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激光濁度法和散射光濁度法的測量原理有哪些區(qū)別?

來源:甘丹科技河北有限公司   2025年07月30日 08:40  

激光濁度法和散射光濁度法雖均基于光的散射原理(即水體中懸浮顆粒物會(huì)散射入射光,散射光強(qiáng)度與顆粒物濃度正相關(guān)),但在光源特性、光路設(shè)計(jì)、信號(hào)處理邏輯等核心原理上存在顯著差異,具體區(qū)別如下:

一、光源特性不同

光源的類型和波長是兩者最根本的區(qū)別,直接影響散射信號(hào)的穩(wěn)定性和特異性:

 

 

激光濁度法:
使用單色激光(如 650nm 紅光、532nm 綠光)作為光源。激光具有高單色性(波長單一且穩(wěn)定)、高方向性(光束發(fā)散角極小)和高相干性(光波相位一致)的特點(diǎn)。
這種特性使得散射光的方向和強(qiáng)度分布更集中,減少了不同波長光在水體中被吸收或折射的干擾(例如,水體中溶解的色素對(duì)特定波長激光的吸收可被忽略)。

 

 

散射光濁度法:
多使用白光(復(fù)合光)或紅外光作為光源。白光包含從紫外到紅外的多種波長(如 400-760nm),紅外光則常用 850nm 或 900nm 以上波長。
其光源特性更接近自然光源,散射信號(hào)受顆粒物粒徑和成分的影響更顯著(例如,小顆粒對(duì)短波藍(lán)光散射強(qiáng),大顆粒對(duì)長波紅光散射強(qiáng))。

 

二、光路設(shè)計(jì)與測量角度不同

兩者的光路布局和散射光檢測角度存在差異,直接影響對(duì)不同濁度范圍的適應(yīng)性:

 

 

激光濁度法:
光路設(shè)計(jì)更精密,通常采用固定角度組合測量,最典型的是 “90° 散射光 + 180° 透射光” 雙角度檢測:

 

90° 角:檢測顆粒物的散射光強(qiáng)度(核心信號(hào));

180° 角(與入射光同方向的反向):檢測透過水體的透射光強(qiáng)度,用于補(bǔ)償因顆粒物吸收或光路衰減導(dǎo)致的誤差(稱為 “補(bǔ)償光路”)。
這種設(shè)計(jì)能有效抵消高濁度時(shí)的 “光衰減” 或低濁度時(shí)的 “背景光干擾”,確保信號(hào)穩(wěn)定性。

 

散射光濁度法:
光路結(jié)構(gòu)較簡單,多采用單一 90° 角散射光檢測(少數(shù)會(huì)增加 0° 透射光輔助校準(zhǔn))。其原理基于 “瑞利散射” 和 “米氏散射” 的綜合效應(yīng):

 

當(dāng)顆粒物粒徑遠(yuǎn)小于光波長(如膠體顆粒),以瑞利散射為主(散射強(qiáng)度與波長的 4 次方成反比,即短波散射更強(qiáng));

當(dāng)顆粒物粒徑接近或大于光波長(如泥沙顆粒),以米氏散射為主(散射強(qiáng)度與波長關(guān)系較弱,各方向散射較均勻)。
由于使用復(fù)合光,其信號(hào)是多種波長散射的疊加,更適合反映復(fù)雜顆粒物體系的綜合濁度。

三、信號(hào)處理邏輯不同

兩者對(duì)散射光信號(hào)的解讀和校準(zhǔn)方式不同,影響測量精度和線性范圍:

 

 

激光濁度法:
因激光單色性強(qiáng),散射光強(qiáng)度與顆粒物濃度的線性關(guān)系更嚴(yán)格(符合朗伯 - 比爾定律的擴(kuò)展形式)。信號(hào)處理時(shí),可通過激光的高能量密度放大微弱散射信號(hào)(尤其低濁度時(shí)),并通過透射光補(bǔ)償消除非線性誤差,因此能在 0.01 NTU 至數(shù)千 NTU 的寬范圍內(nèi)保持線性。

 

 

散射光濁度法:
由于白光包含多波長,散射信號(hào)是不同粒徑顆粒物對(duì)不同波長光散射的疊加,線性范圍較窄(低濁度時(shí)可能因波長干擾出現(xiàn)非線性,高濁度時(shí)可能因 “多重散射” 導(dǎo)致信號(hào)飽和)。信號(hào)處理多依賴經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)曲線(通過標(biāo)準(zhǔn)濁度溶液標(biāo)定),適合特定濁度范圍(如 0-1000 NTU)的快速測量,無需復(fù)雜的補(bǔ)償算法。

 

四、總結(jié):核心原理差異對(duì)比表

對(duì)比維度

激光濁度法

散射光濁度法

光源類型

單色激光(如 650nm)

白光或紅外光(復(fù)合波長)

光源特性

單色性、方向性、相干性強(qiáng)

多波長、發(fā)散性較高

測量角度

90° 散射光 + 180° 透射光(補(bǔ)償)

90° 散射光為主,少數(shù)含 0° 透射光

信號(hào)處理邏輯

線性關(guān)系嚴(yán)格,依賴透射光補(bǔ)償

依賴經(jīng)驗(yàn)校準(zhǔn)曲線,受粒徑影響大

核心原理優(yōu)勢(shì)

抗干擾強(qiáng),適合寬范圍高精度測量

結(jié)構(gòu)簡單,適合復(fù)雜體系快速測量

 

簡言之,激光濁度法通過 “單色光源 + 雙角度補(bǔ)償” 實(shí)現(xiàn)高精度和穩(wěn)定性,散射光濁度法則通過 “復(fù)合光源 + 單角度檢測” 實(shí)現(xiàn)低成本和廣泛適用性,兩者的原理差異直接決定了其在不同場景下的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。


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