技術(shù)文章
TECHNICAL ARTICLES低濁度傳感器的量程漂移(即傳感器在測(cè)量不同濃度標(biāo)準(zhǔn)液時(shí),實(shí)際讀數(shù)與理論值的偏差隨濁度升高而呈現(xiàn)規(guī)律性偏離,如線性度變差、斜率改變),主要與光學(xué)系統(tǒng)非線性、硬件性能衰減、標(biāo)定誤差及工況干擾等因素相關(guān)。以下是具體原因分析:
一、光學(xué)系統(tǒng)的非線性變化
光源強(qiáng)度衰減的非線性
激光或 LED 光源長(zhǎng)期使用后,發(fā)光強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減,但衰減過(guò)程并非萬(wàn)全線性。例如,低功率時(shí)衰減較慢,高功率時(shí)衰減加速,導(dǎo)致:
低濁度段(如 0~0.5 NTU)信號(hào)衰減較小,讀數(shù)偏差不大;
高濁度段(如 1~5 NTU)因光源強(qiáng)度不足,散射光信號(hào)被低估,表現(xiàn)為量程末端讀數(shù)偏低(即 “斜率變小")。
光學(xué)元件污染的累積效應(yīng)
鏡片表面的污染物(如微生物膜、礦物質(zhì)沉積)會(huì)同時(shí)吸收和散射光線,且這種影響隨濁度升高而加劇:
低濁度時(shí),污染物的散射作用較弱,對(duì)讀數(shù)影響較?。?/span>
高濁度時(shí),污染物會(huì)額外吸收部分散射光,導(dǎo)致傳感器對(duì)真實(shí)濁度的響應(yīng)靈敏度下降,讀數(shù)普遍偏低(如 5 NTU 標(biāo)準(zhǔn)液僅顯示 4.5 NTU),形成量程漂移。
光路散射角度的偏移
傳感器的散射光探測(cè)器通常針對(duì)特定角度(如 90°)設(shè)計(jì),若光源與探測(cè)器的相對(duì)位置因震動(dòng)、溫度形變發(fā)生微小偏移,會(huì)導(dǎo)致:
低濁度時(shí),散射光較弱,角度偏移的影響不明顯;
高濁度時(shí),散射光分布范圍擴(kuò)大,角度偏移導(dǎo)致探測(cè)器接收的光信號(hào)比例改變(如接收過(guò)多或過(guò)少),使高濃度段讀數(shù)與真實(shí)值的偏差增大(如 10 NTU 標(biāo)準(zhǔn)液顯示 9 NTU 或 11 NTU)。
二、硬件與電子系統(tǒng)的性能衰減
探測(cè)器靈敏度的非線性下降
光電探測(cè)器(如光電二極管)的靈敏度會(huì)隨使用時(shí)間下降,且對(duì)強(qiáng)光(高濁度對(duì)應(yīng)的強(qiáng)散射光)的響應(yīng)衰減可能更快:
低濁度時(shí),散射光信號(hào)弱,靈敏度下降的影響較??;
高濁度時(shí),探測(cè)器對(duì)強(qiáng)光的轉(zhuǎn)化效率降低,導(dǎo)致信號(hào)放大后的讀數(shù)偏低,形成量程末端的漂移(如線性關(guān)系從 “y=1.0x" 變?yōu)?“y=0.95x+0.02")。
信號(hào)放大電路的增益漂移
傳感器的信號(hào)放大電路(如運(yùn)算放大器、可變電阻)負(fù)責(zé)將微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并放大。若元件老化(如電阻精度下降、電容漏電),會(huì)導(dǎo)致放大增益隨信號(hào)強(qiáng)度變化而不穩(wěn)定:
低濁度對(duì)應(yīng)弱信號(hào),增益偏差影響較?。?/span>
高濁度對(duì)應(yīng)強(qiáng)信號(hào),增益異常(如增益不足)會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)被壓縮,表現(xiàn)為高濃度段的線性偏差(如 5 NTU 實(shí)際顯示 4.8 NTU,10 NTU 顯示 9.5 NTU,偏差隨濃度升高而增大)。
溫度對(duì)電子元件的影響
溫度波動(dòng)不僅影響光學(xué)系統(tǒng),還會(huì)改變電路中半導(dǎo)體元件的特性(如三極管的放大倍數(shù)、二極管的導(dǎo)通電壓):
低濁度測(cè)量時(shí),信號(hào)處理電路負(fù)荷低,溫度影響較弱;
高濁度時(shí),電路需處理更強(qiáng)的信號(hào),溫度敏感性增加,可能導(dǎo)致增益隨溫度波動(dòng)而偏移,進(jìn)而引發(fā)量程漂移(如溫度每升高 5℃,10 NTU 讀數(shù)偏差增加 0.1 NTU)。
三、標(biāo)定與操作因素
標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)液的誤差
若標(biāo)定時(shí)使用的標(biāo)準(zhǔn)液存在問(wèn)題:
低濃度標(biāo)準(zhǔn)液(如 0.1 NTU)不準(zhǔn)確,可能僅影響零點(diǎn);
高濃度標(biāo)準(zhǔn)液(如 5 NTU)濃度偏差(如實(shí)際為 5.2 NTU 卻按 5 NTU 標(biāo)定),會(huì)直接導(dǎo)致高濁度段的量程漂移(如測(cè)量真實(shí) 5 NTU 水樣時(shí)顯示 4.8 NTU)。
標(biāo)準(zhǔn)液保存不當(dāng)(如受污染、濃度隨時(shí)間變化)也會(huì)引發(fā)類似問(wèn)題。
標(biāo)定流程不完整
低濁度傳感器通常需要兩點(diǎn)或多點(diǎn)標(biāo)定(如零點(diǎn) + 1 NTU+5 NTU),若僅標(biāo)定零點(diǎn)和低濃度點(diǎn)(如 0 和 1 NTU),未對(duì)高濃度點(diǎn)校準(zhǔn):
光學(xué)系統(tǒng)或電路的非線性誤差會(huì)在高濁度段累積,導(dǎo)致量程漂移(如理論線性關(guān)系被誤判為非線性,高濃度段讀數(shù)偏離)。
安裝與流通池污染
傳感器流通池內(nèi)壁若有結(jié)垢或殘留污染物,會(huì)對(duì)高濁度水樣的散射光產(chǎn)生 “疊加效應(yīng)":
低濁度時(shí),水樣本身散射弱,流通池污染的影響可忽略;
高濁度時(shí),水樣散射光與流通池污染的散射光疊加,導(dǎo)致讀數(shù)偏高(如 5 NTU 實(shí)際顯示 5.3 NTU),且偏差隨濁度升高而增大。
總結(jié)
量程漂移的核心是傳感器對(duì)不同濁度的響應(yīng)特性發(fā)生非線性變化,其根源包括光學(xué)系統(tǒng)衰減、電子元件老化、標(biāo)定誤差及工況干擾。對(duì)于低濁度傳感器(通常量程≤10 NTU),量程漂移會(huì)直接影響測(cè)量精度(如 0.5 NTU 的偏差在 5 NTU 測(cè)量中即為 10% 誤差)。解決方式包括:定期清潔光學(xué)元件、采用多點(diǎn)標(biāo)定修正非線性、控制環(huán)境溫度波動(dòng),以及在高濁度段增加校準(zhǔn)頻率。
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