液体浊度测量装置及其测量方法与流程

本发明涉及水质测量仪器领域，特别适用于制作海洋、江河、湖泊、供排水管道中的在线水质浑浊度监测传感器，属于液体参数测量技术领域。

背景技术：

液体的浊度是液体中不同形状、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，是液体样的一种光学性质。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。浊度不仅是衡量液体质良好程度的重要指标之一，而且也是考察液体处理效果的重要依据。

目前，浊度测量仪器一般采用散射光式浊度测量法，通过一对光源和感光器，测量光在水样中的90度散射光强度，来计算水中的浊度。由于散射光强度不仅与浊度相关，还与光源强度以及液体的色度等参数相关，这种测量方式容易受到光源老化、污染、以及液体的色度等因素影响，测量并不准确。一些浊度测量仪器采用了透射光-散射光比较测量法，采用两个感光器分别测量一个光源的90度散射光与投射光，并根据它们的比值计算水中的浊度，这种方法消除了光源老化、污染、以及液体的色度对测量的影响，但是容易由于器件老化或者污染造成两个感光器的增益不一致，造成测量误差。一些浊度计采用呈90度夹角的了两对光源与感光器，以交替测量的方式分别计算两个光源的透射光与散射光，并进行比较后进行浊度的测量。这种方法虽然可以消除光源和感光器的老化或污染的影响，但是由于两组测量的时间不一致，在水体快速流动，或者浊度快速变化时，仍然会造成测量误差。

根据朗伯比尔定律，液体中的透射光I_T与入射光I₀的光强度有如下关系：

I_T＝I₀e^-τL [1]

其中，τ是与光波长以及液体色度相关的衰减系数，L是透射光的光程。

根据瑞利散射与米氏散射原理，90度散射光I_S与入射光I₀的关系式为：

I_S＝αNI₀e^-τl [2]

其中α是与入射光波长相关的散射比例系数，N是液体的浊度，l是散射光的光程。

因此，透射光IT与90度散射光IS二者光强度的比值为：

这是一个与光强度无关，仅与浊度、色度、光程、以及波长相关的物理量，与入射光的强度无关。如果在传感器设计中，令入射光与散射光的光程相等，即L＝l，则有因此，此时I_S与I₀的比值仅与浊度和波长相关，而波长是个固定的值，我们可以采用标定的方式，测得散射比例系数K(从原理上说，K＝1/α)，从而以如下的公式计算液体的浊度：

从上述推导可以看出，在透射光-散射光比较法的浊度测量原理中，只要透射光和散射光的光程保持一致，使用这种原理测量的浊度不会受到入射光强度漂移、以及液体色度等因素的影响。然而，在透色光与散射光光强度的测量过程中，由于感光原件老化或被污染物遮挡造成的测量增益漂移、由于测量电路老化造成的零点和增益漂移、以及周围环境光对测量的影响仍然不可消除。

因此急于开发一种克服上述缺陷的液体浊度测量装置及其测量方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种液体浊度测量方法，其中，包含：

步骤1：根据二个正弦电流信号对应地驱动所述二个光源发光；

步骤2：采集并转换每一所述光源所发出的透射光及散射光获得两路数字信号；

步骤3：根据每一路所述数字信号获得每一所述光源的透射光强度参数及散射光强度参数；

步骤4：根据每一所述光源的所述透射光强度参数及所述散射光强度参数获得液体浊度。

上述的液体浊度测量方法，其中，所述步骤1包含：

步骤11：输出两路带直流偏置的正弦波信号；

步骤12：将所述两路正弦波信号对应地转换为两路正弦波模拟电压信号；

步骤13：将所述两路正弦波模拟电压信号对应地转换为二个所述正弦电流信号，并驱动所述二个光源发光。

上述的液体浊度测量方法，其中，所述步骤2包含：

步骤21：分别对应地采集一所述光源所发出的所述透射光及另一所述光源发出的所述散射光；

步骤22：放大采集的每一所述光源所发出的所述透射光及所述散射光；

步骤23：将放大后的一所述光源所发出的所述透射光及另一所述光源发出的所述散射光转换为一路所述数字信号，同时将放大后的另一所述光源所发出的所述透射光及一所述光源发出的所述散射光转换为另一路所述数字信号。

上述的液体浊度测量方法，其中，还包含0步骤：根据控制信号输出所述二个正弦电流信号。

上述的液体浊度测量方法，其中，于所述步骤4中根据如下公式获得所述液体浊度：

其中，N为液体浊度；K为浊度转换系数，且K通过实验标定获得；R₄₂、R₅₃分别为二个光源的透射光强度参数；R₄₃、R₅₂分别为二个光源的散射光强度参数。

本发明还提供一种液体浊度测量装置，其中，包含：

二个光源；

驱动单元，输出二个正弦电流信号对应地驱动所述二个光源发光；

二个感光单元，对应地采集并转换每一所述光源所发出的透射光及散射光获得两路数字信号；

光强度参数获得单元，根据每一路所述数字信号获得每一所述光源的透射光强度参数及散射光强度参数；

控制处理单元，根据每一所述光源的所述透射光强度参数及所述散射光强度参数获得液体浊度。

上述的液体浊度测量装置，其中，所述驱动单元包含：

数字信号发生器，输出两路带直流偏置的正弦波信号；

二个数字模拟转换器，电性连接于所述数字信号发生器，二个所述数字模拟转换器分别将所述两路正弦波信号对应地转换为两路正弦波模拟电压信号后输出；

二个电压/电流转换模块，一一对应地电性连接于二个所述数字模拟转换器，二个所述电压/电流转换模块分别将所述两路正弦波模拟电压信号对应地转换为二个所述正弦电流信号后，对应地输出至所述二个光源以驱动所述二个光源发光。

上述的液体浊度测量装置，其中，每一所述感光单元均包含：

感光器，对应地采集一所述光源所发出的所述透射光及另一所述光源发出的所述散射光；

增益放大器，电性连接于所述感光器，所述增益放大器分别对应地放大采集的一所述光源所发出的所述透射光及另一所述光源发出的所述散射光；

模拟数字转换器，电性连接于所述增益放大器，所述模拟数字转换器分别将放大后的一所述光源所发出的所述透射光及另一所述光源所述散射光转换为一路所述数字信号。

上述的液体浊度测量装置，其中，所述控制处理单元输出控制信号至所述驱动单元，所述驱动单元根据所述控制信号获得所述二个正弦电流信号。

上述的液体浊度测量装置，其中，所述控制处理单元根据如下公式获得所述液体浊度：

其中，N为液体浊度；K为浊度转换系数，且K通过实验标定获得；R₄₂、R₅₃分别为二个光源的透射光强度参数；R₄₃、R₅₂分别为二个光源的散射光强度参数。

本发明的开关器件针对于现有技术其功效在于：

1、采用双光源的传感器设计方法，消除污染物遮挡与元器件老化造成的测量结果漂移。

2、采用正交调制的测量电路，消除电路零点漂移，以及自然光、人造光等环境光对测量结果的影响。

3、采用正交调制的测量电路，实现双光源的同时工作测量，消除采用工作测量方式由于浊度突变造成的测量误差。

附图说明

图1为本发明液体浊度测量方法的流程图；

图2为图1中步骤1的分步骤流程图；

图3为图1中步骤2的分步骤流程图；

图4为本发明液体浊度测量装置的电路结构示意图；

图5为本发明液体浊度测量装置的安装结构示意图。

具体实施方式

兹有关本发明的详细内容及技术说明，现以一较佳实施例来作进一步说明，但不应被解释为本发明实施的限制。

请参见图1-3，图1为本发明液体浊度测量方法的流程图；图2为图1中步骤1的分步骤流程图；图3为图1中步骤2的分步骤流程图。如图1-3所示，本发明的液体浊度测量方法，包含：

步骤1：根据二个正弦电流信号对应地驱动二个光源发光；

步骤2：采集并转换每一光源所发出的透射光及散射光获得两路数字信号；

步骤3：根据每一路数字信号获得每一光源的透射光强度参数及散射光强度参数；

步骤4：根据每一光源的透射光强度参数及散射光强度参数获得液体浊度。

进一步地，所述步骤1包含：

步骤11：输出两路带直流偏置的正弦波信号；

步骤12：将两路正弦波信号对应地转换为两路正弦波模拟电压信号；

步骤13：将两路正弦波模拟电压信号对应地转换为二个所述正弦电流信号，并驱动二个光源发光。

再进一步地，所述步骤2包含：

步骤21：分别对应地采集一光源所发出的透射光及另一光源发出的散射光；

步骤22：放大采集的每一光源所发出的透射光及散射光；

步骤23：将放大后的一光源所发出的透射光及另一光源发出的散射光转换为一路数字信号，同时将放大后的另一光源所发出的透射光及一光源发出的散射光转换为另一路数字信号。

更进一步地，本发明的液体浊度测量方法还包含0步骤：根据控制信号输出二个正弦电流信号。

其中，于所述步骤4中根据如下公式获得所述液体浊度：

其中，N为液体浊度；K为浊度转换系数，且K通过实验标定获得；R₄₂、R₅₃分别为二个光源的透射光强度参数；R₄₃、R₅₂分别为二个光源的散射光强度参数。

请参见图4为本发明液体浊度测量装置的电路结构示意图；图5为本发明液体浊度测量装置的安装结构示意图。如图4-5所示，本发明的液体浊度测量装置，包含：二个光源L41、L42、驱动单元、二个感光单元43、光强度参数获得单元44及控制处理单元45；驱动单元42输出二个正弦电流信号对应地驱动所述二个光源L41、L42发光；二个感光单元43对应地采集并转换每一所述光源41所发出的透射光及散射光获得两路数字信号；光强度参数获得单元44根据每一路所述数字信号获得每一所述光源L41、L42的透射光强度参数及散射光强度参数；控制处理单元45根据每一所述光源L41、L42的所述透射光强度参数及所述散射光强度参数获得液体浊度。其中在本实施例中，光强度参数获得单元44为DSP模块，但本发明并不以此为限。

进一步地，所述驱动单元包含：数字信号发生器421、二个数字模拟转换器422及二个电压/电流转换模块423；数字信号发生器421输出两路带直流偏置的正弦波信号；二个数字模拟转换器422电性连接于所述数字信号发生器421，二个所述数字模拟转换器422分别将所述两路正弦波信号对应地转换为两路正弦波模拟电压信号后输出；二个电压/电流转换模块423一一对应地电性连接于二个所述数字模拟转换器422，二个所述电压/电流转换模块423分别将所述两路正弦波模拟电压信号对应地转换为二个所述正弦电流信号后，对应地输出至所述二个光源L41、L42以驱动所述二个光源L41、L42发光。其中在本实施例中，驱动单元42还包含二个电阻424，每一电阻424连接于数字模拟转换器422及电压/电流转换模块423之间。

再进一步地，每一所述感光单元43均包含：感光器431、增益放大器432及模拟数字转换器433；感光器431对应地采集一所述光源L41所发出的所述透射光及另一所述光源L42发出的所述散射光；增益放大器432电性连接于感光器431，增益放大器432对应地放大采集的一所述光源L41所发出的所述透射光及另一所述光源L42发出的所述散射光；模拟数字转换器433电性连接于增益放大器432，所述模拟数字转换器433分别将放大后的一所述光源L41所发出的所述透射光及另一所述光源L42所述散射光转换为一路所述数字信号。

值得注意的是，二个感光单元43的原理与结构均相同，不同的是一感光单元的模拟数字转换器433分别将放大后的一所述光源L41所发出的所述透射光及另一所述光源L42所述散射光转换为一路所述数字信号，另一感光单元的的模拟数字转换器433分别将放大后的一所述光源L42所发出的所述透射光及另一所述光源L41所述散射光转换为另一路所述数字信号。

再进一步地，所述控制处理单元45输出控制信号至所述驱动单元42的数字信号发生器421，所述驱动单元42的数字信号发生器421根据所述控制信号输出所述二个正弦电流信号；控制处理单元45根据如下公式获得所述液体浊度：

其中，N为液体浊度；K为浊度转换系数，且K通过实验标定获得；R₄₂、R₅₃分别为二个光源的透射光强度参数；R₄₃、R₅₂分别为二个光源的散射光强度参数。

以下结合图4-5具体说明本发明液体浊度测量装置的工作过程。

本发明的目的是针对当前浊度传感器易受污浊物附着、产生器件老化而造成浊度测量产生漂移、以及容易受背景光影响造成测量误差的缺点，并特别针对江河、雨水管道、或者污水管道等浊度快速变化的环境，提出一种能够抗污染与老化漂移，抗周围环境光干扰，并且能够快速同步响应浊度传感器设计方法。

为了消除上述影响浊度测量精度的因素，本发明提出了一种基于正交双光源的液体浊度测量方法及测量装置。

其中，测量装置如图5所示：包含圆柱形腔体5、光源L41、光源L42、二个感光器431；其中，光源L41和光源L42呈90度夹角，并且波长相同，感光器431分别正对着两个光源。对于正对光源L41的感光器431来说，光源L41发出的光是透射光，光源L42发出的光是90度散射光；对于正对光源L42的感光器431来说，光源L42发出的光是透射光，光源L41发出的光是90度散射光。

由图中可知，光源L41到正对光源L41的感光器431的透射光光程、光源L42到正对光源L42的感光器431的透射光光程、光源L41到正对光源L42的感光器431的散射光光程、以及光源L42到正对光源L41的感光器431的散射光光程都是相等的，都等于圆柱腔体5的内直径D。并且由于光源L41和光源L42的波长相同，它们的散射比例系数K也是相同的。因此根据前述的公式[4]，可以得到：

其中I_S2为光源L41到正对光源L42的感光器431的散射光强度；I_T2为光源L41到正对光源L41的感光器431的透射光强度；I_S3为光源L42到正对光源L41的感光器431的散射光强度；I_T3为光源L42到正对光源L42的感光器431的透射光强度。

我们用I₂和I₃分别表示光源L41和光源L42的光源强度，A4和A5分别表示正对光源L41的感光器431和正对光源L42的感光器431及其测量电路的综合增益。则前述的根据公式[1]和[2]，正对光源L41的感光器431上测量到的光源L41的透射光强度读数R₄₂为：

R₄₂＝A₄I₂e^-τD [6]

正对光源L41的感光器431上测量到的光源L42的散射光强度读数R₄₃为：

R₄₂＝A₄αNI₇e^-τD [7]

正对光源L42的感光器431上测量到的光源L42的透射光强度读数R₅₃为：

R₅₃＝A₅I₃e^-τD [8]

正对光源L42的感光器431上测量到的光源L41的散射光强度读数R₅₂为：

R₅₂＝A₅αNI₂e^-τD [9]

由上述公式我们可以得到：

也就是说，是一个与浊度成正比，并且与光强度I₂、I₃，以及感光器及其电路增益A4和A5都无关的物理量。采用来表征散射光与透射光的比例：

并且以如下公式来计算浊度，可以完全消除光源、感光器、以及测量电路由于老化或污染造成的浊度测量误差：

其中K＝1/α，是浊度转换系数，可以由标定实验获取。

我们可以消除光源、感光器、以及测量电路由于老化或污染造成的浊度测量误差。而在在实际测量中，我们需要尽可能消除周围环境光对测量的影响，以及测量电路的零点漂移。同时，为了应对雨水、污水管道等浊度快速变化的使用环境，上述双光源的传感器必须两路散射光与两路投射光同时测量，来防止采用交替测量方法时，由于浊度突变造成的测量误差。

本发明的测量装置首先由数字信号发生器421以频率f_S产生两路带直流偏置的正弦波信号V₂和V₃：

其中A₂、A₃是信号的交流成分幅值，T₂、T₃是两路信号的交流成分周期，φ₂、φ₃是交流成分的相位，n为交流信号的数值序列。B₂、B₃是信号的直流成分，需要分别大于或等于A₂和A₃，保证V₂和V₃大于0。其中，与这两路正弦波交流信号必须是正交的，即可以找到一个序列长度N，使得它们相互之间内积的结果为0。根据正弦波的特性，两个相同周期的正弦波，如果相位相差为90度，这样它们在完整周期的序列长度上进行内积时是正交的；如果两个正弦波的周期不同，只要它们的周期存在公倍数，则以它们的周期公倍数为序列长度进行内积时，它们也是正交的。我们可以采用上述的方法设计两路正交的正弦波信号。

然后，我们将这两路正弦波数字信号通过数模转换器产生两路带直流偏置的正弦波模拟电压信号，并通过电压/电流转换模块423，以电流激励的方式，分别驱动两个光源L41、L42。由于光源的发光强度与激励电流呈正比，因此，光源L41和光源L42光强度可以描述为：

其中，k₂和k₃分别为光源L41和光源L42从数字信号到光强度的转化比例系数。

感光器431接收到的光强度经过放大，再用同样的采样率f_S进行模数转换(ADC)后得到两路数字信号V₄和V₅。其中V₄包含了光源L41的透射光和光源L42的散射光，V₅包含了光源L42的透射光和光源L41的散射光

根据公式[1]和[2]，我们可知：

V₄(n)＝A₄e^-τlI₂(n)+A₄αNe^-τlI₃(n) [17]

V₅(n)＝A₅e^-τlI₃(n)+A₅αNe^-τlI₂(n) [18]

代入[15][16]得到：

我们在DSP模块中分别对V₄和V₅取长度为N的序列，与光源L41和光源L42上的正交交流信号与分别以内积的形式进行解调计算，得到两个感光器对两个光源信号的各自的读数R42、R43、R52、和R53：

将公式[19]代入[21]，可知：

由于N是T₂和T₃的公倍数，由三角函数特性可知式中的第一项内积因子等于并且由于正交性，式中的第二项内积因子等于0。第三项内积因子是正弦函数与直流信号的内积，等于自身整周期的求和，结果也等于0。因此，我们可知：

R₄₂＝k₂A₂A₄e^-τD [26]

这是一个仅与光源L41交流调制幅度A₂相关的值，与光源L41的直流成分B₂，以及光源L42的调制信号无关。也就是说，根据公式[21]我们可以从正对光源L41的感光器431接收到的信号中，把由光源L41交流成分激励产生的响应幅值单独解调提取出来，不受光源L42的影响。

同样，我们可以分析得到

R₄₃＝αNK₃A₃A₄e^-τD [27]

R₅₂＝αNk₂A₂A₅e^-τD [28]

R₅₂＝k₃A₃A₅e^-τD [29]

这样，我们可以在光源L41和L42同时工作的情况下从二个感光器431中同时解调提取出每个感光器对各个光源的4个交流信号幅值响应，从而使得公式[12]能够成立，并且可以采用该公式进行浊度的计算。

在上述电路测量过程中，测量电路的零点漂移将会在解调过程中以直流成分的形式参与解调。由于直流信号与正弦波信号正交，因此零点漂移解调后的结果为0，不会对测量产生影响。对于环境光干扰来说，环境光主要分为太阳光等光强度为直流成分的自然光、以及白炽灯、日光灯等以50Hz交流电进行驱动的人造光。而人造光既包含直流成分，又包含由于50Hz交流电产生的50Hz基频成分，以及由于非线性因素造成的100Hz、150Hz、200Hz等倍频成分。为了消除环境光干扰影响，我们可以选定合适光源频率和测量时间序列长度(例如40Hz的信号和1秒钟的时间序列长度)，使得我们的光源信号与直流、以及50Hz、100Hz、150Hz、200Hz等交流信号都正交，这样在进行浊度测量时，测量结果就不会受到环境光干扰因素的影响了。

其中，本实施例中，

1、以两个940nm的LED为光源，在直径为2.5cm的圆柱形腔体内安装；

2、在如图4所示的电路中，以10kHz为采样率，通过数字信号发生器控制DAC生成两路交流幅度为1V，直流偏置幅度为1V，频率为25Hz，序列长度为1000(即100ms)，相位分别为0度和90度的正交电压信号；

3、分别用两个阻值为1kΩ的电阻，将两路正交电压信号转换成电流在0～2mA之间交替正弦变化的电流信号，作为光源L41和光源L42的电流驱动；

4、将二个感光器431经过增益放大器采集来的信号分别以10kHz的采样率进行采样，采样的时间点与数字信号发生器生成正交信号的速度同步；

5、在DSP模块中采用公式[21]-[24]计算R42、R43、R52、以及R53这四个读数，公式中N取值为1000，T取值为400，φ2取值为0度，φ3取值为90度。

6、根据公式计算出90度散射光与透射光强度的比值，并根据公式[12]换算得到浊度实际值。其中公式[12]中的比例系数K可以通过标定获得。

以上具体实施方式仅为本发明的应用案例，在实际使用过程中，相关人员可在本发明的技术思想范围内进行各种修改和变更，例如，在不改变光源与感光器位置的情况下将腔体改为方形、十字形，修改测量时间、激励信号强度、周期、频率、相位等。

综上所述，本发明采用垂直双光源，并且采用正交双光源同时测量的方法可以起到同时测量，避免交替测量时浊度突然变化造成的测量误差，并且消除50Hz交流电及其驱动的灯等周围环境光对测量造成的影响的功能。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。