CN205229034U - 一种偏振式水浊度的测量装置及测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偏振式水浊度的测量装置及测量系统，其特征在于，包括：用于向第一透镜（2）发射一束单色光I的光源（1），所述单色光I依次穿过所述第一透镜（2）、和第一偏振片（5）后由分光镜（8）分光成呈90°夹角的入射光I_a和散射光I_b，所述散射光I_b进入第一光电探测器（7），所述入射光I_a进入测量槽（3）后的90°表面散射光I_a1依次通过第二偏振片（6）和第二透镜（4）后进入第二光电探测器（9）；所述测量槽（3）内设置有温度测量传感器。本实用新型提供的一种偏振式水浊度的测量装置及测量系统，采用最小二乘支持向量机的数据处理方式，对温度进行补偿，消除测量误差，提高测量精度。

Description

一种偏振式水浊度的测量装置及测量系统

技术领域

本实用新型涉及一种偏振式水浊度的测量装置及测量系统，属于液体浊度测量技术领域。

背景技术

水的浊度是水样中的一种光学效应，是指水样中悬浮的固体颗粒物以及杂质对光的散射及吸收所引起的水样透明度变化的程度。其浊度大小与杂质的浓度大小、光学性质等都有关系。近年来，水体污染事件时有发生，威胁着广大人民群众的生命健康，引起了大众对水质监测的关心。光电测量法由于其快速、准确的特性被广泛地使用在浊度的测量领域之中。

根据浊度测量国际标准ISO7027，浊度的测量是在90°方向上测量散射光，该测量方法在低浊度区域具有良好的线性关系，但由于散射光在高浊度区域产生了多次散射导致了测量误差，其测量量程受到了巨大的限制，无法广泛的应用于化工浊度的检测之中。而在另一方面，在实际测量中，由于背景光以及入射液体中的杂散光不可避免地进入探测器之中，影响整个浊度仪的测量精度。

在已经公开的中国实用新型(CN1087425)中，实用新型人采用了单光源入射液面，接受90°的表面散射光通过透镜汇聚之后入射探测器，虽然实用新型人采用了自动清洗的装置，以解决由于污损而造成的误差。但由于该测量方法采用了一个探测器，故无法解决因光源抖动所造成的测量误差。同时其选择的无偏振的光进行测量，探测器对各种光源没有选择性，无法去除背景光以及多次散射光的影响。针对以上的两种问题，本发专利设计的浊度仪测量仪，通过利用偏振光的特性，消除大部分背景光和杂散光干扰的影响。同时双光路的设计可以极大地去除光源老化造成的光强抖动的影响。同透射法以及90°散射法相比，光程更短，多次散射较少，故测量量程较大。同时放置温度传感器，测量装置内的温度。本装置采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)的数据回归处理方法，同时对温度、散射光强、原光强、光强比值进行数据拟合，相比于普通的最小二乘法的拟合方法，该方法在少样本、非线性、高维度的问题上具有更好的线性，解决了温度对浊度的影响，提高了精度。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种单光源双光路偏振光的偏振式水浊度的测量装置及测量系统；进一步地，本实用新型提供一种解决由于光源不稳导致的浊度测量的误差，以及消除背景光和多次散射杂散光造成的影响，同时采用最小二乘支持向量机的数据处理方式，对温度进行补偿，消除测量误差，提高测量精度的偏振式水浊度的测量方法。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于，包括：用于向第一透镜发射一束单色光I的光源，所述单色光I依次穿过所述第一透镜、和第一偏振片后由分光镜分光成呈90°夹角的入射光I_a和散射光I_b，所述散射光I_b进入第一光电探测器，所述入射光I_a进入测量槽后的90°表面散射光I_a1依次通过第二偏振片和第二透镜后进入第二光电探测器；所述测量槽内设置有温度测量传感器。

所述测量槽包括U型槽，所述U型槽包括两垂直设置的进水槽和出水槽，所述进水槽和出水槽的底端由横向槽连通，所述进水槽和出水槽的四周均设置有溢流槽，位于所述进水槽和出水槽相对侧的两所述溢流槽底部相连通；所述进水槽的顶端高于所述出水槽的顶端；所述进水槽的内壁上设置有至少一对折流板。

所述折流板与进水槽内壁的夹角为45～75°。

所述进水槽的顶端高出所述出水槽的顶端至少2厘米，所述进水槽的横截面面积大于所述出水槽的横截面面积。

所述光源为860nm的近红外光；所述分光镜为光栅式分光镜；所述第一光电探测器和第二光电探测器均为光电三极管；所述温度测量传感器为DHT22传感器。

一种偏振式水浊度的测量系统，其特征在于：包括上述的测量装置、信号处理模块、显示模块和挡板控制电路；所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、AD转换电路；所述放大电路分别与所述第一光电探测器和第二光电探测器连接，所述显示模块与挡板控制电路连接；所述信号处理模块与所述显示模块相连接。

一种偏振式水浊度的测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

利用最小二乘向量支持机的线性回归方程组：

y＝W^TΦ(x)+b(1)

$\min J(W,e)=\frac{1}{2}{W}^{T}W+C\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{e}_k^2---\left(2\right)$

s.t.y(x_k)＝W^TΦ(x_k)+b+e_k,k＝1,……n(3)

式(1)中，Φ(x)代表各个输入的水浊度影响因子对浊度值的影响函数；W代表各个水浊度影响因子的函数系数矩阵；y代表水浊度；

式(2)是对式(1)进行最小二乘向量拟合，式(2)中的e代表误差；e_k代表各个水浊度影响因子的误差；T代表矩阵的运算方式；C代表用于控制误差比重的调节因子；J(W,e)代表约束条件，选择W和e的最小值；

对式(1)、(2)进行约束化得式(3)，s.t.是受约束的意思；式(2)和式(3)组成一个方程组；

由式(3)建立拉格朗日等式：

$L(W,b,e,\mathrm{\α})=J(W,e)-\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\left(W^T\mathrm{\Φ}\right(x_i)+b-y(x_i\left)\right)---\left(4\right)$

式(4)中，α代表拉格朗日乘子；α_i代表各个水浊度影响因子的拉格朗日乘子；i＝1～N；

根据KKT条件，对式(4)中的W，e，α，b求偏导得：

$\frac{\∂L}{\∂W}=0\→\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\mathrm{\Φ}\left(x_i\right)---\left(5\right)$

$\frac{\∂L}{\∂b}=0\→\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i=0---\left(6\right)$

$\frac{\∂L}{\∂e}=0\→{\mathrm{\α}}_i={\mathrm{Ce}}_k---\left(7\right)$

$\frac{\∂L}{\∂{\mathrm{\α}}_i}=0\→W^T\mathrm{\Φ}\left(x_i\right)+b+e_k-y\left(x_i\right)---\left(8\right)$

由式(5)～式(8)求解b和α，得最小二乘支持向量机模型：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{i}k(x,x_i)+b---\left(9\right)$

式(9)中，f(x)代表水浊度；k(x,x_i)代表各个水浊度影响因子的径向基函数；

$k(x,x_i)=\exp \left\{\frac{-\left|\right|x-x_i|{|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right\}---\left(10\right)$

式(10)中，x代表各个水浊度影响因子的当前测量的值；x_i代表之前各个水浊度影响因子的训练值；σ代表核函数宽度；

将式(10)带入式(9)，得：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \left\{\frac{-\left|\right|x-x_i|{|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right\}+b---\left(11\right)$

将各个水浊度影响因子分别作为输入值带入式(11)中，调节调节因子C和核函数宽度σ，输出值f(x)为浊度值；输出值f(x)与标准浊度液进行标定。

所述水浊度影响因子包括温度、散射光强、参考光强和光强比值；所述散射光强为散射光I_b的光强，所述参考光强为Ia₁的光强，所述光强比值为I_b/I_a1。

所述标准浊度液的制备方法为：将几种不同水浊度的福尔马肼溶液依次充入所述测量槽中，分别测得其相应的电压值，所述电压值包括I_b和I_a1。

所述标准浊度液的水浊度计算方法为：根据电压值计算光强比值I_b/I_a1，将标准浊度液的水浊度y和光强比值x分别作为横、纵坐标，线性拟合，得线性方程，y＝k₁x+b₁，k₁和b₁为定值，将测量并计算得到的光强比值代入y＝k₁x+b₁方程中就得到水浊度的大小。

本实用新型专用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本实用新型的测量装置及测量系统，提出了一种单光源双光路的浊度测量方案，测量散射光以及参考光，能有效地减小光源不稳以及探测器的污损导致的测量误差。

2、本实用新型的测量装置及测量系统，采用起偏器产生、检偏器检测偏振光，可以极大地减小背景光和杂散光的影响，提高精度。

3、本实用新型的测量装置及测量系统，所设计的测量槽，利用重力差注水，液体经过折流板，保证水流缓慢且被测液面水平。

4、本实用新型的测量装置及测量系统，提高了系统检测灵敏度，简化了整个测量系统，且具有更高的系统集成度，结构更紧凑，实现在复杂环境条件下水体浊度的在线快速检测。

5、本实用新型采用最小二乘支持向量机的数据处理方式，对温度进行了补偿，消除测量误差，提高了测量精度。

本实用新型提供的一种偏振式水浊度的测量装置及测量系统，提出了一种单光源双探测器的双光路的浊度测量方案，测量90°散射光以及光源本身的光信号，有效地减小光源不稳导致的测量误差。由于采用了偏振光探测，可以极大地减少背景杂散光以及经过多次散射误入探测器的光所造成的误差，精度较高，抗干扰能力强。同时，利用表面散射的原理与传统的透射法以及90°散射法相比，光程更短，多次散射较少，故测量量程较大。同时放置温度传感器，测量装置内的温度。本装置采用最小二乘支持向量机(LS-SVM)的数据回归处理方法，同时对温度、散射光强、原光强、光强比值进行数据拟合，相比于普通的最小二乘法的拟合方法，该方法在少样本、非线性、高维度的问题上具有更好的线性，解决了温度对浊度的影响，提高了精度。

附图说明

图1为本实用新型的流程图；

图2为本实用新型中测量槽的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1～图2所示，一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于，包括：用于向第一透镜2发射一束单色光I的光源1，所述单色光I依次穿过所述第一透镜2、和第一偏振片5后由分光镜8分光成呈90°夹角的入射光I_a和散射光I_b，所述散射光I_b进入第一光电探测器7，所述入射光I_a进入测量槽3后的90°表面散射光I_a1依次通过第二偏振片6和第二透镜4后进入第二光电探测器9；所述测量槽3内设置有温度测量传感器。

所述测量槽3包括U型槽，所述U型槽包括两垂直设置的进水槽12和出水槽10，所述进水槽12和出水槽10的底端由横向槽13连通，所述进水槽12和出水槽10的四周均设置有溢流槽14，位于所述进水槽12和出水槽10相对侧的两所述溢流槽14底部相连通；所述进水槽12的顶端高于所述出水槽10的顶端；所述进水槽12的内壁上设置有至少一对折流板11。

溢出水体经过收集装置流入回收池，以便后续利用。

所述折流板11与进水槽12内壁的夹角为45～75°。

所述进水槽12的顶端高出所述出水槽10的顶端至少2厘米，所述进水槽12的横截面面积大于所述出水槽10的横截面面积。

所述光源1为860nm的近红外光；所述分光镜8为光栅式分光镜；所述第一光电探测器7和第二光电探测器9均为光电三极管；所述温度测量传感器为DHT22传感器。

一种偏振式水浊度的测量系统，其特征在于：包括上述的测量装置、信号处理模块、显示模块和挡板控制电路；所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、AD转换电路；所述放大电路分别与所述第一光电探测器7和第二光电探测器9连接，所述显示模块与挡板控制电路连接；所述信号处理模块与所述显示模块相连接。

光源1采用860nm的近红外光，可以最大限度的减小水样的色度对于浊度测量的影响；分光镜8采用光栅式分光镜，将光源发出的单色光分成已知光强比例关系的两束同频率的光，光栅式分光镜产生光谱各色区大致相等，红光区分辨率比棱镜式要高；光电探测器为一光电三极管，光电三极管灵敏度较高，体积小；测量槽3入水口在左，出水口在右，利用两者的高度差进行注水操作，以减小水的流速，避免气泡的产生，并保持被测液面的水平且槽内壁采用折流板11的设计，使水体中的气泡附着，避免气泡对浊度测量的影响。

本实用新型的光路详细路径如下：光束I由光源1产生，经过第一透镜2以及起偏器5(即第一偏振片)之后，以与被测液面成30°入射，通过分光镜8产生了光束I_a与光束I_b，光束I_b直接入射第一光电检测器7。光束I_a入射测量槽3，后散射光I_a1入射至第二偏振片6，后经过第二透镜4的汇聚作用入射至第二光电检测器9，测量时需要保证上述所有器件均在同一平面上，以及偏振片的偏振方向与光线的入射方向以及震动方向的平面相垂直。

本实用新型利用光的透射法方式测量待测液体的浊度，其原理如下：

本实用新型专光源发出的光I经过起偏器之后，根据马吕斯定律衰减为原来的一半I′后入射至分光镜8，I_a1是I_a经过分光镜8的光。I_b1是I_b经过表面散射与入射光方向成90°的光。两者之商d与当前待测样液的浊度具有一定的函数关系，推导如下：

$d=\frac{I_{b1}}{I_{a1}}$

其中：I_a1和I_b1经过第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换过后的电压值，I_b1＝I_b；

根据比尔朗伯定律以及mile散射定理，将I_b1＝β₁I_bKT,I_a1＝β₂I_a带入可以得到：

$d=\frac{{\mathrm{\β}}_1{I}_{b}KT}{{\mathrm{\β}}_2{I}_a}$

其中：β₁与β₂是分光系数，K与待测液体的成分、性质有关，T为待测液体的浊度值；β₁、β₂和K均为常数，用β_1*K/β₂＝D来表示，

可得， $d=\frac{{\mathrm{\β}}_1{I}_{b}KT}{{\mathrm{\β}}_2{I}_b}=\frac{{\mathrm{\β}}_{1}KT}{{\mathrm{\β}}_2}$

将上式化简可得，

由上式可知d与T成正比，则可以通过I_a1与I_b1之比d求得待测液体的浊度值T。由于在低浊度时，表面散射光光强较小，很难被探测误差较大。同时在不同的温度下，液体布朗运动会有所不同，散射光光强也会不同，故下面对测量温度等进行补偿计算。

一种偏振式水浊度的测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

利用最小二乘向量支持机的线性回归方程组：

y＝W^TΦ(x)+b(1)

$\min J(W,e)=\frac{1}{2}{W}^{T}W+C\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{e}_k^2---\left(2\right)$

s.t.y(x_k)＝W^TΦ(x_k)+b+e_k,k＝1,....n(3)

式(1)中，Φ(x)代表各个输入的水浊度影响因子对浊度值的影响函数；W代表各个水浊度影响因子的函数系数矩阵；y代表水浊度；

式(2)是对式(1)进行最小二乘向量拟合，式(2)中的e代表误差；e_k代表各个水浊度影响因子的误差；T代表矩阵的运算方式；C代表用于控制误差比重的调节因子；J(W,e)代表约束条件，选择W和e的最小值；

W＝[W1,W2,W3,W4]是温度、散射光强、参考光强和光强比值对浊度影响函数的四个系数的集合，也就是一个系数矩阵；

对式(1)、(2)进行约束化得式(3)，s.t.是subjectto的缩写，是受约束的意思；式(2)和式(3)组成一个方程组；

式(2)与传统的线性回归方法相比，增加了误差的平方和项，要求误差平方和最小，防止极端值占据主导地位。同时，最小二乘支持向量机与传统的方法相比，将线性规划问题改进为求解线性方程组的问题，从而提高计算精度，并且对异常值敏感。由于该问题是无约束问题，难以处理。建立拉格朗日等式，将其变为有约束的问题。

由式(3)建立拉格朗日等式：

$L(W,b,e,\mathrm{\α})=J(W,e)-\underset{i}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\left(W^T\mathrm{\Φ}\right(x_i)+b-y(x_i\left)\right)---\left(4\right)$

式(4)中，α代表拉格朗日乘子；α_i代表各个水浊度影响因子的拉格朗日乘子；i＝1～N；

根据KKT条件，对式(4)中的W，e，α，b求偏导得：

$\frac{\∂L}{\∂W}=0\→\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\mathrm{\Φ}\left(x_i\right)---\left(5\right)$

$\frac{\∂L}{\∂b}=0\→\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i=0---\left(6\right)$

$\frac{\∂L}{\∂e}=0\→{\mathrm{\α}}_i={\mathrm{Ce}}_k---\left(7\right)$

$\frac{\∂L}{\∂{\mathrm{\α}}_i}=0\→W^T\mathrm{\Φ}\left(x_i\right)+b+e_k-y\left(x_i\right)---\left(8\right)$

由式(5)～式(8)求解b和α，得最小二乘支持向量机模型：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{i}k(x,x_i)+b---\left(9\right)$

式(9)中，f(x)代表水浊度；k(x,x_i)代表各个水浊度影响因子的径向基函数；其中k(x,x_i)为径向基函数，有线性核函数，S型核函数、多项式型核函数，一般取高斯核函数；

$k(x,x_i)=\exp \left\{\frac{-\left|\right|x-x_i|{|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right\}---\left(10\right)$

式(10)中，x代表各个水浊度影响因子的当前测量的值；x_i代表之前各个水浊度影响因子的训练值；σ代表核函数宽度；

将式(10)带入式(9)，得：

$f\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_i\exp \left\{\frac{-\left|\right|x-x_i|{|}^2}{{\mathrm{\σ}}^2}\right\}+b---\left(11\right)$

将各个水浊度影响因子分别作为输入值带入式(11)中，调节调节因子C和核函数宽度σ，输出值f(x)为浊度值；输出值f(x)与标准浊度液进行标定。

所述水浊度影响因子包括温度、散射光强、参考光强和光强比值；所述散射光强为散射光I_b的光强，所述参考光强为Ia₁的光强，所述光强比值为I_b/I_a1。

所述标准浊度液的制备方法为：将几种不同水浊度的福尔马肼溶液依次充入所述测量槽3中，分别测得其相应的电压值，所述电压值包括I_b和I_a1。

所述标准浊度液的水浊度计算方法为：根据电压值计算光强比值I_b/I_a1，将标准浊度液的水浊度y和光强比值x分别作为横、纵坐标，线性拟合，得线性方程，y＝k₁x+b₁，k₁和b₁为定值，将测量并计算得到的光强比值代入y＝k₁x+b₁方程中就得到水浊度的大小。

本实用新型的实施步骤如下：

1、打开入水口阀与出水口阀，在测量槽3中缓慢充进待测液体。多余的液体从入水口溢出。

2、控制电路通过向光电探测器发送指令，使得光电探测器在测量前先进行预热，在光电探测器的温度稳定后，进行测量。

3、光源输出相应频率光束经过起偏器之后，经过分光镜8后产生了两束光，进入测量系统，散射光经过检偏器之后，透镜将接收到的光进行汇聚并传送给光电探测器，光电探测器将各自接收到的光信号转换为电信号并传送给信号处理模块。可以调节检偏器的检偏方向，以保证第二光电探测器所得到的光强最大。

4、信号处理模块中的放大电路、滤波电路及AD转换电路依次对电信号进行放大、滤波、AD转换，生成数字信号并传送给控制电路进行处理，由控制电路得到解调后的电压值，并由公式得到比值d，将比值d，参考光强度I_b，散射光强度Ia₁，以及温度值T作为输入变量Xi带入最小二乘支持向量机中，得到的结果y经过MatLab工具箱进行数据训练后得到b与α，进行数据拟合、标定后，最后传送给显示模块显示。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于，包括：用于向第一透镜(2)发射一束单色光I的光源(1)，所述单色光I依次穿过所述第一透镜(2)、和第一偏振片(5)后由分光镜(8)分光成呈90°夹角的入射光I_a和散射光I_b，所述散射光I_b进入第一光电探测器(7)，所述入射光I_a进入测量槽(3)后的90°表面散射光I_a1依次通过第二偏振片(6)和第二透镜(4)后进入第二光电探测器(9)；所述测量槽(3)内设置有温度测量传感器。

2.根据权利要求1所述的一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于：所述测量槽(3)包括U型槽，所述U型槽包括两垂直设置的进水槽(12)和出水槽(10)，所述进水槽(12)和出水槽(10)的底端由横向槽(13)连通，所述进水槽(12)和出水槽(10)的四周均设置有溢流槽(14)，位于所述进水槽(12)和出水槽(10)相对侧的两所述溢流槽(14)底部相连通；所述进水槽(12)的顶端高于所述出水槽(10)的顶端；所述进水槽(12)的内壁上设置有至少一对折流板(11)。

3.根据权利要求2所述的一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于：所述折流板(11)与进水槽(12)内壁的夹角为45～75°。

4.根据权利要求2所述的一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于：所述进水槽(12)的顶端高出所述出水槽(10)的顶端至少2厘米，所述进水槽(12)的横截面面积大于所述出水槽(10)的横截面面积。

5.根据权利要求1所述的一种偏振式水浊度的测量装置，其特征在于：所述光源(1)为860nm的近红外光；所述分光镜(8)为光栅式分光镜；所述第一光电探测器(7)和第二光电探测器(9)均为光电三极管；所述温度测量传感器为DHT22传感器。

6.一种偏振式水浊度的测量系统，其特征在于：包括如权利要求1～5任一项所述的测量装置、信号处理模块、显示模块和挡板控制电路；所述信号处理模块包括依次连接的放大电路、滤波电路、AD转换电路；所述放大电路分别与所述第一光电探测器(7)和第二光电探测器(9)连接，所述显示模块与挡板控制电路连接；所述信号处理模块与所述显示模块相连接。