光电传感器在水体检测中的应用

光电传感器在水体检测中的应用 赵岩{电气07—7班  04071879} 摘 要：根据实时在线检测水中某种物质含量的要求，设计了采用光电检测技术的微型光电比色传感器和检测仪。论述了系统的测量原理，并描述了折中所采用的理论依据，即郎伯-比尔定律。仪器具有数据采集，实时显示，数据处理等功能，实现了水质的在线、连续、自动检测。 关键词：微型光电比色传感器；实时检测；郎伯—比尔定律 引 言                                                      随着社会的不断进步和工业的不断发展，人类的 物质生活得到了很大的提高。但是伴随着工业的发展 和社会的进步，环境的污染也越来越严重，尤其是水 质的污染。这就迫切需要我们采用先进的检测手段来 监督工业污水排放是否达标。 目前光电检测水体中某种 物质的含量是比较广 泛采用的方法，下面以检测水体中氨氮含量为例，分 析光电检测的原理。 1 光电传感器测量原理 系统的测量原理是基于Lambert-Beer定律的氮——吸光光度法。Lambert-Beer定律描述了吸光度、液层厚度及溶液浓度之间的定量关系，如（1）式所述。 A=lgI0／I=abc (1) 式中：A——吸光度； Io——入射光强度，cd； I——透射光强度，cd； a——吸光系数，L/(mol?cm)； b——液层厚度，cm； c——溶液浓度，mol/L。 这里，吸光系数a是物质吸光能力的度量，在定波长和溶剂的情况下，为吸光物质的特征常量。 式(1)是Lambert-Beer定律的数学表达式，其物理意义是：当一束平行单色光通过均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度与溶液浓度和液层厚度的乘积成正比。由此公式可知，当用某一特定波长的光照射溶液时，溶液中待测物质的浓度越高，吸光度就越大，利用这种浓度和吸光度成正比的关系，通过测量吸光度，即可得到溶液中待测物质的浓度。氨——吸光光度法正是基于Lambert-Beer定律，使NH3与BTB指示液反应变成蓝色，进而通过比色分析来测定水中氨氮含量。而且水中常见的共存物质对本法无干扰，因此为本系统的测量提供了理论依据。 应用朗伯—比尔定律定量分析的溶液，其基本条件是必须为稀溶液。在高浓度时，可能会有如下两种原因造成吸光度与浓度关系不成线性。 第一种原因是溶液的浓度高，相应单位体积溶液内包含的吸收物质微粒增加，微粒之间平均距离缩小，使每一微粒都可能影响其相邻粒子的电荷分布，从而使它们在吸收给定波长辐射能力上发生变化。这种相互影响的程度与浓度有关。在正常的情况时，吸光度与浓度的线性关系基于吸收系数a这个常数。当浓度增大到一定程度时，粒子间相互影响增加，物质的吸收系数成为变量，吸光度与浓度的线性关系就遭到了破坏，只有当浓度低到一定程度时，粒子之间的相互作用才可以忽略不计。 第二种原因是折射率问。物质的吸收系数与溶液的折射率有如下关系 k=an/(n2+1)                              (2) 式中：n—溶液的折射率；a—常数；k—物质的吸收系数。 低浓度时， 折射率可视为常数，（2）式的k值才为常数，溶液才遵从朗伯—比尔定律。浓度较高时，折射率随浓度而改变，k值随之改变，吸光度与浓度关系不成比例。 此外，朗伯—比尔定律中要求入射为单色光，有色物质溶液对不同波长入射光的吸收率是不同的，反映在朗伯—比尔公式中比例常数k为入射光波长λ的函数，即k(λ)，严格地讲朗伯—比尔定律只有用一定波长的单色光才会具有线性关系。所以在分光光度计等仪器中，都使用单色器，干涉仪或滤光片从连续光源中分离出一定波长的单色光。 在传统的分析方法中，以上均由人工完成， 操作过程复杂，只适用于实验室检测。而本系统以Lambert-Beer定律为依据，以PLC技术为核心，各操作过程均在PLC控制下自动完成，并将采集到的光信号经光电转换装置转换成电信号，再由放大、滤波等电路传入PLC，进行数据处理，利用触摸屏进行显示。这种方法适合于野外对水质的在线检测，具有快捷，准确度高的特点。 本系统中采用的是460nm的绿光二极管作为光源，测定样品和参比液的吸光度，绘制校准曲线， 从曲线上查出样品液体的氨氮含量。 2 光电比色变换结构的设计 2.1光电检测的基本原理及基本结构形式 光电检测是以光信息的变换为基础的，它有二种 基本原理：（1）把待检测量变换为光信息量，它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光通量成正比。所以，光电探测器的光电流大小可以反映待检测量的大小，即光电流I是待检测量Q的函数： I=f(Q)，这是一种模拟量信息变换。显然，光电探测器输出的光电流I的大小不仅与待检测量有关，而且与光源的强度、光学系统和光电探测器的性能有关。为了使光电流I仅是待测量Q的单值函数，首先要求光源的发光强度稳定，其次要求光电探测器的特性稳定。因此，基于这种原理的光电探测器，必须相应的采取一些稳定。例如，光源供电电源的稳定化，光电探测器的筛选，光学系统和机械结构的可靠性设计等。 （2）把待检测量变换为光信息脉冲是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量的大小。光电探测器的输出为低电平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息。 很明显，本系统采用第一种原理方法。其光电比 色变换结构如图1所示。 图1中，光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测物体吸收或散射，另一部分光通量透过待检测物体由光电探测器接收。图1中，被吸收或散射的光通量的数值决定于待检测物的性质。例如，光透过均匀介质时光被吸收，透过的光强可由朗伯－比尔（Lambert－Beer）定律表示为： Φ=Φ0e—ar                             (3) 式中：Φ0为入射光的光强，cd； a为介质的吸收系数，cm-1； r为介质的厚度，cm。 液体或气体介质的吸收系数a与介质的浓度成正 比。因此，当介质（待检测物）的厚度一定时，光电 探测器上接受的光通量仅与待测介质的浓度有关。应 用这种投射式结构，可以检测液体或气体的浓度、透 明度或混浊度。 2.2光电传感器的选择 光电探测器种类很多，工作原理也不同。本系统 选用光敏二极管作为光电比色计的接收端，光敏二极管的入射光量与光输出断流有良好的线性关系，同时受温度变化影响较小。图2是光敏二极管的基本应用电路。 光电比色电路设计： 本系统是采用艾默生的PLC作为模拟量的接收 端，此PLC自带2路AD转换模块，其满量程输入 范围是-10V～+10V。图3为光电比色应用电路。 电路采用PLC提供的24V电压经B2405S芯片将其转换为5V电压给电路供电。输出电压经过MAX407放大后输入至PLC，经PLC运算后，将结果显示在触摸屏上。 3 结 语 本系统采用PLC结合触摸屏的控制方式，设计 适当的光电比色电路，经试验证明，实现了水体检测 的自动化，具有很高的精确度。 参 考 文 献 1 分析化学[M]．高等教育出版社，1995 2 水和废水标准检验法[M]．北京：中国建筑工业出版社， 1986 3 卢春生．光电探测技术及应用[M]．机械工业出版社， 1992.3 4 董明敏 检测与转换技术 ，中国矿业大学出版社 2008.6