激光散射式水浊度测量仪的制作方法

本实用新型涉及激光测量技术领域，特别涉及水的浊度测量技术，具体而言，涉及激光散射式水浊度测量仪。

背景技术：

浊度是水中不同大小、比重、形状的悬浮物，如胶体物质和微生物等杂质对入射光线所产生效应的反映。浊度不仅是表达水质最重要的物理外观指标，也是考核水处理设备净化效率和评价出厂水水质的重要指标之一。由于供水水质对人民健康生活水平和工业生产质量关系密切，建设部在《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中，对水的浊度测量提出了更高的目标要求，尤其要求推广使用测量精度较高的散射式浊度测量方法。

散射式浊度测量仪，基本结构包括光路系统和电路系统。光路系统一般包括光源，整形镜、聚焦镜以及光电转换器等，电路系统主要包括，前置放大器，A/D转换器及后续电路等。光路系统向水样管中的水样发射光束，利用水样产生的散射光，经过电路系统处理后得到散射信息，最后通过换算得到水样的浊度值。

近年来，国内厂家开发了几种散射式浊度仪，但是产品存在测量精度低以及不稳定等诸多问题，其主要原因是光电器件的选型差异造成的。常用的光源可分为复合光和单色光两大类，白炽灯、钨灯等属于复合光源，发光光谱宽；激光等属于单色光，发光光谱窄。白炽灯、钨灯的光电性质是差不多相同的，都是利用辐射原理发出全色光。而且白炽灯转化效率较低，大约只有12％～18％的电能可转化为光能，两种灯的寿命跟灯丝的温度有光，所以其发光功率越大，寿命就越短，通常不会超过1000小时，而且光强不稳定，测量时容易受到水样中色度物质的干扰。相比于复合光，属于单色光的激光具有单色性、相干性好、方向性好等先天优势。采用激光不仅能够发出恒定波长的单色光，谱带宽度较窄，发光强度稳定，入射光不被水色度物质吸收，可以避免色度对测量的影响，发光组件耗电极低，长期使用不会过热，可以连续长时间使用，不需要调整零点和重新用标准液标定等优点。

现有技术的浊度测量仪，除了受到光源的影响外，还有很多其他因素会影响仪器的测量精度，特别是对于高标准的低浊度测量仪，由于水样散射光产生的信号非常微弱，光线在传输过程中的差异，如光路结构、参数等以及电路结构的差异，都会对测量精度产生干扰，甚至是明显的干扰。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种激光散射式水浊度测量仪，以解决现有技术散射式浊度仪测量精度不高、稳定性不好、功耗大、使用寿命较短等问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型具体实施方式的一个方面，提供了一种激光散射式水浊度测量仪，包括光路系统和电路系统，所述光路系统向水样管中的水样发射光束，利用水样产生的散射光，经过电路系统处理后得到散射信息，通过换算得到水样的浊度值；其特征在于：所述光路系统包括激光器、整形镜、聚焦镜、半透反射镜、参考光光电池、散射光光电池，所述激光器发出的激光经整形镜整形为平行光，再经过聚光镜使激光照射水样管，所述半透反射镜设置在聚光镜和水样管之间，从投射到水样管的光束中提取参考光，所述参考光投射到参考光光电池上，水样产生的散射光投射到散射光光电池上，所述参考光光电池和散射光光电池具有相同光电转换参数，所述参考光强度与聚光镜输出的激光强度成正比，所述电路系统对参考光光电池和散射光光电池输出信号进行除法运算后获得散射信息。

本实用新型的技术方案，对传统散射式水浊度测量仪的光源及光路系统和电路系统进行了改进。采用激光作为光源，并在光路结构上采用半透反射镜对投射到水样管的光束进行分束，提取一部分光线作为参考光，并且采用了光电转换参数相同的参考光光电池和散射光光电池。在电路处理上将参考光产生的信号和水样散射信号通过除法运算后获得水样散射信息，由于参考光强度与聚光镜输出的激光强度成正比，除法运算消除了光源变化对测量精度带来的影响。

进一步的，所述半透反射镜到参考光光电池的光路结构与水样产生的散射光投射到散射光光电池的光路结构相同。

该技术方案消除了参考光和散射光光路结构带来的光强变化对测量精度的影响，进一步保证了浊度测量的精度。

进一步的，所述光路结构包括光阑。

光阑主要是用来调整光束大小的，参考光和散射光光路中采用相同结构的光阑，也是为了避免光路结构的差异影响测量精度。

具体的，所述参考光光电池和散射光光电池由硅光电池构成。

采用硅光电池作为光电传感器，具有技术成熟，结构简单的特点。

更具体的，所述硅光电池端电压Vd≤±2μV。

本实用新型通过在电路上采取措施，保证在工作范围内硅光电池端电压Vd≤±2μV，进一步降低了温度变化引起的漏电流对测量精度的影响。

进一步的，所述电路系统包括用于放大参考光光电池和散射光光电池输出信号的前置放大器，所述前置放大器偏置电流Ib≤2pA。

该技术方案，采用偏置电流小于2pA的高性能运算放大器放大，能够降低温度漂移和漏电等因素对测量精度的影响，满足高精度测量的设计要求。

进一步的，所述前置放大器为双运放，分别用于放大参考光光电池输出信号和散射光光电池输出信号。

双运放是在同一芯片上集成了两个运算放大器，可以用于2路信号的放大处理，两个运放可以具有非常接近，甚至相同的电路参数，非常适合本实用新型这种特殊使用场合。

进一步的，所述前置放大器输出信号经过A/D转换器转换成数字信号后经过后续电路处理获得散射信息。

本实用新型的浊度测量仪信号处理系统采用数字处理技术，前置放大器输出信号经过A/D转换器转换成数字信号后在后续电路中进行数字化处理，有利于降低干扰和提高测量精度。

进一步的，所述后续电路为数字信号处理电路。

进一步的，所述后续电路包括单片机及其外围电路。

本实用新型的浊度测量仪，后续处理电路可以采用DSP(数字信号处理器)等数字信号处理电路，也可以采用单片机及其外围电路构成的数字处理电路进行处理。

本实用新型的有益效果是，采用激光作为光源，并利用参考光线去除光源强度变化产生的干扰，进一步结合信号处理电路参数的优选设计等方法，解决了现有技术散射式浊度仪测量精度不高、稳定性不好、功耗大、使用寿命较短等问题。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1为根据本实用新型具体实施方式的光路结构示意图。

图2为根据本实用新型具体实施方式的电路结构示意图。

图3为具体实施方式的后续电路结果示意图。

图中：

10 为激光器；

11 为整形镜；

12 为聚焦镜；

13 为半透镜；

14、15 为光阑；

16 为参考光光电池；

17 为散射光光电池；

20 为双运放；

21 为切换开关；

22 为A/D转换器；

23 为后续电路；

230 为单片机；

231 为显示屏；

232 为键盘；

233 为时钟电路；

234 为打印机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本实用新型。

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型具体实施方式、实施例中的附图，对本实用新型具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

本实用新型浊度测量的原理如下：

当一束光照射到被测水样时，在入射光轴90°方向所接受到的散射光强度I_r可以表示为：

Ir＝KNV²Io/λ⁴ (1)

式中，Io为入射光强度；V为水样中微粒的体积；λ为入射光波长；N为单位容积微粒数；K为系数。

在满足一定的条件下，可假设K和V为常数，则Ir和Io之比与单位容积微粒的总数成正比，即与浊度成正比：

Ir/Io＝K′T (2)

式中，T为水样的浊度，K′为另一系数。由此，在入射光光强I_o不变的情况下，散射光的强度I_r与浊度T成正比，这样就可以通过测量散射光的强度I_r来求得浊度的大小。T的单位用NTU表示。

激光散射式水浊度测量仪是集激光器、光路结构、光电转换和信号处理为一体的仪器，其中任一部分的不稳定性都将影响到整个仪器的测量精度。

照射光源光强变化会直接影响入射光的强度，从而使散射光的强度发生变化。传统散射式水浊度测量仪使用的卤素灯，其发光强度除了与电压有关外(可使用稳压电源来解决)，还与灯泡的老化、积尘、供电回路的电阻等有关，环境温度也有一些影响，这些因素是很难控制的。同时，灯泡、透镜、光阑等的安装位置也会影响入射光强度。为了消除这些因素的影响，本实用新型采用激光作为照射光源，还将入射光分出一路作为参考光束进行实时补偿。在水样管前放置一块半透半反镜，产生一束与入射光光强成正比的参考光。在信号处理时，用接收到的散射光强度与参考光强度之比作为散射信息，这样散射信息就与入射光强度没有直接关系，而只与水的浊度有关。

本实用新型还考虑到消除光学系统其他因素的影响。首先要求通过非水样散射途径(如聚光镜和水样管壁的反射、散射等)能到达接受器件的杂散光尽可能少，这样有利于减小测量仪的零点漂移，并且可提高光源的利用率，降低功率消耗，减小仪器内部的温升。本实用新型还采用了多片镜片系统，以消除象差对测量精度的影响，并选用了大口径、短焦距镜头，这可使入射光的立体角增大，光线能得到充分利用。为了减小杂散光的影响，采用了柱镜系统，使入射光以片状光线照射水样管，光束聚焦于水样管的中心。入射光光线垂直于水样管的管壁，使水样管管壁反射产生的杂散光最小。片状光线照射还能使入射水样管的光线面积增大，即使实际测量水样的体积增大，有利于增强散射信号，提高测量灵敏度。更重要的是水样中有少数粒子在飘动时(实际使用时常会碰到的问题)，大的采样体积能起到一种平均的作用，使测量数据飘动减小，提高测量稳定性和精度。

实施例

本例激光散射式水浊度测量仪，包括光路系统和电路系统。

本例光路系统结构如图1所示，包括激光器10、整形镜11、聚焦镜12、半透反射镜13、光阑14和光阑15以及作为本例光电转换器的参考光光电池16和散射光光电池17。

本例激光器10作为光源，发出的激光经整形镜11整形为平行光，再经过聚光镜12、半透反射镜13使激光照射到水样管上。

本例激光器10由驱动器和激光二极管LD构成，如图1所示。本例驱动器可以稳定激光二极管LD的驱动电流，使其输出激光更加稳定。

本例半透反射镜13设置在聚光镜12和水样管之间，从投射到水样管的光束中提取参考光。

本例中，在光轴垂直方向分别设置具有相同光电转换参数的参考光光电池16和散射光光电池17，这两个光电池都采用硅光电池，并在电路设计上保证硅光电池端电压Vd≤±2μV。

本例中，光束中提取的参考光投射到参考光光电池16上，参考光强度与聚光镜输出的激光强度成正比，经过参考光光电池16转换为电信号输出。水样产生的散射光投射到散射光光电池17上，经过散射光光电池转化为电信号输出。这两路信号经过电路系统处理后得到散射信息，散射信息通过换算就可以得到水样的浊度值。

本例激光散射式水浊度测量仪，电路系统结构如图2所示，包括双运放20、切换开关21、A/D转换器22以及后续电路23。

本例双运放20构成的前置放大器，其中的两个前置放大器分别用于放大参考光光电池16输出的电信号和散射光光电池17输出的电信号。为了保证测量精度，本例双运放20中的两个前置放大器偏置电流Ib都设定为2pA，满足Ib≤2pA的系统设计要求。

本例切换开关21用于切换参考光光电池和散射光光电池输出信号，使这两路信号分别通过A/D转换器22转换成数字信号后输入后续电路23进行处理。

本例后续电路23通过对参考光光电池16和散射光光电池17输出的信号进行除法运算后获得散射信息。两路信号相除彻底消除了光源输出强度的变化对测量精度的干扰，由于半透反射镜13提取的参考光强度与聚光镜输出的激光强度成正比，通过除法运算后，光路系统中半透反射镜13以前各个部件参数变化产生的干扰都基本上都可以被剔除，极大的提高了浊度测量的精度。

本例中，半透反射镜13到参考光光电池16的光路结构与水样产生的散射光投射到散射光光电池17的光路结构相同，都是通过相同结构的光阑14和光阑15调整照射到光电池的光通量的，相同的光路结构进一步保证了测量精度。光阑15还能够阻挡水样管管壁不均匀产生的散射光，有利于提高测量精度。

本例中，光电转换器，包括参考光信号和散射光信号转换，都采用了硅光电池。并在电路设计上保证硅光电池端电压Vd≤±2μV的设计要求。硅光电池端电压Vd和电流Id的关系可以表达为：

Id＝SΦ-Is(e^qVd/mKT-1) (3)

式中，S为光电转换灵敏度；Φ为光通量；Is为反向饱和电流；q为电荷电量；K为波尔兹曼常数；T为绝对温度；m为系数(1＜m＜2)。

硅光电池的输出电流除了与光通量有关外，还与漏电流有关，而漏电流与温度密切相关。在反向偏置条件下，温度每上升6℃，漏电流增加一倍。对于低浊度测量而言，其散射光的强度非常弱，因此温度的影响非常大，如不采取措施，仪器的稳定性就无法低于1NTU。

从(3)式可见，当Vd＝0时，e^qvd/mKT-1＝0，此时温度的影响可消除。为此，本例在前置放大电路上采取了措施，保证在工作范围内Vd≤±2uV,这样由温度变化引起的漏电流对测量精度影响就大大减小了。另外，通过使接收散射光的光电池16和接收参考光的光电池17保持相同的温度，用两者输出信号之比作为散射信息，消除或减小了温度变化对测量精度的影响。

本例中，由散射光所产生的光电流极其微小，每1NTU浊度产生的光电流约为1nA。要使稳定性满足0.01NTU的要求，则相应的电流为10pA。这就要求输入前置放大器的输入偏置电流的温漂(在工作温度范围内)和漏电流变化小于10pA。为此除了在印刷线路电路板的设计中，采取措施降低漏电外，本例还使用了偏置电流小于2pA高性能运算放大器放大，基本满足了设计要求，电路框图见图2。

如图3所示，本例后续电路由单片机230及其外围电路构成数字信号处理系统，其中外围电路包括显示屏231，主要由于显示测量结果和输入指令，打印机234主要用于打印测量结果，键盘232主要用于输入控制指令，时钟电路233为电路系统提供时钟信号。本例单片机230可以自动输出量程切换信号，或根据用户输入指令输出量程切换信号，对散射光光电池输出信号进行量程切换，以扩大测量仪的测量范围。本例电路系统采用电池供电，适合便携式小型测量仪。

明显的，本实用新型的后续电路也可以采用数字信号处理器等构成的数字信号处理电路，同样能够解决本实用新型的技术问题。