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散射式浊度仪的研究与设计

王宁馨1李欢1吴莉1钱敏2

（1苏州大学文正学院光电系，江苏苏州215104
2苏州大学物理科技学院，江苏苏州215006）

摘要：介绍了一种散射式浊度仪的原理、结构和设计方法，该仪器以单片机为核心，由电源
电路、发光二极管驱动电路、信号采集和调理电路、显示电路等模块组成，在使用标准浊度
溶液进行标定后可以自动完成对待测溶液浊度的测量和显示。经实验证明，该仪器简单易用，
具有较高的精度和灵敏度，可以满足生产、生活中对液体浊度测量的需求。

关键字：液体浊度；瑞利散射；单片机

1.研究背景

浑浊度是反映液体物理性状的参数之一，与液体中悬浮物的浓度、颗粒的大小、形状、
等有关，例如在水质好坏的检测中，浑浊度就是一项非常重要的指标。我国每年没有处理的
水的排放量是2000亿吨，这些污水造成了90％流经城市的河道受到污染，75％的湖泊富
营养化，并且日益严重。在此背景下，提高水环境监测水平，大力发展水环境监测仪器刻不
容缓。本课题目的是设计一个能应用于环保部门监控、管理环境的散射式浊度仪，通过对水
样的检测，准确及时地反映水质的变化状态。

2.测量原理

美国公共卫生协会将浊度定义为“样品使穿过其中的光发生散射或吸收而不是沿直线穿
透的光学特性的表征”，即水样对光在某方向上的散射和吸收的强度，所以根据光接收方式
测量方法可以分为透射式和散射式测量法。
在透射法中，透射光强度随浊度的变化遵从朗伯-比尔(Lamber-Beer)定律，即透射光随
浊度增加按指数形式衰减：

−KtL

I=gI0e(1)
式中I：浊度为t时透射光强度

Io：入射光强度

K：比例常数

t：浊度

L：试样厚度

g：测量仪器的几何参数
由（1）式可知如果能测量出入射光和透射光的光强，即可计算出液体的浊度值。透射
光式浊度仪的原理简单，仪器的设计方面也比较简单，采用透射式测量可以获得更大的浊度
测量范围，但是在测量较低浊度液体时，由于大部分的光直接透射了，微小的浊度变化引起
的透射光的变化是相当小的[9]，这样对光电接收元件和放大器的分辨率和稳定性的要求就非
常高，低浊度时不易满足，所以透射式测量方法不适合测量低浊度，更适合于测量高浊度水
样，其测量原理图如图1所示。

浊液试样
入射光透射光

光源

图1透射光式测浊法框图

在散射法中，根据瑞利定理，当液体中悬浮颗粒的大小小于入射光波长时，光线将发生
强烈的散射，散射光强度与水样浊度成正比，通过测定经水样的散射光强度，即可测出水样

[10]
的浊度。散射光强Ir、入射光强Io和悬浮粒子浓度等参数之间的关系由（2）式决定：

2
9π2n2−n21+cos2θ
=212（2）
Ir4222vNI0
λrn2+2n12

式中Ir：散射光强度

Io：入射光强度

n1，n2：分别为微粒和水的折射率

λ：入射光的波长

ν：单个微粒的体积

N：单位体积水中的微粒数

θ：散射光和入射光的夹角

r：微粒到散射光强测试点的距离

当水中悬浮颗粒直径大于等于光波波长时，根据Mie散射定理[8]，某一方向上的散射光

IM也与溶液的浓度成正比。

（3）
IM=KMANIO

式中A：微粒表面积

KM：Mie散射的散射系数

N：单位体积水中的微粒数
以上的方法相比，散射光浊度法灵敏度和准确度较高，故在本设计中采用了垂直散射法
进行测量，其测量原理图如2所示：

光检测器件

90o散射光

透
入
射
射浊液试样
光
光

光源

图2垂直散射光式测浊法框图

目前国际上广泛使用福尔马肼溶液作为测量浊度的标准液，该溶液的浓度即为浊度。本

文采用的单位为散射浊度单位：NTU，即1L水中含有1mg的福尔马肼聚合物悬浮物质时，
称为一个散射浊度单位，用1NTU表示。

综上所述，一定波长范围的非相干光通过颗粒大小均匀的福尔马肼标准液，在某一小区
域dx所产生的90o方向的散射光强度与颗粒浓度成正比[20]。

（4）
dIs=K2TIxdx

式中K2为散射系数，T为浊度，Ix为x处的入射光强考虑浊液的厚度一定情况下，又考
虑到二次散射所引起的光强增强和浊液吸收所引起的光强衰减大体持平，其散射光在90o方
向的总散射光强可由式（5）表示。

K2−K1T(x1+ay)−K1T∆x（5）
ISS=IOe(1−e)
K1

式中K1为吸收衰减系数，T为浊度的浊度，∆x为测量光程长

式（5）按泰勒级数展开，并舍去二阶无穷小量，则式（5）可表示为：

（6）
ISS≈K2I0T∆x

由式（6）可知，低浊度情况下，散射光强与浊度成正比（光程一定的情况下）。
散
射
光
强

非线性区
盲区
线性区

0