CN101275905A - 一种多源光谱融合便携式水质分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多源光谱融合便携式水质分析仪。它包括光学系统和检测控制系统。光学系统采用集成激光器、氘卤灯光源和双光谱检测器，扫描待测水样的紫外可见(UV/Vis)透射光谱和荧光、拉曼等发射光谱，并转化成数字信号。其中集成激光器可实现波长和功率的数控切换，并且不同波长激光分时从同一SMA905接口输出。检测控制系统采用嵌入式数据处理单元一方面根据光学系统采集到的水样光谱数据，计算出水质分析指标值，另一方面控制整台仪器的有序工作并通过显示屏和键盘实现和用户的交互。从而将水质透射光谱分析仪和荧光、拉曼等发射光谱分析仪集成在一起，可显著提高检测精度。由于采用了锂电池供电，发射光360°接收等特别设计，它结构紧凑，便于携带使用。
Description
技术领域
本发明属于资源环境技术领域，用于水质指标的快速检测，特别是指一种多源光谱融合便携式水质分析仪。
背景技术
综合有机指标(如TOC、COD、BOD、DOM、DOC、PAHs和高锰酸盐指数)是衡量水质污染程度的重要国定指标。
传统的化学分析方法历史悠久，技术成熟、分析精度高，结果可靠。但其分析周期长、二次污染、需要专业分析人员操作等缺点，使得这种方法在野外或者没有专业分析人员等情况下无法使用，更会造成环境的二次污染。
基于光谱分析的水质综合有机指标分析方法具有无化学试剂污染、分析速度快、分析装置易维护等显著优点，近年来得到快速的发展。现有这类方法主要是基于紫外/可见(UV/Vis)吸收光谱或荧光激发光谱。
紫外吸收光谱用于估计TOC、COD等有机物综合参数已有很多研究成果，并已有便携式分析装置进入市场。2005年中国颁布了紫外吸收水质自动在线监测仪技术要求(HJ/T 191-2005)，指出在水质监测中吸光度与COD或高锰酸盐指数具有相关性时，可将UV吸收光谱吸光度折算成COD或高锰酸盐指数，为该类光学分析方法在水质分析中的应用铺平了道路。但事实上，由于无机悬浮物对UV/Vis光源有较强的吸收率，对吸收光谱干扰很大；如采用过滤分离，又会同时去除有悬浮物，无法监测真实污染情况；此外，UV吸收分光光度法对比吸光系数极低的有机物分析误差较大，只适用于组分变化不大的水样对象。这些缺点阻碍基于UV吸收光谱的水质分析仪表在大规模环境监测系统中的广泛应用。
荧光分析法包括同步荧光法、三维荧光法、导数荧光法、时间分辨荧光法、相分辨荧光法、荧光动力学法等，其中表现突出的是三维激发-发射荧光法，能完整地描述物质的荧光特征，被称作荧光物质的光谱指纹技术。2004年美国学者利用三维荧光对美国新泽西洲地表径流的溶解性有机碳进行监测，效果优于单波长UV吸光度法[6]。2003年始中国学者也相继展开荧光法用于水质分析的研究，分析水中有机物有腐殖酸，溶解有机物，叶绿素-a。荧光分析法的缺点是易受环境影响，荧光本身存在淬灭、自吸收、内滤光等不稳定因素，直接测量的荧光光谱数据中除荧光信息外还包含了水本身的光谱信息(比如拉曼光谱)，及其它一些干扰和噪声信息。
本发明基于上述研究，研制了一种具有创新原理的多源光谱融合便携式水质分析仪，实现了紫外可见(UV/Vis)光谱分析和荧光、拉曼等发射光谱分析合二为一，优势互补，提高了分析精度。可满足日常和突发环境污染监测工作中的现场快速分析需求，特别适用于无法设置专门水质监测网点或边远地区情况下的水质检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种多源光谱融合便携式水质分析仪。
多源光谱融合便携式水质分析仪包括光学系统和检测控制系统。光学系统包括氘卤灯、第一凹面镜、第一滤光片、第一凸透镜、第一光纤、第二凸透镜、样品池、第三凸透镜、第一狭缝、第二滤光片、第二凹面镜、第一光栅、线阵CCD、集成激光器、第二光纤、第三光纤、第四凸透镜、第二狭缝、第三滤光片、第三凹面镜、第二光栅、第四凹面镜、面阵CCD。氘卤灯发出的紫外可见光由第一凹面镜反射变为平行光，平行光由第一滤光片滤波后经第一凸透镜聚焦送入第一光纤，由第二凸透镜变为平行光照射到样品池，透射光在与入射光成180°方向处由第三凸透镜接收聚焦送入光纤，到达第一狭缝，经第二滤光片后由第二凹面镜转为平行光后照射到第一光栅上分光，最后由线阵CCD接收检测；由集成激光器发出的激光经第二光纤和第三光纤对接，之后由第四凸透镜转化为平行光后送入样品池照射样本，在与入射光成360°方向上，样本的荧光、拉曼散射等发射光经第四凸透镜聚焦后到第三光纤送到第二狭缝，经第三滤光片滤波后，被第三凹面镜反射到第二光栅上分光，最后经第四凹面镜反射到面阵CCD上接收检测。
所述的集成激光器内部模块关系为：波长为532nm的固体激光器与激光-光纤耦合器连接；波长为405、635、650、660、690、785、808、830nm的8个半导体激光器输出光纤与激光-光纤耦合器的输出光纤捆扎在一起，使用同一个保护套管，与SM905母口连接；9个激光器的电源和信号线与电气接口相连接。
所述的监测控制系统内部模块连接关系为：嵌入式系统分别与LCD显示屏、电源模块、激光驱动器、发射光谱检测器、透射光谱检测器、操作键盘相连接；电源模块分别与锂聚合物电池、氘卤灯光源、激光驱动器、嵌入式系统连接；氘卤灯光源通过适配器与透射光谱检测器连接；激光驱动器与集成激光器连接。
所述的激光器驱动内部模块连接关系为：单片机分别与复位按键、蜂鸣器、晶振、VGA接口、程序下载口、RS232接口、继电器、固体激光器驱动模块、恒流源芯片、电压转换芯片相连接；恒流源芯片分别与电压转换芯片、单片机、继电器、固体激光器驱动模块连接；+5V输入接口与电压转换芯片连接；+12V输入接口与固体激光器驱动模块连接；固体激光器驱动模块与负载接口连接；继电器与急停开光和负载接口连接。
所述的发射光谱检测器内部模块连接关系为：单片机分别与复位按键、扩展RAM、晶振、USB2.0接口、GPIO接口、散热风扇、TEC制冷模块、DSP数字滤波器连接；面阵式CCD检测器与DSP数字滤波器连接；+5V电源接口与TEC制冷模块和散热风扇连接。
本发明采用激光器、氘卤灯光源和双通道光谱检出器，在嵌入式控制单元的同步控制下，扫描待测水样的紫外可见(UV/Vis)透射光谱和荧光、拉曼等发射光谱，经嵌入式数据处理单元计算出水质分析指标值，并显示在低功耗液晶显示屏上。从而将水质紫外透射光谱分析仪和荧光、拉曼光谱分析仪集成在一起，可显著提高检测精度。该分析仪结构紧凑，并采用锂聚合物可充电电池供电，便于携带使用。同时该仪表的待测样品取样操作方便，与仪表内部隔离，避免了污染仪表内部元器件。除清洗取样瓶外，不需要对仪表进行额外的维护。
附图说明
图1是多源光谱融合便携式水质分析仪的光学系统结构图；
图2是本发明的集成激光器框图；
图3是多源光谱融合便携式水质分析仪的监测控制系统结构图；
图4是本发明的激光驱动器框图；
图5是本发明的发射光谱检测器框图；
图6是本发明的仪器工作流程图；
图中：氘卤灯1、第一凹面镜2、第一滤光片3、第一凸透镜4、第一光纤5、第二凸透镜6、样品池7、第三凸透镜8、第一狭缝9、第二滤光片10、第二凹面镜11、第一光栅12、线阵CCD 13、集成激光器14、第二光纤15、第三光纤16、第四凸透镜17、第二狭缝18、第三滤光片19、第三凹面镜20、第二光栅21、第四凹面镜22、面阵CCD 23。
具体实施方式
如图1所示，多源光谱融合便携式水质分析仪包括光学系统和检测控制系统。光学系统包括氘卤灯1、第一凹面镜2、第一滤光片3、第一凸透镜4、第一光纤5、第二凸透镜6、样品池7、第三凸透镜8、第一狭缝9、第二滤光片10、第二凹面镜11、第一光栅12、线阵CCD 13、集成激光器14、第二光纤15、第三光纤16、第四凸透镜17、第二狭缝18、第三滤光片19、第三凹面镜20、第二光栅21、第四凹面镜22、面阵CCD 23。氘卤灯1发出的紫外可见光由第一凹面镜2反射变为平行光，平行光由第一滤光片3滤波后经第一凸透镜4聚焦送入第一光纤5，由第二凸透镜6变为平行光照射到样品池7，透射光在与入射光成180°方向处由第三凸透镜8接收聚焦送入光纤，到达第一狭缝9，经第二滤光片10后由第二凹面镜11转为平行光后照射到第一光栅12上分光，最后由线阵CCD 13接收检测，变成数字信号后由嵌入式系统读取；由集成激光器14发出的激光经第二光纤15和第三光纤16对接，之后由第四凸透镜17转化为平行光后送入样品池7照射样本，在与入射光成360°方向上，样本的荧光、拉曼散射等发射光经第四凸透镜17聚焦后到第三光纤16送到第二狭缝18，经第三滤光片19滤波后，被第三凹面镜20反射到第二光栅21上分光，最后经第四凹面镜22反射到面阵CCD 22上接收检测，变成数字信号后由嵌入式系统读取。集成激光器一个波长的激光激发的发射光检测结束后，嵌入式系统根据内置程序，通过集成激光器电源驱动切换下一个激发波长，直到知道9个波长的激光全部激发测量完毕。Y型捆绑式光纤的应用，极大的缩小的仪器的尺寸，使得各个部件更加紧凑，同时实现了发射光谱的360°方向接收。
如图2所示，集成激光器内部模块关系为：波长为532nm的固体激光器与激光-光纤耦合器连接；波长为405、635、650、660、690、785、808、830nm的8个半导体激光器输出光纤与激光-光纤耦合器的输出光纤捆扎在一起，使用同一个保护套管，与SM905母口连接；9个激光器的电源和信号线与电气接口相连接。激光器集成了波长为405、532、635、650、660、690、785、808、830nm的9个激光器，每个波长点上的最大输出光功率分别为：50、50、250、250、750、750、1500、1500、1500mW。其中532是由半导体激光器泵浦的固体激光器，其余8个波长点为半导体激光器，一体化封装于金属盒中。输出光纤经捆扎由一个SMA905接口输出；输入也采用统一的电源和信号线。
如图3所示，监测控制系统内部模块连接关系为：嵌入式系统分别与LCD显示屏、电源模块、激光驱动器、发射光谱检测器、透射光谱检测器、操作键盘相连接；电源模块分别与锂聚合物电池、氘卤灯光源、激光驱动器、嵌入式系统连接；氘卤灯光源通过适配器与透射光谱检测器连接；激光驱动器与集成激光器连接。
嵌入式系统是基于ARM9处理器，内嵌Linux系统和多元光谱融合水质分析软件，提供数据接口供两个光源和两个检测器使用，大容量锂聚合物电池容量达到了22000mAh(352WH)，19V和16V两路输出，额定功率120W，为整个仪器提供了长达2小时以上的电力支持；电源管理模块(9)一方面为仪器各部件提供5V和12V电压，另一方面提供各种过压、过流保护，保证仪器的电路安全，同时还可以和仪器外置的电源适配器连接，为仪器充电。液晶显示屏和按键操作搬仪器为用户提供交互手段，用户通过按键操作板发送各种命令，由液晶显示屏读取测量结果，获取操作提示。
激光器驱动和前面光路部分提到的集成激光器为统一的整体。一方面为集成激光器提供电源和控制信号，通过数字信号实现激光器的波长和功率切换。同时为集成激光器工作提供过压、过流急停、高温报警等保护。另一方面，激光器驱动通过串口和嵌入式系统连接，和系统主程序交换命令和数据，并为系统提供当前激光器工作波长和功率等数据。氘卤灯光源可由程序控制实现光路的软开关和功率控制，以便和激发-发射光路分时测量，并根据透射光谱检测器反馈信号强度，自行调整光源功率到合适位置。氘卤灯光源由于其固有的材料特性，启动后需要15m分钟的预热时间，当进行激发-发射光路测量时，氘卤等由程序控制进入低功耗待机状态，这样只需要在测量开始时预热一次，同时又降低了功耗，增强了仪器的快捷、便携性性。
透射光谱检测器由USB数据口同时供电，内置的CCD传感器同时检测200-800nm的光谱强度，转化成数字信号并通过适配器给光源反馈信号强度，同时被嵌入式系统读取用于建模。检测器的积分时间可调，当接收到的光线能量过大或者过小时，系统会自动调节积分时间以便获得合适的信号强度。发射光谱检测器由USB数据接口同时供电，其内置的背照面式CCD由TEC制冷装置，可十分灵敏的检测200-950nm波长范围的光谱，供嵌入式系统读取。检测器的积分时间可由系统根据信号强度自动调节，以便获得合适的信号强度。检测器同时通过10针的GPIO口同嵌入式系统相接，系统可以根据当前的工作状态，调整检测器工作模式，决定是否启用TEC制冷等功能，实现在保证测量精度的同时把仪器的功耗降到最低。
如图4所示，激光器驱动内部模块连接关系为：单片机分别与复位按键、蜂鸣器、晶振、VGA接口、程序下载口、RS232接口、继电器、固体激光器驱动模块、恒流源芯片、电压转换芯片相连接；恒流源芯片分别与电压转换芯片、单片机、继电器、固体激光器驱动模块连接；+5V输入接口与电压转换芯片连接；+12V输入接口与固体激光器驱动模块连接；固体激光器驱动模块与负载接口连接；继电器与急停开光和负载接口连接。驱动器由单片机控制，实现不同激光器的数控切换和同一激光器的数控功率切换。同时，驱动部分还实现和嵌入式系统的通讯、温度控制、报警等多种功能。
如图5所示，发射光谱检测器内部模块连接关系为：单片机分别与复位按键、扩展RAM、晶振、USB2.0接口、GPIO接口、散热风扇、TEC制冷模块、DSP数字滤波器连接；面阵式CCD检测器与DSP数字滤波器连接；+5V电源接口与TEC制冷模块和散热风扇连接。发射光谱检测器由USB数据接口同时供电，其内置的背照面式CCD由TEC制冷装置，可十分灵敏的检测200-950nm波长范围的光谱，供嵌入式系统读取。检测器的积分时间可由系统根据信号强度自动调节，以便获得合适的信号强度。检测器同时通过10针的GPIO口同嵌入式系统相接，系统可以根据当前的工作状态，调整检测器工作模式，决定是否启用TEC制冷等功能，实现在保证测量精度的同时把仪器的功耗降到最低
如图6所示，仪器的工作流程如下：用户将待测样品装入样品池后，按开机键，系统开始启动，同时，透射光源氘卤被点亮，并自行稳定。系统启动后，程序发出指令初始化LCD屏幕、集成激光器驱动器、检测仪；之后系统进入低功耗待机状态。此时，如果用户按检测键，分析仪开始工作，激发-发射光光路开始工作，检测发射光谱信号。当一次检测完成后，系统判断样品检测是否完成(集成激光器驱动切换关键字n是否为9)。如果样品检测没有完成，则置n＝n+1。关掉原来的激光器，点亮下一个，改变激发波长后，再次检测、存储。发射光谱检测完成后，启动透射光谱检测，记录透射光谱数据。整个样品检测完成，则将检测数据送入嵌入式系统内建模型计算处理，得到TOC等水质参数，送LCD屏幕显示测量结果。最后，仪器返回待机状态。
Claims (5)
1.一种多源光谱融合便携式水质分析仪，其特征在于包括光学系统和检测控制系统。光学系统包括氘卤灯(1)、第一凹面镜(2)、第一滤光片(3)、第一凸透镜(4)、第一光纤(5)、第二凸透镜(6)、样品池(7)、第三凸透镜(8)、第一狭缝(9)、第二滤光片(10)、第二凹面镜(11)、第一光栅(12)、线阵CCD(13)、集成激光器(14)、第二光纤(15)、第三光纤(16)、第四凸透镜(17)、第二狭缝(18)、第三滤光片(19)、第三凹面镜(20)、第二光栅(21)、第四凹面镜(22)、面阵CCD(23)。氘卤灯(1)发出的紫外可见光由第一凹面镜(2)反射变为平行光，平行光由第一滤光片(3)滤波后经第一凸透镜(4)聚焦送入第一光纤(5)，由第二凸透镜(6)变为平行光照射到样品池(7)，透射光在与入射光成180°方向处由第三凸透镜(8)接收聚焦送入光纤，到达第一狭缝(9)，经第二滤光片(10)后由第二凹面镜(11)转为平行光后照射到第一光栅(12)上分光，最后由线阵CCD(13)接收检测；由集成激光器(14)发出的激光经第二光纤(15)和第三光纤(16)对接，之后由第四凸透镜(17)转化为平行光后送入样品池(7)照射样本，在与入射光成360°方向上，样本的荧光、拉曼散射等发射光经第四凸透镜(17)聚焦后到第三光纤(16)送到第二狭缝(18)，经第三滤光片(19)滤波后，被第三凹面镜(20)反射到第二光栅(21)上分光，最后经第四凹面镜(22)反射到面阵CCD(22)上接收检测。
2.根据权利要求1所述的一种多源光谱融合便携式水质分析仪，其特征在于所述的集成激光器内部模块关系为：波长为532nm的固体激光器与激光-光纤耦合器连接；波长为405、635、650、660、690、785、808、830nm的8个半导体激光器输出光纤与激光-光纤耦合器的输出光纤捆扎在一起，使用同一个保护套管，与SM905母口连接；9个激光器的电源和信号线与电气接口相连接。
3.根据权利要求1所述的一种多源光谱融合便携式水质分析仪，其特征在于所述的监测控制系统内部模块连接关系为：嵌入式系统分别与LCD显示屏、电源模块、激光驱动器、发射光谱检测器、透射光谱检测器、操作键盘相连接；电源模块分别与锂聚合物电池、氘卤灯光源、激光驱动器、嵌入式系统连接；氘卤灯光源通过适配器与透射光谱检测器连接；激光驱动器与集成激光器连接。
4.根据权利要求3所述的一种多源光谱融合便携式水质分析仪，其特征在于所述的激光器驱动内部模块连接关系为：单片机分别与复位按键、蜂鸣器、晶振、VGA接口、程序下载口、RS232接口、继电器、固体激光器驱动模块、恒流源芯片、电压转换芯片相连接；恒流源芯片分别与电压转换芯片、单片机、继电器、固体激光器驱动模块连接；+5V输入接口与电压转换芯片连接；+12V输入接口与固体激光器驱动模块连接；固体激光器驱动模块与负载接口连接；继电器与急停开光和负载接口连接。
5.根据权利要求3所述的一种多源光谱融合便携式水质分析仪，其特征在于所述的发射光谱检测器内部模块连接关系为：单片机分别与复位按键、扩展RAM、晶振、USB2.0接口、GPIO接口、散热风扇、TEC制冷模块、DSP数字滤波器连接；面阵式CCD检测器与DSP数字滤波器连接；+5V电源接口与TEC制冷模块和散热风扇连接。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20081001 |