一種偏振式水濁度的測(cè)量裝置、測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種偏振式水濁度的測(cè)量裝置、測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，屬于液體濁度 測(cè)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(duì)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(lái)，水體污染事件時(shí)有發(fā)生，威脅著廣大人民群眾的生命健康，引起了大 眾對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的關(guān)心。光電測(cè)量法由于其快速、準(zhǔn)確的特性被廣泛地使用在濁度的測(cè)量領(lǐng) 域之中。
[0003] 根據(jù)濁度測(cè)量國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IS07027,濁度的測(cè)量是在90°方向上測(cè)量散射光，該測(cè)量 方法在低濁度區(qū)域具有良好的線(xiàn)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(cè)量誤差，其測(cè)量量程受到了巨大的限制，無(wú)法廣泛的應(yīng)用于化工濁度的檢測(cè)之中。而在 另一方面，在實(shí)際測(cè)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(cè)器之 中，影響整個(gè)濁度儀的測(cè)量精度。
[0004] 在已經(jīng)公開(kāi)的中國(guó)發(fā)明（CN 1087425)中，發(fā)明人采用了單光源入射液面，接受90° 的表面散射光通過(guò)透鏡匯聚之后入射探測(cè)器，雖然發(fā)明人采用了自動(dòng)清洗的裝置，以解決 由于污損而造成的誤差。但由于該測(cè)量方法采用了一個(gè)探測(cè)器，故無(wú)法解決因光源抖動(dòng)所 造成的測(cè)量誤差。同時(shí)其選擇的無(wú)偏振的光進(jìn)行測(cè)量，探測(cè)器對(duì)各種光源沒(méi)有選擇性，無(wú)法 去除背景光以及多次散射光的影響。針對(duì)以上的兩種問(wèn)題，本發(fā)專(zhuān)利設(shè)計(jì)的濁度儀測(cè)量?jī)x， 通過(guò)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(shí)雙光路的設(shè)計(jì)可以 極大地去除光源老化造成的光強(qiáng)抖動(dòng)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(cè)量量程較大。同時(shí)放置溫度傳感器，測(cè)量裝置內(nèi)的溫度。本裝置采用最小 二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的數(shù)據(jù)回歸處理方法，同時(shí)對(duì)溫度、散射光強(qiáng)、原光強(qiáng)、光強(qiáng)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(xiàn)性、高維度的 問(wèn)題上具有更好的線(xiàn)性，解決了溫度對(duì)濁度的影響，提高了精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種單光源雙光路偏振光的偏振式水濁度的 測(cè)量裝置及測(cè)量系統(tǒng);進(jìn)一步地，本發(fā)明提供一種解決由于光源不穩(wěn)導(dǎo)致的濁度測(cè)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(shí)采用最小二乘支持向量機(jī)的數(shù)據(jù) 處理方式，對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，消除測(cè)量誤差，提高測(cè)量精度的偏振式水濁度的測(cè)量方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種偏振式水濁度的測(cè)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(guò)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(cè)器，所述入射光la進(jìn)入測(cè)量槽后 的90°表面散射光131依次通過(guò)第二偏振片和第二透鏡后進(jìn)入第二光電探測(cè)器;所述測(cè)量槽 內(nèi)設(shè)置有溫度測(cè)量傳感器。
[0008] 所述測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)器 和第二光電探測(cè)器均為光電三極管;所述溫度測(cè)量傳感器為DHT22傳感器。
[0012] 一種偏振式水濁度的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：包括上述的測(cè)量裝置、信號(hào)處理模 塊、顯示模塊和擋板控制電路;所述信號(hào)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(cè)器和第二光電探測(cè)器連接，所述顯示模 塊與擋板控制電路連接;所述信號(hào)處理模塊與所述顯示模塊相連接。
[0013] -種偏振式水濁度的測(cè)量裝置的測(cè)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(jī)的線(xiàn)性回歸方程組：
[0015] y=ffT?(x)+b (1)
[0017] s.t.y(xk)=ffT〇 (xk)+b+ek,k= 1, . . . .η (3)
[0018] 式（1)中，Φ(χ)代表各個(gè)輸入的水濁度影響因子對(duì)濁度值的影響函數(shù);W代表各個(gè) 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(duì)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(gè)水濁 度影響因子的誤差;T代表矩陣的運(yùn)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(duì)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(gè) 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(gè)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(duì)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(jī)模型：
[0031]式(9)中，f(x)代表水濁度;k(x，Xl)代表各個(gè)水濁度影響因子的徑向基函數(shù)；
[0033] 式（10)中，X代表各個(gè)水濁度影響因子的當(dāng)前測(cè)量的值;XlR表之前各個(gè)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(gè)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(qiáng)、參考光強(qiáng)和光強(qiáng)比值;所述散射光強(qiáng)為 散射光I b的光強(qiáng)，所述參考光強(qiáng)為I ai的光強(qiáng)，所述光強(qiáng)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(cè)量槽中，分別測(cè)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(jì)算方法為:根據(jù)電壓值計(jì)算光強(qiáng)比值Ib/Ial，將標(biāo)準(zhǔn)濁 度液的水濁度y和光強(qiáng)比值X分別作為橫、縱坐標(biāo)，線(xiàn)性擬合，得線(xiàn)性方程， 為定值，將測(cè)量并計(jì)算得到的光強(qiáng)比值代入yilux+h*程中就得到水濁度的大小。
[0040] 本發(fā)明專(zhuān)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、本發(fā)明的測(cè)量裝置及測(cè)量系統(tǒng)，提出了一種單光源雙光路的濁度測(cè)量方案，測(cè) 量散射光以及參考光，能有效地減小光源不穩(wěn)以及探測(cè)器的污損導(dǎo)致的測(cè)量誤差。
[0042] 2、本發(fā)明的測(cè)量裝置及測(cè)量系統(tǒng)，采用起偏器產(chǎn)生、檢偏器檢測(cè)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、本發(fā)明的測(cè)量裝置及測(cè)量系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)的測(cè)量槽，利用重力差注水，液體經(jīng)過(guò)折 流板，保證水流緩慢且被測(cè)液面水平。
[0044] 4、本發(fā)明的測(cè)量裝置及測(cè)量系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度，簡(jiǎn)化了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)， 且具有更高的系統(tǒng)集成度，結(jié)構(gòu)更緊湊，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境條件下水體濁度的在線(xiàn)快速檢測(cè)。
[0045] 5、本發(fā)明采用最小