一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，裝置包括光源模塊、光路傳輸模塊、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊和標(biāo)準(zhǔn)濁度液體。該測(cè)量方法是光源經(jīng)高速窄脈沖調(diào)制后作用于標(biāo)準(zhǔn)濁度液體，接收90度散射光后作用于光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊，獲得光子計(jì)數(shù)值與光飛行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)直方圖，并提取統(tǒng)計(jì)直方圖上的特征參數(shù)；根據(jù)上述特征參數(shù)獲取方法對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，獲得裝置固有參數(shù)；在實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)以及裝置固有參數(shù)，反演得到被測(cè)液體濁度值，從而實(shí)現(xiàn)了液體濁度的精準(zhǔn)測(cè)量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量精度高，且測(cè)量速度快、實(shí)時(shí)性好，為水質(zhì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)保障。
【專利說明】一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]濁度(Turbidity)是衡量水質(zhì)的綜合指標(biāo)，同時(shí)也是監(jiān)測(cè)水污染和水體富營養(yǎng)化的一項(xiàng)重要指標(biāo)。目前，各國廣泛將濁度作為水凈化效果好壞的標(biāo)志。雖然水中的無機(jī)物、泥砂不一定直接有害健康，但它們能吸附細(xì)菌、病毒及寄生蟲，是一種潛在的不安全因素。有資料表明，隨濾后水的濁度增加，病毒性傳染病發(fā)病率有增大傾向。美國國家環(huán)保(USEPA)進(jìn)行的研究表明，將出廠水濁度降至0.5NTU，可大大降低原蟲的傳播，而濁度低于
0.3NTU，原蟲去除率達(dá)99%，當(dāng)濁度低于0.1NTU時(shí)，去除率甚至可高達(dá)99.9% [I]。因此，隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)飲用水低濁度的要求也越來越高。
[0003]然而，當(dāng)液體濁度越低，測(cè)量時(shí)其散射光強(qiáng)也越弱，因此，常用的低靈敏度探測(cè)器，如光電倍增管、真空二極管、硅二極管以及硫化鎘光導(dǎo)體等[2]都難以滿足低濁度液體精確測(cè)量的要求，同時(shí)在使用時(shí)還需要復(fù)雜的多級(jí)放大電路，以檢測(cè)微弱的信號(hào)，這必將引入非線性誤差，影響測(cè)量精度。另外，其復(fù)雜的電路系統(tǒng)以及耗時(shí)的微弱模擬信號(hào)處理過程也將導(dǎo)致系統(tǒng)測(cè)量的實(shí) 時(shí)性受限，例如，美國HACH公司推出的1720E型濁度儀，測(cè)量時(shí)間為1-5分鐘，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線測(cè)量[3];另外，HACH公司于80年代末推出一款2100A型實(shí)驗(yàn)室濁度儀，其運(yùn)用鎢鹵燈作為光源，測(cè)量范圍為0-1000見^，測(cè)量精度可達(dá)0.01，但是由于采用了多個(gè)用于接收光束的硅光二極管，從不同角度接收散射光信號(hào)，其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，難以小型化[4-7];與美國、英國、法國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)的溶液濁度檢測(cè)技術(shù)研究起步較晚，技術(shù)性能與國外濁度檢測(cè)技術(shù)有著非常大的差距。目前，國內(nèi)常用的溶液濁度檢測(cè)裝置一般是基于濁液的散射光特性進(jìn)行分析，但是由于光強(qiáng)信息的轉(zhuǎn)化方式以及對(duì)轉(zhuǎn)化結(jié)果的分析方法的不準(zhǔn)確，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精度低，穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性差，很難適用于對(duì)指標(biāo)要求較高的低濁度溶液實(shí)時(shí)檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，劉建國等公開了一種門限式激光液體濁度測(cè)量裝置和測(cè)量方法[8]，其光電探測(cè)器采用了高靈敏度雪崩光電探測(cè)模塊，能探測(cè)較微弱的光信號(hào)，但仍存在以下幾個(gè)問題:首先，上述測(cè)量方法采用了門控式的測(cè)量裝置，需要延時(shí)模塊以及門控信號(hào)，在實(shí)際測(cè)量時(shí)需要精確調(diào)節(jié)延時(shí)模塊尋找被測(cè)信號(hào)，因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且操作不便；其次，上述測(cè)量方法的光電傳感器件輸出為微弱的皮安級(jí)電流信號(hào)，需要精密的電流電壓轉(zhuǎn)換以及放大電路，系統(tǒng)的靈敏度與精度受限；最后，上述測(cè)量方法未采用基于統(tǒng)計(jì)原理的時(shí)間相關(guān)的方法，因此測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性較差。
[0004]綜上所述，國內(nèi)外的各種濁度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，很難同時(shí)兼顧高精度與實(shí)時(shí)在線檢測(cè)；同時(shí)，國產(chǎn)濁度計(jì)低的測(cè)量精度和差的實(shí)時(shí)性，均很難與國外類似產(chǎn)品的性能相比較，因此設(shè)計(jì)一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高精度、高靈敏度、快速實(shí)時(shí)的液體濁度在線測(cè)量系統(tǒng)是本發(fā)明需要解決的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。[0005]現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn):
[0006][I]《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》CJ/T206-2005 講讀 http://www.gaom1.gov.cn/News.Asp ? Id = 12448
[0007][2] Sadarj M.J.Understanding Turbidity Science, Technical InformationSeries, Bookletll ；HachCompany, Loveland, CO，USA, 1996.[0008][3]Hach Company，"I720E Turbidimeter User Manual"，
[0009]http://www.hach.com/1720e-low-range-process-turbidimeter-turbidity-sensor-only/product-downloads ? id = 7640457219&callback = be(2013)
[0010][4] Hach Company, 2IOO-N laboratory turbidimeter applicationinstruction.[0011][5]Hach Company,2100-AN laboratory turbidimeter applicationinstruction.[0012][6]Hach Company，2100-NIS laboratory turbidimeter applicationinstruction.[0013][7]Hach Company, 2100-ANIS laboratory turbidimeter applicationinstruction.[0014][8]劉建國等，〃 一種門限式激光液體濁度測(cè)量裝置和測(cè)量方法〃，
[0015]http://www2.soopat.com/Patent/201310244241

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明的主要目的是提供一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，解決現(xiàn)有濁度測(cè)量技術(shù)的不足，尤其是解決低濁度測(cè)量中溶液的實(shí)時(shí)在線準(zhǔn)確測(cè)量，高精度且穩(wěn)定測(cè)量等問題。 [0017]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0018]一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，裝置包括光源模塊、光路傳輸模塊、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊、控制模塊、信號(hào)發(fā)生模塊和標(biāo)準(zhǔn)濁度液體；所述光源模塊包括光源控制模塊、光源；所述光路傳輸模塊包括第一透鏡、第二透鏡、帶通濾光片、光闌；所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊包括單光子探測(cè)模塊、時(shí)間測(cè)量模塊、光子計(jì)數(shù)模塊、特征參數(shù)提取模塊；所述控制模塊包括控制器、顯示模塊和存儲(chǔ)模塊；所述信號(hào)發(fā)生模塊包括振蕩器、窄脈沖發(fā)生器；所述振蕩器與窄脈沖發(fā)生器連接；所述窄脈沖發(fā)生器與光源模塊內(nèi)的光源控制模塊連接；所述光源控制模塊與光源連接；所述光源的輸出光經(jīng)光路傳輸模塊中的第一透鏡后，作用于標(biāo)準(zhǔn)濁度液體；所述標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的90度散射光被光路傳輸模塊中的第二透鏡接收，經(jīng)過帶通濾光片和光闌后，最終被所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊中的單光子探測(cè)模塊接收；所述單光子探測(cè)模塊分別與時(shí)間測(cè)量模塊、光子計(jì)數(shù)模塊連接；所述時(shí)間測(cè)量模塊、光子計(jì)數(shù)模塊分別與特征參數(shù)提取模塊互相連接；所述特征參數(shù)提取模塊與控制模塊中的控制器互相連接；所述控制器分別與顯示模塊和存儲(chǔ)模塊互相連接，并與信號(hào)發(fā)生模塊中的振蕩器連接；該方法包括下述步驟:
[0019]a.所述振蕩器產(chǎn)生波形作用于窄脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生高速窄脈沖信號(hào)，作用于光源，產(chǎn)生高速窄脈沖調(diào)制光，并由光源控制模塊控制所述光源開啟與關(guān)閉的時(shí)間；所述高速窄脈沖調(diào)制光經(jīng)過第一透鏡作用于標(biāo)準(zhǔn)濁度液體，所述標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的90度散射光被所述第二透鏡收集，并依次經(jīng)帶通濾光片和光闌傳輸，最終被單光子探測(cè)模塊接收，產(chǎn)生與接收散射光對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)向電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換；
[0020]b.所述振蕩器輸出波形同時(shí)也作用于控制器，作為控制器開啟時(shí)間測(cè)量模塊與光子計(jì)數(shù)模塊的同步信號(hào)；在測(cè)量時(shí)，基于時(shí)間測(cè)量模塊，控制器將同步信號(hào)的一個(gè)整周期均分為若干時(shí)間片，并利用光子計(jì)數(shù)模塊，記錄每個(gè)時(shí)間片中單光子探測(cè)模塊輸出的電脈沖數(shù)目得到光子計(jì)數(shù)值，獲得光子計(jì)數(shù)值與光飛行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)直方圖，簡記為統(tǒng)計(jì)直方圖，并利用特征參數(shù)提取模塊提取特征參數(shù)；
[0021]c.控制器利用不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定，統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液的特征參數(shù)，將特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到濁度與特征參數(shù)的關(guān)系:
[0022]y = kx(I)
[0023]其中:X:特征參數(shù)；
[0024]y:液體濁度值，單位NTU ;
[0025]k:最小二乘法線性擬合系數(shù)；
[0026]并將得到的最小二乘法線性擬合系數(shù)k記為裝置固有參數(shù)，保存到存儲(chǔ)模塊；
[0027]d.在實(shí)際測(cè)量液體濁度時(shí)，針對(duì)被測(cè)濁度液，將統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)X代入到公式(I)中，利用裝置標(biāo)定時(shí)獲得的裝置固有參數(shù)k值，得到被測(cè)液體濁度值y，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊，并在顯示模塊上顯示。
[0028]所述利用特征參數(shù)提取模塊提取特征參數(shù)的方法是:利用光源控制模塊控制光源開啟和關(guān)閉相同時(shí)間單元，分別提取光源開啟時(shí)，統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值的峰值A(chǔ)，以及光源關(guān)閉時(shí)，統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值的均值B，兩者相減后與光源關(guān)閉時(shí)獲得的光子計(jì)數(shù)值的均值B作比，即可得到所述的特征參數(shù)X:
[0029]X = (A-B) /B
[0030]所述光子計(jì)數(shù)值的均值B的計(jì)算方法是，將光源關(guān)閉時(shí)獲得的統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值總和與其時(shí)間片的總數(shù)目作比。
[0031]所述被測(cè)濁度液的濁度與特征參數(shù)的關(guān)系為正比例函數(shù)。
[0032]所述光源為激光二極管或LED光源。
[0033]所述光路傳輸模塊中光的傳輸介質(zhì)米用被測(cè)液體或自由空間與被測(cè)液體的組合。
[0034]所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊中的單光子探測(cè)模塊利用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步信號(hào)整周期的光電轉(zhuǎn)換。
[0035]本發(fā)明的原理:
[0036] 本發(fā)明利用光源控制模塊控制光源開啟與關(guān)閉時(shí)間；光路傳輸模塊為光源發(fā)射高速窄脈沖調(diào)制光并通過第一透鏡作用于待測(cè)液體，其90度散射光被光路傳輸模塊中的第二透鏡接收，經(jīng)過帶通濾光片和光闌后，最終被所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊中的單光子探測(cè)模塊接收；光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊為單光子探測(cè)模塊將信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的同步信號(hào)的一個(gè)整周期內(nèi)微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，如圖2所示，基于時(shí)間測(cè)量模塊，控制器將同步信號(hào)的一個(gè)整周期均分為若干時(shí)間片，并利用光子計(jì)數(shù)模塊，記錄每個(gè)時(shí)間片中單光子探測(cè)模塊輸出的電脈沖數(shù)目得到光子計(jì)數(shù)值，獲得統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖3(a) (b)所示，特征參數(shù)提取模塊提取統(tǒng)計(jì)直方圖中與濁度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系的特征參數(shù)?？刂颇K為控制器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊的控制，利用不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液對(duì)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液的特征參數(shù)，將特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，如圖4所示，得到裝置固有參數(shù)，保存到存儲(chǔ)模塊，實(shí)際測(cè)量時(shí)，利用統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)以及裝置固有參數(shù)，反演得到液體濁度值，儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊，并在顯示模塊顯示液體的濁度值。信號(hào)發(fā)生模塊用于窄脈沖信號(hào)以及同步信號(hào)的產(chǎn)生，振蕩器產(chǎn)生信號(hào)作用于窄脈沖發(fā)生器產(chǎn)生高速窄脈沖，并產(chǎn)生與高速窄脈沖同相位的同步脈沖供控制模塊中的控制器使用。
[0037]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0038](I)本發(fā)明采用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管作為光電傳感器，具有探測(cè)單個(gè)光子的能力，可以探測(cè)到極微弱的光，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)極低濁度液體濁度的探測(cè)，且工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管在同等光功率的作用下，電流增長速度快，會(huì)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，靈敏度高，后續(xù)放大電路較簡單，輸出為數(shù)字信號(hào)，具有測(cè)量精度、靈敏度高、抗干擾以及信號(hào)處理方便的優(yōu)點(diǎn)。
[0039](2)本發(fā)明采用時(shí)間相關(guān)的單光子探測(cè)技術(shù)(TCSPC)，其探測(cè)原理基于統(tǒng)計(jì)理論，大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與平均提高了裝置的測(cè)量精度及穩(wěn)定性。
[0040](3)本發(fā)明的測(cè)量裝置采用高速窄脈沖調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)液體濁度的在線實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0041](4)本發(fā)明接收端利用了高靈敏度的單光子探測(cè)模塊，因此，發(fā)射端可采用的小功率光源，具有輸出穩(wěn)定、產(chǎn)熱低、使用壽命長、對(duì)人眼無害等優(yōu)點(diǎn)。
[0042](5)本發(fā)明采用的單光子探測(cè)模塊可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步信號(hào)整周期的光電轉(zhuǎn)換，無需門控信號(hào)，裝置中沒有延時(shí)模塊，因此裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小，操作方便，特別適合小型化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0043]圖1為本發(fā)明的液體濁度測(cè)量裝置示意圖；
[0044]圖2為本發(fā)明的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖；
[0045]圖3(a)為光源打開時(shí)的光子計(jì)數(shù)值與光飛行時(shí)間統(tǒng)計(jì)直方圖；
[0046]圖3(b)為光源關(guān)閉時(shí)的光子計(jì)數(shù)值與光飛行時(shí)間統(tǒng)計(jì)直方圖；
[0047]圖4為本發(fā)明的最小二乘法線性擬合示意圖。
[0048]圖中標(biāo)號(hào):100、光源模塊；101、光源控制模塊；102、光源；200、光路傳輸模塊；201A、第一透鏡；201B、第二透鏡；202、帶通濾光片；203、光闌；300、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊；301、單光子探測(cè)模塊；302、時(shí)間測(cè)量模塊；303、光子計(jì)數(shù)模塊；304、特征參數(shù)提取模塊；400、控制模塊；401、控制器；402、顯示模塊；403、存儲(chǔ)模塊；500、信號(hào)發(fā)生模塊；501、振蕩器；502、窄脈沖發(fā)生器；11、標(biāo)準(zhǔn)濁度液體；21、接收的光子；22、單光子探測(cè)模塊輸出脈沖；23、光子計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果；41、濁度與特征參數(shù)的擬合線性關(guān)系；42、濁度與特征參數(shù)的實(shí)際函數(shù)關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】[0049]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0050]如圖1所示的一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置示意圖，主要包括光源模塊100、光路傳輸模塊200、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊300、控制模塊400、信號(hào)發(fā)生模塊500和標(biāo)準(zhǔn)濁度液體11 ;所述光源模塊100包括光源控制模塊101、光源102 ；所述光路傳輸模塊200包括第一透鏡201A、第二透鏡201B、帶通濾光片202、光闌203 ;所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊300包括單光子探測(cè)模塊301、時(shí)間測(cè)量模塊302、光子計(jì)數(shù)模塊303、特征參數(shù)提取模塊304 ;所述控制模塊400包括控制器401、顯示模塊402和存儲(chǔ)模塊403 ;所述信號(hào)發(fā)生模塊500包括振蕩器501、窄脈沖發(fā)生器502。
[0051]在本實(shí)施例中，操作人員首先對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定，以獲取裝置固有參數(shù)k值。
[0052]標(biāo)定的具體過程如下:通過顯示模塊402的友好人機(jī)交互界面發(fā)出操作指令，控制所述振蕩器501產(chǎn)生占空比為50%、頻率為IOMHz的方波，作用于窄脈沖發(fā)生器502，產(chǎn)生頻率為10MHz、脈沖寬度為800ps的高速窄脈沖信號(hào)，作用于光源102，產(chǎn)生高速窄脈沖調(diào)制光，并由光源控制模塊101控制所述光源102的開啟與關(guān)閉時(shí)間；所述高速窄脈沖調(diào)制光經(jīng)過第一透鏡201A作用于濁度為yl的標(biāo)準(zhǔn)濁度液體11，其90度散射光被所述第二透鏡201B收集，并依次經(jīng)帶通濾光片202和光闌203傳輸，最終被單光子探測(cè)模塊301接收，產(chǎn)生與接收散射光對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)向一系列電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換；所述的光源102為650nm紅光激光器；所述帶通濾波片202中心波長為650nm，帶寬為±10nm。根據(jù)GB13200-91與IS07027-1984的規(guī)定，所述的標(biāo)準(zhǔn)濁度液體11是從中國計(jì)量研究院采購的福爾馬肼標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液；同時(shí)，所述振蕩器501產(chǎn)生的占空比為50%、頻率為IOMHz的方波也作用于控制器401，作為控制器401開啟時(shí)間測(cè)量模塊302與光子計(jì)數(shù)模塊303的同步信號(hào)，獲得IOms內(nèi)濁度為yl標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖3 (a)。將光源102關(guān)閉10ms，獲得背景光的統(tǒng)計(jì)直方圖，如圖3(b)。由特征參數(shù)提取模塊304提取圖3(a)中光子計(jì)數(shù)值的峰值和圖3(b)中光子計(jì)數(shù)值的均值，兩者相減后與3(b)獲得的光子計(jì)數(shù)值均值作比，即可得到所述的特征參數(shù)xl。將特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的濁度數(shù)據(jù)按照如下關(guān)系式進(jìn)行最小二乘法線性擬合:
[0053]y = kx(I)
[0054]其中:X:特征參數(shù)；
[0055]y:液體濁度值，單位NTU ;
[0056]k:最小二乘法線性擬合系數(shù)；
[0057]并將得到的最小二乘法線性擬合系數(shù)k記為裝置固有參數(shù)，保存到存儲(chǔ)模塊403 ；
[0058]在實(shí)際測(cè)量液體濁 度時(shí)，針對(duì)被測(cè)濁度液，將統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)X代入到公式(I)中，得到液體濁度值y，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊403，并在顯示模塊402顯示液體的濁度值。
[0059]為了減少繁雜的標(biāo)定過程減小工作量，本實(shí)施例采用了一點(diǎn)標(biāo)定，但是在實(shí)際使用時(shí)也可以多點(diǎn)標(biāo)定以提高精度，即利用同種濁度液的多種不同濁度樣品按照上述過程進(jìn)行多次標(biāo)定。
[0060]本實(shí)施例中單次測(cè)量時(shí)間為10ms，因此Is的時(shí)間內(nèi)可以獲取100次的濁度測(cè)量結(jié)果。當(dāng)然，測(cè)量時(shí)可以通過減少單次測(cè)量時(shí)間來增加測(cè)量速度，但測(cè)量精度會(huì)相應(yīng)的降低；也可以犧牲測(cè)量速度，增加單次測(cè)量時(shí)間和多次測(cè)量平均以提高測(cè)量精度。
[0061]如圖2所75,在上述技術(shù)方案中，含有液體池度信息的微弱90度散射光由光路傳輸模塊200接收后作用于光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)采集模塊300中的單光子探測(cè)模塊301，實(shí)現(xiàn)含有液體濁度信息的微弱光信號(hào)向一系列電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換。所述的單光子探測(cè)模塊301，采用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器，具有探測(cè)單個(gè)光子的能力，可以使用PerkinElmer公司的SPCM-AQRH系列單光子探測(cè)模塊。本實(shí)施例采用的是PerkinElmer公司的SPCM-AQRH-14,其為5V供電，在650nm紅光處的探測(cè)效率為65%，暗計(jì)數(shù)100個(gè)每秒，死時(shí)間32ns，輸出15ns寬的TTL兼容的數(shù)字電脈沖信號(hào)。
[0062]本實(shí)施例采用ACAM公司的TDC-GPX作為時(shí)間測(cè)量模塊302，利用Altera公司CycloneII系列的EP2C8Q208N芯片作為控制器401，將振蕩器501輸出的IOMHz同步信號(hào)的一個(gè)整周期IOOns均分為時(shí)間間隔為81ps的1235個(gè)時(shí)間片，并利用光子計(jì)數(shù)模塊303，記錄每個(gè)時(shí)間片中單光子探測(cè)模塊301輸出的電脈沖數(shù)目得到對(duì)應(yīng)的光子計(jì)數(shù)值，獲得統(tǒng)計(jì)直方圖。
[0063]圖3(a)為光源開啟時(shí)的統(tǒng)計(jì)直方圖。圖中光子計(jì)數(shù)值峰值的縱坐標(biāo)值A(chǔ)，即光子計(jì)數(shù)值為接收到的90度散射光與背景噪聲的光子計(jì)數(shù)值之和，其中90度散射光包含被測(cè)液體濁度信息；圖中光子計(jì)數(shù)值峰值的橫坐標(biāo)為光飛行時(shí)間，可表示被測(cè)液體的被測(cè)量區(qū)域。
[0064]圖3(b)為光源關(guān)閉時(shí)的統(tǒng)計(jì)直方圖。將圖中光子計(jì)數(shù)值的均值B作為背景噪聲的光子計(jì)數(shù)值。
[0065]本實(shí)施例中，利用圖3(a)獲得的光子計(jì)數(shù)值峰值A(chǔ)減去圖3(b)獲得的光子計(jì)數(shù)值均值B，得到90度散射光的光子計(jì)數(shù)值即信號(hào)的光子計(jì)數(shù)值，再與3(b)獲得的光子計(jì)數(shù)值的均值B作比，即可得到所述的特征參數(shù)X:
[0066]X = (A-B) /B
[0067]本實(shí)施例中，所述光子計(jì)數(shù)值的均值B的計(jì)算方法是，將光源關(guān)閉時(shí)獲得的統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值總和N與其時(shí)間片的總數(shù)目1235作比，即B = N/1235。
[0068]如圖4是標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的濁度值和特征參數(shù)進(jìn)行的最小二乘法線性擬合示意圖。針對(duì)不同池度的標(biāo)準(zhǔn)池度液體，統(tǒng)計(jì)測(cè)量并計(jì)算得到相應(yīng)的特征參數(shù)，將特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到濁度與特征參數(shù)的擬合線性關(guān)系41，擬合公式為:
[0069]y = kx(I)
[0070]其中:X:特征參數(shù)；
[0071]y:液體濁度值，單位NTU ；
[0072]k:最小二乘法線性擬合系數(shù)；
[0073]誤差:
[0074]e = I yl-kxl
[0075]e為實(shí)際濁度值與經(jīng)過最小二乘法擬合后的誤差大小，其值的大小可以作為經(jīng)最小二乘法擬合后精度高低的評(píng)價(jià)指標(biāo)。 [0076]本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量精度和靈敏度高，并且測(cè)量速度快、實(shí)時(shí)性好，為進(jìn)行在線實(shí)時(shí)水質(zhì)監(jiān)測(cè)提供了技術(shù)保障。[0077]本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0078]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)的非門控液體濁度測(cè)量裝置的測(cè)量方法，裝置包括光源模塊(100)、光路傳輸模塊(200)、光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊(300)、控制模塊(400)、信號(hào)發(fā)生模塊(500)和標(biāo)準(zhǔn)濁度液體(11);所述光源模塊(100)包括光源控制模塊(101)、光源(102);所述光路傳輸模塊(200)包括第一透鏡(201A)、第二透鏡(201B)、帶通濾光片(202)、光闌(203);所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊(300)包括單光子探測(cè)模塊(301 )、時(shí)間測(cè)量模塊(302)、光子計(jì)數(shù)模塊(303)、特征參數(shù)提取模塊(304);所述控制模塊(400)包括控制器(401)、顯示模塊(402)和存儲(chǔ)模塊(403);所述信號(hào)發(fā)生模塊(500)包括振蕩器(501)、窄脈沖發(fā)生器(502);所述振蕩器(501)與窄脈沖發(fā)生器(502)連接；所述窄脈沖發(fā)生器(502 )與光源模塊(100 )內(nèi)的光源控制模塊(101)連接；所述光源控制模塊(101)與光源(102)連接；所述光源(102)的輸出光經(jīng)光路傳輸模塊(200)中的第一透鏡(201A)后，作用于標(biāo)準(zhǔn)池度液體(11);所述標(biāo)準(zhǔn)池度液體(11)的90度散射光被光路傳輸模塊(200)中的第二透鏡(20IB)接收，經(jīng)過帶通濾光片(202 )和光闌(203 )后，最終被所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊(300)中的單光子探測(cè)模塊(301)接收；所述單光子探測(cè)模塊(301)分別與時(shí)間測(cè)量模塊(302)、光子計(jì)數(shù)模塊(303)連接；所述時(shí)間測(cè)量模塊(302)、光子計(jì)數(shù)模塊(303)分別與特征參數(shù)提取模塊(304 )互相連接；所述特征參數(shù)提取模塊(304 )與控制模塊(400 )中的控制器(401)互相連接；所述控制器(401)分別與顯示模塊(402 )和存儲(chǔ)模塊(403 )互相連接，并與信號(hào)發(fā)生模塊(500)中的振蕩器(501)連接；其特征在于:該方法包括下述步驟: a.所述振蕩器(501)產(chǎn)生波形作用于窄脈沖發(fā)生器(502)，產(chǎn)生高速窄脈沖信號(hào)，作用于光源(102)，產(chǎn)生高速窄脈沖調(diào)制光，并由光源控制模塊(101)控制所述光源(102)開啟與關(guān)閉的時(shí)間；所述高速窄脈沖調(diào)制光經(jīng)過第一透鏡(201A)作用于標(biāo)準(zhǔn)濁度液體(11)，所述標(biāo)準(zhǔn)濁度液體(11)的90度散射光被所述第二透鏡(201B)收集，并依次經(jīng)帶通濾光片(202)和光闌(203)傳輸，最終被單光子探測(cè)模塊(301)接收，產(chǎn)生與接收散射光對(duì)應(yīng)的電脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)向電脈沖信號(hào)的轉(zhuǎn)換； b.所述振蕩器(501)輸出波形同時(shí)也作用于控制器(401)，作為控制器(401)開啟時(shí)間測(cè)量模塊(302)與光子計(jì)數(shù)模塊(303)的同步信號(hào)；在測(cè)量時(shí)，基于時(shí)間測(cè)量模塊(302)，控制器(401)將同步信號(hào)的一個(gè)整周期均分為若干時(shí)間片，并利用光子計(jì)數(shù)模塊(303)，記錄每個(gè)時(shí)間片中單光子探測(cè)模塊(301)輸出的電脈沖數(shù)目得到光子計(jì)數(shù)值，獲得光子計(jì)數(shù)值與光飛行時(shí)間的統(tǒng)計(jì)直方圖，簡記為統(tǒng)計(jì)直方圖，并利用特征參數(shù)提取模塊(304)提取特征參數(shù)； c.控制器(401)利用不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液對(duì)裝置進(jìn)行標(biāo)定，統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到不同濁度的標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液的特征參數(shù)，將特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)濁度液體的濁度數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法線性擬合，得到濁度與特征參數(shù)的關(guān)系: y=kx(1) 其中:特征參數(shù)； _7:液體濁度值，單位NTU; k:最小二乘法線性擬合系數(shù)； 并將得到的最小二乘法線性擬合系數(shù)A記為裝置固有參數(shù)，保存到存儲(chǔ)模塊(403)； d.在實(shí)際測(cè)量液體濁度時(shí)，針對(duì)被測(cè)濁度液，將統(tǒng)計(jì)測(cè)量得到的對(duì)應(yīng)特征參數(shù)z代入到公式(I )中，利用裝置標(biāo)定時(shí)獲得的裝置固有參數(shù)A值，得到被測(cè)液體濁度值_7，存儲(chǔ)于存儲(chǔ)模塊(403)，并在顯示模塊(402)上顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述利用特征參數(shù)提取模塊(304)提取特征參數(shù)的方法是:利用光源控制模塊(101)控制光源開啟和關(guān)閉相同時(shí)間單元，分別提取光源開啟時(shí)，統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值的峰值A(chǔ)，以及光源關(guān)閉時(shí)，統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值的均值凡兩者相減后與光源關(guān)閉時(shí)獲得的光子計(jì)數(shù)值的均值iM乍比，即可得到所述的特征參數(shù)^: X 二 (A-B)/B 所述光子計(jì)數(shù)值的均值A(chǔ)的計(jì)算方法是，將光源關(guān)閉時(shí)獲得的統(tǒng)計(jì)直方圖中光子計(jì)數(shù)值總和與其時(shí)間片的總數(shù)目作比。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述被測(cè)濁度液的濁度與特征參數(shù)的關(guān)系為正比例函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述光源(102)為激光二極管或LED光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述光路傳輸模塊(200)中光的傳輸介質(zhì)采用被測(cè)液體或自由空間與被測(cè)液體的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量方法，其特征在于:所述光電轉(zhuǎn)換與信號(hào)處理模塊(300)中的單光子探測(cè)模塊(301)利用工作在蓋革模式下的雪崩光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換傳感器，實(shí)現(xiàn)一個(gè)同步信號(hào)整周期的光電轉(zhuǎn)換。
【文檔編號(hào)】G01N21/49GK103969222SQ201410168614
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】王煥欽, 楊義新, 黃哲, 桂華僑, 劉建國, 曹會(huì)彬, 王杰, 程寅 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院