所属栏目：机电一体化论文范文发布时间：2026-01-22浏览量:553
为了解决自来水管网复杂环境下浊度高精度检测的技术难题，文中提出了综合解决方案。首先，采用恒流源激发LED保障激发光的稳定。然后，选择高增益的硅光电倍增管(SiPM)作为光接收器实现微弱光信号的可靠感知。最后，针对温度、漫反射、气泡及水流速度等潜在干扰因素，采取了原位温度补偿、工况匹配和加装过滤网等相应措施，并开展了相关抗干扰实验。测试结果表明：研究的传感器实现了0~1NTU和0~10NTU浊度的高精度检测，线性度达0.999。此外，在长达274h的管网自来水浊度在线监测中，传感器与MS6100传感器测得的数值和趋势高度一致，且精度高达0.008NTU。因此，开发的浊度传感器能够及时准确地评估管网内自来水的浊度情况，确保居民的饮用水安全。
关键词：自来水浊度检测;90°散射法;高精度检测;抗温度干扰
论文《管网自来水浊度高精度在线监测传感器研制》发表在《仪表技术与传感器》，版权归《仪表技术与传感器》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
浊度是指水中悬浮颗粒物(如泥沙、有机和无机物质、藻类等)的大小和数量对水透明度的影响程度，是环境研究和人体摄入健康的关键参数[1-2]。当饮用水的浊度过高时，会为细菌、大肠杆菌病原体等其他微生物提供滋生的环境，从而导致水传播疾病和健康问题[3-4]。根据国家饮用水标准(GB 5749-2022)规定，自来水浊度大小不得超过1NTU[5]，而为了确保自来水的安全性，浊度检测的精度需达到0.01NTU。因此，迫切需要开发一种适合于自来水管网的高精度、低成本、在线式浊度传感器，以实现对水质的全天候监测与风险预警，确保居民饮用水的安全与健康。
为了有效解决管网自来水浊度高精度在线检测灵敏度不足和抗干扰能力差的技术难题，本研究提出综合解决方案。首先，鉴于90°散射法在低浊度检测上灵敏度稳定性更好，检测下限更低[6-8]，因此采用该方法作为传感器研究的基本方法。其次，采用恒流源激发红外二极管发光，保证激励光强的恒定[9-10]。最后，由于低浊度检测时信号较微弱，采用了高灵敏度和高增益的硅光电倍增管(SiPM)作为光接收元件，实现微弱光信号的可靠检测[11-12]。更重要的是，为了应对潜在的漫反射、温度变化、气泡及水流速度等干扰因素，本研究的传感器集成了原位温度标定与自动补偿单元，深入探讨了传感器与装置相对位置对检测性能的影响，并在传感器检测前设计安装了过滤网，用以滤除水样中的气泡，从而消除气泡对浊度传感器检测的影响。
1 传感器的总体设计
1.1 传感器结构
浊度传感器结构主要包含结构设计及器件选型部分。结构设计方面，设计了2个互相垂直的圆柱形通道，左侧为光源放置区域，右侧为探测器放置区域，设计了点胶槽用于光学玻璃的密封，整体采用黑色聚甲醛(POM)材料并使用3D打印方式进行制备。器件选型方面，为减轻微粒尺寸不均匀性对浊度测量的影响，选用波长为850nm的红外发光二极管作为光源，有效降低色度对浊度测量的干扰[13];在光电探测器的选择上，本研究采用了SiPM，与其他探测器相比，SiPM展现出高增益和高灵敏度的特性，其频率响应范围广泛，覆盖了250~950nm的光谱区间。
1.2 驱动电路设计
传感器驱动电路以STM32L4系列低功耗MCU为基础，构建了光源恒流驱动模块、SiPM恒压驱动模块、信号处理模块3部分。
为了提高光源的稳定性和使用寿命，使用恒流源激励方式，其中Q₁用于控制红外LED的总电源，Q₂则根据运放开环增益无穷大特性实现其V_BS控制。由于运放的输入虚短特性V_in+ = V_in- = V_DAC1，故LED流过的电流见式(1)：
[I_{LED}=I_{g}+frac{V_{CC}-V_{DACI}}{R_{3}} quad (1)]
式中：I_g为Q₂栅极漏电，V_DAC1为单片机输出的电压。
由于I_g较小，V_CC=3.3V，故实际电流见式(2)：
[I_{LED} approx frac{3.3-V_{DAC1}}{R_{3}} quad (2)]
因此，电流仅与V_DAC1有关，进而实现了电流控制。在实际系统调试过程中，可以通过调节LED驱动电流来改变发光强度，以确定系统的最佳参数。
SiPM恒压驱动电路采用可调AP3015电源芯片构成升压电路，其中U₁芯片FB管脚接入比较器，而比较器具有输入电阻无穷大属性，故V_bias和产生的电流无法流入U₁。根据基尔霍夫电流定律可知V_bias和产生的电流关系如下：
[frac{V_{DAC 2}-V_{FB}}{R_{5}}+frac{V_{FB}}{R_{6}}=frac{V_{bias }-V_{FB}}{R_{7}} quad (3)]
式中：V_DAC2为单片机输出的电压，V_FB为DCDC升压电源芯片AP3015基准电压，默认值为1.23V;V_bias为输出电压即SiPM的工作电压。因此，根据式(3)，SiPM的工作电压可由单片机DAC输出的电压进行调整。
由于在检测低浊度液时，SiPM接收到的散射光信号比较微弱。根据SiPM数据手册可知，其输出的电信号仅为nA级别，因此需要I/V跨阻放大。本研究设计的信号处理模块中，R₈、R₉、C₄、C₅、C₆构成滤波电路，滤除SiPM工作电压V_bias中的噪声，确保SiPM工作电压稳定性。运放OPA3采用高精度的运算放大器TL0821DR实现电流到电压的转换，R₁₀是增益电阻，运算放大器OPA5采用LMV321IDBVR，配合信号电阻R₁₆实现阻抗匹配，以防止信号失真，确保信号的准确传输和接收。
1.3 浊度传感器探头设计
为了将传感器与驱动电路集成为单一模块，并验证传感器的性能，设计了浊度传感器探头。该设计包括一个端盖，专门用于将传感器组件固定到位，封装时采用环氧树脂胶进行灌封，以实现良好的密封效果，增强其耐压性能。在端盖的凹槽处加装O型橡胶圈，并通过螺纹连接方式与中筒紧密配合，实现密封。中筒部分设计有凹槽和螺纹，专用于与流通腔体的密封连接。此外，探头的上部设计了一个接口，既适用于航空接头的接入，也便于电路支架的固定。传感器探头的零件采用黑色聚甲醛(POM)材料，通过CNC加工技术制造。
1.4 传感器软件设计
传感器基于单片机通过编写特定的软件代码，设计简单的AD指令实现传感器参数的校准、查询以及采样功能。传感器投入使用前，需要进行相关电气参数校准，包括校准内部DAC电压、SiPM工作电压设置及红外LED的工作电流设定。参数校准完成后进入浊度检测模式，根据实际工况要求，设置传感器采样频率，并利用标准浊度溶液进行标定，然后使用传感器进行测量，输出测量结果。
2 抗干扰原理
2.1 温度补偿
SiPM的增益与温度之间存在负相关性，即环境温度的升高将导致SiPM增益的下降，从而影响自来水浊度的高精度检测。为了解决这一问题，本研究通过实时调整SiPM的工作电压来维持其增益的稳定性。
在硬件设计方面，在印刷电路板(PCB)的正面集成了SiPM，背面集成了M601Z型号的高精度温度传感器，该传感器的精度为0.1℃，能够实时精确监测SiPM的温度变化，确保温度补偿的准确性。在程序软件设计方面，SiPM的工作电压通过程序设计，以25℃时的27V工作电压为基准点，并根据SiPM的温度变化，按照34.4mV/℃的幅度进行动态调整，如式(4)所示：
[V_{op }=0.0344 T+26.14 quad (4)]
式中：V_op为SiPM的工作电压，T为SiPM的温度值。
温度补偿过程包括：通过实时监测到的温度数据被转换为数字信号并传送至微处理器;微处理器根据当前温度以及预设的温度增益曲线，实时调整数字模拟转换器(DAC)输出的模拟电压值;DAC输出的电压进一步影响DC-DC电源芯片的输出，从而实现了SiPM偏置电压的精确调节。
2.2 安装工况匹配
为了实现对管网内自来水的原位在线监测，传感器探头需配合流通腔体进行检测。鉴于该传感器的光路设计及基于漫反射原理，当红外LED照射到流通腔体的粗糙底面时，会产生反射光，一些反射光信号会被探测器接收，这些信号并非来自水样中的颗粒，而是底面的漫反射所致，因此它们不属于有效信号。当底面反射光信号的强度过大时，会影响传感器的检测上限和精度，依据光学传播原理，底面反射光信号的强度与光的传播距离成反比关系，即随着光传播距离的增加，反射光信号的强度将逐渐减弱。因此，为了提高检测的稳定性和准确性，传感器探头在安装时应与流通腔装置底部保持一定的距离。
3 传感器性能测试
为了全面验证所开发的传感器在自来水管网中进行浊度检测的可行性与准确性，本研究将传感器及其流通腔体集成后，安装到自来水管网中进行了实地测试。在流通腔装置前设计并安装了一个过滤网，用以滤除水样中的气泡，从而消除气泡对浊度传感器检测的影响。此外，实验装置还包括自来水管、压力表、上位机等关键组件。通过这一综合实验装置，能够模拟并评估传感器在真实供水条件下的性能表现。
3.1 传感器性能标定
为了评估传感器在低浊度环境下的性能，本研究在0~1NTU的范围内选取了0.2、0.4、0.6、0.8、1.0NTU 5个浊度点，并在0~10NTU的范围内选取了1、2、4、6、8、10NTU 6个浊度点，共计11个浊度点进行检测。实验中，待测溶液是通过稀释400NTU的福尔马肼标准溶液来配制，配制好的待测溶液经流通腔由本传感器进行检测。测试结果表明，传感器响应与浊度之间具有良好的线性关系，R²均在0.999以上，且响应度达到203.14mV/NTU，满足自来水浊度检测需求。
3.2 漫反射干扰实验
为了减少漫反射对传感器检测性能影响，提高传感器检测的精度，本研究对传感器探头底部安装在距离装置底部不同高度位置进行实验。实验中，探头分别安装在距离装置底部3、4、5、6cm的位置，并在0.2NTU的固定浊度条件下90s内进行10次采样。测试结果表明，随着传感器探头到底部距离的增加，检测稳定性逐渐提高。通过计算各距离下的相对标准差(RSD)值，各距离下的RSD值分别为12.12%、4.54%、1.63%、0.52%，表明距离增加有助于提高检测的重复性。基于这些结果，探头应安装在距装置底部至少为6cm的位置进行测试，以确保传感器检测的稳定性。
3.3 温度干扰实验
为了验证传感器在长期运行中的稳定性，本研究对0.25NTU的浊度溶液进行了长达39h的连续检测实验。实验结果分析发现，浊度测量值与温度之间存在负相关关系，表明温度波动对测量结果有重要影响，导致较大温漂。采用2.1节提出的温度补偿方案后，在环境温度变化幅度基本相同的情况下，显著降低了温度对浊度的影响，约39h的长期监测浊度检测波动范围仅为±0.015NTU。这表明引入的温度补偿机制有效地解决了温度变化对在线监测过程中测量结果的影响，显著提升了水质浊度监测系统的稳定性和可靠性。
3.4 流速干扰实验
为验证传感器在自来水管道环境中面对水流速变化的适应性，本研究通过控制不同的水流量，以1.60NTU的浊度为基准条件进行实验。流量变化范围为0~90L/h，以5L/h为间隔进行流量调节，并记录相应的实验数据。实验结果表明，在0~90L/h的流量范围内，本传感器的误差极小，显示出良好的稳定性，最大的相对误差也仅为2.37%。这些数据充分证明了即便在流速变化的自来水管道环境中，该传感器也能实现在线监测的稳定性。
3.5 自来水浊度的在线监测
为验证所研制传感器在自来水管网监测中的实用性和准确性，本研究设定采样间隔为1min，对管网内的自来水进行了274h在线监测。测试结果与MS6100多参数在线水质分析仪进行比对，本传感器的测量值与商用传感器的测量值具有一致的趋势，且数值和变化的幅度值高度一致。此外，选取一段时间内的监测数据并进行相邻平均数平滑处理后发现，本传感器检测精度可达到0.008NTU，满足了CJJ/T 271-2017《城镇供水水质在线监测技术标准》的要求[14]。研究表明，经温度补偿、气泡滤除、工况匹配后，本研究开发的传感器能够及时准确地反映管网自来水浊度的变化情况，确保居民饮用水的安全与健康。
4 结论
本文成功开发了一种高精度在线监测管网自来水浊度的传感器。该传感器采用恒流源驱动光源，确保了激励光强的稳定性;同时，使用了硅光电倍增管(SiPM)作为光接收元件，以实现高灵敏度的检测。针对管网中存在的漫反射、温度变化、气泡以及水流速度等干扰因素，进行了深入探讨并提出了解决方案。实验结果表明，传感器在0~1NTU和0~10NTU范围内的线性度均超过0.999。在长期在线监测管网自来水的过程中，传感器的测试结果与MS6100的数值及趋势高度一致，且精度高达0.008NTU。此外，本传感器在制造过程中采用了黑色聚甲醛(POM)材料，并结合CNC加工与3D打印技术，优化了成本效益。
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