智能浊度传感器的研究与设计毕业论文.doc

硕士学位论文

智能浊度传感器的
研究与设计
作者姓名： 纪莹蕾
学科专业： 模式识别与智能系统
导师姓名： 陈锋副教授
第二导师姓名： 谢兴生副教授
完成时间： 二〇一四年五月六日
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Y2601680
University of Science and Technology of China
A dissertation for master’s degree
The Research and Design of
Intelligent Turbidity Sensor
Yinglei Ji
Author's Name:
Speciality: Pattern Recognition and Intelligent System
Supervisor: Associate Prof. Feng Chen
2nd Supervisor: Associate Prof.Xingsheng Xie
中国科学技术大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。
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中国科学技术大学学位论文授权使用声明
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i遵守此规定。

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摘要
水作为日常生活中必不可少的一部分，衡量其质量的好坏具有重要的意义。 浊度作为水质检测的重要指标之一，其测量要求也越来越严格，浊度检测越来越 受到关注和重视。目前，市场上国外浊度仪占主流趋势，但是价格昂贵。国内浊 度仪价格适中，但是质量优良的较少。国内浊度仪（尤其是在线浊度仪）在可靠 性和稳定性上都有很大的上升空间。为了提高浊度传感器的检测精度，本文通过 分析浊度检测原理，利用最小二乘支持向量机对散射、透射、比值三种方法的检 测数据以及温度值和环境光值进行融合，从而提高了浊度测量精度和抗干扰能 力。
论文的主要工作如下：
1. 设计并实现浊度传感器系统。该系统主要包括硬件设计，光路设计和嵌 入式软件设计。硬件设计主要包括光源和探测器的电路设计，信号调理电路的 搭建，基于STM32的数据采集。光路设计则是对浊度仪结构进行设计，保证光 路的合理布局。它主要是光源和检测器的选型和放置，使其符合国际标准的要 求。嵌入式软件设计主要是软件初始化程序及其基本的硬件驱动程序，目的是 实现数据采集和数据传输的功能。
2. 建立浊度的算法模型。分析浊度检测中出现的干扰因素，并采用最小二 乘支持向量机建立浊度检测模型。该模型融合散射、透射和比值三种方法检测 的数据，并加入温度和环境光干扰因子，能够针对不同浊度范围分配输入因子 的权重，从而能够适应环境检测以提高检测精度。
3. 设计并进行了浊度传感器性能评估实验。实验结果表明本文设计的浊度
传感器在低浊度范围的检测精度和抗干扰能力上有所提高。
关键词：浊度，散射，透射，比值，最小二乘支持向量机
Abstract

ABSTRACT
Water is the source of life, and it is necessary to measure the quality of water. Turbidity is an important index of water measurement, and the measurement of water turbidity is mandatory and more and more strict The detection of turbidity has been attracted more and more attention. At present, foreign turbidity meters are dominated used in China, but their prices are expensive. Domestic turbidity meters are reasonable in price, but their reliability and stability (especially online turbidity meters) still have a very large upside potential. There are many kinds of domestic turbidity meters, but the few has outstanding quality. In order to improve the detection accuracy of turbidity sensor, this dissertation uses LS-SVM to fuse the following data to improve the measurement precision and anti-interference ability by analyzing the turbidity detection accuracy: the test data detected by scattering method, transmission method and ratio method, the temperature data and the ambient light data.
The main work of this dissertation is as follows:
1. The overall design of this system is presented, including hardware design, optical design and embedded software design. The hardware design mainly includes the circuit design of light source and detector, the structure of conditioning circuit, the data acquisition based on STM32. The turbidity structure is designed to ensure the reasonable layout of optical path, which mainly includes the choices and arranges of light source and detector so that it can meet the requirements of the international standard. The embedded software design mainly includes the initialization procedures and the basic hardware driving program so as to realize the function of data acquisition and data transmission.
2. Turbidity algorithm model is established. The interference factors of turbidity senor are discussed, and LS-SVM is introduced to model the turbidity sensor. As a result, the detection accuracy by integrating the detected data of three methods is improved. In addition, light and temperature factors are joined in the model to improve the anti-interference capability.
3. Design and carry out the evaluation experiment of turbidity sensor ?s performance. The experiment results prove that the low turbidity range detection accuracy and anti-interference ability of turbidity sensor which is designed in this dissertation have been improved.
Ill

Key words: Turbidity; Scattering; Transmission; Ratio; LS-SVM
5

目录
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ABSTRACT Ill
第1章绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3研究目标与内容 4
1.3.1研究目标 4
1.3.2研究内容 4
1.4论文组织 5
第2章浊度测量的基础理论 7
2.1浊度的定义和测量单位 7
2.1.1浊度的定义 7
2.1. 2浊度的单位 7
2.2浊度的检测方法 8
2. 2. 1透射检测方法 8
2. 2. 2散射检测方法 9
2.2.3比值检测方法 11
2. 2. 4表面散射光测量法 12
2. 3方法改进 12
2. 4本章总结 14
第3章浊度传感器设计 15
3.1浊度传感器的光学设计 15
3.1.1光源选择 15
3. 1. 2光电探测器选择 16
3.1. 3试样槽选择 19
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3. 1. 4传感器结构设计 19
3. 2浊度传感器的硬件设计 21
3. 2.1电源模块设计 21
3. 2. 2调理电路设计 22
3. 2. 3核心板设计 27
3.2.4通信模块设计 30
3. 3浊度传感器的软件设计 31
3. 3. 1 A/D采集驱动的编写 32
3. 3. 2 A/D数据预处理 34
3. 3. 3温度采集程序 34
3. 3. 4光照采集程序 36
3. 3. 5浊度传感器与PC机通信 37
3. 4本章总结 39
第4章基于LS-SVM的浊度传感器建模 41
4.1最小二乘支持向量机概述 41
4. 2常用浊度数据处理方法 43
4. 3浊度传感器建模方法 43
4. 3.1干扰因素分析 43
4. 3. 2建模步骤 45
4. 4本章总结 46
第5章系统实现与实验结果分析 47
5. 1浊度标定 47
5. 2实验结果分析 48
5. 2.1示值准确度实验 48
5.2.2对比性分析 49
5. 2. 3干扰分析 52
5. 2. 4仪器校准 53
5. 3 53
第6章总结与展望 55
6.1总结 55
目录

6. 2展望 55
参考文献 57
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在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 63
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第1章绪论

第1章绪论
1.1研究背景与意义
随着我国经济的快速发展，水污染的现象日益严重，大量含有有害化学物质 的污染物排入自然界水中。这些污染物不仅造成了严重的环境污染，也制约着社 会和经济的发展。如何进行水治理已经是国家高度重视的问题，水质的好坏与人 们的生活健康息息相关。为了更好地进行水治理，动态了解水质现状十分必要。 衡量水质好坏的指标有很多，常用的水质指标有以下几项（李青山等，2003,王 心芳等，2002):
(1) 水温、池度、悬浮物、电导率、透明度、PH、酸碱度、硬度等等。除 了这些一般的化学性质，有时还需要对水的色度、气味等进行检测。
(2) 溶解氧、COD等与氧有关的指标体系。
(3) 金属阳离子，如铅、镉、铬、砷、铜、锌、锰等，包括其不同价态和 状态的化合物。
(4) 常见阴离子，如硝酸盐、氯离子、总氮、总磷等等，这些表征了水体 中植物营养元素的含量以及水的有机污染程度。
(5) 有毒物质，如氰化物、氟化物、硫化物、挥发酚以及有机农药等等。
(6) 微生物指标，如细菌总数、大肠菌群等。
浊度作为水质衡量指标有一定的历史，大概经历了 1〇〇年左右。无论是研究 机构，还是环保部门，都非常重视浊度检测。浊度的控制不仅影响到安全供水， 在工业生产中，也与产品质量和操作过程相关。
生活用水中，当浊度偏高，就会导致某些无机物和有机物出现在水中，容易 滋生液体中细菌，大肠菌以及病毒等等。当浊度减小后，就会去除大多数有机物， 此时，微生物的含量也会相对减少。此外，浊度的大小也会影响消毒效果。人们 日常饮用水是经过消毒的，但是，如果浊度偏高，消毒剂的作用就会被削弱，因 此降低浊度出厂值十分必要。表1.1是各国水质标准中浊度的指标值，通过表中 内容可以发现国外对浊度的检测要求十分严格。我国在这方面，也做出严格规定， 要求供应的饮用水其浊度值不应高于1NTU (生活饮用水卫生标准，2006)。
工业生产中，浊度大小直接制约了产品质量。例如在医药工业和食品工业调 味剂中广泛应用的核糖核酸，其生产技术中，浊度就是一项关键因素。浊度越高, 核糖核酸的纯度就越低，产品质量也就随之下降。总之，浊度测量无论是在曰常 生活还是工业生产都十分重要，因此，浊度检测技术也必须相应地加强。
3

第1章绪论
表1.1各国水质标准
标准名称
标准内容
最新日本水质标准（2003年7
要求标准项目浊度小于2度
月）
水质管理目标项目小于1度
世界卫生组织WHO饮用水水
单个水样不能超过3NTU
质准则2011
浊度的平均值小于1NTU (从消毒角度考虑）
欧共体水质指令98、83、EC
不超过1.0NTU
法国水质标准95-368 加拿大水质标准1996
最大可容许浊度值2JTU 最大可接受浊度值1NTU 用户取样点小于等于5NTU 浊度在任何时候大小不得超过5NTU。采用过 滤工艺供水系统要确保浊度值小于等于1NTU (采 用常规过滤或直接过滤，小于等于0.5NTU)。要求
美国现行饮用水水质标准
每月内，每天的水样总计合格率至少大于95%。到 2001年，浊度任何时候不超过1NTU。每月内，每 曰所取水样的95%浊度不超过0.3NTU (朱普霞， 2004)。

1.2国内外研究现状
浊度的测量历史经历了以下几个阶段：
目视比浊法：它利用被测物“浑浊’’的程度来表示浊度，配制标准液后，通过 人眼比较液体浑浊程度与标准液浑浊度来判断浊度大小。此种方法十分简单，但 是其结果受人为因素影响很大，早已不用。
重量法：通过过滤、烘干水样中的悬浮物，然后测量它的重量来衡量浊度大 小。尽管悬浮物和浊度并不是一个概念，但是在当时，二者存在一定的联系，因 此，将测量悬浮物的重量作为浊度的测量标准。
分光光度法：通过测定液体的吸光度来判断浊度大小，需要绘制浓度和吸光 度的标准曲线，然后采集水样，测出其吸光度后根据吸光度大小来查找标准曲线 然后测得浊度大小。这种方法测量效率低下，且仪器操作复杂。
光电检测法则是目前最常用的浊度分析方法，其中典型的是散射法、透射法、 比值法。这几种方法各有适用范围，它们被广泛应用到浊度检测中。
1) 透射法：入射光穿过一定厚度的溶液后，其透射光强和浊度大小满足朗 伯比尔定律。透射法则利用浊度和透射光强的这种关系来检测浊度。它 的测量方法很简单，但是不适合测量低浊度。因为低浊度时，入射光基 本上都直接透射过去，很难检测到细微的浊度变化。
2) 散射法：散射法利用液体的悬浮微粒对入射光的散射来测量浊度，其散
射光强度与浊度满足一定的关系。不同的粒子大小对散射产生的影响不 同，且满足的公式也不同。当粒子波长小于入射光波长时，满足瑞利散 射原理；当粒子波长大或接近入射光波长时，满足米氏散射定律。虽 然满足定律不同，但是都可以得到浊度和散射光强近似的线性关系。散 射法主要适合中低浊度的测量，因为高浊度下粒子会产生重复散射，使 得散射光强快速衰减，从而使得浊度和散射光强的线性度变差。
3) 比值法：比值是建立在散射和透射的基础上。入射光穿过待测溶液，既 发生散射，也发生透射。利用散射和透射的比值，可以得到一定范围内 浊度和比值的线性关系。它能够消除一定干扰，不过浊度和比值的线性关 系只局限于一定的范围。
4) 在散射法的基础上，后向散射检测法和前向散射检测法被提出。主要是 通过测量大于90度的散射光强和小于90度的散射光强来对90度散射法 进行补充。宋启敏，Dana等证实了它们能够有效地扩大了浊度的测量范 围，同时改善了测量的非线性度。
5) 随着先进光源的问世以及电子线路精度的提高使得光电检测方法又进一 步得到改进。例如，采用双光束探测法来降低光源干扰，它将光源发出 的光通过分光设备分成两束光，通过两束光的对比来减小光源的影响(张 根宝，1998, Ebie K，2006，刘畅，2007);光纤传感器替代光电传感器 来提高测量精度和灵敏度(黄菊文，2006, Garcia A，2007, Bin Omar AF， 2009);激光光源替代普通的钨灯来提高光源效率和寿命。除了光电检测 法，新的方法如图像处理浊度的检测技术也引起了人们的兴趣，此种方 法采集的样本分布不均匀，覆盖范围也不完全，还有待于进一步改进（李 昂，2012，Cheng E，2013)。
国外的浊度检测技术起步较早，代表公司有美国的HACH公司，德国E+H 公司和M-T公司，英国的ABB-Kent公司。各公司在浊度仪的设计上都与时俱 进，HACH公司实验式浊度仪在80年代末是利用90度散射光和钨灯光源来检测， 其测量范围达到0-1000NTU，精度为0.01NTU;随着技术的成熟，其测量范围 逐步扩大，最高端的2100AN和2100ANIS型己经可测10000NTU，精度达到 0.001NTU;除此之外，对于在线式浊度仪，其测量范围也由开始0-100NTU发 展到0.001>4000NTU; HACH的浊度仪设计时，其探头由于在测量90度散射光 的同时测量140度的后向散射光，所以对于高悬浮固体浓度测量准确度很高 (Hach Company)。E+H公司的在线式浊度仪测量精度为0.01NTU，测量范围为 0-9999NTU; E+H在浊度仪的设计上，可以改变其90度散射的光程，从而提高 测量范围。M-T公司采用光纤检测，并且利用后向散射原理，所以测量下限较髙。
第1章绪论

ABB Kent公司的4670系列的浊度仪带有浊度分析系统，并配备大屏点阵液晶来 显示检测参数，具有和其他器件通信的能力；除此之外，在自动消泡设计，校正 和自动清洗上，^381(^1^都做得非常优秀(^8111811111116111也〇114999)。特别是校 正上，通常浊度仪的校准都是采用稀释的标准液，这种方式十分繁琐，需要暂停 测量过程，并且现配标准液，因为标准液的保存时间不超过一周。ABB Kent采 用一种固态二次校准的方式，将标有标准浊度数值的部件直接装入发送器内，就 可以实现精确的校正，操作简单，重复性也很好（ABB-KENTCompany)。
国产浊度仪技术起步较晚，早期研究采用的是目视比浊法，测量精度低下， 测量误差因人而异，随机性很大。后来光电法的采用，提升了浊度仪质量，但是 在外观和安装方式以及自动清洗上存在着缺陷。国产浊度仪的安装形式只有流通 式一种，没有沉入式、插入式等安装结构，在用户选择上比较单一。外观上早期 浊度仪读数多是指针指示，体积较大。20世纪90年代后，国内的检测技术开始 迅猛发展，代表产商有武汉沃特和上海雷磁。雷磁的WZT-701在线型浊度仪， 检测范围为0-25FTU (WZS系列手册)，沃特的WT-OT3系列在线浊度仪测量范 围为10-2000NTU，精度为3%(WT-OT3系列手册）。自动清洗方面，虽然后期 出现超声波清洗，但相对于机械清洗，超声波清洗很难洗清有油污、有粘性、溶 于水的细小微粒。
综上所述，不难得出，国外的浊度仪比较成熟，检测范围广，精度高，可靠 性和稳定性都较好。国产浊度仪比较单一，检测范围和精度也差于国外。除此之 外，在智能化设计，以及可靠性和稳定性上，国内浊度仪还需要提升。目前，国 外浊度仪仍然占据中国市场的主导地位。
1.3研究目标与内谷 1.3.1研究目标
本文分析了浊度检测的必要性。虽然国外浊度仪的性能较好，但是后期维护 不方便，价格昂贵，因此需要研发国产的浊度仪。目前国内在在线式浊度检测上， 研究尚处于起步阶段。因此，设计一款高性价比，且具有一定稳定性和可靠性的 在线式浊度仪很有必要。本文研究目的是遵循现代科技发展，加入微型处理器， 将光学设计和微计算机技术结合，增加环境光照探测器和温度探测器提高仪器抗 干扰能力，实现一款使用人性化，高测量精度和性价比的浊度传感器。
1.3.2研究内容
本文的研究内容主要如下：
1本文遵循ISO7027国际标准，选择合适的光源和探测器，并进行合理的光 学布局。通过分析三种测量方法，即散射法，透射法和比值法，确定适合自己的 检测方法和融合机制。
2在硬件设计上，首先确保电源稳定以防止电源波动而造成光源的波动；其 次，为保证光源的电源稳定，在光源控制上采用恒流源芯片和三极管实现负反馈 控制；最后，探测器信号提取上，选择合适的放大器进行信号放大和过滤。硬件 设计中，采用STM32微处理器实现数据采集，处理和传输。
3软件设计上，利用C语言，完成了各个子程序驱动的编写。同时，为了 防止气泡干扰，文章实现了采集信号的软件滤波编写。算法建模主要是LS-SVM 对浊度检测的建模，并通过实验证明本文的方法具有一定的优势。
1.4论文组织
本文一共六个章节，其它章节的内容安排如下：
第二章首先介绍浊度的基本定义，以及浊度的测量单位；然后分析浊度常 见的测量方法，介绍其工作原理和工作范围；对其特性进行分析和比较后，确定 本文检测方法。
第三章实验平台的搭建。主要包括光路设计、硬件设计和软件设计。光路 设计从光路结构，光学材料选型展开；硬件设计则主要介绍光源电路和信号采集 电路；软件设计则是介绍各个子程序的驱动。
第四章简要介绍LS-SVM相关知识，分析模型中各种因子，然后搭建浊度 检测的LS-SVM模型。
第五章对本文的模型进行实验。主要包括实验步骤的介绍，实验结果的验 证，相关实验的对比。
第六章首先进行全文总结，然后对下一步工作进行展望。
5

第2章浊度测量的基础理论

7

第2章浊度测置的基描理论
本文的系统搭建主要依赖于浊度检测所采取的方法，因此本章通过介绍浊度 检测的原理和方法来为下一步系统搭建打下基础。
2.1浊度的定义和测量单位 2.1.1浊度的定义
浊度反映的是水样的一种光学特性，国标IS07027中对浊度有如下定义：不 溶性物质的存在而导致液体的透光度降低。美国公共卫生协会则定义浊度为光线 通过样品时，被样品散射及吸收的而不是直线透射的光学特性。当水中的悬浮固 体，即泥沙、藻类、泥土、有机物以及微生物等等，它们对通过水样的光线有阻 碍作用，也就是产生散射时，浊度也随之产生。
2.1.2浊度的单位
浊度的检测单位很多，目前并没有对其进行规范化。常见的浊度单位有“度”、 “JTU，，、“ppm”、“mg/L”、“FTU”、“FNU，，、tcNTLT、“FAU”（平伯年，1995，杨 家建)。JTU作为单位出现的年代较早，它是烛光浊度计的单位，通过特制的标 准蜡烛，利用目测来确定浊度大小。度和ppm以及mg/L的定义有些类似，都是 指lOOOmL蒸馏水中含有lmg 土。不过，不同单位的土材料也不同，度的“土” 指的是一定粒度的硅藻土，此标准配置比较复杂，其稳定性不够，且再现性差； ppm采用的“土”是精制高岭土，其lOOOppm的标准液是通过lg重量的精制土放 入1000ml的烧杯中，然后加蒸馏水至满刻度，其它梯度可通过这个梯度进行稀 释，可是保存时间只限于一周之内，这种高岭土还有一个缺点就是其成分不恒定， 其主要成分二氧化硅和三氧化二铝的比例根据产地的不同而不同，并且粒度分布 也不同，这就导致光学性质不同，以至于测量误差产生；mg/L的“土’’则是不溶 性硅，它比较实用，可是不够严格；FTU，FNU，FAU，NTU都是以福尔马肼 作为浊度标准液，福尔马肼是美国人Clark于1926年为了克服高岭土弊病而制 作的，其优点是稳定性比高岭土好，且散射的重现性也优于高岭土；这些单位采 用的标准液相同但是表述不同的原因在于定义和测量方法的不同。FTU是美国 公共卫生协会1971年定义的，1L水中lmg福尔马肼聚合物即1FTU标准液;FAU 表示的是仪器与入射光成180度角上检测的光线衰减程度，它是基于透射原理的 浊度仪使用单位；FNU的是由ISO7027国际标准定义的，它其实与FTU没有什 么不同；NTU是指基于散射原理的浊度仪使用单位。它们的关系是 1FAU=1NTU=1FNU=1FTU，本文使用的单位是NTU。
2.2浊度的检测方法
浊度的测定方法主要包括化学分析法和仪器分析法。化学分析法采用的是透 明度试管法和试验圆盘法。它主要适用于实验室或者野外人工分析的状况。仪器 分析法则利用光源发出的光，通过设计好的光路结构被探测器接收，将浊度信号 变为可读的电信号。它既有实验室使用的便携式浊度仪，也有野外使用的在线式 浊度仪。本文浊度传感器采用的是仪器分析法，常见的仪器分析法可以按照光源 和光电接收方式分为以下两大类：
光源：单色光，代表有分光光度计、比色计和激光；复色光，代表有白炽灯、 特种灯和标准蜡烛。
光电接收方式：透射式、散射式和比值式。散射式还包括90度散射、前向 散射、后向散射和表面散射式。
现针对常见的检测方法进行简单介绍。
2.2.1透射检测方法
透射检测方法遵循的是L-B定律。L-B定律是由朗伯特和比尔分别在1760 年和1852年研究的光吸收与溶液浓度以及厚度的关系，L-B就是二者的结合， 即光吸收定律。
L-B定律指的是一束单色平行光沿着某一个方向投射于均匀介质中，光强的 衰减量与光强和介质厚度的乘积成正比；比尔定律则说明在气体或某些物质中， 其光吸收量与吸收物质的浓度呈正比关系，其中某些物质指的是一些能够溶解于 不吸收光的溶剂中的物质。
透射法的公式如下：
I,=Al0cxp(-KTL) (2.1)
式中：
I丨—透射光光强；
A——电路常数；
10——入射光光强；
K——与入射光波长及微粒分布等相关的常数；
T——水样浊度；
第2章浊度测量的基础理论

L——透射光程。
图2.1透射法光路结构
探测器
当透射光的入射光强度不变时，随着浊度浓度的改变，透射光强度会随之改 变，且浊度的大小和透射光强对数值呈单调衰减的关系。其示意图如图2.1所示:
在实际情况中，透射法中所满足的线性关系只在一定范围内，在0-1000FTU 的范围时，透射光对数与浊度值线性关系最优；但是在低浊度时，浊度大小变化 引起透射光强变化不明显，检测精度低，误差大；当浊度大于1000FTU时，非 线性开始出现；在1000-30000FTU范围内，则体现为衰减非线性关系。因此， 透射法适合测量中高浊度（张恺等，2011)。与此同时，在电路设计方面，透射 法对电路和光源稳定性要求高，当浊度很小的时候，即使光源的微小变化也会导 致很大的测量相对误差(岳舜琳，1992)。
2.2.2散射检测方法
光的散射原理是基于丁道尔效应（Tyndall effect)的，当光束通过被测水样
时，水样中粒子对光产生作用，使得部分光改变了其传播方向，这种现象就是散 射现象。散射光的强度与浊度的大小成一定比例，具体的关系随着粒子的波长不 同而不同。光的散射定律有以下几方面：
瑞利散射
瑞利散射是瑞利于1971年导出的散射规律，它是建立于粒子限度远远小于光 线的波长的假定条件之上。瑞利散射主要特征是散射不影响光波长的变化，即当 入射光波长和散射光波长相同时，散射光强度反比于波长的四次方。瑞利散射公 式如下：
Is=kI0nV2/^ (2.2)
式中：
10——入射光光强；
/,——散射光光强；
又——入射光波长；
n——单位体积内悬浮颗粒数；
V——颗粒体积；
k 与入射光波长，折射率等有关的比例系数。
可见，散射光光强与悬浮颗粒物的总量成比例，也就是与浊度成比例。 米氏散射是建立在颗粒大小与入射光波长相近的基础之上，其公式如下：
Is = K,ANI0 (2.3)
式中：
A 微粒表面积；
N—-单位体积微粒的个数；
K,——与米氏散射相关的比例系数。
虽然公式2.2和2.3内容不同，但是都可以简化为：
IS = KP。 (2.4)
即无论水中悬浮颗粒直径是否大于光波长，在某一方向上散射光强度与浊度 是呈正比关系。要注意的是，当测量颗粒直径小于入射光波长的1/10、在入射光 波长的1/4到1A0之间和大于入射光波长1/4时，各个角度的散射光强度是不同的， 图2.2反映了此现象。

微小颗粒 大颗粒 超大颗粒
小于波长的十分之一 大约波长的四分之一 大于波长的四分之一
图2.2离子散射角度与半径大小关系

图2.3散射法光路结构

由图2.2得知，散射光的测量方式可以根据不同角度进行不同的测量，主要 分为前向光测量，90度测量和后向光测量三种，但是，90度方向的最为稳定， 也是国际上最为通用的方法。
本文散射法测浊度是参考ISO7027国际标准，采用90度角测量，其能检测 的浊度范围是0>40NTU，光路布局如图2.3所示。当液体的浊度比较低的时候， 浊度大小与散射光光强呈线性关系；但是随着浊度升高，当大于200NTU时，出 现非线性现象；当超过2000NTU时，就会发生多次散射现象，使散射光光强快 速下降，此时利用散射法已不能正确得到浊度真实值。在电路设计方面，散射法 对电路和光源的稳定性要求没有透射法的那么高，且光源波动带来的误差小于透 射法（宋启敏等，1997,刘畅等，2008,王丽，2012,兰羽，2013)。
2.2.3比值检测方法
理想情况下，散射光光强与浊度是线性关系，但是散射光在到达光电接收器 之前，会穿过一定光程的水样。散射光强会因此而发生衰减，可用如下公式表示:
L = Ksh1 ^p(~kTL) (2.5)
式中：
Ks, k——常数；
T—池度；
L——光程。
比值法是通过透射光光强和散射光光强的比值计算出浊度，具体如下：
Is KsI0Texp(-kTLJ I, KJ^-kTL,)
如果设计中将透射光程4和散射光程4设置为相同，公式就转化为
Ir — KrT (2.7)
图2.4比值光路结构
散射光b
探测器
其中A是/,和/,的比值，A则是&和^的比值。由公式2.7可以发现，当 利用比值处理后，可得到浊度与光强比值之间的线性关系。
比值的整个光路布局如图2.4所示。由比值法测浊度的公式2.6可以发现， 如果将透射光程和散射光程设置相同，就可以利用浊度与光强的线性关系进行测 量（耿振野，2005，刘仲明，2005)。但本文设计中，两个光程并没有设置为相 同。因为光程本身也会影响测量的灵敏度和线性范围，光程越长，灵敏度越高， 线性范围越窄。本文设计中，考虑到实际实验中透射检测的灵敏度较差，将光程 扩大至30mm来提高灵敏度。散射的灵敏度较高，如果光程设置过大，则会重复 散射影响线性度，故将散射光程设置为20mm。相对前两种方法，比值法能够减 小光源老化和变动对浊度测量的影响，并且在中等浓度的浊度范围内对线性度有 一定程度上的提高。
2.2.4表面散射光测量法
表面散射光测量法与散射光测量法类似，二者的区别在于，散射光测量法中 光源的入射光线是平行穿过待测液体，表面散射光则是射在液体表面。射入液体 表面后，一部分光透射进入液体，液体中透射光再发生散射，此时，与液体表面 垂直的方向散射光被接收后，利用其光强来测量浊度。这种浊度仪比较适合浊度 较高的环境。其原理图如图2.5所示。

2.3方法改进
由2.2节的分析得知，测量浊度的方法主要是基于透射和散射原理的，其它 方法都是对其的改进。透射法适用于高浊度范围，且其对光路稳定性要求较高。 散射法适合低浊度检测，在高浊度时会发生多次散射从而光强衰减。比值法就是 这两种方法的改进方法，除了比值法之外，还有其它的改进方式，有从原理上对 其改进，也有从光学器件上的改进，还有从全新思路出发的。现对其进行简要介 绍，主要如下：
原理上改进：针对散射法，加入了前向散射和后向散射两种方式，如图2.6 所示。根据研究表明，散射率随散射角度的增大而减小，但是浊度的测量范围却 随着散射角的增大而增大（薛元忠等，2001，Dana DR，2002)。因此，采用后 向散射可以提高浊度检测范围，采用前向散射可以提高线性度^
90度散射

光学器件上的改进：对于透射法，采用双光束技术，利用透镜和小孔光栅产 生两束完全相同的光，利用脉冲调制技术对浊度进行测量，这种改进方式灵敏度 较高，测量范围宽，且可以调节，但是结构设计复杂；也有采用光纤传感器替代 光电传感器，这种测量方式适用于所有光电检测方法，其灵敏度高，动态响应快， 抗干扰性能强，但是第一次使用前必须标定，且光纤价格昂贵。
新方法：随着图像识别技术的发展，视频检测水质浊度的思想也被提出，通 过在水下设置光源和摄像头来采集水中图像，提取与光源光强有关的图像信息， 并将图像传递给数据处理设备，利用图像算法来处理结果，提取有效信息，获得 浊度值。这种测量方式十分新颖，与传统测量方式相比，它对环境的检测要求更 低。但是也有不足之处，其采集的训练样本分布并不均勻，覆盖范围不够充分， 导致实际结果不够准确。
综合以上方法的分析，本文提出了改进方法。首先综合散射、透射、比值三 种数据检测结果。散射适用于中低浊度范围；透射适用于中高浊度范围；比值根 据散射和透射比值与浊度的线性关系来提高检测准确度，但是这种线性关系只适 用于一定的范围，浊度值太高或太低都会影响线性度；因此对这三种方法进行综 合可以减小误差，利用散射法来降低低浊度误差，利用透射法来降低高浊度误差， 利用比值法进行线性补偿和抗光源干扰。其次，加入环境光采集装置和温度装置 消除背景光和温度影响。最后，利用LS-SVM对透射、散射、比值、温度以及 环境光进行数据融合，在合适的范围内选择合适的权重，吸收三种方法的优点， 得到最接近真实浊度的测量值，提高浊度检测的精度和抗干扰能力。
2.4本章总结
本章主要介绍了浊度的概念和测量单位，简要的介绍了浊度的发展史。针对 常用的浊度测量方式进行介绍，并对每种浊度测量方法进行了简要分析。