專利名稱：濁度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種濁度傳感器。
背景技術(shù)：
濁度用于表示水中不同大小、形狀、比重的懸浮物、膠體物質(zhì)和微生物等雜質(zhì)對(duì)光 所產(chǎn)生的效應(yīng)。濁度不僅僅是表示水質(zhì)最重要的物理外觀指標(biāo)，濁度的高低還意味著水中 各種有毒、有害物質(zhì)的含量的高低。由于水中懸浮物等物質(zhì)的存在，使得水體呈現(xiàn)一種不透 明狀態(tài)，濁度測(cè)量就是測(cè)量水體的渾濁程度。當(dāng)一束入射光射進(jìn)水中，由于水中懸浮物的存 在，懸浮物上出現(xiàn)光學(xué)散射現(xiàn)象，依據(jù)水中散射光的強(qiáng)度大小來確定濁度的值，這就是濁度 測(cè)量的原理。隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)控儀表正朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化 以及集成化的方向發(fā)展，用于濁度測(cè)定的濁度傳感器也逐漸向高智能化和高集成度方向發(fā)展?，F(xiàn)有的濁度傳感器均設(shè)有光發(fā)射器和光電接收器，而光發(fā)射器和光電接收器的光 電特性與溫度有很大關(guān)系，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，濁度的測(cè)量的結(jié)果就出現(xiàn)偏差。此外，在濁 度傳感器中，光發(fā)射器發(fā)射的光線和光電接收器接收的光線均要透過窗口玻璃，在長期使 用過程中，窗口玻璃必然會(huì)受到懸浮物的污染而嚴(yán)重影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此濁度 傳感器必須具有清除這些污垢的功能。已有的清除污垢的方法有采用機(jī)械清除的方式， 如中國專利文獻(xiàn)CN2694263Y公開了一種海水現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)濁度傳感器，采用機(jī)械刷清除窗口 玻璃上的污垢，在長期使用過程中，機(jī)械刷必然會(huì)磨損窗口玻璃而影響窗口玻璃的透光效 果，以至影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另有采用超聲波清洗窗口玻璃的方式，如中國專利文獻(xiàn) CN2472225Y公開了一種在線濁度儀檢測(cè)器，通過超聲波振蕩使窗口玻璃上的污垢脫落并隨 流動(dòng)的水樣帶出檢測(cè)器，該檢測(cè)器僅適用于流動(dòng)的水體，對(duì)不具有流動(dòng)性的水體(如水產(chǎn) 養(yǎng)殖水域)，脫落的污垢會(huì)積聚在檢測(cè)器底部從而影響檢測(cè)器的使用，以及測(cè)量的精度。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)濁度測(cè)量的溫度補(bǔ)償、并且能 夠?qū)崿F(xiàn)自清洗功能和對(duì)水質(zhì)濁度的在線監(jiān)測(cè)的濁度傳感器。( 二 )技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種濁度傳感器，包括光學(xué)測(cè)量模塊，用于采集水體的濁度信號(hào)；溫度測(cè)量模塊，用于采集水體的溫度信號(hào)； TEDS存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，所述TEDS參數(shù)包括反映溫度和濁度關(guān)系的校準(zhǔn) 補(bǔ)償參數(shù)； 微處理器，與所述光學(xué)測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊以及TEDS存儲(chǔ)器連接，用于對(duì)所述濁度信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)所述校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)對(duì)處理后的濁度信號(hào)和溫度信 號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理生成濁度值和溫度值。還包括信號(hào)調(diào)理模塊，連接于所述光學(xué)測(cè)量模塊和溫度測(cè)量模塊與微處理器之 間，用于分別對(duì)所述濁度信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行處理，分別生成濁度電壓信號(hào)和溫度電壓信 號(hào)，并發(fā)送至所述微處理器。還包括與所述光學(xué)測(cè)量模塊連接的恒流源，以及與所述恒流源、信號(hào)調(diào)理模塊以 及微處理器連接的電源模塊。還包括與所述微處理器連接的總線接口模塊。其中，所述光學(xué)測(cè)量模塊包括光發(fā)射器、光發(fā)射器窗口玻璃、光電接收器和光電接 收器窗口玻璃，所述光發(fā)射器和光電接收器與傳感器線路板連接，所述光發(fā)射器窗口玻璃 設(shè)置在光發(fā)射器正前方，所述光電接收器窗口玻璃設(shè)置在光電接收器正前方。還包括與所述微處理器連接的超聲波清洗模塊，用于清除所述光發(fā)射器窗口玻 璃和所述光電接收器窗口玻璃上的污垢。所述信號(hào)調(diào)理模塊、TEDS存儲(chǔ)器、恒流源、電源模塊和總線接口模塊集成在傳感器 線路板上，所述傳感器線路板密封在接線盒中；所述光學(xué)測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊和所述超 聲波清洗模塊設(shè)置在接線盒底座中，所述接線盒底座和所述接線盒連接形成密閉空間。其中，所述光學(xué)測(cè)量模塊還包括透鏡，所述透鏡設(shè)置在所述光發(fā)射器和所述光發(fā) 射器窗口玻璃之間。所述接線盒底座與防護(hù)罩連接，所述防護(hù)罩的側(cè)面和底部設(shè)有進(jìn)出水孔。所述超聲波清洗模塊包括超聲波發(fā)生器、振動(dòng)膜和壓蓋，所述超聲波發(fā)生器和壓 蓋設(shè)置在所述接線盒底座上，所述壓蓋固定于所述振動(dòng)膜的周邊，所述振動(dòng)膜、所述光發(fā)射 器窗口玻璃和所述光電接收器窗口玻璃所在的平面互相垂直。還包括通過螺旋壓鉚與所述傳感器線路板連接的四芯電纜，所述螺旋壓鉚與所述 接線盒之間設(shè)有電纜線密封圈，所述接線盒與所述接線盒底座之間設(shè)有接線盒密封圈。所述信號(hào)調(diào)理模塊包括電流轉(zhuǎn)換放大電路，用于將所述濁度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào) 進(jìn)行放大處理生成所述濁度電壓信號(hào)；濾波放大電路，用于對(duì)所述溫度信號(hào)和所述濁度信號(hào)進(jìn)行濾波，并對(duì)濾波后的溫 度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)。其中，所述TEDS存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的TEDS參數(shù)還包括通道信息，所述通道信息和校正補(bǔ) 償參數(shù)符合IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)。所述溫度測(cè)量模塊包括溫度探頭；所述溫度探頭、所述光發(fā)射器和光電接收器均 與所述傳感器線路板連接；所述光發(fā)射器和光電接收器的波峰一致。(三)有益效果通過設(shè)置溫度測(cè)量模塊測(cè)量水體的溫度并根據(jù)TEDS存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的校正補(bǔ)償參 數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)濁度測(cè)量的溫度補(bǔ)償；通過設(shè)置透鏡匯聚光發(fā)射器發(fā)射的光產(chǎn)生平行光束， 光發(fā)射器窗口玻璃和光電接收器窗口玻璃相互垂直，使光電接收器接收的全部是散射光， 能夠提高濁度測(cè)量的精度；通過在傳感器線路板上集成化設(shè)計(jì)，有利于濁度傳感器的微型 化；通過接線盒和接線盒底座的密封設(shè)計(jì)，有利于提高濁度傳感器的防水性和可靠性，能夠在線檢測(cè)(即長時(shí)間連續(xù)工作)；通過設(shè)置防護(hù)罩，減少了外界光源對(duì)濁度測(cè)量的干擾；通 過設(shè)置振動(dòng)膜與光發(fā)射器窗口玻璃和光電接收器窗口玻璃兩兩垂直，能夠獲得最佳的清洗 效果；通過在防護(hù)罩底面設(shè)置進(jìn)出水孔可以將超聲波清洗模塊清洗下來的污垢自動(dòng)排除； 通過數(shù)字總線輸送信號(hào)，擴(kuò)充了測(cè)量范圍。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的濁度傳感器的模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的濁度傳感器的外部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖2所示的濁度傳感器的底部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖2所示的濁度傳感器的分解示意圖；圖5是圖4所示的濁度傳感器的接線盒底座的底部仰視圖；圖6是圖2所示的濁度傳感器的剖視圖；圖7是圖2所示的濁度傳感器旋轉(zhuǎn)90度后的剖視圖；圖8是本發(fā)明實(shí)施例的濁度傳感器的微處理器的工作流程圖；圖9是本發(fā)明實(shí)施例的濁度傳感器的校正補(bǔ)償流程圖。其中，1 溫度測(cè)量模塊；2 光學(xué)測(cè)量模塊；3 恒流源；4 信號(hào)調(diào)理模塊；5 微處理 器；6 :TEDS存儲(chǔ)器；7 總線接口模塊；8 超聲波清洗模塊；9 電源模塊；10 電流轉(zhuǎn)換放大 電路；11 濾波放大電路；12 四芯電纜；13 螺旋壓鉚；14 接線盒；15 防護(hù)罩；16 進(jìn)出水 孔；17 防護(hù)罩底部；18 進(jìn)出水孔；19 接線盒密封圈；20 接線盒底座；21 光電接收器窗 口玻璃；22 振動(dòng)膜；23 壓蓋；24 光發(fā)射器窗口玻璃；25 防護(hù)罩密封圈；26 透鏡；27 光 發(fā)射器；28 光電接收器；29 電纜線密封圈；30 傳感器線路板；31 超聲波發(fā)生器；32 溫 度探頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本實(shí)施例的濁度傳感器包括光學(xué)測(cè)量模塊2，用于采集水體的濁度 信號(hào)，濁度信號(hào)的形式為電流信號(hào)；溫度測(cè)量模塊1，用于采集水體的溫度信號(hào)，溫度信號(hào) 的形式為電壓信號(hào)；傳感器電子數(shù)據(jù)表格(Transducer Electronic Data Sheet, TEDS)存 儲(chǔ)器6，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，TEDS參數(shù)包括符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的通道信息以及反映溫度 和濁度關(guān)系的校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)；信號(hào)調(diào)理模塊4，連接于光學(xué)測(cè)量模塊2和溫度測(cè)量模塊1與 微處理器5之間，用于分別對(duì)濁度信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行處理，分別生成濁度電壓信號(hào)和溫 度電壓信號(hào)，并發(fā)送至微處理器5 ；微處理器5，與TEDS存儲(chǔ)器6相連接，還通過信號(hào)調(diào)理模 塊4分別與光學(xué)測(cè)量模塊2和溫度測(cè)量模塊1連接，用于對(duì)來自信號(hào)調(diào)理模塊4的濁度電 壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并根據(jù)TEDS存儲(chǔ)器6中存儲(chǔ)的校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)對(duì) 處理后的濁度電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理生成濁度值和溫度值。本實(shí)施例還包括恒流源3，與光學(xué)測(cè)量模塊2連接，用于向光學(xué)測(cè)量模塊2提供 恒流電源；電源模塊9，與恒流源3、信號(hào)調(diào)理模塊4以及微處理器5連接，用于向恒流源3、 信號(hào)調(diào)理模塊4以及微處理器5提供穩(wěn)定的電源電壓。
進(jìn)一步地，本實(shí)施例還包括總線接口模塊7，與微處理器5連接，用于輸出微處理 器5生成的經(jīng)過校正補(bǔ)償后的濁度值和溫度值。再如圖6、圖7所示，在上述技術(shù)方案中，光學(xué)測(cè)量模塊2包括光發(fā)射器27、光發(fā)射 器窗口玻璃24、光電接收器28和光電接收器窗口玻璃21，光發(fā)射器27和光發(fā)射器窗口玻 璃24之間還設(shè)置有透鏡26。其中光發(fā)射器27和光電接收器28與傳感器線路板30連接， 光發(fā)射器窗口玻璃24設(shè)置在光發(fā)射器27的正前方，光電接收器窗口玻璃21設(shè)置在光電接 收器28的正前方。優(yōu)選地，本實(shí)施例還包括超聲波清洗模塊8，與微處理器5連接，用于在微處理器 5的控制下，清除光發(fā)射器窗口玻璃24和光電接收器窗口玻璃21上的污垢，實(shí)現(xiàn)自清洗功 能。在上述方案中，信號(hào)調(diào)理模塊4包括電流轉(zhuǎn)換放大電路10和濾波放大電路11，電 流轉(zhuǎn)換放大電路10用于將光學(xué)測(cè)量模塊2采集的電流信號(hào)形式的濁度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信 號(hào)并對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理生成濁度電壓信號(hào)，濾波放大電路11用于對(duì)溫度信號(hào)和 濁度信號(hào)進(jìn)行濾波，并對(duì)濾波后的溫度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)，溫度測(cè)量模 塊1采集的溫度信號(hào)先進(jìn)入濾波放大電路11再進(jìn)入電流轉(zhuǎn)換放大電路10。如圖2和圖3所示，本實(shí)施例的濁度傳感器包括四芯電纜12、螺旋壓鉚13、接線盒 14、接線盒底座20和防護(hù)罩15，四芯電纜12通過螺旋壓鉚13連接到接線盒14，接線盒14、 接線盒底座20和防護(hù)罩15依次相連形成一體結(jié)構(gòu)。其中，防護(hù)罩15的側(cè)面上設(shè)有進(jìn)出水 孔16，防護(hù)罩底部17上設(shè)有進(jìn)出水孔18，進(jìn)出水孔16和進(jìn)出水孔18均可以設(shè)置多個(gè)，優(yōu) 選為圓周分布，用于被測(cè)水體進(jìn)出。如圖4和圖5所示，在本實(shí)施例中，螺旋壓鉚13和接線盒14之間設(shè)有電纜線密封 圈29，接線盒14和接線盒底座20之間設(shè)有接線盒密封圈19，接線盒底座20和防護(hù)罩15之 間設(shè)有防護(hù)罩密封圈25。接線盒密封圈19、電纜線密封圈29和防護(hù)罩密封圈25可以保證 整個(gè)濁度傳感器防水性能好，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68，濁度傳感器內(nèi)部電子器件與水完全隔離， 使?jié)岫葌鞲衅骺梢越]于水體中工作，以便測(cè)定水體中不同深度的濁度和溫度。接線盒底 座20上設(shè)有光電接收器窗口玻璃21、振動(dòng)膜22、壓蓋23和光發(fā)射器窗口玻璃24，壓蓋23 將振動(dòng)膜22的周邊固定在接線盒底座20上，振動(dòng)膜22、光發(fā)射器窗口玻璃24和光電接收 器窗口玻璃21所在的平面互相垂直。如圖6所示，在本實(shí)施例中，在接線盒14內(nèi)部設(shè)有傳感器線路板30，信號(hào)調(diào)理模塊 4、TEDS存儲(chǔ)器6、恒流源3、電源模塊9和總線接口模塊7集成在傳感器線路板30上，光學(xué) 測(cè)量模塊2、溫度測(cè)量模塊1和超聲波清洗模塊8設(shè)置在接線盒底座20中，接線盒底座20 和接線盒14連接形成密閉空間。優(yōu)選地，光學(xué)測(cè)量模塊2的光發(fā)射器27采用紅外線發(fā)光 二極管，光學(xué)測(cè)量模塊2的光電接收器28采用硅光電池，光發(fā)射器27和光電接收器28分 別與傳感器線路板30相連。溫度測(cè)量模塊1包括溫度探頭32，溫度探頭32與傳感器線路 板30相連。透鏡26用于匯聚光發(fā)射器27發(fā)射的光。這樣，光發(fā)射器27發(fā)射的光先經(jīng)過 透鏡26的匯聚形成平行光束，再透過光發(fā)射器窗口玻璃24在水體中散射，光電接收器28 接收透過光電接收器窗口玻璃21的散射光。光電接收器28將接收到的散射光轉(zhuǎn)換成電信 號(hào)傳輸至傳感器線路板30。溫度探頭32采集的溫度信號(hào)也傳輸至傳感器線路板30。如圖7所示，超聲波清洗模塊8包括超聲波發(fā)生器31、振動(dòng)膜22和壓蓋23，超聲
7波發(fā)生器31和壓蓋23設(shè)置在接線盒底座20上，振動(dòng)膜22位于超聲波發(fā)生器31正前方， 壓蓋23用于固定振動(dòng)膜22的周邊，超聲波發(fā)生器31與傳感器線路板30相連。結(jié)合圖6 和圖7也可以看出，振動(dòng)膜22、光發(fā)射器窗口玻璃24和光電接收器窗口玻璃21所在的平面 互相垂直。超聲波清洗模塊8清洗的光發(fā)射器窗口玻璃24和光電接收器窗口玻璃21上的 污垢在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，可以通過防護(hù)罩15底部的進(jìn)出水孔18自動(dòng)排出，不需要設(shè)置 專門的污垢排泄裝置，提高了濁度傳感器濁度測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且可以長期定點(diǎn)、無人 值守地進(jìn)行濁度的測(cè)量。此外，光發(fā)射器27和光電接收器28的波峰一致，這樣可以獲得更 好的測(cè)量效果。在本實(shí)施例中，防護(hù)罩15除了設(shè)置進(jìn)出水孔16，18用于被測(cè)水體進(jìn)出外，還用于 屏蔽外界光源，減少外界光源對(duì)光學(xué)測(cè)量模塊2工作的干擾。因此，為了更好的測(cè)量效果， 進(jìn)出水孔16在防護(hù)罩15上的位置高于光電接收器窗口玻璃21，進(jìn)出水孔18在防護(hù)罩底部 17的分布靠近邊緣。在本實(shí)施例中，總線接口模塊7采用RS485總線接口，總線接口模塊7在協(xié)議上支 持IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)，傳感器線路板30通過四芯電纜12連接電源、接地以及連接總線接口 模塊7中的RS485總線接口的正極和負(fù)極，總線接口模塊7可實(shí)現(xiàn)即插即用功能。為增強(qiáng)系統(tǒng)的集成度，微處理器5可采用美國TI公司的MSP430系列單片機(jī)集成 電路芯片，也可以采用其它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理和控制的芯片。其中，MSP430系列單片機(jī)是 TI公司研發(fā)的16位超低功耗單片機(jī)，非常適合各種功率要求低的場(chǎng)合，特別適合于電池 應(yīng)用的場(chǎng)合或手持設(shè)備。該單片機(jī)在1. 8V 3. 6V電壓、IMHz的時(shí)鐘條件下，耗電電流在 0. 1 400 μ A之間；含有P。 ？6共7個(gè)I/O 口、2個(gè)定時(shí)器Timer A,Timer B、1個(gè)看門狗， 內(nèi)部集成2K的RAM和60K的Flash，MSP430系列的Flash，可十萬次重復(fù)編程；MSP430系列 單片機(jī)均為工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，運(yùn)行環(huán)境溫度為_40°C +85°C。MSP430單片機(jī)具有12位8路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)功能和DMA控制單元，可以分別為系統(tǒng) 采樣電路和數(shù)據(jù)傳輸部分采用，使得系統(tǒng)的硬件電路更加集成化、小型化?？赏ㄟ^MSP430 單片機(jī)內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)濁度電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換生成數(shù)字化的 濁度電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)，由于上述轉(zhuǎn)換后的結(jié)果可在微處理器5內(nèi)部通過軟件實(shí)現(xiàn) 的數(shù)字濾波來消除光發(fā)射器27、光電接收器28和溫度探頭32由于自身工作環(huán)境改變而引 起的采集的數(shù)據(jù)信號(hào)的變化，因此可保證數(shù)據(jù)客觀準(zhǔn)確。在本實(shí)施例中，恒流源3采用可調(diào)型低壓差線性集成穩(wěn)壓器LT1117，電流轉(zhuǎn)換 放大電路采用美國微芯科技公司(MicrochipTechnology Inc.)生產(chǎn)的精密運(yùn)算放大器 MCP6031。符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的通道信息可以采用Channe 1-TEDS，符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn) 的校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)可以采用Calibration-TEDS。另外，TEDS參數(shù)還可以包括Meta-TEDS。IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)定義的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器包括智能傳感器接口模塊(Smart Transducer Interface Module，STIM)禾口網(wǎng)絡(luò)適配器模塊(Network Capable Application Processor, NCAP)兩部分，智能傳感器接口模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊可通過傳感獨(dú)立接口 (Transducerlndependent Interface,TII)相連。智能傳感器接口模塊通過傳感器電子數(shù) 據(jù)表格(TEDS)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀入和參數(shù)的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的“即插即用”功能。本實(shí)施例的濁度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)IEEE1451. 2中定義的智能傳感器接口模塊的功能，使用的部件是支持IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的TEDS存儲(chǔ)器6和總線接口模塊7。其中，TEDS存 儲(chǔ)器6能夠?qū)?duì)光電接收器28和溫度探頭32的標(biāo)定以及數(shù)據(jù)的校正等工作轉(zhuǎn)化為微處理 器5承擔(dān)的例行任務(wù)，TEDS存儲(chǔ)器6是濁度傳感器實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償?shù)戎悄芄δ艿幕A(chǔ)。本實(shí)施例的濁度傳感器的總線接口模塊7采用的是目前應(yīng)用廣泛的RS485總線接 口，該RS485總線接口連接了熱拔插電路，可以實(shí)現(xiàn)RS485總線接口的熱拔插。通過該總線 接口模塊7可以與上位機(jī)或其它設(shè)備進(jìn)行通訊。由于微處理器5采用MSP430單片機(jī)不能 直接連接RS485總線接口，因此在MSP430單片機(jī)與RS485總線接口之間設(shè)置RS485轉(zhuǎn)換電 路，用于將微處理器5的接口轉(zhuǎn)換為RS485總線接口。RS485轉(zhuǎn)換電路可采用美國TI公司 生產(chǎn)的一種RS485總線接口芯片SN75LBC184芯片。為了方便TEDS存儲(chǔ)器6中存儲(chǔ)內(nèi)容的 升級(jí)與更新，采用異步串行接口來下載TEDS并通過I2C總線轉(zhuǎn)存至FM24CL16鐵電存儲(chǔ)器 中。本實(shí)施例的濁度傳感器在實(shí)現(xiàn)智能傳感器接口模塊功能方面，主要是通過TEDS 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)中TEDS是核心內(nèi)容之一，其是一種嵌入于智能傳 感器接口模塊內(nèi)的表格，完整定義了智能傳感器接口模塊各個(gè)部分邏輯信息存儲(chǔ)和互操作 格式，也是對(duì)智能傳感器接口模塊各通道傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行校正的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)符合 標(biāo)準(zhǔn)的傳感器自身帶有內(nèi)部信息，具體包括制造商、數(shù)據(jù)代碼、序列號(hào)、使用的極限以及校 準(zhǔn)系數(shù)等。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，上述內(nèi)部信息可以被提供給網(wǎng)絡(luò)適配器模塊以及系統(tǒng)其它部分。 TEDS分為8個(gè)可尋址部分，其中兩個(gè)必備的電子數(shù)據(jù)表格是=Meta-TEDS和Charmel-TEDS， 其余可按需要進(jìn)行選擇。Meta-TEDS用于描繪TEDS信息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、支持的通道數(shù)和通道極 限時(shí)間參數(shù)等有關(guān)智能傳感器接口模塊的總體信息；每個(gè)智能傳感器接口模塊通道包括1 個(gè)Charmel-TEDS，主要用于描述每個(gè)通道的具體信息，如描述通道物理屬性、糾正類型、返 回?cái)?shù)據(jù)類型和格式通道的定時(shí)信息等。Calibration-TEDS用于存放校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)，以實(shí)現(xiàn) 傳感器的自校正功能。本實(shí)施例的濁度傳感器為了實(shí)現(xiàn)自校正功能，在TEDS存儲(chǔ)器6中存儲(chǔ)有符合IEEE 1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的Channel-TEDS和Calibration-TEDS0另外，TEDS存儲(chǔ)器6還存儲(chǔ)有符合 IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)的Meta-TEDS。其中，Calibration-TEDS用于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，它用于存放 溫度在O 40°C范圍的水體中濁度值與濁度電壓信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)曲線，該對(duì)應(yīng)曲線是事先 在標(biāo)準(zhǔn)溶液中測(cè)量所得的數(shù)值形成的。如圖8所示，本實(shí)施例的濁度傳感器的微處理器5的工作流程具體包括首先，上 電初始化硬件狀態(tài)，調(diào)出存儲(chǔ)在FM24CL16鐵電存儲(chǔ)器中的TEDS參數(shù)，根據(jù)TEDS參數(shù)識(shí)別 探頭類型、制造商、序列號(hào)、通道數(shù)、物理類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等，更具體地說是根據(jù)TEDS參數(shù) 中的Meta-TEDS識(shí)別探頭類型、制造商、序列號(hào)、通道數(shù)、物理類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等；其次，通 過自診斷程序測(cè)量電源電壓、探頭接口等信號(hào)，判斷濁度傳感器是否存在故障；然后，為了 降低功耗，微處理器5控制外部設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)(也稱低功耗模式)，等待任務(wù)觸發(fā)。將 系統(tǒng)由休眠狀態(tài)喚醒的方式有兩種一種是在定時(shí)觸發(fā)采集請(qǐng)求下，進(jìn)行模擬/數(shù)字(A/ D)數(shù)據(jù)采集并執(zhí)行相應(yīng)數(shù)據(jù)處理，包括濁度和溫度的標(biāo)定及補(bǔ)償；另一種是通過串行接口 接收外部設(shè)置參數(shù)、觸發(fā)測(cè)量、讀出參數(shù)與測(cè)量結(jié)果的請(qǐng)求，即智能傳感器接口模塊服務(wù)程 序。如圖9所示，為本實(shí)施例的濁度傳感器的校正補(bǔ)償(溫度補(bǔ)償)流程圖，溫度補(bǔ)償是本實(shí)施例的濁度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)的重要功能，在此，以使用福爾馬阱(Formazin)溶液在 溫度為20°C時(shí)測(cè)量的濁度為基準(zhǔn)，TEDS存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)有溫度在20°C時(shí)濁度值和濁度電壓 信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線，經(jīng)補(bǔ)償后得到溫度在20°C時(shí)的濁度值。實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償主要是通過微處理 器中的數(shù)據(jù)處理子程序模塊，具體步驟包括Si、讀取對(duì)溫度探頭32輸出的溫度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后生成的溫度電壓信號(hào)X，同時(shí)， 讀取對(duì)光電接收器28輸出的濁度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后生成的濁度電壓信號(hào)y ；分別讀取三次， 得到三組溫度、濁度電壓信號(hào)=Ix^y1 ；x2>y2 ；x3>y3}；
yx = axf +bxx+cS2、解聯(lián)立方程式< _y2 = OX22 +bx2+c，得到修正系數(shù)a，b，c和濁度隨溫度變化的電
y3 = axl + bx3 + c
壓信號(hào)計(jì)算公式-.1 = ax2+bx+c ；S3、根據(jù)溫度電壓信號(hào)和溫度的對(duì)應(yīng)曲線得到溫度在20°C時(shí)的溫度電壓信號(hào)x2Q ；S4、將溫度電壓信號(hào)X2tl代入計(jì)算公式y(tǒng) = aX2+bX+c，得到溫度在20°C時(shí)的濁度電 壓信號(hào)y2(1 ；S5、根據(jù)溫度在20°C時(shí)的濁度值和濁度電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)曲線對(duì)濁度電壓信號(hào)y2Q 進(jìn)行計(jì)算得出20°C時(shí)水體的濁度值。通過上述實(shí)施例可以看出，本實(shí)施例的濁度傳感器既設(shè)有光學(xué)測(cè)量模塊又設(shè)有溫 度測(cè)量模塊，因此能夠同時(shí)對(duì)一個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度和濁度測(cè)量，保證被測(cè)點(diǎn)位置上的同一性 和參數(shù)在時(shí)間上的實(shí)時(shí)性，適應(yīng)了自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的檢測(cè)要求。本實(shí)施例的濁度傳感器設(shè) 置的超聲波清洗模塊，能夠有效地清除光發(fā)射器窗口玻璃和光電接收器窗口玻璃上的污 垢，并且污垢能夠自動(dòng)排出，提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)長期定點(diǎn)、無人值守地進(jìn)行 濁度的測(cè)量。本實(shí)施例的濁度傳感器采用單片機(jī)技術(shù)和光電檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，簡(jiǎn)化了硬件 電路，擴(kuò)充了測(cè)量功能，并采用IEEE1451的自補(bǔ)償方法，能夠保證溫度電壓信號(hào)和濁度電 壓信號(hào)獲取的同時(shí)性，并通過內(nèi)嵌的補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了濁度測(cè)量精度。而且本 實(shí)施例的濁度傳感器采用全數(shù)字總線傳送信號(hào)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中傳感器輸出4 20mA模 擬電流標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)導(dǎo)致的分辨率低而限制測(cè)量范圍的問題，擴(kuò)充了測(cè)量范圍。本實(shí)施例的濁 度傳感器采用基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，利用智能傳感器接口模塊和電子 數(shù)據(jù)表格進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀入和執(zhí)行器參數(shù)的設(shè)定來實(shí)現(xiàn)傳感器的“即插即用”功能。本實(shí)施例的濁度傳感器通過設(shè)置透鏡匯聚光發(fā)射器發(fā)射的光產(chǎn)生平行光束，能夠 提高濁度測(cè)量的精度；通過在傳感器線路板上集成化設(shè)計(jì)，有利于濁度傳感器的微型化； 通過接線盒和接線盒底座的密封設(shè)計(jì)，有利于提高濁度傳感器的防水性和可靠性，能夠在 線檢測(cè)；通過設(shè)置防護(hù)罩，減少了外界光源對(duì)濁度測(cè)量的干擾。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.濁度傳感器，其特征在于，包括光學(xué)測(cè)量模塊(2)，用于采集水體的濁度信號(hào)；溫度測(cè)量模塊(1)，用于采集水體的溫度信號(hào)；TEDS存儲(chǔ)器(6)，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，所述TEDS參數(shù)包括反映溫度和濁度關(guān)系的校準(zhǔn) 補(bǔ)償參數(shù)；微處理器(5)，與所述光學(xué)測(cè)量模塊(2)、溫度測(cè)量模塊(1)以及TEDS存儲(chǔ)器(6)連接， 用于對(duì)所述濁度信號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行處理，并根據(jù)所述校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)對(duì)處理后的濁度信號(hào) 和溫度信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理生成濁度值和溫度值。
2.如權(quán)利要求1所述的濁度傳感器，其特征在于，還包括信號(hào)調(diào)理模塊(4)，連接于 所述光學(xué)測(cè)量模塊(2)和溫度測(cè)量模塊(1)與微處理器(5)之間，用于分別對(duì)所述濁度信 號(hào)和溫度信號(hào)進(jìn)行處理，分別生成濁度電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)，并發(fā)送至所述微處理器 (5)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的濁度傳感器，其特征在于，還包括與所述光學(xué)測(cè)量模塊 (2)連接的恒流源(3)，以及與所述恒流源(3)、信號(hào)調(diào)理模塊(4)以及微處理器(5)連接的 電源模塊(9)。
4.如權(quán)利要求1所述的濁度傳感器，其特征在于，還包括與所述微處理器(5)連接的 總線接口模塊⑵。
5.如權(quán)利要求1所述的濁度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)測(cè)量模塊(2)包括光發(fā)射器 (27)、光發(fā)射器窗口玻璃(24)、光電接收器(28)和光電接收器窗口玻璃(21)，所述光發(fā)射 器(27)和光電接收器(28)與傳感器線路板(30)連接，所述光發(fā)射器窗口玻璃(24)設(shè)置 在光發(fā)射器(27)正前方，所述光電接收器窗口玻璃(21)設(shè)置在光電接收器(28)正前方。
6.如權(quán)利要求5所述的濁度傳感器，其特征在于，還包括與所述微處理器(5)連接 的超聲波清洗模塊(8)，用于清除所述光發(fā)射器窗口玻璃(24)和所述光電接收器窗口玻璃 (21)上的污垢。
7.如權(quán)利要求1-6任一所述的濁度傳感器，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理模塊(4)、TEDS 存儲(chǔ)器(6)、恒流源(3)、電源模塊(9)和總線接口模塊(7)集成在所述傳感器線路板(30) 上，所述傳感器線路板(30)密封在接線盒(14)中；所述光學(xué)測(cè)量模塊(2)、溫度測(cè)量模塊 (1)和所述超聲波清洗模塊(8)設(shè)置在接線盒底座(20)中，所述接線盒底座(20)和所述接 線盒(14)連接形成密閉空間。
8.如權(quán)利要求5所述的濁度傳感器，其特征在于，所述光學(xué)測(cè)量模塊(2)還包括透鏡 (26)，所述透鏡(26)設(shè)置在所述光發(fā)射器(27)和所述光發(fā)射器窗口玻璃(24)之間。
9.如權(quán)利要求7所述的濁度傳感器，其特征在于，所述接線盒底座(20)與防護(hù)罩(15) 連接，所述防護(hù)罩(15)的側(cè)面和底部設(shè)有進(jìn)出水孔(16，18)。
10.如權(quán)利要求6所述的濁度傳感器，其特征在于，所述超聲波清洗模塊(8)包括超聲 波發(fā)生器(31)、振動(dòng)膜(22)和壓蓋(23)，所述超聲波發(fā)生器(31)和壓蓋(23)設(shè)置在接線 盒底座(20)上，所述壓蓋(23)固定于所述振動(dòng)膜(22)的周邊，所述振動(dòng)膜(22)、所述光發(fā) 射器窗口玻璃(24)和所述光電接收器窗口玻璃(21)所在的平面互相垂直。
11.如權(quán)利要求7所述的濁度傳感器，其特征在于，還包括通過螺旋壓鉚(13)與所述傳 感器線路板(30)連接的四芯電纜(12)，所述螺旋壓鉚(13)與所述接線盒(14)之間設(shè)有電纜線密封圈(29)，所述接線盒(14)與所述接線盒底座(20)之間設(shè)有接線盒密封圈(19)。
12.如權(quán)利要求2所述的濁度傳感器，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理模塊(4)包括 電流轉(zhuǎn)換放大電路(10)，用于將所述濁度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并對(duì)轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理生成所述濁度電壓信號(hào)；濾波放大電路(11)，用于對(duì)所述溫度信號(hào)和所述濁度信號(hào)進(jìn)行濾波，并對(duì)濾波后的溫 度信號(hào)進(jìn)行放大處理生成溫度電壓信號(hào)。
13.如權(quán)利要求1所述的濁度傳感器，其特征在于，所述TEDS存儲(chǔ)器(6)存儲(chǔ)的TEDS 參數(shù)還包括通道信息，所述通道信息和校正補(bǔ)償參數(shù)符合IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)。
14.如權(quán)利要求5所述的濁度傳感器，其特征在于，所述溫度測(cè)量模塊(1)包括溫度探 頭(32)；所述溫度探頭(32)、所述光發(fā)射器(27)和光電接收器(28)均與所述傳感器線路 板(30)連接；所述光發(fā)射器(27)和光電接收器(28)的波峰一致。
全文摘要
本發(fā)明涉及傳感器測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體公開了一種濁度傳感器，包括光學(xué)測(cè)量模塊，用于采集水體的濁度信號(hào)；溫度測(cè)量模塊，用于采集水體的溫度信號(hào)；傳感器電子數(shù)據(jù)表格TEDS存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)TEDS參數(shù)，TEDS參數(shù)包括反映溫度和濁度關(guān)系的校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)；以及微處理器，與所述光學(xué)測(cè)量模塊、溫度測(cè)量模塊以及TEDS存儲(chǔ)器連接，用于對(duì)濁度電壓信號(hào)和溫度電壓信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，并根據(jù)校準(zhǔn)補(bǔ)償參數(shù)計(jì)算處理生成濁度值。本發(fā)明的濁度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量的濁度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了濁度測(cè)量精度，而且具有自清洗功能，可以對(duì)水質(zhì)濁度在線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/01GK102004077SQ20101050465
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月8日
發(fā)明者丁啟勝, 臺(tái)海江, 李道亮, 趙霖林, 馬道坤 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)