CN101806743A - 便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种携带方便，广谱检测，便于在农村野外环境使用的便携式广谱分光光度液体微量元素无线检测仪。技术方案是：其特征是由盒体、系统主板、光电测试单元组成。盒体的侧部设置有手柄，光电测试单元设置在手柄内部。光电测试单元由光电测试主仪器模块、光电测试单元反射光模块组成。光电测试主仪器模块、光电测试单元反射光模块通过调节螺栓连接。光电测试主仪器模块和光电测试单元反射光模块之间设置有试管舱。光电测试主仪器模块含有装填光源舱及反射光谱检测舱。装填光源舱内设置有高强度白色广谱LED光源模块，反射光谱检测舱设置有三光谱段合成反射光谱检测器。检测结果的数据可以自动添加GPS信息，并由系统主板实时无线传输。本发明还公开了检测仪的检测方法。
Description
技术领域
本发明属于广谱分光光度液体微量元素检测仪装置领域，尤其是一种具有携带方便，广谱检测，便于在农村野外环境使用的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪及控制方法。用于实时水质参数的取样监测和监测后的无线数据传输，将环境数据和GPS全球定位系统的地标信号通过无线通讯方式传输给用户端。
背景技术
目前，水质参数的取样监测为人工操作的液体比色法，存在的问题是监测结果需要人工比色，对操作人员要求高，检测结果因人而异，差异大，难以保证数据质量。第二个存在的问题是监测结果的时间、地点要人工记录，且无法获得监测数据的经纬度、海拔高度数据。第三个问题是监测结果不能实时无线传输给中心主控室。第四个问题是目前尚无广谱无线水质检测便携仪。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有携带方便，广谱检测，便于在农村野外环境使用的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪及检测方法。
本发明的技术方案是：便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是由盒体、系统主板、光电测试单元组成。系统主板设置在盒体内部，在盒体的外表面上设置有彩色触摸屏，在盒体的顶部设置有天线，天线与系统主板连接，盒体的侧部设置有手柄。所述的光电测试单元设置在手柄内部，所述光电测试单元由光电测试主仪器模块、光电测试单元反射光模块组成。光电测试主仪器模块、光电测试单元反射光模块通过调节螺栓连接。光电测试主仪器模块和光电测试单元反射光模块之间设置有试管舱。所述的光电测试主仪器模块含有装填光源舱及反射光谱检测舱。装填光源舱内设置有高强度白色广谱LED光源模块，反射光谱检测舱设置有三光谱段合成反射光谱检测器。反射光谱检测器端经过标准电路接口与主板连接。手柄外表面上设置有按键式输入按钮，输入按扭与系统主板连接，用以控制操作，检测结果的数据可以自动添加GPS信息，并由系统主板经过无线传输模块实时传输。
所述系统主板由下列单元组成：CPU模块、RS232通讯模块、RS232接口、LED功放模块、LED接口、GPIO接口、无线传输模块接口、无线传输模块、光谱检测器接口、光谱检测器模块、GPS定位模块；其中，CPU模块分别与RS232通讯模块、LED功放模块、GPIO接口、无线传输模块接口、光谱检测器接口和GPS定位模块相连。RS232通讯模块与RS232接口连接，LED功放模块与LED接口连接，光谱检测器接口与光谱检测器模块连接，无线传输模块接口与无线传输模块连接。
反射光谱检测器可以通过装填式插入反射光谱检测舱。当其到位固定后，其输出电流信号端经过标准电路接口与主板上的光谱检测器模块连接。主板上的光谱检测器模块的主要功能为电流放大，然后经电流-电压转换，由主板上的标准电路接口与CPU的A/D输入端相连。CPU的A/D转换器对信号进行数字转换。
便携仪箱体上设置的按键与主板的GPIO/INT(GPIO和INT功能时分复用)相连，用以操作便携仪的工作和控制其界面显示。
在便携仪箱体手柄的端部设置有外接数字接口，用于和笔记本电脑通讯以及挂带传感器。
所述光电测试单元设置有可充电电池。
所述光电测试单元的光电测试主仪器模块由固定件、调节螺栓固定孔、装填式光源舱及反射光谱检测舱的合成舱组成。其中调节螺栓固定孔位于固定件的上下两端，装填式光源舱及反射光谱检测舱的合成舱位于固定件的中部。在合成舱的上部设置有可装填光源舱，在合成舱的下部设置有可装填反射光谱检测舱。
所述光电测试单元反射光模块由固定件、光学反射镜组成，在固定件上设置有与主仪器模块调节螺栓相匹配的固定孔，在固定孔的中间设置有光学反射镜。
便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪的检测方法，其特征是包括下列步骤：当只有反射光谱检测器B的输出时，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第I波段的特征曲线B，由此根据特征曲线B的数值I(λ)，求解出光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器B和G的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第II波段的特征曲线B和G，由此根据特征曲线B和G的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器B和G的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第II波段的特征曲线B和G，由此根据特征曲线B和G的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器G和R的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第III波段的特征曲线G和R，由此根据特征曲线G和R的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器R的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第IV波段的特征曲线R，由此根据特征曲线R的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值，当光谱波段值确定后，根据选用的试剂，由数字信号算法自动算出相关物质。
本发明的效果是：便携式广谱分光光度液体微量元素检测无线传感仪基于嵌入式系统控制的广谱型传感器，用于检测总氮(Total Nitrogen)、硝酸盐氮(Nitrate Nitrogen)、亚硝酸盐氮(Nitrite Nitrogen)、pH、氨(NH3)等一系列参数，具有广谱特点。
本发明具有微电子、光电控制电路和嵌入式系统软件，具有智能化特点，其光电系统模块含有高强白色LED光源，经过分光镜反射，穿透试管中的被测液体和试剂混合溶液，经由合成反射光谱检测器的输出，求解出光谱波段值；经由A/D转换后的数字信号处理技术和模式识别算法，进行自动比色检测出相关物质。可以取代常规的人工操作的液体比色法。
本仪器的GPS定位信号标签后由无线模块传输到主控室，检验结果也可以通过便携仪上的彩色LCD显示屏加以显示。该技术便于在野外环境使用获取动态数据。
该光电广谱型无线传感仪的光电测试单元含有装填光源舱，便于装填不同光谱特性的高强度光源。反射光谱检测舱便于装填不同三光谱段合成反射光谱检测器。从而便于升级、维护和校正。
该光电广谱型无线传感仪具有嵌入式软件系统主板、彩色LCD显示屏以及GPS定位模块和无线通讯单元，其功能包括操作界面的实现、模式识别算法的实现以及无线通讯功能的实现。含有检测液体试管舱，支持插拔被测液体试管。便携仪有可充电电池，用以支持太阳能充电需要。外壳附有传感器接口，可以单独拆卸置换，以满足特定的监测功能。该便携仪的管理由嵌入式软件实现，具有携带方便，广谱检测的优点，便于在农村野外环境使用。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2是图1中光电测试单元的结构示意图；
图3为图2中主仪器模块的结构示意图；
图4为图3的侧视图；
图5为图2中的光谱反射模块的结构示意图；
图6为图1中光电测试单元的电路框图；
图7为本发明检测光谱特性示意图。
图8为本发明检测方法框图。
具体实施方式
便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，用于实时水质参数的取样监测和监测后的无线数据传输。该便携仪基于嵌入式系统控制的广谱型传感器，涵盖400nm至1100nm的光谱，用于检测总氮(Total Nitrogen)、硝酸盐氮(NitrateNitrogen)、亚硝酸盐氮(Nitrite Nitrogen)、pH、氨(NH3)等一系列参数。可以取代常规的人工操作的液体比色法。本广谱型无线便携仪具有微电子控制电路和嵌入式系统软件，具有智能化特点，其光电系统模块含有高强白色LED光源，经过分光镜反射，穿透试管中的被测液体和试剂混合溶液，经由合成反射光谱检测器的输出，求解出光谱波段值；经由A/D转换后的数字信号处理技术和模式识别算法，进行自动比色检测出相关物质。其检验结果与本仪器的GPS定位信号标签后由无线模块传输到主控室，检验结果也可以通过便携仪上的彩色LCD显示屏加以显示。
便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，由四大单元组成：(1)光电测试单元，该单元含有装填光源及反射光谱检测合成舱。装填光源舱装有高强度白色广谱LED光源；反射光谱检测舱含三光谱段合成反射光谱检测器；(2)嵌入式软件系统主板、彩色LCD显示、以及GPS定位模块和无线通讯单元。其功能包括操作界面的实现、模式识别算法的实现，以及无线通讯功能的实现；(3)检测液体试管舱，支持插拔被测液体试管；(4)便携仪可充电电池，用以支持太阳能充电需要。外壳并附有传感器接口，可以单独拆卸置换，以满足特定的监测功能。该便携仪的管理由嵌入式软件实现，具有携带方便，广谱检测，将存储环境数据和GPS全球定位系统的地标信号通过无线通讯方式传输给用户端的特点。
图1中，便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪由以下七部分组成：F1为便携仪的嵌入式系统主板的放置盒体；F2为无线通讯合成天线，支持GPS和无线传感器的无线通讯；F3为彩色触摸屏；F4为放置被测液体和混合试剂用的带有可旋盖子的透明无色试管；F5为便携仪的手持手柄部分，其内安排放置光电测试单元的主仪器模块以及可充电电池；F6为按键式输入按钮；F7为外接数字接口，用于和笔记本电脑通讯以及挂带传感器。
便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪使用时，将被测水体放到插拔式被测液体试管中与相对应的试剂混合均匀后，然后插入到便携仪中，开启便携仪进行测试。该仪器中的光电系统模块含有高强白色LED光源，经过分光镜反射，穿透试管中的被测液体和试剂混合溶液，经由合成反射光谱检测器的输出，求解出光谱波段值。经由A/D转换后的数字信号经过处理，由模式识别算法进行自动比色检测出相关物质。其检验结果与本仪器的GPS定位信号标签后由无线模块传输到主控室，检验结果也可以通过便携仪上的彩色LCD显示屏加以显示。
图2为便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪的光电测试单元。光电测试单元的广谱型传感器涵盖400nm至1100nm的光谱范围，配合试剂和数字信号处理技术和模式识别算法，可以用于检测总氮(Total Nitrogen)、硝酸盐氮(Nitrate Nitrogen)、亚硝酸盐氮(Nitrite Nitrogen)、pH、氨(NH3)等一系列参数。
图2中，A为光电测试单元的主仪器模块；F4为柱状透明玻璃试管，用以装存被测液体和试剂的混合溶液；C为调节螺栓，用以固定光电测试单元的主仪器模块和调整反射光到达反射光谱检测舱聚焦点；D为光电测试单元反射光模块。
图3、图4为便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪光电测试单元的主仪器模块。A为光电测试单元的主仪器模块，A2为调节螺栓的固定孔；A3为提供装填光源舱及反射光谱检测舱的合成舱；A4为可装填光源舱；A5为高强度白色广谱LED光源；A6为可装填反射光谱检测舱；A7为三光谱段合成反射光谱检测器，C为调节螺栓。
图5为便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪光电测试单元的光谱反射模块。D为光谱反射模块，D2为光谱反射模块的光学反射镜；D3为调节螺栓接口，用以固定光电测试单元的主仪器模块和调整反射光到达反射光谱检测舱聚焦点，C为调节螺栓。
图6为本便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪嵌入式系统的主板的电路框图。在嵌入式系统软件和微电子控制电路的控制下，光电系统模块求解出光谱波段值；经由A/D转换后，进行数字信号处理和模式识别算法处理，进行自动比色检测出相关物质。
嵌入式系统的主板由下列单元组成：CPU模块、RS232通讯模块、RS232接口、LED功放模块、LED接口、GPIO接口、无线传输模块接口、无线传输模块、光谱检测器接口、光谱检测器模块、GPS定位模块。其中，CPU模块分别与RS232通讯模块、LED功放模块、GPIO接口、无线传输模块接口、光谱检测器接口和GPS定位模块相连，RS232通讯模块与RS232接口连接，LED功放模块与LED接口连接，光谱检测器接口与光谱检测器模块连接，无线传输模块接口与无线传输模块连接。
图6中，CPU模块为32比特RISC CPU模块，该模块含有ROM，RAM内存，光电测试单元含有可装填光源舱内含高强度白色广谱LED光源；同时该单元含有可装填反射光谱检测舱。该舱内为三光谱段合成反射光谱检测器。该反射光谱检测器可以通过装填式插入反射光谱检测舱，当其到位固定后，其输出电流信号端经过标准电路接口与主板上的光谱检测器模块连接。主板上的光谱检测器模块的主要功能为电流放大，可采用如AMPCON4-20电流放大器，输入电流为0-800nA，输出为4-20mA，然后经过光谱检测器模块电流-电压转换，经由主板上的标准电路接口与CPU的A/D输入端相连。CPU的A/D转换器对信号进行数字转换。光电测试单元同时含有LED光源，该光源为微小型高强power chip器件，功率1-5瓦，5500K，如可采用LXHL-MW1D等器件，其电流为350mA。
图7为便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪的检测光谱特性示意图。图7为三光谱段合成反射光谱检测器的光谱特征曲线，整体的波段为[Wlower，Wupper]。在此波段上，B特征曲线为反射光谱检测器蓝光段的光谱特性，其峰值为BP，低端波段50％点为B-50％，高端波段50％点为B+50％。G特征曲线为反射光谱检测器绿光段的光谱特性，其峰值为GP，低端波段50％点为G-50％，高端波段50％点为G+50％。R特征曲线为反射光谱检测器红光段的光谱特性，其峰值为RP，低端波段50％点为R-50％，高端波段50％点为R+50％。在选择三光谱段合成反射光谱检测器时，按照此光谱特性，即定义第I波段为B曲线低端频段[B-50％，BP]，第II波段为B曲线高端频段[BP，B+50％]与G曲线低端频段[G-50％，GP]占有共同频段，第III波段为G曲线高端频段[GP，G+50％]与R曲线低端频段[R-50％，RP]占有共同频段，第IV波段为R曲线高端频段[RP，R+50％]。
在以上光谱特性曲线设计原则的指导下，实现广谱范围上的光谱波段值的求解，其算法如图8所示。检测时，当只有反射光谱检测器B的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第I波段的特征曲线B，由此根据特征曲线B的数值I(λ)，求解出光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器B和G的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第II波段的特征曲线B和G，由此根据特征曲线B和G的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器B和G的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第II波段的特征曲线B和G，由此根据特征曲线B和G的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器G和R的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第III波段的特征曲线G和R，由此根据特征曲线G和R的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器R的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第IV波段的特征曲线R，由此根据特征曲线R的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值。当λ确定后，结合选用的试剂，由数字信号处理技术和模式识别算法，测出相关物质。
Claims (7)
1.便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是由盒体、系统主板、光电测试单元组成，系统主板设置在盒体内部，在盒体的外表面上设置有彩色触摸屏，在盒体的顶部设置有天线，天线与系统主板连接，盒体的侧部设置有手柄，所述的光电测试单元设置在手柄内部。所述光电测试单元由光电测试主仪器模块、光电测试单元反射光模块组成。光电测试主仪器模块、光电测试单元反射光模块通过调节螺栓连接。光电测试主仪器模块和光电测试单元反射光模块之间设置有试管舱。所述的光电测试主仪器模块含有装填光源舱及反射光谱检测舱。装填光源舱内设置有高强度白色广谱LED光源模块。反射光谱检测舱设置有三光谱段合成反射光谱检测器。反射光谱检测器端经过标准电路接口与主板连接。手柄外表面上设置有按键式输入按钮，输入按扭与系统主板连接，用以控制操作。检测结果的数据可以自动添加GPS信息，并由系统主板实时传输。
2.根据权利要求1所述的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是所述系统主板由下列单元组成：CPU模块、RS232通讯模块、RS232接口、LED功放模块、LED接口、GPIO接口、无线传输模块接口、无线传输模块、光谱检测器接口、光谱检测器模块、GPS定位模块；其中，CPU模块分别与RS232通讯模块、LED功放模块、GPIO接口、无线传输模块接口、光谱检测器接口和GPS定位模块相连。RS232通讯模块与RS232接口连接。LED功放模块与LED接口连接。光谱检测器接口与光谱检测器模块连接。无线传输模块接口与无线传输模块连接。
3.根据权利要求1或2所述的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是在手柄的端部设置有外接数字接口，用于和笔记本电脑通讯以及挂带传感器。
4.根据权利要求1所述的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是所述光电测试单元设置有可充电电池。
5.根据权利要求1所述的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是所述光电测试单元的光电测试主仪器模块由固定件、调节螺栓固定孔、提供装填光源舱及反射光谱检测舱的合成舱组成。调节螺栓固定孔位于固定件的上下两端，提供装填光源舱及反射光谱检测舱的合成舱位于固定件的中部。在合成舱的上部设置有可装填光源舱，在合成舱的下部设置有可装填反射光谱检测舱。
6.根据权利要求1所述的便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪，其特征是所述光电测试单元反射光模块由固定件、光学反射镜组成，在固定件上设置有与主仪器模块调节螺栓相匹配的固定孔，在固定孔的中间设置有光学反射镜。
7.便携式广谱分光光度液体微量元素检测仪的检测方法，其特征是包括下列步骤：当只有反射光谱检测器B的输出时，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第I波段的特征曲线B，由此根据特征曲线B的数值I(λ)，求解出光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器B和G的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第II波段的特征曲线B和G，由此根据特征曲线B和G的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器B和G的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第II波段的特征曲线B和G，由此根据特征曲线B和G的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器G和R的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第III波段的特征曲线G和R，由此根据特征曲线G和R的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值；当检测时，只有反射光谱检测器R的输出，由此判定检测到的响应值I(λ)对应第IV波段的特征曲线R，由此根据特征曲线R的数值I(λ)，一一对应求解光谱波段值，当光谱波段值确定后，根据选用的试剂，由数字信号算法自动算出相关物质。
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