本发明专利技术公开了一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，装置包括光源模块、光路传输模块、光电转换与信号处理模块和标准浊度液体。该测量方法是光源经高速窄脉冲调制后作用于标准浊度液体，接收90度散射光后作用于光电转换与信号处理模块，获得光子计数值与光飞行时间的统计直方图，并提取统计直方图上的特征参数；根据上述特征参数获取方法对测量装置进行标定，获得装置固有参数；在实际测量时，利用统计测量得到的对应特征参数以及装置固有参数，反演得到被测液体浊度值，从而实现了液体浊度的精准测量。本发明专利技术结构简单、稳定性高、易于实现、测量精度高，且测量速度快、实时性好，为水质在线实时监测提供了技术保障。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了，装置包括光源模块、光路传输模块、光电转换与信号处理模块和标准浊度液体。该测量方法是光源经高速窄脉冲调制后作用于标准浊度液体，接收90度散射光后作用于光电转换与信号处理模块，获得光子计数值与光飞行时间的统计直方图，并提取统计直方图上的特征参数；根据上述特征参数获取方法对测量装置进行标定，获得装置固有参数；在实际测量时，利用统计测量得到的对应特征参数以及装置固有参数，反演得到被测液体浊度值，从而实现了液体浊度的精准测量。本专利技术结构简单、稳定性高、易于实现、测量精度高，且测量速度快、实时性好，为水质在线实时监测提供了技术保障。【专利说明】
本专利技术涉及，属于环境监测
。
技术介绍
浊度(Turbidity)是衡量水质的综合指标，同时也是监测水污染和水体富营养化的一项重要指标。目前，各国广泛将浊度作为水净化效果好坏的标志。虽然水中的无机物、泥砂不一定直接有害健康，但它们能吸附细菌、病毒及寄生虫，是一种潜在的不安全因素。有资料表明，随滤后水的浊度增加，病毒性传染病发病率有增大倾向。美国国家环保(USEPA)进行的研究表明，将出厂水浊度降至0.5NTU，可大大降低原虫的传播，而浊度低于0.3NTU，原虫去除率达99%，当浊度低于0.1NTU时，去除率甚至可高达99.9% 。因此，随着生活水平的不断提高，人们对饮用水低浊度的要求也越来越高。然而，当液体浊度越低，测量时其散射光强也越弱，因此，常用的低灵敏度探测器，如光电倍增管、真空二极管、硅二极管以及硫化镉光导体等都难以满足低浊度液体精确测量的要求，同时在使用时还需要复杂的多级放大电路，以检测微弱的信号，这必将引入非线性误差，影响测量精度。另外，其复杂的电路系统以及耗时的微弱模拟信号处理过程也将导致系统测量的实 时性受限，例如，美国HACH公司推出的1720E型浊度仪，测量时间为1-5分钟，很难实现实时在线测量;另外，HACH公司于80年代末推出一款2100A型实验室浊度仪，其运用钨卤灯作为光源，测量范围为0-1000见^，测量精度可达0.01，但是由于采用了多个用于接收光束的硅光二极管，从不同角度接收散射光信号，其结构十分复杂，难以小型化;与美国、英国、法国、德国、日本等发达国家相比，国内的溶液浊度检测技术研究起步较晚，技术性能与国外浊度检测技术有着非常大的差距。目前，国内常用的溶液浊度检测装置一般是基于浊液的散射光特性进行分析，但是由于光强信息的转化方式以及对转化结果的分析方法的不准确，导致测量结果精度低，稳定性与实时性差，很难适用于对指标要求较高的低浊度溶液实时检测的应用领域。例如，刘建国等公开了一种门限式激光液体浊度测量装置和测量方法，其光电探测器采用了高灵敏度雪崩光电探测模块，能探测较微弱的光信号，但仍存在以下几个问题:首先，上述测量方法采用了门控式的测量装置，需要延时模块以及门控信号，在实际测量时需要精确调节延时模块寻找被测信号，因此，系统结构复杂且操作不便；其次，上述测量方法的光电传感器件输出为微弱的皮安级电流信号，需要精密的电流电压转换以及放大电路，系统的灵敏度与精度受限；最后，上述测量方法未采用基于统计原理的时间相关的方法，因此测量结果稳定性较差。综上所述，国内外的各种浊度测量系统结构复杂，体积较大，很难同时兼顾高精度与实时在线检测；同时，国产浊度计低的测量精度和差的实时性，均很难与国外类似产品的性能相比较，因此设计一种具有自主知识产权的高精度、高灵敏度、快速实时的液体浊度在线测量系统是本专利技术需要解决的一个关键内容。现有技术参考文献:《城市供水水质标准》CJ/T206-2005 讲读 http://www.gaom1.gov.cn/News.Asp ? Id = 12448 Sadarj M.J.Understanding Turbidity Science, Technical InformationSeries, Bookletll ；HachCompany, Loveland, CO，USA, 1996.Hach Company，"I720E Turbidimeter User Manual"，http://www.hach.com/1720e-low-range-process-turbidimeter-turbidity-sensor-only/product-downloads ? id = 7640457219&callback = be(2013) Hach Company, 2IOO-N laboratory turbidimeter applicationinstruction.Hach Company,2100-AN laboratory turbidimeter applicationinstruction.Hach Company，2100-NIS laboratory turbidimeter applicationinstruction.Hach Company, 2100-ANIS laboratory turbidimeter applicationinstruction.刘建国等，〃 一种门限式激光液体浊度测量装置和测量方法〃，http://www2.soopat.com/Patent/201310244241
技术实现思路
本专利技术的主要目的是提供，解决现有浊度测量技术的不足，尤其是解决低浊度测量中溶液的实时在线准确测量，高精度且稳定测量等问题。 本专利技术所采用的技术方案是:，装置包括光源模块、光路传输模块、光电转换与信号处理模块、控制模块、信号发生模块和标准浊度液体；所述光源模块包括光源控制模块、光源；所述光路传输模块包括第一透镜、第二透镜、带通滤光片、光阑；所述光电转换与信号处理模块包括单光子探测模块、时间测量模块、光子计数模块、特征参数提取模块；所述控制模块包括控制器、显示模块和存储模块；所述信号发生模块包括振荡器、窄脉冲发生器；所述振荡器与窄脉冲发生器连接；所述窄脉冲发生器与光源模块内的光源控制模块连接；所述光源控制模块与光源连接；所述光源的输出光经光路传输模块中的第一透镜后，作用于标准浊度液体；所述标准浊度液体的90度散射光被光路传输模块中的第二透镜接收，经过带通滤光片和光阑后，最终被所述光电转换与信号处理模块中的单光子探测模块接收；所述单光子探测模块分别与时间测量模块、光子计数模块连接；所述时间测量模块、光子计数模块分别与特征参数提取模块互相连接；所述特征参数提取模块与控制模块中的控制器互相连接；所述控制器分别与显示模块和存储模块互相连接，并与信号发生模块中的振荡器连接；该方法包括下述步骤:a.所述振荡器产生波形作用于窄脉冲发生器，产生高速窄脉冲信号，作用于光源，产生高速窄脉冲调制光，并由光源控制模块控制所述光源开启与关闭的时间；所述高速窄脉冲调制光经过第一透镜作用于标准浊度液体，所述标准浊度液体的90度散射光被所述第二透镜收集，并依次经带通滤光片和光阑传输，最终被单光子探测模块接收，产生与接收散射光对应的电脉冲信号，实现微弱光信号向电脉冲信号的转换；b.所述振荡器输出波形同时也作用于控制器，作为控制器开启时间测量模块与光子计数模块的同步信本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于时间相关单光子计数的非门控液体浊度测量装置的测量方法，装置包括光源模块（100）、光路传输模块（200）、光电转换与信号处理模块（300）、控制模块（400）、信号发生模块（500）和标准浊度液体（11）；所述光源模块（100）包括光源控制模块（101）、光源（102）；所述光路传输模块（200）包括第一透镜（201A）、第二透镜（201B）、带通滤光片（202）、光阑（203）；所述光电转换与信号处理模块（300）包括单光子探测模块（301）、时间测量模块（302）、光子计数模块（303）、特征参数提取模块（304）；所述控制模块（400）包括控制器（401）、显示模块（402）和存储模块（403）；所述信号发生模块（500）包括振荡器（501）、窄脉冲发生器（502）；所述振荡器（501）与窄脉冲发生器（502）连接；所述窄脉冲发生器（502）与光源模块（100）内的光源控制模块（101）连接；所述光源控制模块（101）与光源（102）连接；所述光源（102）的输出光经光路传输模块（200）中的第一透镜（201A）后，作用于标准浊度液体（11）；所述标准浊度液体（11）的90度散射光被光路传输模块（200）中的第二透镜（201B）接收，经过带通滤光片（202）和光阑（203）后，最终被所述光电转换与信号处理模块（300）中的单光子探测模块（301）接收；所述单光子探测模块（301）分别与时间测量模块（302）、光子计数模块（303）连接；所述时间测量模块（302）、光子计数模块（303）分别与特征参数提取模块（304）互相连接；所述特征参数提取模块（304）与控制模块（400）中的控制器（401）互相连接；所述控制器（401）分别与显示模块（402）和存储模块（403）互相连接，并与信号发生模块（500）中的振荡器（501）连接；其特征在于：该方法包括下述步骤：a. 所述振荡器（501）产生波形作用于窄脉冲发生器（502），产生高速窄脉冲信号，作用于光源（102），产生高速窄脉冲调制光，并由光源控制模块（101）控制所述光源（102）开启与关闭的时间；所述高速窄脉冲调制光经过第一透镜（201A）作用于标准浊度液体（11），所述标准浊度液体（11）的90度散射光被所述第二透镜（201B）收集，并依次经带通滤光片（202）和光阑（203）传输，最终被单光子探测模块（301）接收，产生与接收散射光对应的电脉冲信号，实现微弱光信号向电脉冲信号的转换；b. 所述振荡器（501）输出波形同时也作用于控制器（401），作为控制器（401）开启时间测量模块（302）与光子计数模块（303）的同步信号；在测量时，基于时间测量模块（302），控制器（401）将同步信号的一个整周期均分为若干时间片，并利用光子计数模块（303），记录每个时间片中单光子探测模块（301）输出的电脉冲数目得到光子计数值，获得光子计数值与光飞行时间的统计直方图，简记为统计直方图，并利用特征参数提取模块（304）提取特征参数；c. 控制器（401）利用不同浊度的标准浊度溶液对装置进行标定，统计测量得到不同浊度的标准浊度溶液的特征参数，将特征参数与标准浊度液体的浊度数据进行最小二乘法线性拟合，得到浊度与特征参数的关系：y=kx （1）其中：x：特征参数； y：液体浊度值，单位NTU； k：最小二乘法线性拟合系数；并将得到的最小二乘法线性拟合系数k记为装置固有参数，保存到存储模块（403）；d. 在实际测量液体浊度时，针对被测浊度液，将统计测量得到的对应特征参数x代入到公式（1）中，利用装置标定时获得的装置固有参数k值，得到被测液体浊度值y，存储于存储模块（403），并在显示模块（402）上显示。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王焕钦，杨义新，黄哲，桂华侨，刘建国，曹会彬，王杰，程寅，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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