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原文传递一种高精度智能浊度检测装置及其标定方法和使用方法

专利名称：	一种高精度智能浊度检测装置及其标定方法和使用方法
摘要：	本发明公开了一种高精度智能浊度检测装置及其标定和使用方法，所述的装置分为三层，底层的探头结构包括在同一水平面上的一个光电二极管和两个发光二极管，两个发光二极管中一个正对光电二极管、另一个与光电二极管垂直；顶层为电路板，该电路板包括恒流源驱动电路，与恒流源驱动电路电连接的量程切换电路，该量程切换电路分别与底层探头结构中的两个发光二极管电连接。本发明所公开的高精度智能浊度检测装置，集90°散射法和透射法两种测量方式于一身，测量精度高，测量范围宽，可在各种测量场合下使用。选用性价比高的器件，成本低、实用性强，在水质检测领域具有良好的应用前景和推广价值。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	山东;37
申请人：	中国海洋大学
发明人：	綦声波;尹保安;于敬东
专利状态：	有效
申请日期：	2019-02-01T00:00:00+0800
发布日期：	2019-06-14T00:00:00+0800
申请号：	CN201910101734.1
公开号：	CN109883997A
代理机构：	北京中济纬天专利代理有限公司
代理人：	孙静雅
分类号：	G01N21/47(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	266100 山东省青岛市崂山区松岭路238号
主权项：	1.一种高精度智能浊度检测装置，其特征在于：所述的装置分为三层，底层的探头结构包括在同一水平面上的一个光电二极管和两个发光二极管，两个发光二极管中一个正对光电二极管、另一个与光电二极管垂直；顶层为电路板，该电路板包括恒流源驱动电路，与恒流源驱动电路电连接的量程切换电路，该量程切换电路分别与底层探头结构中的两个发光二极管电连接，此外还包括与底层探头结构中的光电二极管电连接的I/V转换电路，该I/V转换电路通过放大滤波电路与前置放大电路电连接，前置放大电路和温度补偿电路均与AD转换电路电连接，AD转换电路则与主控电路电连接，主控电路和存储电路及通信电路电连接，通信电路与人机交互界面连接通信；中间层的电源模块为装置供电。 2.根据权利要求1所述的高精度智能浊度检测装置，其特征在于：所述的装置为黑色壳体结构；底层探头的底面为斜面并且向内凹陷，发光二极管安装在由光学窗口密封的发光二极管安装孔内，光电二极管安装在由透镜密封的光电二极管安装孔内，并且发光二极管安装孔与光电二极管安装孔的中心均在同一个水平面上。 3.根据权利要求1所述的高精度智能浊度检测装置，其特征在于：所述的恒流源驱动电路为高精度可控恒流源；所述I/V转换电路为可调增益I/V转换电路；所述量程切换电路为双通道模拟开关；所述温度补偿电路为高精度恒流源驱动PT1000；所述主控电路为STM32F103CBT6；所述存储电路为SD卡，并采用FatFs文件系统；所述通信电路为Lora无线通信。 4.根据权利要求3所述的高精度智能浊度检测装置，其特征在于：所述可调增益I/V转换电路包括运算放大器，该运算放大器的输入端与光电二极管、滤波电容C1、C2、C3、C4和C5电连接，输出端与LCπ型滤波电路电连接，所述的LCπ型滤波电路由电容C7、C8和电感L1组成，在输入端和输出端之间并联两个精密电阻R2、R3和一个电容C6，其中精密电阻R2、R3由主控电路控制模拟开关选通。 5.根据权利要求1所述的高精度智能浊度检测装置，其特征在于：所述电源模块为线性稳压电源并采用钽电容与陶瓷电容并联方式对电源模块的电压输出端进行滤波；在主控电路和AD转换电路之间使用磁珠进行数模隔离、使用0Ω电阻进行单点接地。 6.一种标定方法，使用权利要求1所述的高精度智能浊度检测装置，其特征在于，包括如下步骤： (1)在0—200NTU范围内，每隔20NTU配置一种浊度标准溶液，共计11种； (2)在200—1000NTU范围内，每隔50NTU配置一种浊度标准溶液，共计16种； (3)将装置底层的探头置入恒温箱内的浊度标准溶液中，恒温箱的温度T＝20℃，0—200NTU范围内选用90°散射法，200—1000NTU范围内选用透射法，采集并记录不同浊度标准溶液对应的光电压信号； (4)在0—100NTU及100—200NTU范围内，使用最小二乘法计算拟合表达式，建立浊度与光电压信号自然对数的标定模型： (5)在200—600NTU及600—1000NTU范围内，使用最小二乘法计算拟合表达式，建立浊度与光电压信号自然对数的标定模型： (6)将装置底层的探头置入恒温箱内的浊度标准溶液中，在20℃时该浊度标准溶液的浊度为400NTU，改变恒温箱温度T，利用温度补偿电路采集温度信息，记录不同温度下装置对该浊度标准溶液的浊度测量值； (7)选取T—20℃为x1，绝对误差即浊度测量值—400NTU为y1，使用最小二乘法计算拟合表达式，建立装置的温度补偿模型：y1＝mx1+n； (8)设此时测量的浊度值为Q，则温度补偿模型可转化为：Q-400＝c·400·(T-20)+n，其中m＝c·400，故温度每变化1℃，浊度值增长c倍； (9)将温度补偿模型带入对应的标定模型可得经温度补偿后的标定模型：上式中，Y—经温度补偿后的浊度实测值；X—光电压信号的自然对数值；a—标定模型斜率值，b—标定模型截距；n—温度补偿模型截距；c—系数。 7.一种使用方法，使用权利要求1所述的高精度智能浊度检测装置，其特征在于，包括如下步骤： (1)将装置底层的探头置入待测溶液后上电复位，参数初始化； (2)量程切换电路默认选择90°散射法档位，即接通与光电二极管垂直的发光二极管，由恒流源驱动电路驱动上述被接通的发光二极管发光，发光二极管发出的光经待测溶液散射后进入光电二极管，由光电二极管感应出电流，该电流经I/V转换电路转化为mV级电压信号，该电压信号经放大滤波电路、前置放大电路和AD转换电路进入主控电路，主控电路将该电压信号设为当前电压信号，主控电路根据当前电压信号初步计算出浊度值，若初步计算出的浊度值大于200NTU，则需要控制量程切换电路切换到透射法档位，即接通与光电二极管正对的发光二极管，发光二极管发出的光经待测溶液透射进入光电二极管，由光电二极管重新感应出电流，该重新感应出的电流经I/V转换电路转化为新的mV级电压信号，该新的电压信号再经放大滤波电路、前置放大电路和AD转换电路进入主控电路，主控电路将该新的电压信号设为当前电压信号； (3)温度补偿电路将采集到的当前温度信号通过AD转换电路送入主控电路，主控电路根据当前电压信号和当前温度计算出经温度补偿后的浊度值； (4)该浊度值经通信电路传送至人机交互界面显示。 8.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：在步骤(2)中，通过PWM控制发光二极管的发光频率；光电二极管工作在光导模式下；I/V转换电路在90°散射法时为高增益，在透射法时为低增益。 9.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：主控电路计算过程中采用滑动平均滤波对数据进行滤波，电路板采用LCπ型滤波方式进行滤波。 10.根据权利要求7所述的使用方法，其特征在于：主控电路选用的系统内核为实时操作系统FreeRTOS，FreeRTOS任务包括初始化任务、通信任务、浊度采集任务、温度采集任务、数据处理任务、数据存储任务和数据显示任务，由FreeRTOS任务调度器根据任务优先级统一调度。
所属类别：	发明专利