CN101839854A - 一种长光程海水吸收系数测量装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种长光程海水吸收系数测量装置及其工作方法，包括控制与数据采集模块(1)、长光程现场测量模块(2)、清洗与实验室测量模块(3)，所述控制与数据采集模块(1)分别与长光程现场测量模块(2)、清洗与实验测量模块(3)连接；本发明长光程海水吸收系数测量装置的工作方法包括有：清洗模式、现场原位测量模式和实验室测量模式。本发明结构简单，操作简便，功耗低，能够满足海水吸收系数测量中紫外波段200-400nm光谱分析和需要高灵敏度测量的应用需求。

Description

一种长光程海水吸收系数测量装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及海水固有光学特性的测量，尤其涉及一种长光程海水吸收系数测量装置及其工作方法。

背景技术

海水吸收系数是海洋光学、生物光学、卫星遥感等领域中极其重要和基本的参数，对目前对于海水吸收系数的测量，在现场原位的环境下，一般采用WETLabs公司ac-9或ac-s进行测量。在当前的应用环境下，ac-9或ac-s测量海水吸收系数只有两个方面不能满足应用需要：一是ac-9只有九个分立的测量波段（412、440、488、512、530、555、650、676、715nm），ac-s的测量光谱范围是400-730nm，不能满足紫外波段（200-400nm）光谱分析的需求；二是ac-9或ac-s使用的样品池的有效光程长度为10cm或者25cm，光程较短，不能满足某些需要高灵敏度测量的场合应用需求。因此，利用长光程技术构建海水吸收系数的测量仪器，是解决现场原位测量所面临问题的思路。

简单来说，长光程技术就是指利用TeflonAF2400毛细管构建测量样品池，通过成数量级的增加有效光程，进而大幅提高测量灵敏度的技术。但是目前基于TeflonAF2400毛细管制作的长光程检测池，虽然大幅度提高了检测光程，但是由于液芯波导管本身孔径较小（约几百微米），以及所使用光液耦合方式的局限，导致这类长光程样品池都存在进样孔径较小的问题，因此根本无法应用于海水吸收系数测量的领域。

本发明人已经公开“一种大孔径的长光程样品池”，含有粒径小于950微米悬浮粒子的溶液可不经过滤，直接进入本发明的检测池检测，能够适用于海水吸收系数的测量的领域。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种满足中紫外波段（200-400nm）光谱分析和需要高灵敏度测量的长光程海水吸收系数测量装置及其工作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种长光程海水吸收系数测量装置，包括控制与数据采集模块、长光程现场测量模块、清洗与实验室测量模块，所述控制与数据采集模块分别与长光程现场测量模块、清洗与实验测量模块连接；所述控制与数据采集模块用于光谱仪数据采集、辅助参数采集、测量仪-上位机之间的通讯以及系统供电控制，所述长光程现场测量模块实现现场原位海水吸收系数以及辅助参数：海水温度、盐度和深度的测量，所述清洗与实验室测量模块在控制与数据采集模块的控制下对长光程现场测量模块进行清洗和提供水样。

所述长光程现场测量模块包括吸收系数测量子模块和CTD测量仪，所述吸收系数测量子模块还包括大孔径的长光程样品池、微型直流潜水泵、两条普通光纤、光谱仪、光源以及若干用于连接的硅胶软管；所述微型直流潜水泵的出口连接到大孔径的长光程样品池的进样口，微型直流潜水泵的入口通过硅胶软管放进现场海水中。微型直流潜水泵工作时，海水进入大孔径的长光程样品池，然后经样品池的排放口排出。所述光源一端通过一条普通光纤与大孔径的长光程样品池的光源接口相连，另一端与光谱仪相连；所述光谱仪另一端通过普通光纤与大孔径的长光程样品池的光谱仪接口相连；所述光谱仪还通过RS232串口与控制与数据采集模块和微型直流潜水泵相连；所述普通光纤、光谱仪和光源封装于一个水密抗压仓体内，微型直流潜水泵与大孔径的长光程样品池裸露于外部环境中。所述CTD测量仪和控制与数据采集模块相连，进行现场测量时，CTD测量仪和吸收系数测量子模块一起放入水中，获得现场测量海水吸收系数的同步的海水温度、盐度和深度数据，并通过控制与数据采集器对海水吸收系数进行温盐校正。

所述清洗与实验室测量模块包括微型自吸泵、五个微型两通电磁阀、高纯水袋、样品袋、三个清洗液袋以及一些用于连接的硅胶软管；所述微型自吸泵与五个微型两通电磁阀均与控制与数据采集模块相连，从而通过控制与数据采集模块实现微型自吸泵的开关与微型两通电磁阀的通断；所述微型自吸泵的出口与大孔径的长光程样品池的进样口相连，微型自吸泵的入口连接有高纯水袋、样品袋和三个清洗液袋；所述五个微型两通电磁阀分别安装于高纯水袋、样品袋和三个清洗液袋的出口处。所述微型自吸泵与五个两通电磁阀配合使用，向大孔径的长光程样品池进样口泵入高纯水、或海水样品、或清洗液，泵入的试剂或样品经过大孔径的长光程样品池后，由排放口排出。

所述控制与数据采集模块包括控制与数据采集器、串口扩展卡和I/O口扩展卡；所述串口扩展卡和控制与数据采集器相连，并扩展出三个RS232串口，分别与光谱仪、CTD测量仪和I/O口扩展卡相连；所述I/O口扩展卡扩展出六个I/O口，分别与一个微型自吸泵和五个微型两通电磁阀相连。此模块主要用于光谱仪数据采集、辅助参数采集、测量仪-上位机之间的通讯、以及系统供电控制。

本发明长光程海水吸收系数测量装置的工作方法包括有：清洗模式、现场原位测量模式和实验室测量模式。

所述清洗模式的步骤如下：将清洗与实验室测量模块中微型自吸泵的出口与大孔径的长光程样品池的进样口相连，在控制与数据采集模块的控制下，向大孔径的长光程样品池的进样口泵入清洗液，待大孔径的长光程样品池排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，再次泵入清洗液，待大孔径的长光程样品池排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，再次泵入清洗液，待大孔径的长光程样品池排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，再次泵入高纯水；持续泵入温度T的高纯水，若干时间S2后，打开光源，记录该温度T下高纯水的光谱值，并与标准高纯水光谱值比较，达到要求后，表明大孔径的长光程样品池清洗干净，清洗模式结束，否则，重复上述过程，继续清洗，直至清洗干净为止。

所述实验室测量模式的步骤如下：将清洗与实验室测量模块中微型自吸泵的出口与大孔径的长光程样品池的进样口相连，在控制与数据采集模块的控制下，首先执行清洗模式，然后待清洗模式结束后，泵入水样，记录水样光谱值，计算海水的吸收系数，同时利用CTD测量仪同步测量水样的温度和盐度，根据温度与盐度校正曲线，对海水吸收系数进行必要的温盐校正，最后再一次执行清洗模式。

所述现场原位测量模式的步骤如下：在控制与数据采集模块的控制下，首先执行清洗模式，然后将长光程现场测量模块投入所需测量的海水中，启动微型直流潜水泵，持续将海水样品抽入大孔径的长光程样品池，保存一条暗电流光谱后，打开光源，等待若干时间S2后，以设定的频率f，开始持续记录光谱值，并计算海水的吸收系数，利用CTD测量仪同步测量现场海水的温度、盐度和深度数据，根据温度与盐度校正曲线，对海水吸收系数进行温盐校正，测量结束时关闭微型直流潜水泵与光源，接着将长光程现场测量模块从海水中取出，用大量淡水冲洗后，再次执行清洗模式。

与现有技术相比较，本发明具有如下优势：本发明中的大孔径的长光程样品池辅以先进的控制技术、防污染技术、进样技术，将非常适合于研发长光程海水吸收系数测量装置；本发明结构简单，操作简便，功耗低，能够满足海水吸收系数测量中紫外波段（200-400nm）光谱分析和需要高灵敏度测量的应用需求。

附图说明

 附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图所示，一种长光程海水吸收系数测量装置，其包括控制与数据采集模块1、长光程现场测量模块2、清洗与实验室测量模块3。

控制与数据采集模块1包括控制与数据采集器23、串口扩展卡24和I/O口扩展卡25。串口扩展卡24和控制与数据采集器23相连，并扩展出三个RS232串口，分别与光谱仪21、CTD测量仪20和I/O口扩展卡25的接口相连；I/O口扩展卡25扩展出六个I/O口，分别与一个微型自吸泵9和五个微型两通电磁阀10、11、12、13、14相连。此模块主要用于光谱仪数据采集、辅助参数采集、测量仪-上位机之间的通讯、以及系统供电控制。

长光程现场测量模块2包括吸收系数测量子模块4和CTD测量仪20。

其中，吸收系数测量子模块4包括有大孔径的长光程样品池5，微型直流潜水泵6，两条普通光纤7、8，光谱仪21，光源22以及若干用于连接的硅胶软管。微型直流潜水泵6的出口连接到大孔径的长光程样品池5的进样口，微型直流潜水泵6的入口通过硅胶软管放进现场海水中。微型直流潜水泵6工作时，海水进入大孔径的长光程样品池5，然后经大孔径的长光程样品池5的排放口排出。光源22一端通过一条普通光纤8与大孔径的长光程样品池5的光源接口相连，光源22另一端则与光谱仪21自带的I/O接口相连；光谱仪21通过另一条普通光纤7与大孔径的长光程样品池5的光谱仪接口相连，光谱仪还通过RS232串口与串口扩展卡和微型直流潜水泵6相连，从而光谱仪与光源均连接到控制与数据采集器23，通过控制与数据采集器23实现对光谱数据的采集和光源开关的控制。普通光纤7、8，光谱仪21和光源22封装于一个水密抗压仓体内，微型直流潜水泵6与大孔径的长光程样品池5裸露于外部环境中。

CTD测量仪20通过串口扩展卡24与控制与数据采集器23相连，进行现场测量时，CTD测量仪20与吸收系数子模块4一起放入水中，获得现场测量海水吸收系数的同步的海水温度、盐度和深度数据，并通过控制与数据采集器23对海水吸收系数进行温盐校正。

清洗与实验室测量模块3包括有微型自吸泵9，五个微型两通电磁阀10、11、12、13、14、高纯水袋15，样品袋16，三个清洗液袋17、18、19以及一些用于连接的硅胶软管。微型自吸泵9与五个微型两通电磁阀10、11、12、13、14均与I/O扩展卡25的I/O口相连，从而通过控制与数据采集器23实现微型自吸泵9的开关与微型两通电磁阀10、11、12、13、14的通断。微型自吸泵9的出口与大孔径的长光程样品池5的进样口相连，微型自吸泵9的入口连接高纯水袋15、样品袋16和三个清洗液袋17、18、19。五个微型两通电磁阀10、11、12、13、14分别安装于高纯水袋15、样品袋16和三个清洗液袋17、18、19的出口处，微型自吸泵9与五个两通电磁阀10、11、12、13、14配合使用，向大孔径的长光程样品池5进样口泵入高纯水、或海水样品、或清洗液泵入的试剂或样品经过大孔径的长光程样品池5后，由排放口排出。

现表明本发明的工作方法。

清洗模式，即自动清洗大孔径的长光程样品池的工作方式，步骤如下：将清洗与实验室测量模块3中微型自吸泵9的出口与大孔径的长光程样品池5的进样口相连，在控制与数据采集模块1的控制下，向大孔径的长光程样品池5的进样口泵入清洗液袋17的清洗液，待大孔径的长光程样品池5排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，泵入清洗液袋18的清洗液，待大孔径的长光程样品池5排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，泵入清洗液袋19的清洗液，待大孔径的长光程样品池5排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，再次泵入高纯水；持续泵入温度T的高纯水，若干时间S2后，打开光源，记录该温度T下高纯水的光谱值，并与标准高纯水光谱值比较，达到要求后，表明大孔径的长光程样品池5清洗干净，清洗模式结束，否则，重复上述过程，继续清洗，直至清洗干净为止。

实验室测量模式，即在实验室内测量采集的水样的吸收系数的工作方式，步骤如下：将清洗与实验室测量模块3中微型自吸泵9的出口与大孔径的长光程样品池5的进样口相连，在控制与数据采集模块1的控制下，首先执行清洗模式，然后待清洗模式结束后，泵入水样，记录水样光谱值，计算海水的吸收系数，同时利用CTD测量仪20同步测量水样的温度和盐度，根据温度与盐度校正曲线，对海水吸收系数进行必要的温盐校正，最后再一次执行清洗模式。

现场原位测量模式，即在现场原位测量海水吸收系数的工作方式，步骤如下：在控制与数据采集模块1的控制下，首先执行清洗模式，然后将长光程现场测量模块2投入所需测量的海水中，启动微型直流潜水泵6，持续将海水样品抽入大孔径的长光程样品池5，保存一条暗电流光谱后，打开光源22，等待若干时间S2后，以设定的频率f，开始持续记录光谱值，并计算海水的吸收系数，利用CTD测量仪20同步测量现场海水的温度、盐度和深度数据，根据温度与盐度校正曲线，对海水吸收系数进行温盐校正，测量结束时关闭微型直流潜水泵6与光源22，接着将长光程现场测量模块2从海水中取出，用大量淡水冲洗后，再次执行清洗模式。

本实施例中，光纤7、8均采用纤芯直径为600微米，陶瓷插针，接头SMA905的石英光纤；光源22采用溴钨灯，光谱范围覆盖185～1050nm；光谱仪21的波长范围覆盖200～1100nm，光谱波长分辨率小于或等于1nm；所有使用的硅胶软管均为内径1.6毫米，外径3.2毫米，PTFE材料制作；所有两通电磁阀10、11、12、13、14的阀体材料均为PTFE；微型自吸泵9泵体材料为PTFE；微型直流潜水泵6扬程为0.6米。

Claims (10)

1.一种长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，包括控制与数据采集模块（1）、长光程现场测量模块（2）、清洗与实验室测量模块（3），所述控制与数据采集模块（1）分别与长光程现场测量模块（2）、清洗与实验测量模块（3）连接；所述控制与数据采集模块（1）用于光谱仪数据采集、辅助参数采集、测量仪-上位机之间的通讯以及系统供电控制，所述长光程现场测量模块（2）实现现场原位海水吸收系数以及辅助参数：海水温度、盐度和深度的测量，所述清洗与实验室测量模块（3）在控制与数据采集模块（1）的控制下对长光程现场测量模块（2）进行清洗和提供水样。

2.根据权利要求1所述的长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，所述长光程现场测量模块（2）包括吸收系数测量子模块（4）和CTD测量仪（20），所述吸收系数测量子模块（2）还包括大孔径的长光程样品池（5）、微型直流潜水泵（6）、两条普通光纤（7、8）、光谱仪（21）、光源（22）以及若干用于连接的硅胶软管；所述微型直流潜水泵（6）的出口连接到大孔径的长光程样品池（5）的进样口，微型直流潜水泵（6）的入口通过硅胶软管放进现场海水中。

3.根据权利要求2所述的长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，所述光源（22）一端通过一条普通光纤（8）与大孔径的长光程样品池（5）的光源接口相连，另一端与光谱仪（21）相连；所述光谱仪（21）另一端通过普通光纤（7）与大孔径的长光程样品池（5）的光谱仪接口相连；所述光谱仪（21）还通过RS232串口与控制与数据采集模块（1）和微型直流潜水泵（6）相连；所述普通光纤（7、8）、光谱仪（21）和光源（22）封装于一个水密抗压仓体内，微型直流潜水泵（6）与大孔径的长光程样品池（5）裸露于外部环境中。

4.根据权利要求2所述的长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，所述CTD测量仪（20）和控制与数据采集模块（1）相连，进行现场测量时，CTD测量仪（20）和吸收系数测量子模块（4）一起放入水中，获得现场测量海水吸收系数的同步的海水温度、盐度和深度数据。

5.根据权利要求1所述的长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，所述清洗与实验室测量模块（3）包括微型自吸泵（9）、五个微型两通电磁阀（10、11、12、13、14）、高纯水袋（15）、样品袋（16）、三个清洗液袋（17、18、19）以及一些用于连接的硅胶软管；所述微型自吸泵（9）与五个微型两通电磁阀（10、11、12、13、14）均与控制与数据采集模块（1）相连，从而通过控制与数据采集模块（1）实现微型自吸泵（9）的开关与微型两通电磁阀（10、11、12、13、14）的通断；所述微型自吸泵（9）的出口与大孔径的长光程样品池（5）的进样口相连，微型自吸泵（9）的入口连接有高纯水袋（15）、样品袋（16）和三个清洗液袋（17、18、19）；所述五个微型两通电磁阀（10、11、12、13、14）分别安装于高纯水袋（15）、样品袋（16）和三个清洗液袋（17、18、19）的出口处。

6.根据权利要求5所述的长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，所述微型自吸泵（9）与五个两通电磁阀（10、11、12、13、14）配合使用，向大孔径的长光程样品池（5）进样口泵入高纯水、或海水样品、或清洗液，泵入的试剂或样品经过大孔径的长光程样品池（5）后，由排放口排出。

7.根据权利要求1所述的长光程海水吸收系数测量装置，其特征在于，所述控制与数据采集模块（1）包括控制与数据采集器（23）、串口扩展卡（24）和I/O口扩展卡（25）；所述串口扩展卡（24）和控制与数据采集器（23）相连，并扩展出三个RS232串口，分别与光谱仪（21）、CTD测量仪（20）和I/O口扩展卡（25）相连；所述I/O口扩展卡（25）扩展出六个I/O口，分别与一个微型自吸泵（9）和五个微型两通电磁阀（10、11、12、13、14）相连。

8.长光程海水吸收系数测量装置的工作方法，其特征在于，清洗模式的步骤如下：将清洗与实验室测量模块（3）中微型自吸泵（9）的出口与大孔径的长光程样品池（5）的进样口相连，在控制与数据采集模块（1）的控制下，向大孔径的长光程样品池（5）的进样口泵入清洗液袋（17）的清洗液，待大孔径的长光程样品池（5）排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，泵入清洗液袋（18）的清洗液，待大孔径的长光程样品池（5）排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，泵入清洗液袋（19）的清洗液，待大孔径的长光程样品池（5）排放口有溶液排出时停止泵入；等待若干时间S1，再次泵入高纯水；持续泵入温度T的高纯水，若干时间S2后，打开光源，记录该温度T下高纯水的光谱值，并与标准高纯水光谱值比较，达到要求后，表明大孔径的长光程样品池（5）清洗干净，清洗模式结束，否则，重复上述过程，继续清洗，直至清洗干净为止。

9.根据权利要求8所述的工作方法，其特征在于，实验室测量模式的步骤如下：将清洗与实验室测量模块（3）中微型自吸泵（9）的出口与大孔径的长光程样品池（5）的进样口相连，在控制与数据采集模块（1）的控制下，首先执行清洗模式，然后待清洗模式结束后，泵入水样，记录水样光谱值，计算海水的吸收系数，同时利用CTD测量仪（20）同步测量水样的温度和盐度，根据温度与盐度校正曲线，对海水吸收系数进行必要的温盐校正，最后再一次执行清洗模式。

10.根据权利要求9所述的工作方法，其特征在于，现场原位测量模式的步骤如下：在控制与数据采集模块（1）的控制下，首先执行清洗模式，然后将长光程现场测量模块（2）投入所需测量的海水中，启动微型直流潜水泵（6），持续将海水样品抽入大孔径的长光程样品池（5），保存一条暗电流光谱后，打开光源（22），等待若干时间S2后，以设定的频率f，开始持续记录光谱值，并计算海水的吸收系数，利用CTD测量仪（20）同步测量现场海水的温度、盐度和深度数据，根据温度与盐度校正曲线，对海水吸收系数进行温盐校正，测量结束时关闭微型直流潜水泵（6）与光源（22），接着将长光程现场测量模块（2）从海水中取出，用大量淡水冲洗后，再次执行清洗模式。

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