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1、-范文最新推荐- 后向式光纤传感在线光电浊度仪设计 摘要浊度是水中不同大小、比重、形状的悬状物、胶体物质和微生物杂质对光所产生效应的表达语，是评价水质的重要依据之一。目前国内外市场上浊度仪种类繁多，但是绝大多数都比较适用低浊度和普通的浊度测量，高浊度例如浓稠的石灰水则比较缺乏精准的测量。在此现状下本文提出了一种新的后向式光纤传感在线光电浊度仪的设计研究理念。本文首先分析了目前国内外浊度仪的发展和应用情况以及各公司产品的特点，提出了我国浊度仪研究中遇到的一些问题；然后分析了浊度测量的几种方法，对散射光透射光与浊度的关系进行了细致的推导，决定采用多种方法结合的方式，在不同的浊度下通过分别采用后向散
2、射和四光束探测原理，扩大浊度测量的范围。并且采用光纤进行光的传输，大大提高了浊度测量精确度。最后，介绍了整体浊度仪硬件部分的设计，其中对传感器设计中需注意的几个问题作了详细的说明，并详细介绍了主要器件的功能及使用问题。由于实验条件不够、本人知识欠缺以及设计时间不足等问题，软件部分只是提出了流程图。8962关键词浊度；浊度仪；散射光；透射光；光纤；信号处理毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleOnline photoelectric turbidimeter designAbstractTurbidity is the expression of the effect, related to
3、the light, which is produced by the hanging bar, colloidal substances and microbial impurities with a different size, specific gravity and shape in the water. It is an important basis evaluation of water quality. At present the domestic and foreign markets turbidimeter varies, but the vast majority
4、are more applicable to the low turbidity, and general turbidity measurements. However, high turbidity, such as thickened limewater is lack of precise measurement. In this situation the paper puts forward the study of a new designing concept about a backward type of online photoelectric turbidimeter
5、with fiber optic. 3.2 光电探测器的选择143.3 探测装置设计153.4 本章小结164 浊度仪硬件模块设计174.1 硬件系统总体结构174.2 电源电路174.3 光源供电电路194.4 信号获取电路204.5 多路选通和 A/D 采样电路214.6 键盘显示电路244.7 本章小结275 浊度仪的软件设计285.1 浊度软件设计流程图285.2 本章小结29结论30致谢31参 考 文 献321 绪论水的方方面面都紧紧围绕着人们的生活与生产，而浊度是评价水质的重要依据之一。浊度是水中不同大小、比重、形状的悬状物、胶体物质和微生物杂质对光所产生效应的表达语1。随着社会进
6、步、经济发展与人口的持续增长，以及水资源污染问题的严重化等等诸多问题的出现，水质检测成为一项重要的工程项目。检测浊度大小的仪器叫做浊度仪，浊度仪最早生产出来的时候使用烛光作为光源（主要是红黄光）和用肉眼接收光信号，所以在精度和测量范围上都比较落后，同时散射信号受色度影响比较明显，测量带有颜色的溶液时容易受影响。后来随着米利散射原理的提出，系统的出现了两种测量浊度的方法，即透射光测量法和散射光测量法。目前国内外市场上浊度仪种类繁多根据光源有激光式的，有LED的，根据探头分类有流通式和沉入式等等。然而由于国内外浊度仪生产研究技术起步时间不同，国产浊度仪明显的可靠性和稳定性差。本文结合现在我国国内企
7、业生产需要，引荐国外先进技术思想，研究与设计一款在线光电浊度仪，理论设计阶段使其具备以下基本功能：通过光电检测技术手段，能够在线检测石灰水的浊度。同时要达到以下技术改进与创新： 1.1.3 浊度的测量方法既然浊度是种水中微粒物质所产生的光效应，即水中浊度的测量是建立在光学测量的基础上的，那么就可以用光学方法来测量浊度。而浊度的测定目前有化学分析法和仪器分析法两种，化学分析法采用透明度试管法和透明度试验圆盘法，适用于实验室或野外的工作环境，作为人工分析测定；仪器分析法利用880nm近红外光源，采用光学透射或散射原理，将光电信号转换为浊度值，测出浊度数值大小3。在利用光电技术检测浊度方面，目前有以
8、下几种方法2：（1）透射式浊度法从光源发出的平行光束射入水样,水样中的浊度物质会使光的强度衰减,另一束光周期性被切换成比较光束,两束光交替被光电池接收转换并比较两光束强度之差,得出水中浊度的大小。光强的衰减程度与水样的浊度之间的关系可用下式表示:(1.1)式中： 为入射光强度；I为透射光强度； 为比例常数；d为浊度；L为水样透过深度。透射光浊度仪的原理简单，容易实现，但在测量低浊度水样时，由于大部分的光都直接透射了，当浊度发生微小变化时基本检测不出来。这样对光电接收和放大器件的分辨率和稳定性的要求是将显著提高，所以，透射光测量方法不适合测量低浊度。图1-1透射法测量原理（2）散射式浊度法一定波
9、长的光束射入水样时,由于水样中浊度物质使光产生折射,散射光强度与水样浊度成正比,通过测定与入射垂直方向的散射光强度,即可测出水样中的浊度。按照测定散射光和入射光的角度的不同,分为垂直(90°)散射式,前散射式、后散射式三种方式。散射光与入射光的关系可表示为： （3）表面散射光测量法将一定波长的光束射在水样表面,由于水中的浊度颗粒对光的散射作用,测定来自水样液面的散射光强度而得出水样浊度的大小4。图1-3表面散射法原理表面散射式浊度仪适合测量浊度比较高的环境。（4）透射光散射光比较测量法水样对光的散射是朝各个方向的，所以可以在测量浊度时测量另外角度的散射光对90°散射光进行补偿，
10、即透过水样的透射光对其进行补偿。提高测量线性度的同时测量投射于水样光束的透射光和散射光强度,再按这两者光强度之比值测定其浊度大小。可按下式求得浊度d:/ =(0) /(0) = L(1.3)式中：(0)为浊度d=0时散射光光电流； (0)为浊度d=0时透射光光电流；L为水样液槽有效长度； 为常数。由于透射光和散射光测定时光程相同,水样色度和光源变化对浊度测定影响较小。但是散射光和透射光之比并非是严格的线性关系,所以只是在一定的浊度范围内有近似的线性关系,浊度仪的量程范围从而有一定的局限性。图1-4透射光散射光比较测量法原理图（5）水下散射光测量法与表面散射光测量法相似，将光源与光电接收器件集成
11、在密封的探头中，使得入射光经过水中颗粒的散射，被与它成一定角度的光电接收器件所接收5。散射光入射光图1-5水下散射式测量法水下散射式测量法可以测量比较宽的浊度范围，而且突出了实时性和在线检测，操作方便，但是要注意实验装置的防水性和耐腐蚀性。 北京天健创新仪表公司的 TSS 型浊度仪，有浸没、流通、稳流等安装形式；能显示历史曲线；配有通信接口；传感器的防护等级为 IP68，变送器的防护等级为 IP65，可以防护长期浸水。上海雷磁仪器厂的 WZT 尺寸 小巧，仅 200×120×75mm；LCD 显示；有六种不同的测量量程可供选择；流通式安装； 可选用超声波清洗器进行定时清
12、洗；420mADC 或 010mADC 标准输出，无通信接口。国营 267 厂的 WGZ-1 型浊度仪具有六种测量范围可供选择；LCD 显示；流通式安装；仪器流程中装有消泡器，使测量数值稳定性好；可以选配自动清洗装置；420mADC 或 010mADC 标准输出，无通信接口。经统计后发现目前,国内外在线浊度仪都是采用散射光测量法,如美国HACH公司的SS6高浊度仪、1720 D低浊度仪;英国ABB Kent公司的4600系列浊度仪;美BTG公司的Tx-pro高浊度仪; 200BW低浊度仪;德E+H公司的CUS/CUM系列浊度仪等等。试验室浊度仪采用透射光测定法的多,这是可以得到更宽量程的原因,
13、如西师公司的ZBX- 4型浊度仪,测量量程可达到1 105FTU6。1.2.3 浊度仪的发展方向随着社会的发展，对水质要求的多样化，水质参数也必然得到更细化的发展。而不可避免的很多测量仪器逐渐变成仅仅获取被测参数的传感组件，就更要求各种分析仪器进行简化。对于浊度仪来说，目前的主要发展方向是如何提高浊度传感器的性能，如测量稳定性、减小体积、提高智能化、实现网络化使传感器更加易于和水质其他参数的测量集成，构成水质在线分析网络系统。1.2.4 我国浊度仪发展遇到的问题国产浊度仪生产最大的问题是浊度传感变送器过不了关，特别是在污水等恶劣环境中使用，稳定性、寿命、自动清洗方面都没有解决。因此，解决国产浊
14、度传感发送器在线稳定测量，是目前急需解决的—个课题。此外，国产在线浊度仪传感发送器目前只有流通式—种安装形式，没有插入式、沉入式安装结构，使用户在应用时无法选择，带来不便。在工业现场使用，除流通式外，许多场合需要管道插入式或沉入式的传感发送器，这种状况不改变，很难在较短时间内摆脱对进口浊度仪的依赖，从而制约着国产浊度仪的发展。总之，我国浊度仪生产技术虽然已经取得飞速的发展，但远跟不上发展需要的节拍，仍需进一步的努力提高。 探测器4探测器4光源2探测器1探测器1探测器2探测器2图1-6 四光束测浊法度测量基本原理在实际探测过程中，光源和探测器的变化也会对测量结果产生影响：式中，L为光源强度；S为检测灵敏度。根据式(1.5) (1.6)，从两个光源发光强度 和 、两探测器检测灵敏度 和 ，可得以下四式：式中， 、 分别为两光源散射光强； 、 为两光源透射光强；D是散射光传输距离；d是透射光传输距离。为了消除光源和探测器对测量结果的影响，将 除以 ， 除以 ，可得下式：上两式消除了光源 、 对测量的影响。为进一步消除探测器对测量的影响，将(1.11)式除以(1.12)式得： 后向式光纤传感在线光电浊度仪设计(6): 13 / 14
