[发明专利]一种门限式激光液体浊度测量装置和测量方法

权利要求书

1.一种门限式激光液体浊度测量装置，其特征在于：包括光源模块（100）、光路传输及光电转换模块（200）、信号调理模块（300）、信号采集与处理模块（400）、可控信号发生模块（500），第二法兰（11B）、光纤聚焦器（12）、标准液体（13）；光源模块（100）包括激光器控制系统（101）、激光器（102）；光路传输以及光电转换模块（200）包括三端口光纤环形器（201）、光电探测器（202）、第一法兰（11A）、第三法兰（11C）；信号调理模块（300）包括前置放大电路（301）、二级放大电路（302）、带通滤波电路（303）、门限电路（304）；信号采集与处理模块（400）包括信号采集电路（401）、控制器（402）、数据显示电路（403）、存储电路（404）；可控信号发生模块（500）包括可调延时器（501）、脉冲发生器（502）；光纤聚焦器（12）通过第二法兰（11B）与三端口光纤环形器（201）连接；

a.所述激光器控制系统（101）经过脉冲发生器（502）调制后，控制激光器（102）发射出周期和脉宽可调的调制光（20），所述激光器（102）采用高速脉冲调制，最小脉宽要能够达到10ps；

b.所述激光器（102）发射光经第一法兰（11A）进入到三端口环形器(201)第一端口（201A），然后从三端口环形器(201)的第二端口（201B）发出并经第二法兰（11B）传输到光纤聚焦器（12），自光纤聚焦器（12）发射的光照到标准液体（13）上，经标准液体（13）内颗粒物散射后的部分后向散射光反射回光纤聚焦器（12），通过第二法兰（11B）进入到三端口光纤环形器（201），并从三端口光纤环行器（201）的第三端口（201C）经第三法兰（11C）进入到光电探测器（202），光电探测器（202）实现光信号到微弱电流信号的转换；

c.所述前置放大电路（301）对光电探测器（202）转换的微弱电流信号进行电流到电压的转换和放大，二级放大电路（302）对前置放大电路（301）的输出信号进行二级放大，满足信号采集电路（401）电压范围（30A）-10V-＋10V的要求，带通滤波电路（303）实现脉冲发生器（502）产生频率信号的通过，不同于脉冲发生器频率的信号幅值受到大的衰减或抑制（30B）,门限电路（304）能够实现对标准液体（13）后向散射光产生的信号（33）进行选择，对具有同频不同时的交流干扰信号（31、32、35）进行隔离(30C)；

d.所述信号采集电路（401）实现模拟信号到数字信号的转换，控制器（402）实现采集电路（401）的控制、数字信号处理、电压值到实际液体浊度的转换，存储电路（404）存储电压值到实际液体浊度转换的系数，数据显示电路（403）显示液体的浊度值；

e.所述可调延时器（501）与脉冲发生器（502）信号同步，所述可调延时器（501）在延时Δt1后发送使能信号启动门限电路（304），门限电路（304）打开，此时来自带通滤波电路（303）的信号开始被选取，在开通Δt2时间后，信号选取完毕，门限电路（304）关闭，门限电路（304）关闭期间，来自带通滤波电路（303）的信号全部被隔离。

2.根据权利要求1所述的门限式激光液体浊度测量装置，其特征在于：所述光路传输及光电转换模块（200）中光的传输介质采用单模光纤，具有传输距离远、损耗低、抗干扰能力强、安全性高的优点。

3.根据权利要求1所述的门限式激光液体浊度测量装置，其特征在于：所述光路传输及光电转换模块（200）采用全光纤式的探测结构，探头体积较小，适合狭小空间的液体浊度测量。

4.一种门限式激光液体浊度测量方法，其特征在于实现步骤如下：

a.光从激光器（102）发出到达标准液体（13），然后被液体散射到达光电探测器（202）的传输时间为一固定量T；

b.设置脉冲发生器（502）产生宽度为T1和周期为T2的波形（20），设置可调延时器（501）的延时为Δt1=T，延时时间长度为Δt2=（2～3）*T1；

c.信号调理电路（300）中的二级放大电路（302）输出波形（30A），在输出波形（30A）中包括三个部分：交流干扰信号（31,32,35），其频率与脉冲发生器（502）产生的调制光频率相同；直流干扰信号（34）在整个周期T2内都存在；标准液体（13）产生的后向散射光转换的电压信号（33）；

d.二级放大电路（302）的输出信号通过带通滤波电路（303）后的输出波形（30B），直流干扰信号（34）被滤除掉，交流干扰信号（31、32、35）依然存在；

e.可调延时器（501）在延时Δt1后，发送使能信号给门限电路（304），门限电路（304）打开，在开通Δt2时间后，门限电路（304）关闭，选择的标准液体（13）产生的后向散射光转换的电压信号（33）即为标准液体（13）后向散射光转换的电压值，交流干扰信号（31、32、35）被隔离；

f.控制器（402）通过信号采集电路（401）采集门限电路（304）输出的电压值，并将电压值作最大-最小值去除和均值处理后保存到存储电路（404）；

g.针对不同浊度的标准溶液，测量其散射光产生的电压值，将电压值与标准溶液浊度的数据进行最小二乘法线性拟合，得到浊度与电压值的关系:

y=kx+b            （1）

其中：x:电压值，单位mV；

y:标准液浊度值，单位NTU；

k,b：最小二乘法线性拟合系数；

h.将拟合系数保存到存储电路（404），测量液体浊度时，将得到的电压值代入到公式（1）中，得到液体浊度值。