专利名称：一种浊度测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及浊度测量技术领域，是一种采用单平行光束照射待测环境并在光轴同侧且与光轴保持相等距离的多个位置同时探测90度散射光功率的浊度探测方法和基于该方法的浊度测量装置，可用于水环境监测、污水处理、化工及食品医药等领域的浊度测量。
背景技术：
光学传感器是指传感器的核心敏感机理为光学部分的传感器。光学传感器具有灵敏度高，电绝缘性好，抗电磁干扰，容易微型化等诸多优点，特别适宜运用于长期在线探测。 以水环境监测为例，典型的应用有荧光法测量光学溶解氧和罗丹明，90°散射法测量浊度。水体浊度反映泥沙、粘土、微细的有机物和无机物、可溶的有色有机化合物以及浮游生物和其它微生物等悬浮物质的含量。这些悬浮物质能吸附细菌和病毒。一般来说，浊度越高，水体清洁程度越低。浊度的测量方法包括透射法和散射法。当前浊度测量装置一般使用散射法测量。在低浊度时能取得线性度较好的数据。散射浊度探测法按被接收的散射光与入射光的夹角不同分为直角散射(90° )， 前向散射(< 90° )和后向散射(> 90° )三种。入射光方向与试样表面的夹角又可分为垂直入射和倾斜入射。对于在线测量，由于体积等因素限制，现有的浊度仪装置的光路一般难以保证90°散射测量。但散射法测量的光强为平行光与颗粒作用形成。颗粒的直径能使散射光强在空间的分布改变。在90°这一角度光强幅度改变最小。同时90度散射能最大程度避免杂散光，因而使用严格90度散射对于降低误差有很大作用。IS07027标准中规定了散射光测量法的5个基本条件。(1)入射光线波长采用860nm ；(2)入射光线光谱半宽度小于60nm ；(3)入射的平行光线没有发射性，散焦不超过1. 5度；(4)入射光轴与散射光光轴间的夹角测量角0 = 90° 士2. 5° ；(5)仪器的孔径角介于20度-30度之间。水体浊度监测装置，特别是长期在线探头式监测装置，不易完全满足IS07027标准，且因部件老化和窗口的污染随着时间在加剧，对浊度测量有较大影响，易导致测量结果的精度降低。因而这类在线浊度探测装置需要较频繁的人工维护。
发明内容
本发明的目的是提供一种浊度测量方法及装置，以克服现有的浊度测量装置，特别是在线水体浊度探头，一般难以完全满足IS07027标准，且探测方式一般为单点探测，容易受到温度等外界因素的影响，难以克服窗口污染、光源漂移引入的误差等缺陷。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是一种浊度测量方法，其包括a)采用一束平行光照射待测环境；
b)并利用至少两个同样的光电探测器，探测其传播光路中多个位置的90度散射光功率；c)所有探测点均位于光轴同侧，且与光轴保持相等距离；d)通过对探测值的数学处理，获得待测环境的浊度值。一种所述的浊度测量方法使用的浊度测量装置，其包括壳体，平行光发射系统，硅光电接收系统和信号处理电路；筒状壳体一端封闭、另一端为敞口，其内腔中设有信号处理电路，壳体头端内腔里集成有平行光发射系统和硅光电接收系统，平行光发射系统和硅光电接收系统均与信号处理电路电连接，壳体尾端中部为一水封插头，水封插头连接上位机并双向通讯、连接各部件提供电源；壳体敞口端与壳体头端后部可分离的固接；
壳体头端前端还设有取样罩。所述的浊度测量装置，其所述平行光发射系统，包括LED光源，棱镜及凸透镜；LED 光源的出射光光路上顺序设有凸透镜、棱镜；LED光源发出的光束经凸透镜调整为平行光束，沿装置轴线方向发射，再经过90 度反射棱镜调整光束方向，使得沿光程探测的散射光线始终为90度散射光。所述的浊度测量装置，其所述棱镜，其处理方式是使用棱镜反射面镀膜，或使用棱镜保护模块，棱镜镶嵌于保护模块内，且棱镜反射面与保护模块间有一密封腔体，填充有干燥气体。所述的浊度测量装置，其所述硅光电接收系统，包括至少两个光敏元件，两个光敏元件的探测端位于壳体头端外侧，两个光敏元件探测端上由内向外各顺序覆有滤光镜片、 光阑、密封窗镜；照射待测物的散射光从密封窗镜进入光阑，再透过滤光镜片射入光敏元件；其使得光敏元件的探测孔径角小于20度，降低了发射光谱半宽度，且能同时接收到多组散射光测量值。所述的浊度测量装置，其所述至少两个光敏元件，是分布于以平行光发射系统出射光轴的同一侧，且与光轴保持相等距离。所述的浊度测量装置，其所述壳体敞口端与壳体头端后部可分离的固接，是为螺接，相接处设有密封圈密封，能进行拆卸，便于光学部分和电路部分调试与维护；壳体内腔里还设有电机驱动芯片，壳体头端内腔里还设有步进电机，步进电机的电机轴固接有表面清洁块，表面清洁块贴覆于棱镜或保护模块、密封窗镜外表面，电机轴与壳体头端之间由密封圈做防水处理，步进电机与电机驱动芯片电连接，电机驱动芯片与信号处理电路电连接；启动后，电机轴带动起隔离保护和洁净维持作用的表面清洁块擦拭壳体头端外表所述的浊度测量装置，其所述取样罩，内壁涂有吸光材料或进行发黑处理，在样罩壁对应光轴的位置具有与外部环境相连通的孔道，便于测试样品的进出；取样罩与壳体头端前端使用螺纹套扣连接。所述的浊度测量装置，其所述表面清洁块，是使用橡胶材料制作。本发明的方法测量水体同一平面得到的多个散射光功率值，由其比值反映浊度， 精度高，消除了光源的不稳定性，降低了温度误差和窗口污染对浊度测量的影响，延长了人工清洁维护周期，提高了测量精度。探头光路系统在任何条件下都满足90度散射。使用的光源若为860nm，探测即完全符合IS07027标准。具有较高的精度和抗干扰能力，可以长期精确的在水下工作。
图1 本发明的水体在线浊度探头装置的主视图；图2 本发明的水体在线浊度探头装置仰视图(表面清洁块闭合状态)；图3 本发明的水体在线浊度探头装置仰视图(表面清洁块开启状态)；图4 利用本发明的测试装置取得的浊度数据示意图；图5 利用本发明的测试装置取得的消除光源漂移数据示意图。图中标号1—壳体2—平行光发射系统3—硅光电接收系统
4—步进电机5—滤光片一6—滤光片二
7—光敏元件一8—光敏元件二9-LED光源
10-棱镜11-水封插头12-信号处理系统
13-电机驱动芯片14-轴水封垫圈15-电机轴
16-凸透镜17-密封窗镜一18-光阑一
19-密封窗镜20-光阑二21-表面清洁块
22-壳体头端23-壳体体端24-壳体垫圈
25-棱镜保护模块26-取样罩
具体实施例方式以Pci表示入射光强，h表示样品的吸收系数，k表示其散射系数.当平行光束通过厚度为X的样品后，光功率应为P (χ) = P0 exp [- (k+h) χ]对上式求导，可得功率为P(X)的平行光束通过厚度为dx的样品的散射功率。对于低吸收的液体(h · χ趋近于0)，这一散射光功率Ps为
权利要求
1.一种浊度测量方法，其特征在于，包括a)采用一束平行光照射待测环境；b)并利用至少两个同样的光敏元件，探测其传播光路中多个位置的90度散射光功率；c)所有探测点均位于光轴同侧，且与光轴保持相等距离；d)通过对探测值的数学处理，获得待测环境的浊度值。
2.一种如权利要求1所述的浊度测量方法使用的浊度测量装置，其特征在于，包括壳体(1)，平行光发射系统O)，硅光电接收系统⑶和信号处理电路(12)；筒状壳体⑴一端封闭、另一端为敞口，其内腔中设有信号处理电路(12)，壳体头端0 内腔里集成有平行光发射系统(2)和硅光电接收系统(3)，平行光发射系统(2)和硅光电接收系统(3)均与信号处理电路(1 电连接，壳体尾端中部为一水封插头(11)，水封插头(11)连接上位机并双向通讯、连接各部件提供电源；壳体(1)敞口端与壳体头端02)后部可分离的固接；壳体头端0 前端还设有取样罩06)。
3.如权利要求2所述的浊度测量装置，其特征在于，所述平行光发射系统0)，包括LED 光源(9)，棱镜(10)及凸透镜(16) ；LED光源(9)的出射光光路上顺序设有凸透镜(16)、棱镜(10)；LED光源(9)发出的光束经凸透镜(16)调整为平行光束，沿装置轴线方向发射，再经过 90度反射棱镜(10)调整光束方向，使得沿光程探测的散射光线始终为90度散射光。
4.如权利要求3所述的浊度测量装置，其特征在于，所述棱镜(10)，其处理方式是使用棱镜反射面镀膜，或使用棱镜保护模块(25)，棱镜(10)镶嵌于保护模块05)内，且棱镜反射面与保护模块0 间有一密封腔体，填充有干燥气体。
5.如权利要求2所述的浊度测量装置，其特征在于，所述硅光电接收系统(3)，包括至少两个光敏元件(7，8)，两个光敏元件(7，8)的探测端位于壳体头端0 外侧，两个光敏元件(7，8)探测端上由内向外各顺序覆有滤光镜片(5，6)、光阑(18，20)、密封窗镜(17，19)； 照射待测物的散射光从密封窗镜(17，19)进入光阑(18，20)，再透过滤光镜片(5，6)射入光敏元件(7，8)；其使得光敏元件(7，8)的探测孔径角小于20度，降低了发射光谱半宽度，且能同时接收到多组散射光测量值。
6.如权利要求3或5所述的浊度测量装置，其特征在于，所述至少两个光敏元件(7， 8)，是分布于以平行光发射系统O)出射光轴的同侧，且与光轴保持相等距离。
7.如权利要求2所述的浊度测量装置，其特征在于，所述壳体(1)敞口端与壳体头端 (22)后部可分离的固接，是为螺接，相接处设有密封圈04)密封，能进行拆卸，便于光学部分和电路部分调试与维护；壳体(1)内腔里还设有电机驱动芯片(13)，壳体头端0 内腔里还设有步进电机G)，步进电机的电机轴(1 固接有表面清洁块(21)，表面清洁块 (21)贴覆于棱镜(10)或保护模块(25)、密封窗镜(17，19)外表面，电机轴(15)与壳体头端02)之间由密封圈(14)做防水处理，步进电机⑷与电机驱动芯片(13)电连接，电机驱动芯片(13)与信号处理电路(12)电连接；启动后，电机轴(15)带动起隔离保护和洁净维持作用的表面清洁块擦拭壳体头端02)外表面。
8.如权利要求2所述的浊度测量装置，其特征在于，所述取样罩( )，内壁涂有吸光材料或进行发黑处理，在样罩壁对应光轴的位置具有与外部环境相连通的孔道，便于测试样品的进出；取样罩06)与壳体头端0 前端使用螺纹套扣连接。
9.如权利要求7所述的浊度测量装置，其特征在于，所述表面清洁块(21)，是使用橡胶材料制作。
全文摘要
本发明公开了一种浊度测量方法及装置，涉及浊度探测技术，该方法是采用一束平行光照射待测环境，并探测其光路中的多个位置的90度散射光功率，通过对探测值的数学处理，获得待测环境的浊度值。该方法的测量装置，封装为探头形式，包括壳体，平行光发射系统，光电接收系统，信号处理电路。其光路结构在任何条件下都满足90度散射探测，并可缩小装置体积。本发明消除了光源的不稳定性对测量的影响，降低了温度误差和窗口污染对浊度测量的干扰，延长了人工清洁维护周期，提高了测量精度。测量装置体积小，功耗低，灵敏度高，抗干扰能力强，符合ISO7027标准，安装调试方便，可应用于多种环境的浊度测量及智能监测。
文档编号G01N21/49GK102445437SQ20101050416
公开日2012年5月9日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者刘桥, 刘瑞鹏, 祁志美 申请人:中国科学院电子学研究所