊度大约在 (Tioontu范围内，则可直接令信号处理模块2在测量过程中仅获取光敏元件4采集的信号 进行处理并输出；如预知待测液体浊度较高，远超过200NTU，则可直接令信号处理模块2在 测量过程中仅获取光敏元件11采集的信号进行处理并输出。然而，多数测量环境下无法预 知待测液体的浊度范围，为此，本发明的信号处理模块2中预设有测量通道选择程序，可自 适应地根据两个测量通道的测量值选择其中较准确的测量值输出，具体选择方法如下：如 两个测量通道所计算出的浊度值均小于200NTU，则以根据光敏元件4的信号处理得到的浊 度值作为最终输出的浊度值，否则，以根据光敏元件11的信号处理得到的浊度值作为最终 输出的浊度值。以上数据处理过程所涉及的样品内散射法及样品表面散射法均为现有技 术，为节省篇幅，此处不再赘述。
[0016] 本实施例中的窗镜6、窗镜7优选有机玻璃制成，其透光率可高达92. 8%，电绝缘 性，耐稀酸、碱、油脂，机械强度和韧性良好，易染色和机械加工。LED光源9的发射波长优 选860nm左右，这样可以消除液体色度对浊度测量的影响。光敏元件4、光敏元件11优选采 用光电二极管，其灵敏度波峰在860nm左右，和光源相匹配，可更有效地检测微弱散射光信 号，提高测量精度。
[0017] 图1的浊度传感器结构虽然实现了用简单的结构实现样品内散射法和样品表面 散射法两个测量通道的同时测量，然而，由于该方案中壳体底面与壳体侧壁垂直，一方面， 当传感器壳体坚直进入待测液体中时，壳体底面下会产生气泡，这些气泡的存在会影响两 个测量通道的测量结果，导致最终的侧量结果出现误差；另一方面，由于光源部件和光接收 部件所需要满足的角度限制，带来了安装维护的不便。
[0018] 为此，本发明又提出了 一种采用斜面壳体设计的优选方案，其结构如图2所 示。该方案与图1的不同之处在于，LED光源9所发射并经准直透镜8准直的平行 光方向垂直于壳体1的侧壁，同时壳体1的底面16与LED光源9所在侧壁间的夹角 G为70°，这样，平行光与壳体底面16的夹角同样为20°，则进入窗镜7下待测液体表面 的光入射角为70°，接收角为160°，两者成90°，满足了大角度入射，小角度接收的原则， 可提高表面散射法的线性度，提高浊度测量的准确性。要接收90°散射光，汇聚透镜5和汇 聚透镜10的镜面只要垂直于壳体侧壁即可。本实施例中其余部分均与上一实施例中相同， 此处不再赘述。
[0019] 采用本实施例的结构设计，浊度传感器壳体底面为一斜面，当浸入待测液体进行 浊度测量时，如有气泡附着，液体的压力会迫使气泡沿着斜面向上排出，从而有效减小气泡 在测量过程中带来的干扰，提高测量精度。此外，采用此种结构设计，内部的光源部件和光 接收部件的安装维护也更方便。
[0020] 本发明采用了独特的结构设计，将以往基于表面散射法的浊度传感器的光路模块 与待测样品的分离式结构做成一体式结构，这样就大大简化了浊度仪的整体结构设计，无 需固定式安装，具有小型化、便携性的优势；其壳体头端采用与水平面成70°角的斜面设 计，方便了光源以及光电接收器件的安装与调试。光源的入射角为70°，接收角为160°， 两者成90°角，满足大角度入射，小角度接收的原则，提高表面散射法的线性度，提高浊度 测量的准确性；本发明还解决了以往基于表面散射法的浊度传感器由于待测液体液面波动 带来的测量不准确的问题，当入射光照射到待测液体表面时，因为液体表面的波动，散射光 的位置会发生改变，这样光电探测器接收到的散射光强就会发生改变，测得的浊度值就不 能正确表示待测液体的浊度值；并且本发明优选方案的斜面设计在有气泡附着时，液体的 压力会迫使气泡沿着斜面向上排出，从而有效减小气泡在测量过程中带来的干扰；另一方 面，本发明实现了样品内散射法和表面散射法相结合的测量方式，针对不同浊度范围的待 测液体，在低浊度（(T200NTU)测量时选用样品内散射法，在高浊度（200 NTU 测量时选用 表面散射法，能自动切换量程，提高了测量结果的准确度。
【权利要求】
1. 一种浊度传感器，包括壳体、光源、光电接收模块，其特征在于，所述壳体为具有一个 平面状底面的桶状壳体；所述光源设置于靠近所述底面的壳体侧壁内侧，可向所述底面发 射与所述底面的夹角为20°的平行光；所述底面上嵌设有沿光源出射光方向依次排布的 两个透明窗镜：第一窗镜、第二窗镜，其中第一窗镜位于光源所发射光线与底面的交点处； 所述光电接收模块包括设置于所述壳体内部空间中的两个光电探测器：第一光电探测器、 第二光电探测器，分别用于检测从第一窗镜、第二窗镜射入的与光源所发射平行光垂直的 光线强度。
2. 如权利要求1所述浊度传感器，其特征在于，光源所在的壳体侧壁与所述底面间的 夹角为70°，光源所发射的平行光垂直于光源所在的壳体侧壁。
3. 如权利要求1或2所述池度传感器，其特征在于，在光源与第一窗镜之间光路和第一 窗镜与第一光电检测器之间光路的中间，以及第一窗镜与第一光电检测器之间光路和第二 窗镜与第二光电检测器之间光路的中间，分别设置有防止光串扰的挡板。
4. 如权利要求1或2所述浊度传感器，其特征在于，所述壳体的底部与上部为可拆卸的 两部分。
5. 如权利要求1或2所述浊度传感器，其特征在于，所述光源所发射光的波长为 860nm。
6. -种浊度测量装置，包括浊度传感器及信号处理模块，其特征在于，所述浊度传感器 为权利要求1?5任一项所述浊度传感器，所述第一光电探测器、第二光电探测器分别与所 述信号处理模块电连接，所述信号处理模块可利用样品表面散射法对第一光电探测器输出 的信号进行处理，得到第一浊度值，同时，利用样品内散射法对第二光电探测器输出的信号 进行处理，得到第二浊度值。
7. 如权利要求6所述浊度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块可按照以下方法 从第一浊度值、第二浊度值中选择一个作为最终输出的浊度值：如第一浊度值、第二浊度值 均小于200NTU，则以第二浊度值作为最终输出的浊度值，否则，以第一浊度值作为最终输出 的浊度值。
8. 如权利要求6所述浊度测量装置，其特征在于，所述信号处理模块集成于所述浊度 传感器的壳体内部。
【文档编号】G01N21/47GK104374743SQ201410649079
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月17日 优先权日:2014年11月17日
【发明者】常建华, 王志丹, 郭跃, 朱成刚, 桂诗信 申请人:南京信息工程大学