散射式浊度仪的研究与设计散射式浊度仪的研究与设计.pdf

散射式浊度仪的研究与设计 1 1 1 2 王宁馨 李欢 吴莉 钱敏 1 （苏州大学 文正学院光电系，江苏苏州 215104 2 苏州大学 物理科技学院，江苏苏州 215006） 摘要：介绍了一种散射式浊度仪的原理、结构和设计方法，该仪器以单片机为核心，由电源 电路、发光二极管驱动电路、信号采集和调理电路、显示电路等模块组成，在使用标准浊度 溶液进行标定后可以自动完成对待测溶液浊度的测量和显示。经实验证明，该仪器简单易用， 具有较高的精度和灵敏度，可以满足生产、生活中对液体浊度测量的需求。 关键字：液体浊度；瑞利散射；单片机 1. 研究背景 浑浊度是反映液体物理性状的参数之一，与液体中悬浮物的浓度、颗粒的大小、形状、 等有关，例如在水质好坏的检测中，浑浊度就是一项非常重要的指标。我国每年没有处理的 水的排放量是 2000 亿吨，这些污水造成了 90％流经城市的河道受到污染，75％的湖泊富 营养化，并且日益严重。在此背景下，提高水环境监测水平，大力发展水环境监测仪器刻不 容缓。本课题目的是设计一个能应用于环保部门监控、管理环境的散射式浊度仪，通过对水 样的检测，准确及时地反映水质的变化状态。 2. 测量原理 美国公共卫生协会将浊度定义为“样品使穿过其中的光发生散射或吸收而不是沿直线穿 透的光学特性的表征”，即水样对光在某方向上的散射和吸收的强度，所以根据光接收方式 测量方法可以分为透射式和散射式测量法。 在透射法中，透射光强度随浊度的变化遵从朗伯-比尔(Lamber-Beer)定律，即透射光随 浊度增加按指数形式衰减： I gI e−KtL (1) 0 式中 I：浊度为t 时透射光强度 I ：入射光强度 o K：比例常数 t：浊度 L：试样厚度 g：测量仪器的几何参数 由（1）式可知如果能测量出入射光和透射光的光强，即可计算出液体的浊度值。透射 光式浊度仪的原理简单，仪器的设计方面也比较简单，采用透射式测量可以获得更大的浊度 测量范围，但是在测量较低浊度液体时，由于大部分的光直接透射了，微小的浊度变化引起 的透射光的变化是相当小的[9]，这样对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就非 常高，低浊度时不易满足，所以透射式测量方法不适合测量低浊度，更适合于测量高浊度水 样，其测量原理图如图1所示。 入射光 浊液试样 透射光 光源 图1 透射光式测浊法框图 在散射法中，根据瑞利定理，当液体中悬浮颗粒的大小小于入射光波长时，光线将发生 强烈的散射，散射光强度与水样浊度成正比，通过测定经水样的散射光强度，即可测出水样 的浊度[10] 。散射光强I 、入射光强I 和悬浮粒子浓度等参数之间的关系由（2）式决定： r o 2 9π2  n2 −n2  2 1+cos2 θ I r λ4 2  22 +2 1 2 v NI 0  2  （2） r n2 n1    式中 I ：散射光强度 r I ：入射光强度 o n n ：分别为微粒和水的折射率 1， 2