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

摘要

本发明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。

主权项

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。