论文导读：该浊度调理电路是由美国intersil公司的CA3140芯片和通用TL082芯片构成的精密匹配电路。该检测电路非常简单。前置放大，水下散射光式浊度检测前置放大电路的设计。
关键词：浊度，检测，前置放大
1、引言
水的浊度是一种光子效应，即光线透过水层时受到阻碍的程度，表示水层对于光线散射和吸收的能力。它不仅与悬浮物的含量有关，而且还与水中杂质的成分和颗粒大小，形状及其表面的反射性能有关[1]。免费论文，前置放大。浊度是评价出厂水水质的主要依据之一。光在水中的散射信号是极其微弱的，也很容易受到环境因素的干扰，甚至被淹没在北京噪声中。因此，散射光的测量显得尤为重要。本文将介绍一种实用的散射光式浊度测量电路。
2、测量原理
由物理学光学的知识，当一束平行光由空气垂直照射到被测的水中，在水的深度Y处，其光强可表示为[2]：
 (1)
其中：K0表示入射角为0°时光从空气到水中的透射系数，K1为溶液对光的吸收系数。I0为入射光强度，T为浊度。免费论文，前置放大。当溶液中微粒大小均匀时，在Y轴方向的某一区域的dy，在某方向的散射光 也与浊度成正比：
 （2）
其中： 为溶液对光的散射系数， 为Y处的光强。
水下散射光测量法原理图如图1所示：
图1 水下散射光测量法原理图
水平轴下面充满水，有一光束强度为I0入射到水面，一部分经表面反射，另一部分进入水面传播，则在Y坐标的小区域内即dy，其X方向的散射光，可由式(1)和式(2)得到[18]：
 （3）
因为X方向的散射光经水的X方向吸收后过段距离后才能进入光电池（关于光电池的知识将在后文介绍），故实际到达光电池的散射光强为：
 （4）
式中X为散射光到达光电池的距离。免费论文，前置放大。因此从0到Y0，X方向的总散射光强为：
 (5)
对 进行泰勒展开，可以得到：
在浊度较低的情况下，可以省略2阶及2阶以上的小量，则可以得到：
  (6)
同理， (7)
并且在浊度很小的情况下，即 <<1的情况下， （8）
将简写式(7)和式(8)代入式(5)中得到线性公式（9）：
 ≈ (9)
即到达光电池的光强与入射光强I0和浊度T成正比[3]。免费论文，前置放大。
3、前置放大电路设计
系统的光电转换器件选用硅光电池，硅光电池将散射光信号转换成电流信号，但电流信号非常微弱，0-10 ，需要经过放大器放大，然后输送至控制芯片。设计时参考了大量的关于微电流放大的电路图，并做了相应的实验。根据测量原理设计的浊度调理电路，如图2所示：
图2 浊度调理电路图
该浊度调理电路是由美国intersil公司的CA3140芯片和通用TL082芯片构成的精密匹配电路。其中起放大作用的器件是运放CA3140，它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点，主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。免费论文，前置放大。而TL082是电压跟随器，提高输入电阻，降低输出电阻，提高带负载能力。它们使用的供电电源皆是±12V。
图2中标有Au和Ag符号的为调理电路的信号输入端，其中Au接硅光电池的正端，Ag接光电池的负端。因为光电池是一电流源，内阻很大，电流很小，这么小的电流不足以驱动，需要将其叠加在一个直流信号上，来测量变化量。因此设计了如图2中的a）图所示的直流信号电路产生电路。免费论文，前置放大。由电压跟随器TL082的3脚输入端连接滑动变阻器P201，滑动变阻器P201和电容C201、电阻及三端稳压器LM336相并联。通过调节滑动变阻器P201，使得滑动端对地电压在一定值（本课题为0.7125V），然后利用了电压跟随器的特点，由电压跟随器TL082的1、2、3脚按如图所示的连接对这一定值电压加以固定。
图2中标有Nout符号的为调理电路的信号输出端，送入C8051F020单片机[4]。放大器CA3140的输入和输出端并联反馈电阻R203和电容C202，在放大器CA3140的两脚间连接一个可调电阻P202，放大器CA3140的另一端连接电阻R202后接地。考虑到低浊度，散射光非常微弱，经过多次试验，通常在0～3（<3）范围内，因此在选择运算放大器CA3140的外围反馈电阻进而选择调节信号的放大倍数时，同时兼顾和带有模数转换的C8051F020单片机的内部模数转换基准电压（2.43V）相匹配，如电路图所示，选择的反馈电阻R203阻值约为820KΩ，这样由信号调理电路的输出电压：
 R203（10）
计算出信号的实际输出电压范围约在0～2.43V之间，如若水质较浑浊，使得输出电压超出了单片机内部基准电压的最大值，可以通过编程来改变单片机内部的可编程增益放大器PGA的大小来解决。电压跟随器TL082的6、7脚的输入和输出端并联一个反馈电阻R205和电容C203，5脚串接电阻R206后接地。在此，同样利用了电压跟随器的特点，TL082对由运算放大器CA3140放大后的电压信号予以稳压。
4、结束语
该检测电路非常简单，实用，可以根据用户的实际需要进行检测通道的扩展,实现一路到几十路的浊度检测，实际效果是很理想的。该方案已经成功应用到多参数检测系统中，保证了系统的正常运行。
参考文献：
[1]Burlingame,G.A.,M.J.Pickel,andJ.T.Roman.PracticalApplicationsofTurbidityMonitoring[J].JOURNALAWWA，1998.90(8):57-69.
[2]HartJohnsonandLetterman.AnAnalysisofLow-levelTurbidityMeasurements[J].JOURNALAWWA,1992,84(12):40.
[3]StevenA.Siano.AsimplemethodofcorrectionforforwardRayleighscatteringinturbiditymeasurement[J].AppliedOptics,1993,32(34):4646-4651.
[4]鲍可进.C8051F单片机原理及应用[M].北京：中国电力出版社，2006.200-228.
|
