光电传感器在水体检测中的应用

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1、光电传感器在水体检测中的应用1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，并描述了折中方法所采用的理论依据，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

2、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

3、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

4、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题。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

5、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，以上步骤均由人工完成，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

6、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，测定样品和标准参比液的吸光度，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)

7、，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措施。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