一种偏振式水浊度的测量装置、测量系统及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种偏振式水浊度的测量装置、测量系统及测量方法，属于液体浊度 测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 水的浊度是水样中的一种光学效应，是指水样中悬浮的固体颗粒物以及杂质对光 的散射及吸收所引起的水样透明度变化的程度。其浊度大小与杂质的浓度大小、光学性质 等都有关系。近年来，水体污染事件时有发生，威胁着广大人民群众的生命健康，引起了大 众对水质监测的关心。光电测量法由于其快速、准确的特性被广泛地使用在浊度的测量领 域之中。
[0003] 根据浊度测量国际标准IS07027,浊度的测量是在90°方向上测量散射光，该测量 方法在低浊度区域具有良好的线性关系，但由于散射光在高浊度区域产生了多次散射导致 了测量误差，其测量量程受到了巨大的限制，无法广泛的应用于化工浊度的检测之中。而在 另一方面，在实际测量中，由于背景光以及入射液体中的杂散光不可避免地进入探测器之 中，影响整个浊度仪的测量精度。
[0004] 在已经公开的中国发明（CN 1087425)中，发明人采用了单光源入射液面，接受90° 的表面散射光通过透镜汇聚之后入射探测器，虽然发明人采用了自动清洗的装置，以解决 由于污损而造成的误差。但由于该测量方法采用了一个探测器，故无法解决因光源抖动所 造成的测量误差。同时其选择的无偏振的光进行测量，探测器对各种光源没有选择性，无法 去除背景光以及多次散射光的影响。针对以上的两种问题，本发专利设计的浊度仪测量仪， 通过利用偏振光的特性，消除大部分背景光和杂散光干扰的影响。同时双光路的设计可以 极大地去除光源老化造成的光强抖动的影响。同透射法以及90°散射法相比，光程更短，多 次散射较少，故测量量程较大。同时放置温度传感器，测量装置内的温度。本装置采用最小 二乘支持向量机(LS-SVM)的数据回归处理方法，同时对温度、散射光强、原光强、光强比值 进行数据拟合，相比于普通的最小二乘法的拟合方法，该方法在少样本、非线性、高维度的 问题上具有更好的线性，解决了温度对浊度的影响，提高了精度。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种单光源双光路偏振光的偏振式水浊度的 测量装置及测量系统;进一步地，本发明提供一种解决由于光源不稳导致的浊度测量的误 差，以及消除背景光和多次散射杂散光造成的影响，同时采用最小二乘支持向量机的数据 处理方式，对温度进行补偿，消除测量误差，提高测量精度的偏振式水浊度的测量方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于，包括:用于向第一透镜发射一束单色 光I的光源，所述单色光I依次穿过所述第一透镜、和第一偏振片后由分光镜分光成呈90°夹 角的入射光la和散射光Ib，所述散射光lb进入第一光电探测器，所述入射光la进入测量槽后 的90°表面散射光131依次通过第二偏振片和第二透镜后进入第二光电探测器;所述测量槽 内设置有温度测量传感器。
[0008] 所述测量槽包括U型槽，所述U型槽包括两垂直设置的进水槽和出水槽，所述进水 槽和出水槽的底端由横向槽连通，所述进水槽和出水槽的四周均设置有溢流槽，位于所述 进水槽和出水槽相对侧的两所述溢流槽底部相连通;所述进水槽的顶端高于所述出水槽的 顶端;所述进水槽的内壁上设置有至少一对折流板。
[0009] 所述折流板与进水槽内壁的夹角为45~75°。
[0010] 所述进水槽的顶端高出所述出水槽的顶端至少2厘米，所述进水槽的横截面面积 大于所述出水槽的横截面面积。
[0011 ]所述光源为860nm的近红外光;所述分光镜为光栅式分光镜;所述第一光电探测器 和第二光电探测器均为光电三极管;所述温度测量传感器为DHT22传感器。
[0012] 一种偏振式水浊度的测量系统，其特征在于：包括上述的测量装置、信号处理模 块、显示模块和挡板控制电路;所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、AD 转换电路;所述放大电路分别与所述第一光电探测器和第二光电探测器连接，所述显示模 块与挡板控制电路连接;所述信号处理模块与所述显示模块相连接。
[0013] -种偏振式水浊度的测量装置的测量方法，其特征在于:包括以下步骤：
[0014] 利用最小二乘向量支持机的线性回归方程组：
[0015] y=ffT?(x)+b (1)
[0017] s.t.y(xk)=ffT〇 (xk)+b+ek,k= 1, . . . .η (3)
[0018] 式（1)中，Φ(χ)代表各个输入的水浊度影响因子对浊度值的影响函数;W代表各个 水浊度影响因子的函数系数矩阵;y代表水浊度；
[0019] 式(2)是对式（1)进行最小二乘向量拟合，式（2)中的e代表误差;ek代表各个水浊 度影响因子的误差;T代表矩阵的运算方式;C代表用于控制误差比重的调节因子;J(W，e)代 表约束条件，选择W和e的最小值；
[0020] 对式（1)、（2)进行约束化得式(3)，s.t.是受约束的意思;式(2)和式(3)组成一个 方程组；
[0021] 由式(3)建立拉格朗日等式：
[0023]式(4)中，α代表拉格朗日乘子;〇1代表各个水浊度影响因子的拉格朗日乘子;i = l ~N;
[0024] 根据KKT条件，对式(4)中的W，e，a，b求偏导得：
[0029]由式(5)~式(8)求解b和α，得最小二乘支持向量机模型：
[0031]式(9)中，f(x)代表水浊度;k(x，Xl)代表各个水浊度影响因子的径向基函数；
[0033] 式（10)中，X代表各个水浊度影响因子的当前测量的值;XlR表之前各个水浊度影 响因子的训练值;〇代表核函数宽度；
[0034] 将式（10)带入式(9)，得：
[0036] 将各个水浊度影响因子分别作为输入值带入式（11)中，调节调节因子C和核函数 宽度〇，输出值f (X)为浊度值;输出值f (X)与标准浊度液进行标定。
[0037] 所述水浊度影响因子包括温度、散射光强、参考光强和光强比值;所述散射光强为 散射光I b的光强，所述参考光强为I ai的光强，所述光强比值为I b/1 ai。
[0038] 所述标准浊度液的制备方法为:将几种不同水浊度的福尔马肼溶液依次充入所述 测量槽中，分别测得其相应的电压值，所述电压值包括lb和I al。
[0039] 所述标准浊度液的水浊度计算方法为:根据电压值计算光强比值Ib/Ial，将标准浊 度液的水浊度y和光强比值X分别作为横、纵坐标，线性拟合，得线性方程， 为定值，将测量并计算得到的光强比值代入yilux+h*程中就得到水浊度的大小。
[0040] 本发明专用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0041] 1、本发明的测量装置及测量系统，提出了一种单光源双光路的浊度测量方案，测 量散射光以及参考光，能有效地减小光源不稳以及探测器的污损导致的测量误差。
[0042] 2、本发明的测量装置及测量系统，采用起偏器产生、检偏器检测偏振光，可以极大 地减小背景光和杂散光的影响，提高精度。
[0043] 3、本发明的测量装置及测量系统，所设计的测量槽，利用重力差注水，液体经过折 流板，保证水流缓慢且被测液面水平。
[0044] 4、本发明的测量装置及测量系统，提高了系统检测灵敏度，简化了整个测量系统， 且具有更高的系统集成度，结构更紧凑，实现在复杂环境条件下水体浊度的在线快速检测。
[0045] 5、本发明采用最小