基于GRIN-Lens散射式紅外濁度儀的設(shè)計(jì)

許 金，張曉昶，葉 懋，李 姮，王明杰

(1.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)教學(xué)實(shí)踐部，廣西桂林 541004；3.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西桂林 541004)

0 引言

濁度常用來(lái)表征液體的渾濁度，是由水體中無(wú)機(jī)物、膠體物質(zhì)和浮游生物等懸浮物對(duì)光的吸收和散射作用形成的光學(xué)效應(yīng)[1]。濁度測(cè)量在供水及環(huán)境保護(hù)等行業(yè)有著廣泛的用途，是評(píng)價(jià)水體質(zhì)量的重要依據(jù)之一。水體的渾濁度越高，對(duì)光的反射和散射作用就越強(qiáng)，而透射作用就越弱，因此通過(guò)測(cè)定散射光強(qiáng)或透射光強(qiáng)的變化，可實(shí)現(xiàn)水樣濁度的測(cè)量[2]。

20世紀(jì)90年代后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外一些儀表公司開(kāi)發(fā)了技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良的濁度儀。美國(guó)哈希(HACH)公司推出了2100Q型便攜式濁度儀，其采用了HACH在濁度測(cè)量領(lǐng)域的比率測(cè)量技術(shù)專利，提高了儀器的精確度、靈敏度和可靠性[3]。國(guó)內(nèi)濁度儀的研究相對(duì)國(guó)外起步較晚，上海昕瑞公司生產(chǎn)的WGZ系列濁度儀產(chǎn)品[4]，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了較高水平，但大部分國(guó)產(chǎn)濁度儀的性能指標(biāo)相比國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品仍有較大差距[5-6]。

本文提出了散射式紅外濁度儀的設(shè)計(jì)方案。濁度儀以ARM微控制器為核心，采用恒流源驅(qū)動(dòng)紅外LED作為測(cè)量光源，以TSL2581光強(qiáng)傳感器為檢測(cè)單元，并使用OLED顯示屏設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面?；贕RIN-Lens自聚焦透鏡分別設(shè)計(jì)了光源準(zhǔn)直光路和散射光自聚焦光路，簡(jiǎn)化了光路設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過(guò)3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)并加工了機(jī)械裝置，搭建了避免受外界擾動(dòng)的一體化測(cè)量系統(tǒng)，提高濁度儀抗干擾性、便攜性。

1 濁度測(cè)量原理

濁度的測(cè)量方法主要分為散射法和透射法，透射法測(cè)量原理遵循朗伯—比爾定律，其線性范圍較廣，但在測(cè)量低濁度時(shí)，大部分光直接透射進(jìn)入檢測(cè)器，透射光強(qiáng)無(wú)法體現(xiàn)濁度的微小變化，測(cè)量精度和靈敏度較低；對(duì)于散射法測(cè)量濁度，在中、低濁度范圍內(nèi)，散射光強(qiáng)與濁度有著較好的線性關(guān)系，當(dāng)濁度超過(guò)2 000 NTU時(shí)，由于水樣中懸浮物對(duì)入射光進(jìn)行多次散射，導(dǎo)致散射光強(qiáng)開(kāi)始減弱，散射光強(qiáng)與濁度間的關(guān)系較復(fù)雜且并非完整的線性關(guān)系[7]。為實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)量精度和靈敏度，本文采用垂直散射法測(cè)量原理設(shè)計(jì)濁度測(cè)量系統(tǒng)，以滿足一般環(huán)境水體的濁度測(cè)量需求。

根據(jù)測(cè)量的散射光和入射光之間的角度，散射法分為垂直(90°)散射、前向散射和后向散射3種方式。其中，在90°方向上的散射光強(qiáng)對(duì)懸浮物顆粒粒徑的變化不敏感，且不易受雜散光的影響[8]。散射法測(cè)量濁度主要是利用瑞利散射(RayLeigh)原理和米氏散射(Mie)原理實(shí)現(xiàn)[9]，當(dāng)水樣中懸浮物顆粒粒徑小于光源波長(zhǎng)時(shí)，90°方向的散射光強(qiáng)Ir可以用RayLeigh定律描述：

(1)

式中：I0為入射光強(qiáng)度；λ為入射光波長(zhǎng)；N為單位體積微粒數(shù)；V為微粒體積；Kr為RayLeigh散射系數(shù)。

當(dāng)水樣中懸浮物顆粒粒徑大于等于光源波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)Im可以用Mie定律描述：

Im=KmANI0

(2)

式中：A為微粒表面積；Km為Mie散射系數(shù)。

RayLeigh定律中，當(dāng)入射光波長(zhǎng)和微粒體積一定時(shí)，90°方向的散射光強(qiáng)Ir與濁度成正比；Mie定律中，當(dāng)微粒表面積一定時(shí)，Im也與濁度成正比。因此，綜合RayLeigh定律和Mie定律，散射法測(cè)量濁度時(shí)，90°方向的散射光強(qiáng)與濁度成正比，散射光強(qiáng)度Is可表示為

Is=KsTI0

(3)

式中：Ks為散射系數(shù)；T為水樣濁度。

因此，可根據(jù)90°方向散射光的強(qiáng)度反應(yīng)樣品濁度。

2 濁度測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 濁度測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

濁度測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖1(a)所示，發(fā)光二極管作為測(cè)量光源，入射光經(jīng)過(guò)透鏡準(zhǔn)直后進(jìn)入四面通透的熒光石英比色皿并發(fā)生散射作用，90°方向的散射光通過(guò)透鏡聚焦于光強(qiáng)傳感器上完成采集。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了光源恒流驅(qū)動(dòng)模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、功能按鍵模塊、OLED顯示模塊和邏輯控制模塊，ARM微控制器通過(guò)電流檢測(cè)控制恒流源模塊驅(qū)動(dòng)光源輸出恒定發(fā)光功率，實(shí)時(shí)獲取光強(qiáng)傳感器的采集值并通過(guò)OLED顯示屏完成人機(jī)交互。采用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了濁度儀光路系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示。光源與檢測(cè)器兩端的GRIN-Lens透鏡分別實(shí)現(xiàn)了光源準(zhǔn)直和自聚焦功能，并通過(guò)機(jī)械緊密裝配與光源恒流模塊和TSL2581檢測(cè)模塊構(gòu)成一體式光路系統(tǒng)。

2.2 光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)ISO 7027-1:2016中規(guī)定：散射法測(cè)量濁度時(shí)散射光(比濁法測(cè)量)相對(duì)于入射光束的檢測(cè)角度為 90°，孔徑角最大為30°；入射光波長(zhǎng)應(yīng)在830～890 nm范圍內(nèi)，并需為平行光且沒(méi)有發(fā)散性，散焦不超過(guò)1.5°。為滿足ISO標(biāo)準(zhǔn)對(duì)入射光源和散射光的要求，濁度儀選用了自聚焦透鏡搭建光路系統(tǒng)。自聚焦透鏡是一種折射率分布沿徑向漸變的柱狀光學(xué)透鏡，其焦點(diǎn)在透鏡的表面[10]，這允許將光纖直接粘合到透鏡上，也是GRIN透鏡的主要應(yīng)用之一。自聚焦透鏡的中心部位折射率最高，并從軸部隨徑向向外遞減，折射率N(r)分布為

(4)

式中：A為自聚焦透鏡的折射率分布常數(shù)；N0為自聚焦透鏡的中心折射率，r為距離中心的徑向距離。

在自聚焦透鏡中，光束根據(jù)折射率的分布在透鏡內(nèi)沿正弦路徑傳播[11]，光路周期寬度稱為節(jié)距P，節(jié)距與透鏡長(zhǎng)度Z之間的關(guān)系如下：

(5)

對(duì)于不同長(zhǎng)度的自聚焦透鏡，可以得到如圖2所示的光線傳播軌跡。當(dāng)自聚焦透鏡長(zhǎng)度為0.25P和0.75P時(shí)，一束平行光入射到透鏡，在透鏡另一端形成聚焦作用；匯聚在一點(diǎn)的光入射到透鏡，在透鏡另一端形成準(zhǔn)直光。當(dāng)自聚焦透鏡長(zhǎng)度為0.5P和1.0P時(shí)，入射端面的物像經(jīng)過(guò)透鏡后，在出射端面分別形成倒立和正立的像。本文選用0.25P長(zhǎng)度的自聚焦透鏡進(jìn)行光路設(shè)計(jì)，一個(gè)在光源處利用準(zhǔn)直作用得到平行的入射光，另一個(gè)GRIN鏡頭收集散射光并將其聚焦在光頻傳感器上，檢測(cè)角度為90°。光源和傳感器可直接和透鏡貼合，避免了傳統(tǒng)透鏡需要根據(jù)焦距設(shè)計(jì)光路的問(wèn)題。

圖2 不同長(zhǎng)度自聚焦透鏡的傳播光路

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，濁度測(cè)量系統(tǒng)選用波長(zhǎng)為880 nm的紅外LED(歐司朗，sfh485)作為測(cè)量光源。由于LED的電壓-電流關(guān)系近似指數(shù)，微小的電壓波動(dòng)都會(huì)引起很大的光強(qiáng)波動(dòng)，為提高濁度測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，保持恒定的發(fā)光功率，設(shè)計(jì)了光源恒流驅(qū)動(dòng)電路，原理圖如圖3所示。電流源芯片LT3092和兩個(gè)電阻(R9、R14)構(gòu)成恒流源，可向光源輸出恒定電流，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R14設(shè)定光源DS1的電流：I=10 μA×R9/R14。使用INA194構(gòu)成電流采樣電路，實(shí)時(shí)對(duì)采樣電阻R10兩端的壓降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)電流采樣，INA194芯片1腳OUT端的輸出電壓為：UOUT=50×I×R10。運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成電壓跟隨電路，將同相端連接至INA194芯片OUT端，輸出端連接至ARM微控制器的ADC模塊，對(duì)電壓進(jìn)行采集并通過(guò)運(yùn)算轉(zhuǎn)換成電流值，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源電流的監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)暗電流采集，需對(duì)光源進(jìn)行控制，使用三極管MMBT3904和場(chǎng)效應(yīng)管CSD18531Q5A設(shè)計(jì)了光源開(kāi)關(guān)電路。

圖3 光源恒流驅(qū)動(dòng)原理圖

光強(qiáng)檢測(cè)電路如圖4所示，使用TSL2581光強(qiáng)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。RT193-33穩(wěn)壓芯片可單獨(dú)向TSL2581提供穩(wěn)定的3.3V工作電壓，確保供電電源波動(dòng)時(shí)，采集模塊不受干擾。TSL2581芯片內(nèi)部有兩個(gè)光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換通道，其中CH0對(duì)可見(jiàn)光和紅外光響應(yīng)，CH1僅對(duì)紅外光響應(yīng)，兩個(gè)光敏二極管檢測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)內(nèi)部信號(hào)放大器后通過(guò)16位的積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。微控制器通過(guò)I2C總線接口從TSL2581獲取兩個(gè)通道的光強(qiáng)信息，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后計(jì)算出實(shí)際光強(qiáng)，完成光強(qiáng)采集。

圖4 TSL2581驅(qū)動(dòng)原理圖

2.4 軟件流程設(shè)計(jì)

濁度測(cè)量系統(tǒng)軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)上電后首先對(duì)TSL2581、OLED和串口等進(jìn)行初始化配置；然后查詢“測(cè)量按鍵”的狀態(tài)，長(zhǎng)按進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置模式，OLED顯示光源電流，根據(jù)需要調(diào)節(jié)電阻器控制恒流源電流，同時(shí)設(shè)置TSL2581的積分時(shí)間和增益等參數(shù)；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完成后，按下“DARK按鍵”，系統(tǒng)自動(dòng)熄滅LED并采集暗電流；當(dāng)檢測(cè)到短按“測(cè)量按鍵”時(shí)進(jìn)入濁度測(cè)量模式，啟動(dòng)TSL2581開(kāi)始采集散射光強(qiáng)，采集完成后讀取TSL2581的ADC數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換計(jì)算得出濁度值并在OLED顯示；測(cè)量完成后循環(huán)掃描“測(cè)量按鍵”的狀態(tài)，等待下次測(cè)量。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

3.1 濁度標(biāo)準(zhǔn)液的配置和測(cè)試步驟

所用試劑如無(wú)特殊說(shuō)明均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均為當(dāng)日制備的超純水(電阻率為18.2 MΩ·cm)。參考標(biāo)準(zhǔn)GB13200-91[12]制備無(wú)濁度水和濁度標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液。無(wú)濁度水制備：將超純水通過(guò)0.2 μm濾膜過(guò)濾，作為零濁度水。400 NTU濁度標(biāo)準(zhǔn)貯備液制備：(1)分別吸取10 mL硫酸肼溶液(10 g/L)和10 mL 6次甲基四胺溶液(100 g/L)置于200 mL容量瓶中，搖勻混合，于(25±3)℃下靜置反應(yīng)24 h；(2)冷卻后，用零濁度水稀釋至標(biāo)線，此溶液濁度定義為400 NTU。

實(shí)驗(yàn)步驟：(1)分別吸取濁度標(biāo)準(zhǔn)貯備液0、0.50、1.25、2.50、5.00、10.00、12.50 、25 和50 mL于50 mL具塞比色管中，并使用零濁度水定容至50 mL，配制得濁度依次為0、4、10、20、40、80、100 、200和400 NTU的標(biāo)準(zhǔn)使用液；(2)合上濁度儀避光蓋(如圖6所示)，觸發(fā)按鍵(Dark鍵)，系統(tǒng)自動(dòng)控制LED關(guān)閉并采集暗電流；(3)將各濁度標(biāo)準(zhǔn)使用液置于濁度儀中，在同種實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)量，記錄光傳感器輸出的ADC數(shù)值。

3.2 工作曲線、方法檢出限和平行性

以TSL2581光傳感器輸出的ADC計(jì)數(shù)數(shù)值(counts)為縱坐標(biāo)，濁度(NTU)為橫坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，如圖7所示。采用最小二乘法線性擬合，得到工作曲線方程y=10.272x+46.115(R2=0.999 9，n=9)，根據(jù)決定系數(shù)可知該曲線可解釋99.99%的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，線性良好。分別連續(xù)測(cè)定7次4、40、80 NTU標(biāo)準(zhǔn)使用液，計(jì)算各濁度下相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為1.11%、0.82%和0.48%，說(shuō)明濁度儀在不同濁度下精密度都良好。方法檢出限以D.L.=3 Sb/S 確定[13]，即以7次空白測(cè)定值的3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差除以工作曲線斜率，可得方法檢出限為0.2 NTU。

圖6 濁度儀實(shí)物

圖7 濁度儀工作曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)散射法濁度測(cè)量原理，采用GRIN-Lens自聚焦透鏡，通過(guò)設(shè)計(jì)光源恒流驅(qū)動(dòng)模塊、TSL2581光強(qiáng)檢測(cè)模塊、OLED顯示模塊和ARM控制系統(tǒng)，使用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)加工機(jī)械裝置，研制了一種小型化、便攜式的低成本散射光紅外濁度儀。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了濁度儀的工作性能，在0～400 NTU濁度范圍內(nèi)，濁度儀線性良好，測(cè)量精密度良好，方法檢出限為0.2 NTU。