基于光學原理的水產養殖濁度探測儀以及方法
【專利摘要】本發明提供一種基于光學原理的水產養殖濁度探測儀以及方法,其中基于光學原理的水產養殖濁度探測儀包括:光學系統、控制系統以及為光學系統、控制系統提供電源的電源系統;所述光學系統包括多個光源發射裝置、盛放樣本瓶的容納槽體以及均與所述光源發射裝置同等數量的準直透鏡、光電探測器;所述控制系統包括I-U轉換電路、濾波放大電路、A/D轉換電路以及ARM處理單元。本發明可以準確地檢測水產養殖水體的濁度與透明度綜合指標,使得養殖人員更好地了解水質狀況。
【專利說明】CN 103499539 A
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明
說
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基于光學原理的水產養殖濁度探測儀以及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光譜檢測技術、機械電子設計技術和水體濁度檢測技術,尤其是一種 基于光學原理的水產養殖濁度探測儀以及方法。
【背景技術】
[0002]俗話說:“養魚先養水”。要想取得水產養殖成功,最關鍵的是將水質調控做到位。 而水質調控的關鍵是:溶解氧、透明度、酸堿度等。中華人民共和國行業標準規定,透明度的 測定可使用賽氏盤法或者透明度計法,其測量原理相同。透明度計法適用于天然水和輕度 污染水,圓盤法適用于地面水的現場測定。這兩種測定方法均依賴于觀測者的主觀判斷,誤 差較大,不適用于水產精細養殖。
[0003]為了實現透明度的數字化精確測量,行業均通過測定濁度替代透明度指標。渾 濁度為水樣光學性質的一種表達語,是由于水中存在不溶性物質引起的,它使入射光發生 散射和吸收,而不是直線透過水樣。濁度的原理:當光線照射到液面上,入射光強、透射光 強、散射光強相互之間比值和水樣濁度之間存在一定的相關關系,通過測定透射光強,散射 光強和入射光強或透射和散射值的比值來測定水樣的濁度。國際標準化組織在其推薦的 IS07027中,將散射法和透射法定為濁度儀的兩種標準測量方法。商業化絕大多數濁度計 采用散射法測量,其工作原理如下:一束平行光在透明液體中傳播,如果液體中無任何懸浮 顆粒存在,那么光束在直線傳播時不會改變方向;若有懸浮顆粒、光束在遇到顆粒時就會改 變方向(不管顆粒透明與否),這就形成所謂散射光。顆粒愈多(濁度愈高),光的散射就愈 嚴重。透射法濁度儀的工作原理如下:用一束光通過一定厚度的待測水樣并測量待測水樣 中的懸浮顆粒對入射光的吸收和散射所引起的透射光強度的衰減量來測定待測水樣濁度, 該方法又稱為比濁法。理論上認為,散射法具有透射法不可比擬的優勢:在90度方向的散 射光,不受顆粒尺寸的影響,這樣,即使水樣中有不同尺寸的顆粒物但仍可取得較高的準確 度。
[0004]但是,有顏色的物質對入射光產生吸收,如果一部分散射光被吸收,則檢測器檢測 到的散射光將減少,測量的濁度值偏低。此時往往使用采用比濁計加以修正。另外,當入射 光強度相同時,顆粒物濃度越高,它所引起的光散射與吸收將會成倍增加。此時需要在濁度 儀光路中增設前向或者后向散射光檢測器。可見,基于散射法的濁度儀主要用于懸浮物濃 度較低以及無色的水體(如飲用水)檢測。由于在實際的水產養殖環境中,有顏色的物質(如 藻類)大量存在,因此理論上講,基于散射法的濁度儀并不適用于養殖環境水體透明度的測 量。而且,在水產養殖中,透明度的測量尚不能用濁度完全取代,光能到達的地方才能使水 生植物進行光合作用,因此透明度仍然是一個重要的指標。這意味著,水產養殖實踐中需要 有一種能夠綜合測量透明度和濁度綜合指標的測定儀。
[0005]美國哈希公司生產的2100Q便攜式濁度儀,發光二極管(860nm)為主動光源,測量 范圍為0?1000NTU。利用哈希公司專利的比率測量,雙檢測器的光學系統可以對樣品的色 度、光線波動以及雜散光進行補償,對于大多數樣品而言,即使在現場環境惡劣的條件下,仍可以獲得實驗室級別的測量性能。但是,由于比值法用到了散射,不能測量高濁度,從而 導致測量范圍有限。加上存儲空間有限,不適合短時間內多次測量。同時,不能提供入射光 透過率的信息。
[0006]總之,提供一種能夠在現場進行測量的、能夠同時快速測定水體的渾濁度和透明 度的綜合參數、精度較高、測量范圍較廣和數據儲存量較大的檢測儀器對于現代化水產養 殖業來說是非常有價值的,該儀器的應用能夠為水產養殖業提供一種精確信息化手段來獲 取有參考價值的參數,并幫助其實現快速現場測量。
【發明內容】
[0007](一)要解決的技術問題
[0008]本發明的目的是,提供一種基于光學原理的水產養殖濁度探測儀以及方法,所述 濁度探測儀能夠實現在現場進行測量、能夠同時快速測定水體的渾濁度和透明度的綜合參 數、精度較高、測量范圍較廣。
[0009](二)技術方案
[0010]為解決上述技術問題,本發明提供一種基于光學原理的水產養殖濁度探測儀,包 括:光學系統、控制系統以及為光學系統、控制系統提供電源的電源系統;
[0011]所述光學系統包括多個光源發射裝置、盛放樣本瓶的容納槽體以及均與所述光源 發射裝置同等數量的準直透鏡、光電探測器;所述容納槽體的槽壁上設有與容納槽體軸線 垂直的光源安裝腔和與所述光源安裝腔位置相對的探測器安裝孔;所述光源安裝腔內依次 安裝所述光源發射裝置、準直透鏡,所述準直透鏡位于容納槽體和光源發射裝置之間;所述 光源發射裝置發出的光線經準直透鏡后垂直入射到容納槽體中樣本瓶里的水樣,所述光電 探測器位于通過水樣的光線光路上,探測入射光的透射光強和散射光強并將接收到的光信 號轉換為電信號;
[0012]所述控制系統包括1-U轉換電路、濾波放大電路、A/D轉換電路以及ARM處理單元; 所述1-U轉換電路用于將光電探測器傳送的電信號進行1-U轉換,將轉換后得到的電壓信 號放大,得到一次放大信號并將所述一次放大信號傳送至濾波放大電路;所述濾波放大電 路用于對所述一次放大信號進行放大濾波處理,得到二次放大信號并將所述二次放大信號 傳送至A/D轉換電路;所述A/D轉換電路用于對所述二次放大信號進行A/D轉換,得到相應 的數字信號并將所述數字信號向ARM處理單元發送,其中,所述數字信號為入射光的透射 和散射疊加值;所述ARM處理單元用于接收所述數字信號,根據所述數字信號的大小選擇 相應的濁度計算模型,基于所述數字信號計算出吸光度值,并根據所述吸光度值通過所述 相應濁度計算模型計算樣本瓶中水樣的濁度值,以及根據所述濁度值計算樣本瓶中水樣的 透明度。
[0013]其中,所述容納槽體為圓柱體。
[0014]其中,所述容納槽體的槽壁上設有兩豎排光源安裝腔,每排設有兩個所述光源安 裝腔;兩排光源安裝腔所在的平面互相垂直。
[0015]其中,位于同一排的光源安裝腔均勻分布在容納槽體的槽壁上。
[0016]其中,所述電源子系統包括第一電源電路以及第二電源電路,所述第一電源電路 用于為光源發射裝置提供電源,所述第二電源電路用于為1-U轉換電路、濾波放大電路、A/D轉換電路以及ARM處理單元提供電源。
[0017]其中,所述控制系統還包括均與所述ARM處理單元電連接的顯示單元、存儲單元。
[0018]其中,所述控制系統還包括均與ARM處理單元電連接的GPS模塊以及濁度繪制模塊,所述GPS模塊用于獲取水樣中單點水體的GPS坐標信息,所述濁度繪制模塊用于將水樣中單點水體的濁度值和GPS坐標信息結合,繪制水樣的整體濁度分布示意圖。
[0019]為解決上述技術問題,本發明還提供一種基于光學原理的水產養殖濁度探測方法,包括:
[0020]探測入射光的透射光強和散射光強并將接收到的光信號轉換為電信號;
[0021]接收經光電轉換處理的電信號;
[0022]對所述電信號進行1-U轉換,得到電壓信號;
[0023]對所述電壓信號進行放大,得到一次放大信號,并對所述一次放大信號進行放大濾波處理,得到二次放大信號;
[0024]對所述二次放大信號進行A/D轉換,得到相應的數字信號;其中,所述數字信號為透射和散射疊加值;
[0025]根據所述數字信號的大小選擇相應的濁度計算模型,基于得到的數字信號計算出吸光度值,并根據所述吸光度值通過所述相應濁度計算模型計算樣本瓶中水樣的濁度值, 以及根據所述濁度值計算樣本瓶中水樣的透明度。
[0026]其中,基于所述數字信號計算出吸光度值的計算公式為
【權利要求】
1.一種基于光學原理的水產養殖濁度探測儀,其特征在于,包括:光學系統、控制系統以及為光學系統、控制系統提供電源的電源系統;所述光學系統包括多個光源發射裝置、盛放樣本瓶的容納槽體以及均與所述光源發射裝置同等數量的準直透鏡、光電探測器;所述容納槽體的槽壁上設有與容納槽體軸線垂直的光源安裝腔和與所述光源安裝腔位置相對的探測器安裝孔;所述光源安裝腔內依次安裝所述光源發射裝置、準直透鏡,所述準直透鏡位于容納槽體和光源發射裝置之間;所述光源發射裝置發出的光線經準直透鏡后垂直入射到容納槽體中樣本瓶里的水樣,所述光電探測器位于通過水樣的光線光路上,探測入射光的透射光強和散射光強并將接收到的光信號轉換為電信號;所述控制系統包括I-U轉換電路、濾波放大電路、A/D轉換電路以及ARM處理單元;所述1-U轉換電路用于將光電探測器傳送的電信號進行1-U轉換,將轉換后得到的電壓信號放大,得到一次放大信號并將所述一次放大信號傳送至濾波放大電路;所述濾波放大電路用于對所述一次放大信號進行放大濾波處理,得到二次放大信號并將所述二次放大信號傳送至A/D轉換電路;所述A/D轉換電路用于對所述二次放大信號進行A/D轉換,得到相應的數字信號并將所述數字信號向ARM處理單元發送,其中,所述數字信號為入射光的透射和散射疊加值;所述ARM處理單元用于接收所述數字信號,根據所述數字信號的大小選擇相應濁度計算模型,基于所述數字信號計算出吸光度值,并根據所述吸光度值通過所述相應濁度計算模型計算樣本瓶中水樣的濁度值,以及根據所述濁度值計算樣本瓶中水樣的透明度。
2.根據權利要求1所述的濁度探測儀,其特征在于,所述容納槽體為圓柱體。
3.根據權利要求1或2所述的濁度探測儀,其特征在于,所述容納槽體的槽壁上設有兩豎排光源安裝腔,每排設有兩個所述光源安裝腔;兩排光源安裝腔所在的平面互相垂直。
4.根據權利要求3所述的濁度探測儀,其特征在于,位于同一排的光源安裝腔均勻分布在容納槽體的槽壁上。
5.根據權利要求1所述的濁度探測儀,其特征在于,所述電源子系統包括第一電源電路以及第二電源電路,所述第一電源電路用于為光源發射裝置提供電源,所述第二電源電路用于為1-U轉換電路、濾波放大電路、A/D轉換電路以及ARM處理單元提供電源。
6.根據權利要求1所述的濁度探測儀,其特征在于,所述控制系統還包括均與所述ARM 處理單元電連接的顯示單元、存儲單元。
7.根據權利要求1所述的濁度探測儀,其特征在于,所述控制系統還包括均與ARM處理單元電連接的GPS模塊以及濁度繪制模塊,所述GPS模塊用于獲取水樣中單點水體的GPS 坐標信息,所述濁度繪制模塊用于將水樣中單點水體的濁度值和GPS坐標信息結合,繪制水樣的整體濁度分布示意圖。
8.一種基于光學原理的水產養殖濁度探測方法,其特征在于,包括:探測入射光的透射光強和散射光強并將接收到的光信號轉換為電信號;接收經光電轉換處理的電信號;對所述電信號進行I-U轉換,得到電壓信號;對所述電壓信號進行放大,得到一次放大信號,并對所述一次放大信號進行放大濾波處理,得到二次放大信號;對所述二次放大信號進行A/D轉換,得到相應的數字信號,其中,所述數字信號為透射和散射疊加值;根據所述數字信號的大小選擇相應濁度計算模型,基于所述數字信號計算出吸光度值,并根據所述吸光度值通過所述相應濁度計算模型計算樣本瓶中水樣的濁度值,以及根據所述濁度值計算樣本瓶中水樣的透明度。
9.根據權利要求8所述的方法,其特征在于,基于所述數字信號計算出吸光度值的計算公式為:A = Ig [Is U ) /Iz ( X )],其中,A為吸光度值,Is(A)為標準液的透射和散射疊加值,Iz(X)為不同濁液的透射和散射疊加值。
10.根據權利要求8或9所述的方法,其特征在于,所述根據所述數字信號的大小選擇相應濁度計算模型包括:判斷所述數字信號是否小于預置閾值;若是,則選擇低濁度計算模型來計算樣本瓶中水樣的濁度;其中,所述低濁度計算模型為:y=1104.9x-18.26,其中x為吸光度,y為濁度值;若否,則選擇高濁度計算模型來計算樣本瓶中水樣的濁度;其中,所述高濁度計算模型為:y=79.02e2 659x,其中x為吸光度,y為濁度值。
11.根據權利要求8 所述的方法,其特征在于,所述方法通過以下關系模型計算樣本瓶中水樣的透明度:y=1769.7x_°_588,其中y為透明度,x為濁度值。
【文檔編號】G01N21/49GK103499539SQ201310450627
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】鄭立華, 張琴, 李民贊, 張瑤, 孫紅, 糜修塵 申請人:中國農業大學