CN102147373A - 基于momes微型光谱仪的多参数水质监测微系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于MOMES微型光谱仪的多参数水质监测微系统，其由光学检测系统、多样品与试剂进样流路系统、基于单片机的控制电路系统、嵌入式测控系统和无线发送模块组成。多样品与试剂进样流路系统将样品与试剂送入光学检测系统，光学检测系统的输出信号接入嵌入式测控系统，嵌入式测控系统从上层控制基于单片机的控制电路系统；多样品与试剂进样流路系统是由多位阀与微型步进电机蠕动泵构成的流路系统组成；光学检测系统由准直光源、多功能微型样品检测室、MOEMS微型光谱仪组成。本发明具有高效快速的流路切换功能和比较高的试样抽取精度，并检测快速，清洗高效，能够广泛应用于地表II类水质的实时监测。

Description

基于MOMES微型光谱仪的多参数水质监测微系统

技术领域

本发明属于在线光谱水质分析与监测技术领域，涉及一种基于微光机电技术

（MOEMS :Micro-Optical-Electro-Mechanical System）的微型光谱仪及现代光谱分析技术的多参数水质监测微系统。

背景技术

基于光谱分析的水质监测技术是现代环境监测的一个重要发展方向，与传统的化学分析、电化学分析和色谱分析等分析方法相比，光谱分析技术更具有操作简便、消耗试剂量小、重复性好、测量精度高和分析快速的优点，非常适合对环境水样的快速在线监测。

目前该技术主要有原子吸收光谱法、分子吸收光谱法以及高光谱遥感法。其中高光谱遥感法由于测量精度不高多数用于定性分析，而原子吸收光谱法精度虽高，但由于首先要把样品汽化，因而耗能较高，系统体积大，不适合广泛使用。比较而言，分子吸收光谱法是目前应用较为广泛的水质分析技术，其中紫外-可见光谱分析法可直接或间接地测定大多数的金属离子、非金属离子和有机污染物的含量，具有灵敏、快速、准确、简单等优点，并可实现对多种参数的监测，在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著的技术优势，是国内外科研机构与主要分析仪表厂商竞相研发的现代水质监测技术。

而基于分子光谱法的传统分光光度水质监测仪器普遍存在体积大、功耗高、检测流路复杂、携带安装不便、监测参数较少等多个方面的技术不足。难以满足现代环境监测对分析仪器在低功耗、小体积、安装使用方便、监测快速实时和多功能系统集成等方面的技术发展要求。

随着MEMS（Micro-Optical-Electro-Mechanical System 微机电系统）技术的发展，MEMS技术与环境科学、信息技术和现代生化分析技术相互交叉融合，为水质监测仪器的微型化、智能化、集成化和网络化注入了新的活力。具有多参数监测、实时快速、携带方便等功能的多参数水质监测微系统已成为世界各国在现代环境监测仪器领域的研究重点和重要发展方向。特别是近年来随着MOMES技术和现代水质分析技术的迅速发展，使得水质监测系统的微型化成为了可能， 基于MOEMS微型光谱仪的多参数水质监测微系统（微型化仪器）正成为前国内外水质监测技术领域的研究热点和重要发展趋势。

本发明基于MOEMS微型光谱分析仪，设计出具有监测实时快速、携带使用方便、多功能集成的水质监测微系统，能够在可见光谱范围内监测河水中六价铬（Cr⁶⁺）、铅(Pb²⁺)、总酚(Tph)、阴离子表面活性剂(AS)、氨氮(AN)、COD（化学需氧量）和总磷(TP)等多种水质参数的变化，可广泛应用于地表水质II类监测。

发明内容

本发明针对现代水资源环境监测对在线分析仪器在体积微型化、功能集成化和监测快速实时方面的技术发展要求，提出了一种基于MOEMS微型光谱仪的多参数水质监测微系统（微型仪器），通过采用基于多位阀和微型步进电机蠕动泵的集成化多样品多试剂顺序进样流路系统，具有高效快速的流路切换功能和比较高的试样抽取精度（±1%），并且通过采用超声搅拌和清洗技术，使得系统检测快速，清洗高效，本发明能够广泛应用于地表II类水质的实时监测。

本发明采用如下技术方案：

一种基于MOMES微型光谱仪的多参数水质监测微系统，其由光学检测系统、多样品与试剂进样流路系统、基于单片机的控制电路系统、嵌入式测控系统和无线发送模块组成；其特征在于，所述多样品与试剂进样流路系统通过管路连接光学检测系统，将样品与试剂送入光学检测系统，光学检测系统的输出信号接入嵌入式测控系统，嵌入式测控系统从上层控制基于单片机的控制电路系统，使整个系统运作，并与无线发送模块连接，通过无线发送模块与上位机进行信号通讯，实现上位机对系统的远程监控；

所述多样品与试剂进样流路系统是由多位阀与微型步进电机蠕动泵构成的流路系统，具有多样品与试剂的流路切换和精确进样的功能；

所述光学检测系统由准直光源、多功能微型样品检测室、MOEMS微型光谱仪组成；准直光源的光通过多功能微型样品检测室后，通过光纤将信号送入MOEMS微型光谱仪，所述MOEMS微型光谱仪对多功能微型样品检测室内的反应样品进行光谱分析，将数据送入嵌入式测控系统，经处理后检测水样的各个参数的含量。

所述多功能样品检测室其包括流通检测池、恒温超声水槽和超声换能器，所述流通检测池位于恒温超声水槽内，恒温超声水槽内盛有蒸馏水，所述流通检测池的下2/3部分淹没于蒸馏水之中；

所述恒温超声水槽的下部两侧对应开有石英玻璃光窗，供检测光路通过；所述恒温超声水槽的中部外周设置有热电温控模块；所述恒温超声水槽的上部设置有蒸馏水进口，并在顶部用盖板盖住，在盖板上设置连通流通检测池的待检样品进口、反应试剂进口和清洗用蒸馏水进口；所述恒温超声水槽的槽底设置有蒸馏水出口，通过管路连接废液池，并在管路上安装电池阀；

所述超声换能器设置于恒温超声水槽底部，与超声发生器连接；

所述流通检测池底部接有排废管，从恒温超声水槽底部穿出，并与恒温超声水槽密封固定，所述排废管接入废液池，并在排废管上安装有直流泵；所述流通检测池上部接有溢流管，从恒温超声水槽上部穿出，并与恒温超声水槽密封固定。

本发明的优点：

1）借鉴顺序注射分光光度法的原理，采用微型光谱仪代替大型的分光光度计，同时采用高精度、低成本、小体积、低功耗的微型步进电机蠕动泵代替传统顺序注射分析的注射泵，使得整个系统在体积、功耗、成本方面比较传统顺序注射分光光度检测系统有了极大的下降，因此具有很大的产业化优势。

2）由于采用微型光谱仪代替大型的分光光度计，属于后分光技术，因此系统在光谱分析的波长范围很宽，在380-780nm的波长范围内均可以检测水样中的重金属、有机物和无机物污染，即在可见光范围内具有连续光谱分析的优势，在多参数水质监测方面具有很大的扩展性。

3）多功能微型样品检测室借鉴了超声清洗机的原理，实质上就是一个微型化的超声清洗机，作为无刷清洗，不需要专用清洗液，清洗高效快速；而且超声的搅拌还能够有效地促进样品与试剂间的化学反应速度。样品检测室集光学检测、化学搅拌、自动清洗与水浴恒温四种功能于一体，使得整个系统在多功能系统集成方面比较其他设计具有一定的优势。

4）流通检测池是一体化熔融玻璃流通检测池，具有很强的耐酸碱腐蚀性、并且能够经受小功率超声波的振荡，具有很强的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是基于MOEMS模块化微型光谱仪的多参数水质监测微系统框图；

图2是基于多位阀和微型步进电机蠕动泵的集成化多样品多试剂流路系统；

图3是多参数光学检测系统框图；

图4是多功能微型样品反应检测室的结构示意图；

图5是各参数测量流程示意图。

图中：1-超声水槽蒸馏水进口、2-超声水槽蒸馏水出口、3-排废电磁阀、4-蒸馏水、5-流通检测池、6-检测光路、7-盖板、 8-待检水样进口、9-反应试剂进口、10-清洗用蒸馏水进口、11-流通检测池溢流管、12-废液池、13-流通检测池排废管、14-直流蠕动泵、15-不锈钢槽底、16-恒温超声水槽、17-超声波、18-石英玻璃光窗、19-样品反应体系、20-热电温控模块、21-超声换能器、22-超声发生器。

具体实施方式

参见图１，基于MOEMS模块化微型光谱仪的多参数水质监测微系统由光学检测系统、多样品与试剂进样流路系统、基于单片机的控制电路系统、嵌入式测控系统和无线发送模块组成。多样品与试剂进样流路系统通过管路连接光学检测系统，将样品与试剂通过送入光学检测系统，光学检测系统的输出信号接入嵌入式测控系统，嵌入式测控系统从上层控制基于单片机的控制电路系统，使整个系统运作，并与无线发送模块连接，通过无线发送模块（GPRS收发模块）与上位机进行信号通讯，实现上位机对系统的远程监测与控制。

其中，多样品与试剂进样流路系统是由多位阀与微型步进电机蠕动泵构成，参见图2，其在多位阀上具有24个样品与试剂的流路通道，其公共通道与微型步进电机蠕动泵连接，可以进行流路切换和精确进样。

多样品与试剂进样流路系统将待测样品与对应试剂送入光学检测系统的多功能微型样品反应检测室，经在线前处理（搅拌、萃取、消解、显色）后，再对反应样品进行光谱分析，光谱仪采集数据送入基于ARM与linux的嵌入式测控系统处理后可以检测水样的各个参数的含量，上位机通过无线传输实现对系统的远程监控。

本实施例中，基于多位阀与微型步进电机蠕动泵的多样品与试剂进样流路系统在单片机的控制下，把各个水质参数的待检样品与检测试剂抽送到微型多功能样品光学检测室（图2），样品与试剂在检测室反应后，再进行在线光谱分析，从而得到各个水质参数的浓度变化信息。其采用高精度（进样体积0.3-3mL，误差±1%）、低成本、小体积（Φ36mm×45mm）、低功耗(5W)的微型步进电机蠕动泵代替传统顺序注射分析的注射泵（体积大、价格贵），也使得系统具有很大的产业化优势。

水质多参数光学检测系统如图3所示，其由准直光源、微型多功能样品检测室、MOEMS微型光谱仪组成。准直光源的光通过多功能微型样品检测室后，通过光纤将信号送入MOEMS微型光谱仪，MOEMS微型光谱仪通过并口通信把数据送入基于ARM与linux的嵌入式测控系统进行信息处理。完成一个参数的检测后，即清洗公共流路和样品检测室，再通过多样品与试剂进样流路系统把下一个参数的待检水样和检测试剂抽入样品检测室，进行下一个参数的检测。

在多参数光学检测系统中，MOEMS微型光谱仪（波长范围：380-780nm）作为光学检测器件，是整个系统的核心所在。而其中的多功能微型样品检测室则又是整个系统功能得以实现的关键技术设计之一，其结构如图4所示。多功能样品检测室主要由流通检测池5、恒温超声水槽16和超声换能器21组成。流通检测池5材料为K9玻璃，流通检测池采用一体化熔融加工技术制造，是样品检测室的核心，流通检测池5位于恒温超声水槽16内，恒温超声水槽内盛有蒸馏水4，所述流通检测池5的下2/3部分淹没于蒸馏水4之中。

所述恒温超声水槽16的下部两侧对应开有石英玻璃光窗18，供检测光路6通过；所述恒温超声水槽16的中部外周设置有热电温控模块20；所述恒温超声水槽16的上部设置有蒸馏水进口1，并在顶部用盖板7盖住，在盖板7上设置连通流通检测池的待检样品进口8、反应试剂进口9和清洗用蒸馏水进口10；所述恒温超声水槽的槽底设置有蒸馏水出口2，通过管路连接废液池12，并在管路上安装排废电池阀3。

所述超声换能器21设置于恒温超声水槽底部，与超声发生器22连接。所述流通检测池底部接有排废管13，从恒温超声水槽底部穿出，并与恒温超声水槽密封固定，所述排废管13接入废液池，并在排废管上安装有直流蠕动泵14；所述流通检测池上部接有溢流管11，从恒温超声水槽上部穿出，并与恒温超声水槽密封固定。

实验研究证明，蒸馏水作为检测光路之一部分（检测光路通过蒸馏水进入流通检测池，再经过蒸馏水出样品室）对检测光强的吸收很小，可以忽略不计。这样，安装于不锈钢水槽正下方的微型超声换能器（Φ8mm×20mm）产生的超声波（1.5～5W@40Hz）就可以穿过槽底蒸馏水进入流通检测池中，对样品反应体系起到搅拌作用，完成光学检测后，在注水清洗流通池时，超声波又可以起到清洗的作用。同时，由于流通检测池的大部分淹没于蒸馏水中，这样，很容易在热电温控的作用下实现对样品反应体系的水浴恒温。因此，微型多功能样品检测室作为系统的流路与光路交叉部分，在设计上时整个系统的关键技术之一，集光学检测、化学搅拌、自动清洗与水浴恒温四种功能于一体，使得整个系统在多功能系统集成方面比较其他设计具有一定的优势。

结合图1与图2，多位阀的各个通道分别与待检河水水样、蒸馏水、空气和各个水质参数对应的标准溶液及检测试剂连通，多位阀的公共通道与微型步进电机蠕动泵相连，这样就可以实现多参数检测要求的多样品多试剂顺序进样流路的功能。测试流程如附图5所示：

1）调零：所有7个参数通道均用蒸馏水调零；

2）校标：各参数通道按其测试程序加入标样（已知浓度溶液）与对应试剂，采用双波长法进行光谱测试，以测试结果对各参数标准曲线进行校正；

3）测样：各参数按其测试程序加入水样与对应试剂，采用双波长法进行光谱检测，根据测量结果与标准曲线，计算出所测试样水样的各参数值；

4）清洗：各参数通道完成测试后，用蒸馏水清洗。

Claims (3)

1.一种基于MOMES微型光谱仪的多参数水质监测微系统，其由光学检测系统、多样品与试剂进样流路系统、基于单片机的控制电路系统、嵌入式测控系统和无线发送模块组成；其特征在于，所述多样品与试剂进样流路系统通过管路连接光学检测系统，将样品与试剂送入光学检测系统，光学检测系统的输出信号接入嵌入式测控系统，嵌入式测控系统从上层控制基于单片机的控制电路系统，并与无线发送模块连接，通过无线发送模块与上位机进行信号通讯，实现对整个系统的远程监控；

所述多样品与试剂进样流路系统是由多位阀与微型步进电机蠕动泵构成的流路系统组成，多位阀上具有对个样品与试剂的流路通道，其公共通道与微型蠕动泵连接，具有多样品与试剂的流路切换和精确进样的功能； 

所述光学检测系统由准直光源、多功能微型样品检测室、MOEMS微型光谱仪组成；准直光源的光通过多功能微型样品检测室后，通过光纤将信号送入MOEMS微型光谱仪，所述MOEMS微型光谱仪对多功能微型样品检测室内的反应样品进行光谱分析，将数据送入嵌入式测控系统，经处理后检测水样的各个参数的含量。

2.根据权利要求1所述的多参数水质监测微系统，其特征在于，所述多功能样品检测室其包括流通检测池、恒温超声水槽和超声换能器，所述流通检测池位于恒温超声水槽内，恒温超声水槽内盛有蒸馏水，所述流通检测池的下2/3部分淹没于蒸馏水之中；   

所述恒温超声水槽的下部两侧对应开有石英玻璃光窗，供检测光路通过；所述恒温超声水槽的中部外周设置有热电温控模块；所述恒温超声水槽的上部设置有蒸馏水进口，并在顶部用盖板盖住，在盖板上设置连通流通检测池的待检样品进口、反应试剂进口和清洗用蒸馏水进口；所述恒温超声水槽的槽底设置有蒸馏水出口，通过管路连接废液池，并在管路上安装电池阀；

所述超声换能器设置于恒温超声水槽底部，与超声发生器连接；

所述流通检测池底部接有排废管，从恒温超声水槽底部穿出，并与恒温超声水槽密封固定，所述排废管接入废液池，并在排废管上安装有直流泵；所述流通检测池上部接有溢流管，从恒温超声水槽上部穿出，并与恒温超声水槽密封固定。

3.根据权利要求1或2所述的多参数水质监测微系统，其特征在于，所述MOEMS微型光谱仪波长范围：380-780nm。

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