CN102288564A - 水中亚硝酸盐含量检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水中亚硝酸盐含量检测系统及方法，涉及水质检测技术领域。该系统包括：激光器，发射设定波长的激光；双接头感应光纤，一头接收激光器发射的激光，另一头将经过光纤的感应部分后的光信号发送至接收器，感应部分为裸露的光纤芯；接收器，对光信号进行放大、滤波以及整形处理，并对其进行模数转换，获得数字化的激光光谱数据，并将激光光谱数据发送至信号处理模块；信号处理模块，根据激光光谱分析待测水体中的亚硝酸盐的含量。本发明的系统及方法可实现快速、连续、在线监测，可供水产养殖场、环境保护和监管部门使用，有助于实时了解水中的亚硝酸盐含量，及时对水质进行预警，避免中毒。

Description

水中亚硝酸盐含量检测系统及方法
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，尤其涉及一种水中亚硝酸盐含量检测系统及方法。
背景技术
亚硝酸盐是致癌物质亚硝胺的前体物，广泛存在于生活环境中，对人类健康、农业发展、生态环境的可持续发展有很大影响。水产养殖中，因亚硝酸盐含量过高而引起的水产大批死亡事件时有发生。水中亚硝酸盐的主要来源为生活污水中含氮有机物的分解。此外，化肥、酸洗等工业废水和农田排水也将亚硝酸盐带入水系，给水环境带来污染。亚硝酸盐含量是应用水、水产养殖、灌溉用水的重要水质指标之一。
现有的水中亚硝酸盐检测方法多为分光光度法和离子色谱法。分光光度法常利用亚硝酸盐催化作用下发生的褪色反应检测亚硝酸盐含量。如亚硝酸根对溴酸钾氧化靛蓝二磺酸钠褪色反应具有催化作用，在608nm处亚硝酸根含量与靛蓝二磺酸钠吸光度的减少值呈线性关系。通过测量吸光度值的变化程度，可获得水中的亚硝酸盐含量(水中痕量亚硝酸盐测定方法的研究，攀枝花学院学报，第26卷，第3期，5-8页)。在离子色谱法测定水中亚硝酸盐的过程中，将电导检测器安装在离子交换树脂柱的后面，以连续检测色谱分离的离子的方法获得亚硝酸盐的浓度。离子色谱法具有前处理简单、灵敏度高、精确度高的优点(离子色谱法测定农田灌溉水中的亚硝酸盐，湖北农业科学，第48卷，第9期，2237-2239页)。
现有的上述方法虽然可以对水中的亚硝酸盐含量进行测定，但其有如下缺陷：
(1)需要对水样本进行采样；
(2)需要对样本进行前处理，耗时长；
(3)采样过程有一定的误差，不能准确反应水体的真实状态；
(4)由于有取样过程，故不适合时间上的动态观测研究；
(5)不能实时实现水中亚硝酸盐含量的超标预警；
(6)设备成本高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种可实现实时、在线、定量化、以及原位测量水中亚硝酸盐含量检测系统及方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种水中亚硝酸盐含量检测系统，该系统包括：激光器，用于发射设定波长的激光；双接头感应光纤，一头与所述激光器相连，用于接收所述激光器发射的激光，另一头与接收器相连，用于将经过双接头感应光纤的感应部分后的光信号发送至接收器，所述感应部分为裸露的光纤芯；接收器，与信号处理模块相连，用于对所述双接头感应光纤发送的光信号进行放大、滤波以及整形处理，对处理后的光信号进行模数转换，获得数字化的激光光谱数据，并将所述激光光谱数据发送至信号处理模块；信号处理模块，用于根据所述激光光谱，反演待测水体中的亚硝酸盐的含量。
优选地，该系统还包括：温控模块，与所述激光器相连，用于将所述激光器的温度控制在恒定范围内，以及产生调制电流信号对激光波长进行调制。
优选地，该系统还包括：光学调理模块，设置在所述激光器及接收器与所述双接头感应光纤之间，用于对所述激光器发射的激光进行发散和准直，以及用于对所述接收器接收前的光信号进行汇聚。
优选地，该系统还包括：控制模块，与所述信号处理模块相连，用于控制系统各部分的运作以及显示所述处理模块反演的到得待测水体中的亚硝酸盐的含量。
优选地，所述双接头感应光纤与所述激光器相连的一头封装发光二极管，与所述接收器相连的一头封装硅光伏电池或硅光电二极管。
优选地，所述设定波段为450nm。
本发明还提供了一种基于上述系统的水中亚硝酸盐含量检测方法，该方法包括步骤：
S1.将双接头感应光纤的感应部分放入待测水体中，将所述双接头感应光纤的一头与所述激光器连接，另一头与接收器连接；
S2.驱动激光器发射设定波段的激光；
S3.接收器对来自所述双接头感应光纤的光信号进行放大、滤波以及整形处理，并对处理后的光信号进行模数转换，获得数字化的激光光谱数据，并将所述激光光谱数据发送至信号处理模块；
S4.信号处理模块根据所述激光光谱，反演待测水体中的亚硝酸盐的含量。
优选地，该方法还包括对激光器发射的激光进行发散和准直，以及对接收器接收的光信号进行汇聚的步骤。
(三)有益效果
本发明的系统及方法通过在待测水体样品中直接放入感应光纤，测量其吸收光谱的方式，可以在不取样的情况下，在线快速测量水中的亚硝酸盐含量，系统简单便携，适用于农村饮用水、水产用水及灌溉水中亚硝酸盐的现场检测，不仅极大程度节约了人力、物力和财力，而且实现了在线检测。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的水中亚硝酸盐含量检测系统结构框图；
图2为依照本发明一种实施方式的水中亚硝酸盐含量检测方法流程图。
具体实施方式
本发明提出的水中亚硝酸盐含量检测系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。
本发明提供一种水中亚硝酸盐含量检测系统及方法，其检测机理为：水中亚硝酸盐对光波具有吸收作用，不同浓度亚硝酸盐对光波具有不用的吸收。光纤通光后，暴露在水中的裸露纤芯表面的倏逝波与水中亚硝酸盐相互作用，对倏逝波进行吸收，倏逝场吸收光谱是水中亚硝酸盐含量的反应。因此，通过分析水中亚硝酸盐的倏逝波吸收光谱，可以检测水中亚硝酸盐的含量。
如图1所示，依照本发明一种实施方式的水中亚硝酸盐含量检测系统包括：
激光器1，用于发射设定波长的激光，该设定波长优选为450nm。
双接头感应光纤3，为多模阶跃石英光纤，一头与激光器1相连，用于接收激光器1发射的激光，另一头与接收器7相连，用于将经过光纤的感应部分后的光信号发送至接收器7，该感应部分为腐蚀掉光纤包层且裸露出光纤芯的部分，测量时该感应部分置于待测水体中。
接收器7，与信号处理模块8相连，用于对双接头感应光纤3发送的光信号进行放大、滤波以及整形等处理，并对处理后的光信号进行模数转换，获得数字化的水中亚硝酸盐与光纤芯表面倏逝波相互作用后的倏逝波吸收光谱，并将该光谱数据发送至信号处理模块8。
信号处理模块8，优选为单片机，用于根据接收器7发送的激光光谱，分析待测水体中的亚硝酸盐的含量。
该系统还包括：
温控模块，与激光器1相连，由于激光器1是采用二极管激光器产生稳定波长的激光，而二极管激光器的激光波长同时受温度和输入电流的影响，因此，本发明采取温度衡量、以及调节电流的方式输出稳定波段的激光，通过由半导体制冷器件和测温器件组成的温控模块，将激光器1的温度控制在恒定范围内，同时产生调制电流信号对激光波长进行调制。
光学调理模块，设置在激光器1及接收器7与双接头感应光纤3之间，用于对激光器1发射的激光进行发散和准直，以及用于对接收器7接收前的光信号进行汇聚。
控制模块9，通过串口(优选为USB接口)与信号处理模块8相连，用于控制系统各部分的运作以及显示待测水体中的亚硝酸盐的含量，该控制模块为计算机或具有同样功能的手持设备。
其中，为了响应450nm的光信号，双接头感应光纤3与激光器1相连的一头封装发光二极管2，与接收器7相连的一头封装硅光伏电池或硅光电二极管6。
本发明还提供了一种基于上述系统的水中亚硝酸盐含量检测方法，如图2所示，该方法包括步骤：
S1.将双接头感应光纤的感应部分放入待测水体中，将该双接头感应光纤的一头与所述激光器连接，另一头与接收器连接；
S2.驱动激光器发射设定波段的激光；
S3.接收器对接收到的来自双接头感应光纤的光信号进行放大、滤波以及整形等处理，并对处理后的光信号进行模数转换，获得数字化的激光光谱数据，并将该激光光谱数据发送至信号处理模块；
S4.信号处理模块根据所述激光光谱，分析待测水体中的亚硝酸盐的含量。由于亚硝酸盐在本发明所采用的波段具有光谱特征，因此，光纤中的激光倏逝波效应包含了亚硝酸盐的浓度信息。通过实验建立亚硝酸盐浓度与发生倏逝波作用后的激光光谱的定量化模型，便可反演水体中的亚硝酸盐浓度。
该方法还包括对激光器发射的激光进行发散和准直，以及对接收器接收的光信号进行汇聚的步骤。
另外，该双接头感应光纤1的感应部分是通过光纤腐蚀得到的。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种水中亚硝酸盐含量检测系统，其特征在于，该系统包括：
激光器，用于发射设定波长的激光；
双接头感应光纤，一头与所述激光器相连，用于接收所述激光器发射的激光，另一头与接收器相连，用于将经过双接头感应光纤的感应部分后的光信号发送至接收器，所述感应部分为裸露的光纤芯；
接收器，与信号处理模块相连，用于对所述双接头感应光纤发送的光信号进行放大、滤波以及整形处理，对处理后的光信号进行模数转换，获得数字化的激光光谱数据，并将所述激光光谱数据发送至信号处理模块；
信号处理模块，用于根据所述激光光谱，反演待测水体中的亚硝酸盐的含量。
2.如权利要求1所述的水中亚硝酸盐含量检测系统，其特征在于，该系统还包括：
温控模块，与所述激光器相连，用于将所述激光器的温度控制在恒定范围内，以及产生调制电流信号对激光波长进行调制。
3.如权利要求1所述的水中亚硝酸盐含量检测系统，其特征在于，该系统还包括：
光学调理模块，设置在所述激光器及接收器与所述双接头感应光纤之间，用于对所述激光器发射的激光进行发散和准直，以及用于对所述接收器接收前的光信号进行汇聚。
4.如权利要求1所述的水中亚硝酸盐含量检测系统，其特征在于，该系统还包括：
控制模块，与所述信号处理模块相连，用于控制系统各部分的运作以及显示所述处理模块反演的到得待测水体中的亚硝酸盐的含量。
5.如权利要求1所述的水中亚硝酸盐含量检测系统，其特征在于，所述双接头感应光纤与所述激光器相连的一头封装发光二极管，与所述接收器相连的一头封装硅光伏电池或硅光电二极管。
6.如权利要求1所述的水中亚硝酸盐含量检测系统，其特征在于，所述设定波段为450nm。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述系统的水中亚硝酸盐含量检测方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.将双接头感应光纤的感应部分放入待测水体中，将所述双接头感应光纤的一头与所述激光器连接，另一头与接收器连接；
S2.驱动激光器发射设定波段的激光；
S3.接收器对来自所述双接头感应光纤的光信号进行放大、滤波以及整形处理，并对处理后的光信号进行模数转换，获得数字化的激光光谱数据，并将所述激光光谱数据发送至信号处理模块；
S4.信号处理模块根据所述激光光谱，反演待测水体中的亚硝酸盐的含量。
8.如权利要求7所述的水中亚硝酸盐含量检测方法，其特征在于，该方法还包括对激光器发射的激光进行发散和准直，以及对接收器接收的光信号进行汇聚的步骤。
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