低成本高量程浊度计的多波长校准：分散特性的分析

《ACS Omega》：Multi-Wavelength Calibration of a Low-Cost High-Range Turbidimeter: Analysis of the Dispersion Regime

多波长低成本浊度计开发及分区域校准方法研究。通过引入校准因子γ=2πNTU/λ，将光散射机制划分为Rayleigh、Mie和几何散射主导区，建立0.5-4000 NTU、500-1000 nm范围内的自适应校准模型，有效解决传统设备测量范围受限问题。实验采用20种标准浓度Formazin溶液，结合光谱仪测量散射特性，验证了分区域校准的有效性。该方法为高浊度环境监测和工业过程控制提供新工具。

　　本研究介绍了一种低成本、多波长的浊度计设计，该设备能够对可见光和近红外光谱范围内的浊度进行高范围测量（0.5–4000 NTU）。浊度是衡量液体透明度的重要参数，常用于环境监测、水质分析、工业流程优化等多个领域。由于浊度测量涉及悬浮颗粒对光的散射或吸收，因此，精确的校准对于确保测量结果的可靠性至关重要。然而，传统浊度计通常受限于特定的波长范围和较低的浊度上限，这限制了其在高浊度环境中的应用。为了解决这一问题，我们采用了一种基于多波长分析的方法，利用福尔马林（formazin）溶液作为浊度标准，并引入了校准因子（γ）的概念，以建立浊度（NTU）与波长（λ）之间的关联。

福尔马林是一种合成聚合物，常用于模拟液体中的悬浮颗粒，是浊度测量的重要标准物质。通过福尔马林溶液的实验，我们能够获得不同浓度下的光谱数据，从而建立广泛的校准范围。本研究中，我们使用便携式光谱仪测量透射光，并记录了不同浊度标准下的光谱信息。通过分析这些光谱数据，我们识别了不同校准区域，从而实现了对浊度的多波长、高范围测量。这种方法不仅扩展了传统浊度计的测量范围，还为环境监测和水质控制提供了新的可能性。

浊度计的构建采用了低成本材料，如铝制外壳和石英光纤，以确保设备的耐用性和经济性。设备的光路长度可调，范围从6 mm到30 mm，使得测量能够适应不同的应用场景。此外，福尔马林颗粒的尺寸分布对光散射行为有显著影响，因此，我们通过实验分析了颗粒的尺寸分布，并结合米氏散射理论，探讨了不同散射机制（如瑞利散射、米氏散射和几何散射）对测量结果的影响。结果显示，在500–1000 nm的波长范围内，福尔马林颗粒的尺寸分布主要处于米氏散射的范围内，这为校准因子的引入提供了理论依据。

校准因子γ被定义为浊度（NTU）与波长（nm）的比值，即γ = 2πNTU/λ。这一概念有助于将浊度测量分为不同的校准区域，从而实现适应不同浊度范围和颗粒尺寸分布的校准策略。通过分析不同波长下的光透射数据，我们发现浊度的非线性响应行为，尤其是在高浊度情况下，光透射强度的衰减表现出显著的非线性特征。为了更好地描述这种非线性行为，我们采用了帕德近似方法（Padé approximation）来建模吸收行为，该方法在广泛的γ范围内表现出更高的准确性。

实验结果显示，校准因子γ的取值范围（0.5–4000 NTU）与不同散射机制的出现有关。例如，当γ小于1时，浊度处于弱或中等水平，而当γ大于1时，浊度的强度迅速增加，表现出强烈的非线性特征。通过分析不同γ值下的透射强度比（I?/I），我们确定了浊度强度分类（TIR）的四个区域：弱到中等、强、极强和极高。这些区域的划分基于校准因子γ的临界值，为浊度计的校准提供了更精细的指导。

在实际应用中，浊度计的性能受到多种因素的影响，包括环境温度、光源稳定性以及光纤的传输效率。因此，我们在实验中采取了一系列措施，如保持恒定温度、使用稳定光源以及采用高质量光纤，以确保测量结果的准确性。此外，我们还讨论了未来研究的方向，包括进一步优化校准模型，考虑多散射效应的影响，并验证该方法在实际环境中的适用性。

本研究的成果表明，通过引入多波长分析和校准因子的概念，可以开发出一种更广泛适用的浊度测量方法。这种方法不仅适用于实验室环境，还具有在工业和环境监测中的潜在应用价值。未来的研究将进一步探索该方法在复杂环境中的表现，并结合理论模型进行优化，以提高测量的准确性和可靠性。