一種偏振式水濁度的測量裝置及測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種偏振式水濁度的測量裝置及測量系統(tǒng)，屬于液體濁度測量技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水的濁度是水樣中的一種光學(xué)效應(yīng)，是指水樣中懸浮的固體顆粒物以及雜質(zhì)對光 的散射及吸收所引起的水樣透明度變化的程度。其濁度大小與雜質(zhì)的濃度大小、光學(xué)性質(zhì) 等都有關(guān)系。近年來，水體污染事件時有發(fā)生，威脅著廣大人民群眾的生命健康，引起了大 眾對水質(zhì)監(jiān)測的關(guān)心。光電測量法由于其快速、準(zhǔn)確的特性被廣泛地使用在濁度的測量領(lǐng) 域之中。
[0003] 根據(jù)濁度測量國際標(biāo)準(zhǔn)IS07027,濁度的測量是在90°方向上測量散射光，該測量 方法在低濁度區(qū)域具有良好的線性關(guān)系，但由于散射光在高濁度區(qū)域產(chǎn)生了多次散射導(dǎo)致 了測量誤差，其測量量程受到了巨大的限制，無法廣泛的應(yīng)用于化工濁度的檢測之中。而在 另一方面，在實際測量中，由于背景光以及入射液體中的雜散光不可避免地進(jìn)入探測器之 中，影響整個濁度儀的測量精度。
[0004] 在已經(jīng)公開的中國實用新型（CN 1087425)中，實用新型人采用了單光源入射液 面，接受90°的表面散射光通過透鏡匯聚之后入射探測器，雖然實用新型人采用了自動清洗 的裝置，以解決由于污損而造成的誤差。但由于該測量方法采用了一個探測器，故無法解決 因光源抖動所造成的測量誤差。同時其選擇的無偏振的光進(jìn)行測量，探測器對各種光源沒 有選擇性，無法去除背景光以及多次散射光的影響。針對以上的兩種問題，本發(fā)專利設(shè)計的 濁度儀測量儀，通過利用偏振光的特性，消除大部分背景光和雜散光干擾的影響。同時雙光 路的設(shè)計可以極大地去除光源老化造成的光強抖動的影響。同透射法以及90°散射法相比， 光程更短，多次散射較少，故測量量程較大。同時放置溫度傳感器，測量裝置內(nèi)的溫度。本裝 置采用最小二乘支持向量機(LS-SVM)的數(shù)據(jù)回歸處理方法，同時對溫度、散射光強、原光 強、光強比值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，相比于普通的最小二乘法的擬合方法，該方法在少樣本、非線 性、高維度的問題上具有更好的線性，解決了溫度對濁度的影響，提高了精度。 【實用新型內(nèi)容】
[0005] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是，提供一種單光源雙光路偏振光的偏振式水濁 度的測量裝置及測量系統(tǒng);進(jìn)一步地，本實用新型提供一種解決由于光源不穩(wěn)導(dǎo)致的濁度 測量的誤差，以及消除背景光和多次散射雜散光造成的影響，同時采用最小二乘支持向量 機的數(shù)據(jù)處理方式，對溫度進(jìn)行補償，消除測量誤差，提高測量精度的偏振式水濁度的測量 方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種偏振式水濁度的測量裝置，其特征在于，包括:用于向第一透鏡發(fā)射一束單色 光I的光源，所述單色光I依次穿過所述第一透鏡、和第一偏振片后由分光鏡分光成呈90°夾 角的入射光la和散射光Ib，所述散射光lb進(jìn)入第一光電探測器，所述入射光la進(jìn)入測量槽后 的90°表面散射光131依次通過第二偏振片和第二透鏡后進(jìn)入第二光電探測器;所述測量槽 內(nèi)設(shè)置有溫度測量傳感器。
[0008] 所述測量槽包括U型槽，所述U型槽包括兩垂直設(shè)置的進(jìn)水槽和出水槽，所述進(jìn)水 槽和出水槽的底端由橫向槽連通，所述進(jìn)水槽和出水槽的四周均設(shè)置有溢流槽，位于所述 進(jìn)水槽和出水槽相對側(cè)的兩所述溢流槽底部相連通;所述進(jìn)水槽的頂端高于所述出水槽的 頂端;所述進(jìn)水槽的內(nèi)壁上設(shè)置有至少一對折流板。
[0009] 所述折流板與進(jìn)水槽內(nèi)壁的夾角為45~75°。
[0010] 所述進(jìn)水槽的頂端高出所述出水槽的頂端至少2厘米，所述進(jìn)水槽的橫截面面積 大于所述出水槽的橫截面面積。
[0011 ]所述光源為860nm的近紅外光;所述分光鏡為光柵式分光鏡;所述第一光電探測器 和第二光電探測器均為光電三極管;所述溫度測量傳感器為DHT22傳感器。
[0012] 一種偏振式水濁度的測量系統(tǒng)，其特征在于：包括上述的測量裝置、信號處理模 塊、顯示模塊和擋板控制電路;所述信號處理模塊包括依次連接的放大電路、濾波電路、AD 轉(zhuǎn)換電路;所述放大電路分別與所述第一光電探測器和第二光電探測器連接，所述顯示模 塊與擋板控制電路連接;所述信號處理模塊與所述顯示模塊相連接。
[0013] -種偏振式水濁度的測量裝置的測量方法，其特征在于:包括以下步驟：
[0014] 利用最小二乘向量支持機的線性回歸方程組：
[0017] s.t.y(xk)=ffT〇 (xk)+b+ek,k= 1,......η (3)
[0018] 式（1)中，Φ(χ)代表各個輸入的水濁度影響因子對濁度值的影響函數(shù);W代表各個 水濁度影響因子的函數(shù)系數(shù)矩陣;y代表水濁度；
[0019] 式(2)是對式（1)進(jìn)行最小二乘向量擬合，式（2)中的e代表誤差;ek代表各個水濁 度影響因子的誤差;T代表矩陣的運算方式;C代表用于控制誤差比重的調(diào)節(jié)因子;J(W，e)代 表約束條件，選擇W和e的最小值；
[0020] 對式（1)、（2)進(jìn)行約束化得式(3)，s.t.是受約束的意思;式(2)和式(3)組成一個 方程組；
[0021] 由式(3)建立拉格朗日等式：
[0023]式(4)中，α代表拉格朗日乘子;〇1代表各個水濁度影響因子的拉格朗日乘子;i = l ~N;
[0024] 根據(jù)KKT條件，對式(4)中的W，e，a，b求偏導(dǎo)得：

[0029]由式(5)~式(8)求解b和α，得最小二乘支持向量機模型：
[0031]式(9)中，f(x)代表水濁度;k(x，Xl)代表各個水濁度影響因子的徑向基函數(shù)；
[0033] 式（10)中，X代表各個水濁度影響因子的當(dāng)前測量的值;XlR表之前各個水濁度影 響因子的訓(xùn)練值;〇代表核函數(shù)寬度；
[0034] 將式（10)帶入式(9)，得：
[0036] 將各個水濁度影響因子分別作為輸入值帶入式（11)中，調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)因子C和核函數(shù) 寬度〇，輸出值f (X)為濁度值;輸出值f (X)與標(biāo)準(zhǔn)濁度液進(jìn)行標(biāo)定。
[0037] 所述水濁度影響因子包括溫度、散射光強、參考光強和光強比值;所述散射光強為 散射光I b的光強，所述參考光強為I ai的光強，所述光強比值為I b/1 ai。
[0038] 所述標(biāo)準(zhǔn)濁度液的制備方法為:將幾種不同水濁度的福爾馬肼溶液依次充入所述 測量槽中，分別測得其相應(yīng)的電壓值，所述電壓值包括lb和I al。
[0039] 所述標(biāo)準(zhǔn)濁度液的水濁度計算方法為:根據(jù)電壓值計算光強比值Ib/Ial，將標(biāo)準(zhǔn)濁 度液的水濁度y和光強比值X分別作為橫、縱坐標(biāo)，線性擬合，得線性方程， 為定值，將測量并計算得到的光強比值代入yilux+h*程中就得到水濁度的大小。
[0040] 本實用新型專用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：
[0041] 1、本實用新型的測量裝置及測量系統(tǒng)，提出了一種單光源雙光路的濁度測量方 案，測量散射光以及參考光，能有效地減小光源不穩(wěn)以及探測器的污損導(dǎo)致的測量誤差。
[0042] 2、本實用新型的測量裝置及測量系統(tǒng)，采用起偏器產(chǎn)生、檢偏器檢測偏振光，可以 極大地減小背景光和雜散光的影響，提高精度。
[0043] 3、本實用新型的測量裝置及測量系統(tǒng)，所設(shè)計的測量槽，利用重力差注水，液體經(jīng) 過折流板，保證水流緩慢且被測液面水平。
[0044] 4、本實用新型的測量裝置及測量系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)檢測靈敏度，簡化了整個測量 系統(tǒng)，且具有更高的系統(tǒng)集成度，結(jié)構(gòu)更緊湊，實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境條件下水體濁度的在線快速 檢測。
[0045] 5、本實用新型采用最小二乘支持向量機的數(shù)據(jù)處理方式，對溫度進(jìn)行了補償，消 除測量誤差，提高了測量精度。
[0046]本實用新型提供的一種偏振式水濁度的測量裝置及測量系統(tǒng)，提出了一種單光源 雙探測器的雙光路的濁度測量方案，測量90°散射光以及光源本身的光信號，有效地減小光 源不穩(wěn)導(dǎo)致的測量誤差。由于采用了偏振光探測，可以極大地減少背景雜散光以及經(jīng)過多 次散射誤入探測器的光所造成的誤差，精度較高，抗干擾能力強。同時，利用表面散射的原 理與傳統(tǒng)的透射法以及90°散射法相比，光程更短，多次散射較少，故測量量程較大。同時放 置溫度傳感器，測量裝置內(nèi)的溫度。本裝置采用最小二乘支持向量機(LS-SVM)的數(shù)據(jù)回歸 處理方法，同時對溫度、散射光強、原光強、光強比值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，相比于普通的最小二乘 法的擬合方法，該方法在少樣本、非線性、高維度的問題上具有更好的線性，解決了溫度對 濁度的影響，提高了精度。
【附圖說明】
[0047]圖1為本實用新型的流程圖；
[0048] 圖2為本實用新型中測量槽的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作更進(jìn)一步的說明。
[0050] 如圖1~圖2所示，一種偏振式水濁度的測量裝置，其特征在于，包括：用于向第一 透鏡2發(fā)射一束單色光I的光源1，所述單色光I依次穿過所述第一透鏡2、和第一偏振片5后 由分光鏡8分光成呈90°夾角的入射光I a和散射光Ib，所述散射光lb進(jìn)入第一光電探測器7， 所述入射光Ia進(jìn)入測量槽3后的90°表面散射光I al依次通過第二偏振片6和第二透鏡4后進(jìn) 入第二光電探測器9;所述測量槽3內(nèi)設(shè)置有溫度測量傳感器。
[0051 ]所述測量槽3包括U型槽，所述U型槽包括兩垂直設(shè)置的進(jìn)水槽12和出水槽10,所 述進(jìn)水槽12和出水槽10的底端由橫向槽13連通，所述進(jìn)水槽12和出水槽10的四周均設(shè)置有 溢流槽14,位于所述進(jìn)水槽12和出水槽10相對側(cè)的兩所述溢流槽14底部相連通;所述進(jìn)水 槽12的頂端高于所述出水槽10的頂端;所述進(jìn)水槽12的內(nèi)壁上設(shè)置有至少一對折流板11。 [0052]溢出水體經(jīng)過收集裝置流入回收池，以便后續(xù)利用。
[0053]所述折流板11與進(jìn)水槽12內(nèi)壁的夾角為45~75°。
[0054] 所述進(jìn)水槽12的頂端高出所述出水槽10的頂端至少2厘米，所述進(jìn)水槽12的橫截 面面積大于所述出水槽10的橫截面面積。
[0055] 所述光源1為860nm的近紅外光;所述分光鏡8為光柵式分光鏡;所述第一光電探測 器7和第二光電探測器9均為光電三極管;所述溫度測量傳感器為DHT22傳感器。
[0056] 一種偏振式水濁度的測量系統(tǒng)，其特征在于：包括上