一種水濁度儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種水濁度儀，包括光源、滑桿、光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、光敏元件、單片機(jī)、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器，光源固定在光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上，電機(jī)滑設(shè)在滑桿上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和光源分別通過導(dǎo)線與單片機(jī)的兩個(gè)PWM引腳相連，光敏元件、單片機(jī)、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器固定在滑桿上遠(yuǎn)離光源的一端，光敏元件與單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)引腳相連；水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器與單片機(jī)的串口相連；還包括水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器與水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器采用藍(lán)牙通訊，水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過串口相連。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用于水下長期測(cè)量，并無需離線校正。
【專利說明】一種水濁度儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種水體渾濁度檢測(cè)裝置，特別涉及一種適用于野外深水測(cè)量的水體濁度儀。

【背景技術(shù)】
[0002]渾濁度用于表示水的清澈或渾濁程度，是水樣光學(xué)性質(zhì)的一種表達(dá)術(shù)語，與懸浮物的質(zhì)量濃度、顆粒的大小、形狀、折射指數(shù)等有關(guān)，懸浮物越多則渾濁度越大。渾濁度大小在相當(dāng)程度上可以反映出水體的污染程度，是目前衡量水質(zhì)狀況的重要監(jiān)測(cè)指標(biāo)之一。
[0003]常用的測(cè)量水體渾濁度的方法主要有透射法和散射法兩種。透射法的基本原理是根據(jù)比爾一朗伯定律，以透過光的強(qiáng)度來確定水樣的渾濁度，水樣渾濁度與透光率的負(fù)對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，渾濁度越高，透光率越小。散射法也是應(yīng)用較多的渾濁度測(cè)定方法，其原理是瑞利(Rayleigh)散射原理，瑞利散射原理中散射光的強(qiáng)度與入射光的波長的四次方成反比，波長愈短，散射愈強(qiáng)烈，散射法測(cè)定渾濁度根據(jù)散射光的強(qiáng)度與水樣中濁度顆粒間的正比關(guān)系，以達(dá)到測(cè)定水樣渾濁度的目的。當(dāng)顆粒物粒徑為入射光波長1/15?1/20的時(shí)被散射，強(qiáng)度符合瑞利公式，但當(dāng)粒徑大于1/2波長時(shí)則不起作用。還有一種方法是將散射法與透射法結(jié)合，應(yīng)用Ir/It = KD或Ir/(Ir+It) = KD (Ir為散射光強(qiáng)度，It為透射光強(qiáng)度，K為比例常數(shù)，D為光程，即光在液體中穿過的距離)，測(cè)定透射光和反射光的強(qiáng)度之和，來對(duì)樣品渾濁度進(jìn)行測(cè)定。因同時(shí)測(cè)定了透射和散射光的強(qiáng)度，所以在入射光強(qiáng)度相同的情況下具有較高的靈敏度。
[0004]應(yīng)用于上述方法的儀器也較多，目前適用于上述透射法的透射式水濁度檢測(cè)儀，由于電路和傳感器自身特性的原因，不僅在水濁度較小的情況下誤差很大，而且很難完成長期連續(xù)監(jiān)測(cè)要求。又由于受到天然水中存在的黃色的干擾，湖泊、水庫水還因含有藻類等有機(jī)吸光物質(zhì)，對(duì)測(cè)定也有干擾。應(yīng)用于散射法的測(cè)定儀器中，污濁的玻璃器皿、水中氣泡和水中溶解性物質(zhì)等因素都可使測(cè)定數(shù)據(jù)偏低，出現(xiàn)負(fù)干擾。雖然一般認(rèn)為這對(duì)處理過的凈化水測(cè)定結(jié)果影響不大，但野外水體多未進(jìn)行過凈化處理，因此，該法在野外高渾濁度水體中應(yīng)用有一定的局限性。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]針對(duì)目前監(jiān)測(cè)裝置不能適用于在野外高濁度水體下連續(xù)測(cè)量的問題，本實(shí)用新型目的是提供一種水濁度儀。該儀器能夠長期放置在野外水體中連續(xù)測(cè)量，真實(shí)反映水體的實(shí)際變化狀況，無需離線校準(zhǔn)，校準(zhǔn)過程完全是自我調(diào)整。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案:一種水濁度儀，分為水下部分和水上部分，水下部分包括光源、滑桿、光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、光敏元件、單片機(jī)、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器，光源固定在光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)滑設(shè)在滑桿上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)通過導(dǎo)線與單片機(jī)的一個(gè)PWM引腳相連，光源通過導(dǎo)線與單片機(jī)的另一個(gè)PWM引腳相連；光敏元件、單片機(jī)、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器固定在滑桿上遠(yuǎn)離光源的一端，光敏元件與單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)引腳相連，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器與單片機(jī)的串口相連；水上部分包括水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器與水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器采用藍(lán)牙通訊，水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過串口相連。
[0007]進(jìn)一步講:
[0008]上述光源為發(fā)射平行光的單色光源，可選擇為一發(fā)光二極管，根據(jù)水體狀況的不同選擇合適的波長。
[0009]光敏兀件為一光強(qiáng)傳感器，型號(hào)為TSL235。
[0010]單片機(jī)型號(hào)為ATmegal6。
[0011]水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器和水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器型號(hào)均選擇HC-06。
[0012]數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選擇筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)之一。
[0013]本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下有益效果:1、本實(shí)用新型通過采用無線傳輸?shù)姆绞?，一改現(xiàn)有技術(shù)中用有線方式連接帶來的不方便，為裝置測(cè)量帶來了方便，使得測(cè)量更加準(zhǔn)確。2、本實(shí)用新型通過調(diào)整光源與傳感器之間的距離，或光源的光照強(qiáng)度，來維持接收光強(qiáng)始終不變，這無需考慮傳感器自身特性和電路問題而產(chǎn)生的誤差，簡化了傳感器的電路設(shè)計(jì)，操作變得更簡便。3、本實(shí)用新型在使用過程中，采用反向調(diào)節(jié)思路，即保持接收光強(qiáng)始終不變，只調(diào)整光源與傳感器之間的距離，或光源的光照強(qiáng)度，這樣使得光強(qiáng)傳感器始終處于原始值，這也意味著無需離線校正傳感器，即可能夠長期放置于水體中，維持水下連續(xù)測(cè)量。4、在測(cè)量過程中，本實(shí)用新型能夠根據(jù)不同時(shí)期水體濁度的變化，自動(dòng)轉(zhuǎn)化測(cè)定模式，保證測(cè)定具有較高的精確性和更大的檢測(cè)范圍。5、本裝置采用預(yù)先設(shè)置的方式，設(shè)定光敏元件接收到的信號(hào)始終不變，避免了分光光度法每次都需要重新配制比對(duì)溶液的步驟，亦無需采樣，可直接用于野外水體的測(cè)量；測(cè)試中采用敏感的光學(xué)元件，避免了目視法的主觀因素影響。6、本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，易于操作和勞動(dòng)成本較低的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本實(shí)用新型裝置組成構(gòu)造圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來進(jìn)一步描述本實(shí)用新型，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)將會(huì)隨著描述而更為清楚。但這些實(shí)施例僅是范例性的，并不對(duì)本實(shí)用新型的范圍構(gòu)成任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解的是，在不偏離本實(shí)用新型的精神和范圍下可以對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案的細(xì)節(jié)和形式進(jìn)行的等同修改或替換，這些修改和替換均應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0016]本實(shí)用新型提供的一種水體渾濁度儀，是基于比爾一朗伯原理而設(shè)計(jì)，主要目的是能夠測(cè)得水體的透射光強(qiáng)度，因?yàn)橥干涔鈴?qiáng)隨濁度的變化遵從比爾一朗伯定律，在測(cè)得水體透射光強(qiáng)度變化的前提下，應(yīng)用比爾一朗伯定律就能算出水的渾濁度。
[0017]如圖1所示，該裝置包括光源1、滑桿2、光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3、光敏元件4、單片機(jī)
5、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器6、水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器7、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8幾部分。
[0018]光源1、滑桿2、光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3、光敏元件4、單片機(jī)5、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器6都設(shè)置于水下，光源I固定在光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3自帶電源，滑設(shè)在滑桿2上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)3通過導(dǎo)線與單片機(jī)5的PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出引腳相連，由單片機(jī)控制它的移動(dòng)步伐。光源I也通過導(dǎo)線與單片機(jī)5的PWM(脈沖寬度調(diào)制)輸出引腳相連，由單片機(jī)控制它的光線強(qiáng)弱。
[0019]光敏元件4、單片機(jī)5、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器6均固定在滑桿2上離光源I較遠(yuǎn)的一端，且光敏元件4與單片機(jī)5的外部脈沖計(jì)數(shù)引腳相連，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器6通過TX RX和單片機(jī)的RXD TXD引腳相連，即通過串口進(jìn)行通訊。
[0020]水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器7和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8置于水上，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器6與水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器7采用藍(lán)牙通訊，水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器7與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8的信號(hào)輸入端相連。
[0021]置于水中的各部件不能夠與水直接接觸，因此需要將各部件密封，采取加裝防水外殼，或涂防水材料等措施均可實(shí)現(xiàn)。
[0022]上述光源I為能發(fā)射平行光的單色光源，可選擇發(fā)光二極管，可根據(jù)水體狀況的不同選擇合適的波長。
[0023]光敏元件4可選擇光強(qiáng)傳感器，型號(hào)為TSL235。
[0024]單片機(jī)5可選型號(hào)為ATmegaie。水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器6和水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器7均可選擇HC-06型號(hào)，都具有無線收、發(fā)功能，發(fā)射的是2.4GHz信號(hào)。單片機(jī)傳送的數(shù)據(jù)，通過水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器發(fā)送，通過水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器接收，然后傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)也同樣可發(fā)送信號(hào)，通過水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器發(fā)送，通過水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器接收，避免了導(dǎo)線帶來的不便。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可使用普通筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)。
[0025]裝置的工作原理是:
[0026]由光源I發(fā)出平行光，光敏元件4實(shí)時(shí)感應(yīng)光源發(fā)出的光強(qiáng)，并將接收到的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送至單片機(jī)5，單片機(jī)5讀取光敏元件的信號(hào)，單片機(jī)5通過兩路PWM波，分別調(diào)整光源亮度，或調(diào)整光源與傳感器之間的距離，使光敏元件4檢測(cè)到的光強(qiáng)回歸到系統(tǒng)初始值，并趨于穩(wěn)定，單片機(jī)5根據(jù)PWM的變換信號(hào)換算出光源強(qiáng)度或光源與傳感器間的距離。
[0027]在單片機(jī)5受數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)8控制的前提下，無論是從調(diào)整光源位置的角度來講，還是從調(diào)節(jié)光源光照強(qiáng)度的角度來講，都可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光敏元件的感應(yīng)值，使光敏元件檢測(cè)到的光強(qiáng)恢復(fù)至初始值的目的。
[0028]根據(jù)比爾-朗伯定律，光源發(fā)射出的平行光束在水中傳播時(shí)，水體接受到的光強(qiáng)與光源發(fā)射光強(qiáng)、水體渾濁度以及光傳播距離符合下述公式(I):
[0029]I' = Iertcd)(I)
[0030]其中，I':水體中光敏元件(即光敏元件)接受到的光強(qiáng)，1:光源發(fā)射的光強(qiáng)，e:自然對(duì)數(shù)，c:水體渾濁度，d:光由光源傳播到光敏元件的距離，k:比例常數(shù)。
[0031]公式⑴進(jìn)一步可以轉(zhuǎn)化為公式(2):
[0032]c = -[In (I' /I) ]/kd(2)
[0033]由公式⑵可知，水體渾濁度c可以通過接收光強(qiáng)I'、光源光強(qiáng)I和光傳播距離d以及比例常數(shù)k計(jì)算得出。比例系數(shù)k是通過使用前與標(biāo)準(zhǔn)濁度溶劑對(duì)比而測(cè)量校正得到。
[0034]本實(shí)用新型提出的裝置，核心理念是隨著監(jiān)測(cè)過程中不同時(shí)期水體濁度的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)光源的位置或光源強(qiáng)度I，保持光敏元件接收光強(qiáng)I'始終不變，根據(jù)比爾-朗伯定律中光傳播距離d和光源強(qiáng)度I的變化值，計(jì)算得出不同時(shí)間水體濁度值C，達(dá)到長期持續(xù)監(jiān)測(cè)的目的。一般在水體渾濁度值較小的條件下，維持光源發(fā)射光強(qiáng)I和接收光強(qiáng)I'不變，通過調(diào)節(jié)并測(cè)定光源與光敏元件間的距離d，測(cè)定水體渾濁度；當(dāng)水體渾濁度值較大時(shí)，由于同單位濁度的增加只能引起距離d極小的變化，不僅容易產(chǎn)生較大誤差，同時(shí)也對(duì)距離變化測(cè)定裝置要求很高，增加了制作成本，在此條件下，維持光源與光敏元件間的距離d和接收光強(qiáng)I'不變，通過調(diào)節(jié)光源發(fā)射光強(qiáng)I的變化測(cè)定水體渾濁度，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。
[0035]本實(shí)用新型一改常規(guī)的設(shè)計(jì)思路，反向設(shè)定傳感器接收光強(qiáng)I'為一固定值，通過調(diào)整光源的位置，或光源的光照強(qiáng)度，來維持接收光強(qiáng)I'始終不變，這一舉措，無需重點(diǎn)考慮傳感器的傳輸穩(wěn)定性問題，簡化了傳感器的傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，只需簡單的調(diào)整燈光強(qiáng)弱或光源與傳感器之間的距離即可，操作變得更簡便。同時(shí)，本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)構(gòu)思，重要的一點(diǎn)是能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)光敏元件回歸到初始值，這對(duì)于水下長期連續(xù)測(cè)量是一種極佳的解決方案，不像現(xiàn)有技術(shù)那樣，水下只能測(cè)量而不能校正，大大簡化了操作難度。本實(shí)用新型還一改現(xiàn)有技術(shù)中用有線方式連接帶來的不方便性和測(cè)量弊端，為裝置測(cè)量帶來了方便，使得測(cè)量更加準(zhǔn)確。
【權(quán)利要求】
1.一種水濁度儀，其特征在于:分為水下部分和水上部分，水下部分包括光源(I)、滑桿(2)、光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(3)、光敏元件(4)、單片機(jī)(5)、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器(6)， 光源(I)固定在光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(3)上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(3)滑設(shè)在滑桿(2)上，光源移動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(3)通過導(dǎo)線與單片機(jī)的一個(gè)PWM引腳相連，光源(I)通過導(dǎo)線與單片機(jī)的另一個(gè)PWM引腳相連， 光敏元件(4)、單片機(jī)(5)、水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器(6)固定在滑桿(2)上遠(yuǎn)離光源的一端，光敏元件(4)與單片機(jī)(5)的脈沖計(jì)數(shù)引腳相連，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器(6)與單片機(jī)(5)的串口相連， 水上部分包括水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器(7)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(8)，水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器(6)與水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器(7)采用藍(lán)牙通訊，水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過串口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水濁度儀，其特征在于:光源(I)為發(fā)射平行光的單色光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種水池度儀,其特征在于:光源(I)為一發(fā)光二極管，根據(jù)水體狀況的不同選擇合適的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水濁度儀，其特征在于:光敏元件(4)為一光強(qiáng)傳感器，型號(hào)為TSL235。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水濁度儀，其特征在于:單片機(jī)(5)型號(hào)為ATmegal6。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水濁度儀，其特征在于:水下無線信號(hào)發(fā)射/接收器(6)和水上無線信號(hào)發(fā)射/接收器(7)均選擇HC-06型號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水濁度儀，其特征在于:數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選擇筆記本電腦或臺(tái)式機(jī)之一。
【文檔編號(hào)】G08C17/02GK203929639SQ201420379115
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】戴偉, 麻澤宇, 鞏晟宣 申請(qǐng)人:北京林業(yè)大學(xué)