CN102519897A - 一种基于led多特征波长的水质cod检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于LED多特征波长的水质COD检测方法及装置，具有作为光源的N个不同特征波长的LED灯沿圆周方向等间距固接转盘的前表面，转盘的侧面上沿圆周方向设置有与N个LED灯位置相对应的定位齿；转盘前方有聚光管，聚光管后端是光源入口处；聚光管正前方依次是间隔放置的第一聚焦镜、盛有待测水样的比色皿、第二聚焦镜和光电二极管；比色皿放置在比色皿架开的矩形槽内，光电二极管将接收的光信号转化为电信号放大后输入单片机，测得第一特征波长处经待测水样吸收的光强并计算出吸光度，重复操作后将N个特征波长处的吸光度值输入BP神经网络模型，计算得到被测水样的COD值，实现快速、准确的对水质COD值进行在线测量。

Description

一种基于LED多特征波长的水质COD检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种基于LED紫外多特征波长水质COD检测方法及装置。

背景技术

化学需氧量是水质污染最重要的指标。化学需氧量（Chemical  Oxygen 

Demand，COD）是指在一定的条件下，将 1L 水样中还原性物质氧化所消耗氧化剂的量，其结果折算成氧的含量。COD 是对水中含有的有机物和无机氧化物浓度的度量，反映了水体被污染的程度，是评价水体好坏的重要指标之一。水中还原性物质包括各种有机物、亚铁、亚硝酸、硫化物等。水体受到有机物污染是非常普遍的，COD 会过度消耗溶解在水体中的氧气，造成水体富营养化，对水生物如鱼类、藻类等带来不良影响，因此 COD 作为目前衡量水质状况的重要指标之一。

目前COD的测量方法主要有化学法和物理法两种。化学法是用强氧化剂将水样中的还原性物质氧化，再计算氧化剂的消耗量，最后折算成消耗氧的量。重铬酸钾（CODer）和高锰酸钾指数法（CODmn）是目前化学法中测量COD的典型方法。高锰酸钾法多用于分析较干净的地表水、地下水、饮用水，即低浓度COD测量；重铬酸钾法多用于工业废水和生活污水的分析，即较高浓度的COD测量。广泛用于实验室COD测量的还有库伦滴定法、比色法、催化消解法、TOC换算法、微波消解法等等。这些化学测量方法适用的水质浓度范围广，测量准确。但存在着以下缺点：

1、分析周期长，操作工序繁琐，管道系统复杂容易堵塞，可靠性差，故障率高，不适合实时在线监测。

2、监测频次低，采样误差打、监测数据不准确，不能及时反映排污状况；

3、铬、银等贵重金属试剂及硫酸汞会对环境造成二次污染，成本高。

物理法主要是基于Lambert-Beer定律的紫外吸光度法，即UV（Ultraviolet）法。目前国内外的COD测量仪大都采用双波长检测法，双波长检测法将同一光源分成两束，分别经过两个单色器（254nm和546nm），得到两束不同波长的单色光，利用斩光器使两束光以一定频率交替照射同一吸收池，然后被检测器接收。信号经处理系统计算得出两个波长的吸光度差值，吸光度差即与被测样品浓度成正比。双波长测定法消除了背景光、浊度、吸光池等的误差，大大提高了测定的准确度。但是还存在以下不足之处：

1、水体中的有机物组分不同，最大吸收峰并非都在254nm处；

2、悬浮物对吸光度产生干扰会增加COD的值；

3、适合对成分比较单一、相对成分比较稳定的污水进行COD测定，但实际应用的场合非常多，不同污水存在特定的吸收峰，只用254nm捕捉全部有机物非常困难，适用性不够广。

紫外多光谱扫描法相对于双波长检测法，其精度更高，检测范围和适用性更广。但紫外多光谱扫描装置透镜系统多，光强损失大，结构较复杂、精密度要求高，且成本较高。

发明内容

针对目前常用COD检测仪存在的不足之处，本发明的目的是提供一种检测范围广、结构简单的基于LED紫外多特征波长水质COD检测方法及装置，可以快速、准确的对水质COD值进行在线测量。

本发明提供的一种基于LED多特征波长的水质COD检测方法采用的技术方案是：通过对自配水样水质样本学习得到BP神经网络模型，再采用如下步骤：1）第一特征波长LED灯位于聚光管的入口处，第一步进电机保持不动，单片机控制系统中的单片机控制第二步进电机反转180度，将比色皿脱离光路主轴，测得第一特征波长LED灯的初始光强；单片机控制第二步进电机正转180度，比色皿回到原位，光源依次经聚光管、第一聚焦镜、比色皿中的待测水样、第二聚焦镜和光电二极管，光电二极管将接收的光信号转化为电信号放大后输入单片机，单片机测得第一特征波长处经待测水样吸收的光强，计算出待测水样在第一特征波长处的吸光度；2）单片机控制第一步进电机转动，转盘随第一步进电机至第二特征波长LED灯正好转至聚光管的入口处，重复步骤1），计算出待测水样在第二特征波长处的吸光度；3）单片机控制第一步进电机带动转盘继续同向转动，将第三特征波长LED灯转至聚光管的入口处，重复步骤1），计算出待测水样在第三特征波长处的吸光度；4）重复步骤3），计算待测水样在第四特征波长处吸光度，直至计算待测水样在第N特征波长处的吸光度，共得到N个特征波长处的吸光度值；5）根据得到的N个特征波长处的吸光度值，输入BP神经网络模型，计算得到被测水样的COD值。

本发明提供的一种基于LED多特征波长的水质COD检测装置采用的技术方案是：具有作为光源的N个不同特征波长的LED灯，N个不同特征波长的LED灯沿圆周方向等间距固接转盘的前表面，转盘的侧面上沿圆周方向设置有与N个LED灯位置相对应的定位齿；转盘轴向连接第一步进电机，转盘的前方有一个聚光管，聚光管后端是光源入口处；聚光管的正前方依次是间隔放置的第一聚焦镜、盛有待测水样的比色皿、第二聚焦镜和光电二极管；比色皿放置在比色皿架开的矩形槽内，矩形槽底端与第二步进电机转轴连接；第一、第二步进电机分别连接单片机控制系统，光电二极管经运放电路连接单片机控制系统；定位齿包括下部分的固定板和上部分的触发板，固定板和触发板之间连接绝缘弹簧，固定板与单片机的相连，触发板与地线相连；聚光管的后端有一延伸板，延伸板延伸于转盘的上方且高度比每个定位齿低，当定位齿转至延伸板位置处相接触，固定板和触发板接触，定位齿和延伸板的接触部分均采用45度斜面相配。

本发明采用上述方法和装置后的有益效果如下：

1、相比于化学法检测装置，化学检测法消解时间一般为20-30分钟，整个检测过程通常在30分钟以上，本发明装置整个检测过程只需2-3分钟，检测速度快、且无二次污染，重复性高，可实现在线检测；

2、相比于双波长检测法，双波长检测方法只能检测对254nm吸收比较明显的水质，适用水质比较单一，而且当水中有机物对254nm紫外光吸收达到饱和后，就无法检测更高浓度的水质COD值，本发明装置采用基于LED灯的多特征波长检测的方法，N个LED灯的波长均不相同，对于不同的水质，总有吸收比较明显的特征波长，当水质对某一特征波长吸收饱和后，总有其他特长波长吸收没有饱和，所以本发明装置检测范围和水质适用性更广，检测精度更高；

3、相比于紫外多光谱扫描法，多光谱扫描法光源通常选用氘灯，氘灯寿命一般为2000小时左右，本发明装置光源采用LED灯，LED灯使用时间可达上万小时，其寿命更长，而且发光比氘灯稳定，有利于减小检测误差；

4、相比于紫外多光谱扫描法，多光谱扫描法特征波长扫描采用步进电机带动光栅转动，单片机控制步进电机每次转动固定的角度，但步进电机存在步距误差，每次转动的角度存在一定的偏差，无法达到精确控制。本发明装置采用定位齿对特征波长处的LED灯进行定位，当LED灯转到相应位置时，定位齿受压向下运动，触发端与固定端接触，产生一个低电平脉冲信号传送至单片机，单片机控制系统接收到该信号后立即控制步进电机停止转动，可以达到对光源的精确定位；

5、相比于紫外多光谱扫描法，多光谱扫描的单色器采用光栅系统，通过调整光栅的反射角度得到所需波长的单色光，其中，光栅由步进电机控制转动，由于齿轮的机械误差，所扫描到的单色光的中心波长会有小范围的波动。而本发明装置单色光源采用LED灯，LED灯中心波长很稳定，不存在机械误差，所以，本发明装置光源的波长稳定性更好；

6、相比于紫外多光谱扫描法，紫外多光谱扫描法光路结构包括入射狭缝、出射狭缝、聚焦镜、准直镜、光栅、步进电机等部件，结构复杂，机械精密度要求高，本发明装置光路主要包括聚光管、透镜，结构简单，成本较低。

附图说明

图1是基于LED多特征波长的水质COD检测装置中转盘10上的光源布置图；

图2是本装置的光路原理图；

图3是本发明装置的硬件连接框图；

图4是本发明装置的工作流程图；

图5是建立紫外多波长吸光度与水质COD之间数学模型的BP神经网络示意图；

图6是图2中比色皿架24及其组件的主视放大图；

图7是图1中定位齿25的结构主视放大图；

图8是图2中聚光管11的结构放大图，其中，图8a是聚光管11主视放大图，图8b是图8a的左视图；

图中：1～8、N. LED灯；9.第一步进电机；10.转盘；11.聚光管；12.第一聚焦镜；13.比色皿；14.第二聚焦镜；15.光电二极管；16.第二步进电机；17.运放电路；18.单片机控制系统；19.液晶显示器；20.控制键盘；22.矩形槽；23.螺丝；24.比色皿架；25.定位齿；26.触发板；27.固定板；28.绝缘弹簧；29.延伸板。

具体实施方式

参见图1，光源包括N（N≥8）个不同特征波长的LED灯，分别为：第一特征波长LED灯1、第二特征波长LED灯2、第三特征波长LED灯3、第四特征波长LED灯4、第五特征波长LED灯5、第六特征波长LED灯6、第七特征波长LED灯7、……和第N特征波长LED灯N。特征波长就是水质吸收较为明显的光的波长值，根据实际水质情况特征波长可选取8至N个。N个特征波长LED灯沿圆周方向以等间距的方式固定在转盘10的前表面上，转盘10的侧面上沿圆周方向设置有与N个LED灯位置相对应的定位齿25，定位齿25连接相对应的LED灯，其作用是对下方的LED灯进行精确定位。LED灯中心波长很稳定，所提供的单色光纯度和稳定性更好，有利于检测精度的提高

参见图2-3，转盘10轴向连接第一步进电机9，第一步进电机9控制转盘10在逆时针方向转动。在转盘10的前方有一个聚光管11，聚光管11后端有个缺口，即光源入口处。每次转盘10停止转动时，总有一个LED灯正好位于聚光管11的光源入口处。第一步进电机9由单片机自控控制，第一步进电机9带动转盘10一起转动。每次转动的角度刚好为两个LED灯之间的距离。

在聚光管11的正前方依次是间隔放置的第一聚焦镜12、比色皿13、第二聚焦镜14和光电二极管15，LED灯发出的光经聚光管11，然后经第一聚焦镜12聚焦后透射过盛有待测水样的比色皿13，由比色皿13透射出来的光经第二聚焦镜14再次聚光后由光电二极管15接收。第一、第二聚焦镜12、14均采用焦距28mm，直径28mm的光学透镜，透射率可达80%以上。比色皿13放置在比色皿架24开的矩形槽22内，矩形槽22底端与第二步进电机16转轴连接，受第二步进电机16的控制，随着第二步进电机16的转动而移动。

将第一、第二步进电机9、16分别连接单片机控制系统18，光电二极管15经运放电路17后连接单片机控制系统18，单片机控制系统18还分别连接液晶显示器19和控制键盘20，

参见图8，聚光管11的结构如图8所示，聚光管11的作用主要是：一、防止光线向外扩散，保持光源强度；二、协助定位，聚光管11的后端有一延伸板29，延伸板29向后延伸到光源转盘10的上方，并且延伸板29的高度比每个定位齿25低，当定位齿23转至延伸板29位置时（即LED灯正好转至聚光管11的缺口时），延伸板29向下压下定位齿25，从而产生一个脉冲信号输入至单片机，单片机接收到该信号后，立即控制步进电机9停止转动，这样，使LED灯精确的转到相应位置。

参见图7，定位齿25的结构如图所示，定位齿25包括下部分的固定板27和上部分的触发板26，固定板27和触发板26之间用绝缘弹簧28连接，其中，固定板27与单片机的I/O口相连，触发板26与地线相连。步进电机9控制转盘10转动时，当定位齿25转至聚光管11的延伸板29时，由于定位齿25高度比延伸板29高，延伸板29压迫定位齿25向下运动，触发板26向下运动从而引起固定板27和触发板26接触，接触后会产生一个低电平脉冲信号，单片机接收到来自定位齿25的脉冲信号后立即控制步进电机9停止转动，此时定位齿25正好位于聚光管11的延伸板29下方（即LED灯位于聚光管11的入口处），从而实现对光源的精确定位。定位齿25和延伸板29的接触部分均采用45度斜面相配，有利于延伸板29对定位齿25的压迫转动，防止转盘10被卡住而无法转动。

参见图2和图6，比色皿架24结构如图6所示，比色皿13置于矩形槽22内，由两侧的四个螺丝23进行固定，矩形槽22底端与第二步进电机16转轴连接，随着第二步进电机16的转动而移动，当第二步进电机16反转时，比色皿13脱离光路主轴位置，光电二极管15可检测到光源的初始光强；当第二步进电机16正转时，比色皿13回到如图6所示位置，光电二极管15检测到的是经待测水样吸收后的光强，根据朗伯-比尔定律可计算出该待测水样在特定波长下的吸光度。由于LED灯在短时间内波动很小，该结构设置可以在很大程度上消除光源波动的影响。

如图5所示，将自配水样水质吸光度与水质COD之间关系建模，通过对自配水样水质样本学习得到BP神经网络模型。单片机控制系统18根据N个紫外波长段的吸光度数据，采用BP神经网络建立吸光度与水质COD之间的数学模型，并由模型的外推能力，根据被测水样的N个紫外波长处吸光度值推算出该水样的COD值，建立的BP神经网络层结构为N-2N-1，输入层为N个节点，分别为N个波长的吸光度值，隐含层为2N个节点，输出层为1个节点，即神经网络计算得到的COD值。

如图3-4所示，本发明装置在工作之前，第一特征波长LED灯1作为光源位于聚光管11的后端入口处，装置启动后，电源导通，光源正常发光，光源发出的光经光电二极管15接收后，光电二极管15将接收的光信号转化为电信号，然后经运放电路17放大后输入值单片机控制系统18的单片机I/O口，由此可得到光源的初始强度和经待测水样吸收后的光强度，由单片机通过相应的计算公式可得出待测水样在某一波长下的吸光度。单片机内部程序自动控制第一步进电机9和第二步进电机16的转动和停止，可相继得到待测水样在N个不同波长光源下的吸光度，通过BP神经网络模型演算可得出待测水样的COD值，并将最终计算结果通过液晶显示器19显示出来，同时对数据进行保存等操作。控制键盘20可控制装置的启动与停止，进行数据查询、工作参数的设定等一些功能操作。具体工作过程如下： 

单片机控制系统18执行以下步骤：

    一、第一步进电机9保持不动，单片机控制系统18中的单片机控制第二步进电机16反转180度，将比色皿13脱离光路主轴，测得第一特征波长LED灯1的初始光强，然后单片机控制第二步进电机16正转180度，比色皿13回到原位，可测得第一特征波长处经待测水样吸收的光强，通过单片机内部程序计算可得出待测水样在第一特征波长处的吸光度；

二、得出第一特征波长处吸光度后，单片机控制第一步进电机9转动，转盘10随第一步进电机9转动45度，第二特征波长LED灯2正好转至聚光管11的入口处，重复步骤一，可计算出待测水样在第二特征波长处的吸光度；

三、单片机控制第一步进电机9带动转盘10继续同向转动，将第三特征波长LED灯转至聚光管11的入口处，重复步骤一，计算待测水样在第三特征波长处吸光度；

四、重复步骤三，计算待测水样在第四特征波长处吸光度；

五、重复步骤三，计算待测水样在第五特征波长处吸光度；如此重复步骤三，直至计算待测水样在第N特征波长处吸光度，共得到N个特征波长处的吸光度值；

六、根据得到的N个特征波长处的吸光度值，输入已经通过水质样本学习得到的神经网络模型，计算得到被测水样的COD值。

Claims (3)

1.一种基于LED多特征波长的水质COD检测方法，通过对自配水样水质样本学习得到BP神经网络模型，其特征是再采用如下步骤：单片机控制系统（18）根据N个紫外特征波长处的吸光度数据，

1）第一特征波长LED灯（1）位于聚光管（11）的入口处，第一步进电机（9）保持不动，单片机控制系统（18）中的单片机控制第二步进电机（16）反转180度，将比色皿（13）脱离光路主轴，测得第一特征波长LED灯（1）的初始光强；单片机控制第二步进电机（16）正转180度，比色皿（13）回到原位，光源依次经聚光管（11）、第一聚焦镜（12）、比色皿（13）中的待测水样、第二聚焦镜（14）和光电二极管（15），光电二极管（15）将接收的光信号转化为电信号放大后输入单片机，单片机测得第一特征波长处经待测水样吸收的光强，计算出待测水样在第一特征波长处的吸光度；

2）单片机控制第一步进电机（9）转动，转盘（10）随第一步进电机（9）至第二特征波长LED灯（2）正好转至聚光管（11）的光源入口处，重复步骤1），计算出待测水样在第二特征波长处的吸光度；

3）单片机控制第一步进电机（9）带动转盘（10）继续同向转动，将第三特征波长LED灯（3）转至聚光管（11）的光源入口处，重复步骤1），计算出待测水样在第三特征波长处的吸光度；

4）重复步骤3），计算待测水样在第四特征波长处吸光度，直至计算待测水样在第N特征波长处的吸光度，共得到N个特征波长处的吸光度值；

5）根据得到的N个特征波长处的吸光度值，输入BP神经网络模型，计算得到被测水样的COD值。

2.根据权利要求1所述水质COD检测方法，其特征是：所述BP神经网络结构为N-2N-1，输入层为N个节点，分别为N个波长的吸光度值，隐含层为2N个节点，输出层为1个节点，即COD值。

3.一种实现权利要求1所述水质COD检测方法的装置，具有作为光源的N个不同特征波长的LED灯，其特征是：N个不同特征波长的LED灯沿圆周方向等间距固接转盘（10）的前表面，转盘（10）的侧面上沿圆周方向设置有与N个LED灯位置相对应的定位齿（25）；转盘（10）轴向连接第一步进电机（9），转盘（10）的前方有一个聚光管（11），聚光管（11）后端是光源入口处；聚光管（11）的正前方依次是间隔放置的第一聚焦镜（12）、盛有待测水样的比色皿（13）、第二聚焦镜（14）和光电二极管（15）；比色皿（13）放置在比色皿架（24）开的矩形槽（22）内，矩形槽（22）底端与第二步进电机（16）转轴连接；第一、第二步进电机（9、16）分别连接单片机控制系统（18），光电二极管（15）经运放电路（17）连接单片机控制系统（18）；定位齿（25）包括下部分的固定板（27）和上部分的触发板（26），固定板（27）和触发板（26）之间连接绝缘弹簧（28），固定板（27）与单片机的相连，触发板（26）与地线相连；聚光管（11）的后端有一延伸板（29），延伸板（29）延伸于转盘（10）的上方且高度比每个定位齿（25）低，当定位齿（25）转至延伸板（29）位置处相接触，固定板（27）和触发板（26）接触，定位齿（25）和延伸板（29）的接触部分均采用45度斜面相配。

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