CN102803932B - 手持式光学测量装置和使用方法 - Google Patents

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Abstract

实施例提供了一种手持式光学测量装置和测量液态样本的光学性质的方法。在一些实施例中，该光学测量装置包括具有浸入式传感器端头的手持式控制器模块、和采样部件，该采样部件包括样本杯和将样本杯耦接至手持式控制器模块的接合部件。在一些实施例中，该接合部件是以铰链方式耦接至控制器模块的细长刚性部件，由此，在测量、运输和/或存储期间提供用样本杯包围传感器端头的折叠构造。在一些实施例中，所接合的样本杯在使用期间和/或在未使用时向浸入式传感器端头提供保护壳。

Description

手持式光学测量装置和使用方法
技术领域
本发明的实施例一般涉及用于测试液态样本的光学测量装置，并且更具体地说，涉及具有用于测量液态样本的一个或多个光学性质的浸入式传感器的手持式光学测量装置。
背景技术
监测水质量（包括水样本内的各种物质）是在许多领域广泛使用的处理，并且如将清楚的，在依靠维护和/或改变水样本的各种特性的任何应用中可以是重要的。相关应用的一些示例包括：监测自然水源以用于环境问题，监测工业水系统以确保足够性能，以及监测市政水系统以确保满足质量标准。在用于测试、特征化、和监测水流的无数方法当中，测量水样本的光学性质已经成为用于特征化水样本的某些性质的重要且可靠的方法。许多方法都可用于测量水样本的光学性质。
吸收光谱法可以提供有关被水样本中的一种或多种物质吸收的电磁频谱的范围的信息。在利用分光光度计方面，使特定波长（或波长范围）的紫外光和/或可见光照射通过水样本。该分光光度计测量有多少光被水样本吸收。接着，通过测量透射穿过水样本的光的强度并且基于所测量的水样本透射计算物质的浓度，来确定水样本中的物质的浓度。
荧光测定光谱涉及检测由关注的样本发射的荧光。其涉及利用光束，通常为紫外（UV）光，其激发样本中特定化合物的分子中的电子，并使它们发射具有更低能量的光（即，“荧光”）。存在几种类型的用于测量所发射的荧光的荧光测定计。荧光测定计通常具有激发辐射能的源、激发波长选择器、用于包含样本材料的样本单元、发射波长选择器、具有信号处理器的检测器以及读出装置。过滤器荧光测定计使用滤光器来隔离入射光和荧光。荧光分光计使用衍射光栅单色器来隔离入射光和荧光。
监测水样本中的化学产品（例如，清洁剂）的浓度的一种方法依靠监测产品的荧光，该荧光在样本（和样本内的产品）被暴露至预定波长的光时出现。例如，产品内的化合物或添加至产品的荧光示踪剂在暴露至特定波长的光时可以发荧光。产品的浓度接着可以利用荧光测定计来确定，该荧光测定计测量该化合物的荧光，并且基于所测量的荧光来计算化学物质的浓度。这种确定在清洁和杀菌操作方面可能尤其重要，在这些操作中，商业用户（例如，餐馆、旅馆、食品和饮料工厂、杂货店等）依靠清洁或杀菌产品的浓度来使产品有效工作。这对于其它应用（如水护理、害虫防治、饮料和装瓶操作、包装操作等）来说同样是这样。
浊度感测提供了对水或悬浮液中的悬浮固体的相对量的快速、实际的指示。许多工业和商业沐浴应用可以利用浊度和传导率感测，以改进产品质量，最小化成分消耗，以及缩减废水排放。浊度传感器通常基于透射穿过样本或被样本散射的光的量来确定悬浮固体的量。
测量和监测水样本的光学性质的其它方法也是可获得的。
发明内容
本发明的实施例一般涉及针对手持式光学测量装置的各种设计，该手持式光学测量装置具有：集成样本杯和浸入式传感器端头，该浸入式传感器端头能够通过将该传感器端头浸入该样本杯内的水样本中来测量该水样本的一个或多个性质。该手持式装置的实施例有利地为自包含的并且并入这样的组件，该组件允许该手持式光学装置包含离开水源的水样本，并且在不需要与外部设备通信的情况下测量该水样本的特性并向用户显示。
根据本发明的一个方面，提供了一种手持式光学测量装置，其包括手持式控制器模块和采样部件。该控制器模块适于（例如，被尺寸化和整形成）被用户的手握持，并且包括具有底表面的外壳。控制器被定位在该外壳内，以用于基于光学传感器信号来计算水样本的光学性质。该控制器模块还包括具有外壳的浸入式传感器端头，该外壳具有近端部和远端部，其中，该传感器端头在传感器端头外壳的近端处连接至控制器模块外壳的底表面。该控制器模块还包括耦接至控制器的至少一个光学传感器，该光学传感器能够在将传感器端头浸入水样本中时基于该水样本的光学性质来生成并向控制器发送光学传感器信号。该采样部件通常包括：样本杯，和耦接至样本杯和手持式控制器模块的接合部件，该接合部件用于保持该样本杯与手持式控制器模块。该样本杯包含水样本，并且可围绕传感器端头可去除地固定，以使在样本杯未围绕传感器端头固定时可以将水样本引入到该样本杯中。当将包含水样本的样本杯围绕传感器端头固定时，该传感器端头的至少一部分被浸入该水样本中。无论样本杯是否围绕传感器端头固定，该接合部件都可以保持该样本杯与手持式控制器模块。
根据本发明的另一方面，提供了一种手持式光学测量装置，该光学测量装置具有：控制器部、采样部、以及枢轴，该枢轴耦接控制器部与采样部。该控制器部包括具有底表面的细长刚性外壳，和第一端部与第二端部，该控制器部外壳的长度在该第一端部与第二端部之间延伸。该控制器部还包括控制器，该控制器适于基于光学传感器信号来计算水样本的光学性质，以及具有耦接至该控制器的至少一个光学传感器的浸入式传感器端头。该光学传感器具有近端部和远端部，该传感器端头的长度在该近端部与远端部之间延伸，并且该传感器端头的近端部连接至控制器部外壳的、接近该控制器部外壳的第一端部的底表面。该采样部包括具有第一端部与第二端部的细长刚性接合部件，该接合部件的长度在该第一端部与第二端部之间延伸。该枢轴将该接合部件的第二端部耦接至该控制器部外壳的第二端部，而该接合部件的第一端部耦接至用于接纳水样本的样本杯。该样本杯围绕该传感器端头可去除地固定，以使该传感器端头通过样本杯围绕该传感器端头固定而至少部分地浸入包含在该样本杯中的水样本中。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于测量水样本的光学性质的方法。该方法包括：提供手持式光学测量装置，该手持式光学测量装置具有：具有浸入式传感器端头的控制器部，和采样部，该采样部具有样本杯和将该样本杯耦接至该控制器部的接合部件。该样本杯优选地围绕该传感器端头可去除地固定。该方法还包括：将该样本杯从围绕该传感器端头松开，将水样本引入到该样本杯中，以及将该样本杯围绕该传感器端头固定，以使该传感器端头的至少一部分浸入该水样本中。优选地，无论样本杯是否围绕传感器端头固定，该样本杯都保持耦接至接合部件和控制器部。一旦传感器端头被浸入水样本中，该方法还包括：利用该传感器端头和控制器部测量该水样本的光学性质。
本发明的实施例可以提供以下特征和/或优点中的一个或多个。一些实施例在测量期间和/或存储和运输期间，向浸入式探头和相关联的光学装置提供改进的保护。在一些实施例中，所接合的样本杯在使用期间和/或在未使用时向浸入式传感器端头提供保护壳。在某些情况下，该手持式光学测量装置包括用于包含水样本的腔体和用于包含测量期间的过满溢出的另一腔体。在一些实施例中，可以将保护壳永久性地接合至手持式光学装置的外壳，增加现场使用的便利性。该保护壳可以提供延伸的手柄，使得其更容易抓取或从开放水体舀取水样本。在一些实施例中，样本杯的接合性质可以允许以最小延迟来测量所舀取的样本，并且不需要附加准备或处理步骤。
这些和各个其它特征以及优点通过阅读下列详细描述而显而易见。
附图说明
下列图例示了本发明的特定实施例，并由此不对本发明的范围进行限制。附图不按比例（除非规定外），并且旨在结合下面详细描述中的说明来使用。下面，结合附图，对本发明的实施例进行描述，其中，相同数字指示相同部件。
图1是根据本发明一些实施例的手持式荧光测定计的立体图。
图2是根据本发明一些实施例的激发和发射光谱强度的标绘图。
图3是根据本发明一些实施例的手持式荧光测定计的分解图。
图4是根据本发明一些实施例的控制器板的示意图。
图5是根据本发明一些实施例的光源板的立体图。
图6是根据本发明一些实施例的发射检测器板的立体图。
图7A是根据本发明一些实施例的传感器端头的顶部立体图。
图7B是图7A的传感器端头的底部立体图。
图7C是图7A的传感器端头的立体剖面图。
图8是描绘根据本发明一些实施例的、用于确定水样本中的物质的浓度的方法的流程图。
图9A是根据本发明一些实施例的、处于打开位置的光学测量装置的立体图。
图9B是图9A的、处于闭合位置的光学测量装置的立体图。
图9C是图9A的、处于闭合位置的光学测量装置的侧视图。
图9D是图9A的、处于部分打开位置的光学测量装置的侧视图。
图9E是根据本发明一些实施例的、具有溢出储蓄器的光学测量装置的立体图。
图10是描绘根据本发明一些实施例的、用于测量水样本的光学性质的方法的流程图。
具体实施方式
下面的详细描述在性质上是示例性的，而非以任何方式对本发明的范围、适用性或构造进行限制。相反，下面的描述提供了用于实现本发明的示例性实施例的一些实践例示。针对选择部件提供了结构、材料、尺度以及制造工序的示例，并且所有其它部件都采用了本领域普通技术人员所已知的。本领域技术人员将认识到，许多所提到的示例具有各种合适的另选例。
本发明的实施例一般提供了一种具有浸入式传感器端头的手持式光学测量装置和利用这种装置的方法。该手持式光学测量装置的组件有利地按手持式构造自包含，提供了用于各种用途的便利工具。在本发明的一些实施例中，提供了采用手持式荧光测定计形式的光学测量装置。虽然在此参照手持式荧光测定计，对本发明的一些实施例进行了描述，但应当明白，本发明的多个方面可以按各种光学测量装置（例如，浊度计、光吸收仪等）来实现，并且本发明不限于任何特定形式的装置。
图1是根据本发明一些实施例的、采用手持式荧光测定计100的形式的光学测量装置的立体图。荧光测定计100通常包括连接至手持式控制器模块104的浸入式传感器端头102。控制器模块104还包括用于向用户显示传感器读数和计算的电子显示器110，和采用小键盘112的形式的输入接口，其允许用户与荧光测定计100交互（例如，输入变量、设置参数、接入菜单项等）。
根据一些实施例，控制器模块104具有通常细长的外壳106，其提供与手柄或杆类似的、以使容易用手抓住或握持荧光测定计100的便利形式。传感器端头102优选地包括水密外壳，使得其能够在部分或全部浸入关注的液态样本中时进行测量和其它功能。因此，在某些情况下，传感器端头102具有与浸入式探头相似的某些特征和/或特性。例如，在本发明的一些实施例中，浸入式传感器端头102具有与在共同受让的美国专利No.7550746和美国专利申请公报2009/0212236中描述的那些相似的一个或多个特征和/或组件，其每一个的全部内容通过引用并入于此。浸入式传感器端头102的构造还可以按某些方式与荧光测定计和定位传感器和在包含关注的样本的光学单元外部的其它组件的其它光学仪器进行对比。
在某些情况下，传感器端头102与显示器110相对地连接至（例如，接合至或者集成至）控制器外壳106的底表面108，并且接近控制器外壳的远端部120定位。按一种典型方式，用户可以在控制器外壳的近端部122附近抓住控制器外壳106，以从样本进行测量、阅读显示器110、和/或操纵小键盘112。例如，用户可以通过将控制器模块104保持在液态样本（例如，现场的储蓄器/容器、实验室的烧杯等中的液态样本）表面上方并且使传感器端头102部分或完全浸入样本中，而将传感器端头102浸入到样本中。在一些实施例中，用户可以抓住控制器模块104的第二端部，同时绕浸入式传感器端头102固定充满样本的样本杯。当然，控制器模块和传感器端头的其它构造也是可以的，并且本发明不限于任何特定物理构造。
一般来说，手持式荧光测定计100以最低限度测量来自包括关注的物质（例如，化学溶液、如杀菌或清洁产品）的样本的荧光发射，计算样本中的物质的浓度，以及向用户显示所确定的浓度。接着，用户可以基于所确定的浓度可选地执行任何希望动作，举例来说，如将更多物质加入工业系统，以便增加该物质的浓度。这样，荧光测定计可以是人工反馈回路的一部分。如果荧光测定计确定浓度小于或高于阈值浓度，则用户将看到差异，并且可以通过分配更多或更少产品而适当地调节产品分配。另外，荧光测定计可以充任产品缺乏（out-of-product）警报的一部分。当产品耗尽时，荧光（其反映产品的浓度）将降低至预定阈值水平之下。此时，传感器可以向用户警告分配器缺乏产品。该信号可以是可视或音频信号、或者振动信号。因此，这种反馈将确保存在足够的清洁剂、杀菌剂或其它成分，以实现希望效果（清洁度、减少微生物、润滑等）。
荧光测定计的基本操作是公知的，并由此，为简洁和清楚起见，在这里省略了各种细节。一般来说，荧光测定计100基于物质的荧光特性来计算液态样本中的特定物质的浓度。如在此更详细描述的，荧光测定计100包括在选定波长范围内发射光的光源。当传感器端头102被浸入液态样本中时，光遇到关注的物质的颗粒，其激发物质的某些分子中的电子，并使它们发射处于另一波长范围的、具有更低能量的光（即，“荧光”）。传感器端头102包括光学传感器，如光检测器，其检测荧光发射，并且生成指示荧光发射的强度的对应电信号。荧光测定计100包括与光学传感器耦接的控制器，接着，其可以基于荧光发射的强度与物质的浓度之间的已知关系来计算该物质的浓度。
对于涉及荧光测定计的本发明的实施例来说，设想了该一般处理的许多变型例和特定细节。例如，关注的物质可以是具有荧光特性的任何希望化学溶液。示例包括但不限于，诸如杀虫剂和杀菌产品的生物杀灭剂、防腐、防垢以及防污产品、消毒剂、以及其它清洁产品、洗涤剂、添加剂等。为方便起见，在此，将这些和其它这种物质另选地简称为“产品”、“化学溶液”，和/或“处理溶液”。另外，尽管在此呈现了涉及确定在各种工业系统（例如，冷却塔）中使用的冷却水样本（例如，水样本）内的水处理溶液的浓度的示例，但应当清楚，手持式荧光测定计100可以在确定在用于处理水和其它液体的许多设置中所使用的产品的浓度方面有用。仅仅作为几个示例，手持式荧光测定计100可以用于确定洗衣、自动餐具洗涤、人工餐具洗涤、第三代散热器应用、功率耗散器、车辆护理、就地清洁操作、健康护理应用、硬表面应用等中的一种或多种物质的浓度。
因为制造许多产品的化合物中许多都有荧光特性，所以这些产品在存在从传感器端头102辐射的光时发荧光。例如，具有苯成分的化合物或分子可以并入一种或更多种取代基供电子基团（如-OH、-NH2以及-OCH3），和展示荧光特性的多环化合物。在上述应用中使用的许多化合物包括像这些的化学结构，如表面活性剂、润滑剂、抗菌剂、溶剂、水溶物、抗再沉积剂、染料、防腐剂以及漂白添加剂。这些化合物可以并入这样的产品，像餐具洗涤剂、漂洗助剂、洗衣剂、就地清洁清洁剂、抗菌剂、地板涂料、肉类、家禽以及海鲜尸体处理、杀虫剂、车辆护理成分、水护理成分、游泳池和水疗中心（spa）成分、无菌包装成分、洗瓶成分等。这些化合物和对应应用中的一些的示例可以在美国专利No.7550746中找到，其全部内容通过引用并入于此。
另外，或者另选的是，荧光示踪剂（在此还称为“荧光标记”）可以被并入可能已经自然地包括或者尚未自然地包括荧光化合物的产品。示踪剂的一些非限制例包括：萘二磺酸盐（naphthalenedisulfonate）（NDSA）、2-萘磺酸（2-naphthalenesulfonic acid）、酸性黄7,1,3,6,8-芘四磺酸钠盐（Acid Yellow 7,1,3,6,8-pyrenetetrasulfonicacid sodium salt），以及荧光素。在一些实施例中，将荧光示踪剂按已知比例加入产品，这样，一旦确定了该示踪剂的浓度，就使得可以估算该产品的浓度。例如，在某些情况下，荧光示踪剂的浓度可以通过比较当前荧光信号与来自在校准过程期间测量的已知示踪剂浓度的荧光信号来确定。接着，可以根据荧光示踪剂的已知标称比例和荧光示踪剂的测量浓度来估算化学产品的浓度。在某些情况下，液态样本中一产品的当前浓度Cc通过下式来确定：
Cc＝Cm×(C0/Cf)，其中，
Cm＝Km ×(Sx-Z0)，并且
其中，Cm是当前荧光标记浓度，Km是斜率修正系数，Sx是当前荧光测量值，Z0是零点偏移，C0是产品的标称浓度，而Cf是荧光示踪剂的标称浓度。
参照图2，示出了根据本发明一些实施例的激发光谱强度202和发射光谱强度204的标绘图200。在这个示例中，具有采用紫外（UV）发光二极管（LED）的形式的光源的荧光测定计将在大约280nm至大约310nm范围内的激发光发射到具有添加了荧光示踪剂NDSA的产品的冷却塔水样本中。所添加的NDSA吸收这种UV辐射，并且产生从大约310nm至大约400nm范围的荧光。荧光测定计的发射检测器检测这种发射的辐射，并且荧光测定计确定NDSA示踪剂的浓度，并且最终确定冷却塔水样本内该产品的浓度。
图3是与图1所示的手持式荧光测定计相似的手持式荧光测定计300的分解图。荧光测定计300通常包括连接至控制器模块部分303的浸入式传感器端头301。控制器模块303包括外壳和该外壳内的几个组件。该外壳由顶部部分302和底部部分304形成，并且控制器外壳的底部部分304在该底部部分的外部上限定底表面305。传感器端头301包括传感器端头外壳316，该传感器端头外壳被配置成固定地接合至控制器外壳的底表面305。在一些实施例中，传感器端头外壳316可以与控制器外壳的一个或多个部分整体地形成。
在一些实施例中，控制器模块303通常包括基于从传感器端头301接收到的信号来确定产品浓度所必需的那些组件。如图3所示，控制器模块303包括控制板306，该控制板经由显示板线缆312与显示板308耦接。显示板308包括向用户显示信息的电子显示器309（例如，LCD屏）。控制器模块303还包括采用薄膜键盘覆盖310的形式的输入接口，其允许用户输入供控制器模块303使用的各种信息。控制器模块303还包括便携式电源（例如，电池）314，以向荧光测定计300内的电路供电。
在一些实施例中，浸入式传感器端头301具有与在共同受让的美国专利No.7550746和美国专利申请公报2009/0212236中描述的那些相似的一个或多个特征和/或组件，其中每一个的全部内容通过引用并入于此。返回参照图3，在一些实施例中，传感器端头301包括容纳光源板320和发射检测器板322的外壳316。第一O形环318在传感器端头外壳316与控制器外壳的底部部分304之间提供密封。光源板320和发射检测器板322上的组件被基本上包围每一个板的黄铜管326屏蔽。每一个管326都包括处于该管的远端部的切口，并且传感器端头外壳316包括延伸贯穿外壳的窗口330。这些切口和窗口330允许位于光源板320上的光源（例如，LED）和位于发射检测器板322上的发射检测器（例如，光检测器）与传感器端头外壳316外侧的分析区域连通。电缆324将光源板320和发射检测器板322耦接至控制板306，其允许板306上的控制器控制光源和接收从发射检测器返回的信号。在一些实施例中，传感器端头301还包括能够测量水样本的温度的一个或多个温度传感器。例如，光源板320和/或发射检测器板322可以包括延伸到传感器端头外壳316中的一个或多个温度传感器。位于传感器外壳316的远端面中的盖子332连同附加O形环334一起提供环绕温度传感器的密封。
图4是根据本发明一些实施例的、用于手持式荧光测定计的控制器板400的示意图。控制器板400可以包括在印刷电路板401上定位（例如，焊接）并耦接在一起（连接未示出）的多个离散组件。图4呈现了一个示例性控制板400的基本组件的简化示意图，并且本领域技术人员应当清楚，这些组件之间的各种连接和/或有关组件的细节可以改变。控制板400包括控制器402，其基于来自发射检测器的强度信号来计算水样本内的产品的浓度。控制器402可以提供各种其它功能，包括而不限于，执行校准例程，接受并执行在输入接口处输入的指令，和/或格式化数据，以供在荧光测定计的显示器上观看。控制器402可以按任何合适形式被实现：如软件驱动微处理器、微控制器或现场可编程门阵列、或者诸如专用集成电路等的固定硬件设计。另外，控制器402可以具有板上存储器，或者控制板可以具有存储用于由控制器402执行的指令的存储器（未示出）。
控制板还包括具有连接器410的电力电缆，其用于将板400连接至诸如图3所示的电池314的电源。板400还包括：控制器电源412、模拟电源414、以及用于向传感器端头中的光源供电的光源电源416。在一些实施例中，控制板400包括：实时时钟电池418，锁相放大器420，基准光电二极管放大器422，以及用于显示板424、光源板404、以及发射检测器板406的连接器。在某些情况下，控制板400还可以具有：发声器426、USB或其它类型的数据连接器428、用于与其它计算装置通信的无线部件430、以及可选的模拟输出部432和逻辑输出部434。
图5是根据本发明一些实施例的光源板500的立体图。板500（在图3中还示出为320）通常包括印刷电路板502，该印刷电路板520具有光源504和基准光电二极管506，以及前置放大器508和用于耦接板500与控制板的连接器510。激发过滤器512通过过滤器保持器514定位在光源504上方，以在来自光源504的光离开浸入式传感器端头之前对其过滤。光源504可以包括多个可能部件。例如，光源504可以是：气体放电灯、汞灯、氘灯、金属蒸气灯、发光二极管（LED）或多个LED。另外，光源504可以按根据选定部件和希望光谱的许多可能光谱来发射激发辐射。在一些实施例中，光源是紫外光LED，其能够发射具有从大约280nm至大约310nm的波长的光。
图6是根据本发明一些实施例的发射检测器板600的立体图。检测器板600通常包括许多组件，包括位于印刷电路板602上的发射检测器604。在本发明的一些实施例中，发射检测器604包括UV敏感光电二极管。例如，检测器604可以基于它从传感器端头外侧的分析区域检测到的从大约310nm至大约400nm的光来生成强度信号。检测器板600还包括前置放大器606和温度传感器608。环绕发射检测器604定位的发射过滤器保持器610支承一个或多个过滤器，用于筛选（screen）辐射能量并按希望波长将其传递至检测器604。在图6所示实施例中，过滤器包括干涉过滤器612和UG-11玻璃过滤器614。在一些实施例中，还将附加聚酯膜过滤器616定位在发射检测器604的前面。在某些情况下，聚酯膜过滤器616具有大约0.5+/-0.2mm的厚度。在某些情况下，光学设计可以提供增加的光学效率（例如，利用球透镜、高发散光束等），但也可能在具有针对准直光束的高效率和高排除值的干涉过滤器的性能方面折衷。并入这种聚酯膜在某些情况下可以最小化杂散光程度，以允许以和100个比浊法浊度单位（NTU）一样高的浊度来测量样本中的NDSA荧光。
图7A-7C呈现了根据本发明一些实施例的、可以接合至诸如先前讨论的那些的手持式荧光测定计的控制器模块的离散浸入式传感器端头700的各种视图。图7A是传感器端头700的顶部立体图，图7B是传感器端头700的底部立体图，而图7C是传感器端头700的立体截面图。传感器端头700可以由塑料制成，并且可以被模制和/或轧制以实现希望形状和特征。
一般来说，传感器端头700包括外壳702，该外壳702包括第一垂直腔或室712，其被配置成接纳光源电路板（例如，图3的光源板320或图5的光源板500）。在某些情况下，光源室712以筒状构造形成，其可以向图3所示的筒状黄铜屏蔽326提供滑动配合。在一些实施例中，光源室712具有包括沿室712的一个横侧的平坦壁部726的局部柱状构造。返回至图7A-7C，传感器端头外壳702包括第二垂直腔或室714，与光源室712相似，其用于接纳发射检测器电路板（例如，图3的发射检测器板322或图6的发射检测器板600）。在某些情况下，光源室712和发射检测器室714可以关于传感器端头700的纵轴对称地形成和定位，尽管在所有实施例中不需要这样。
传感器端头外壳702还包括处于外壳702的外表面中的角状切口752。在一些实施例中，切口752的角大约为90度，尽管应当明白，本发明针对该切口不限于特定角。切口752通过第一壁部754在传感器端头700的纵轴处与第二壁部756相交而限定。第一壁部754限定光源窗口720，其提供贯穿第一壁部754的、用于由光源发射的激发能量的路径。第二壁部756类似地限定发射检测器窗口722，其提供贯穿第二壁部756的、使荧光发射到达位于传感器端头外壳702内的发射检测器的路径。在一些实施例中，光源窗口720和/或发射检测器窗口722包括延伸穿过传感器端头外壳702的通道。在一些实施例中，窗口720、722还包括透镜、棱镜、或者对于光源辐射和/或荧光发射来说光学透明的其它材料。例如，在一些实施例中，将玻璃或蓝宝石球透镜定位在每个通道内。还可以使用本领域已知的其它合适材料。球透镜提供光源/检测器窗口，而且还提供用于引导光源/检测器与传感器端头700的外壳702外侧的分析区域750之间的光的聚焦部件。
在此，如图所示，包括光源窗口720和发射检测器窗口722的角状切口752针对控制器模块取向，以使该角状切口和窗口面向控制器模块的远端部。如在此进一步讨论的，在一些实施例中，该角状切口和窗口可以按不同方向取向。例如，在一些实施例中，该角状切口和窗口面向控制器模块的近端部。
在一些实施例中，传感器端头700包括近端部704和远端部706，在其间延伸传感器端头700的纵轴708和长度。如图1和3所示，在一些实施例中，传感器端头700在传感器端头700的近端部704处或附近连接至控制器模块外壳的底表面。在某些情况下，可以用紧固件将传感器端头700固定地接合至控制器外壳。该紧固件可以包括但不限于，螺丝钉、螺栓和/或插针，或者粘合剂或焊接（该图中未示出）。在一些实施例中，传感器端头700用四个螺丝钉固定，其压缩定位在传感器端头700与控制器模块之间的凹槽710中的O形环。在一些实施例中，传感器端头外壳702可以与控制器模块整体地形成，以使得在传感器端头的近端部704与控制器模块的底表面之间存在无缝过渡。
在一些实施例中，传感器端头700还包括紧固件的一部分或全部，其可去除地围绕传感器端头700固定样本杯。仅仅作为一个示例，该紧固件可以包括围绕传感器端头外壳702定位的一个或多个插针740和样本杯上的对应插槽。在一些实施例中，插针740和插槽形成卡口紧固件，其围绕传感器端头固定样本杯，并且还围绕传感器端头700沿优选取向（例如，旋转）对准样本杯。也可以包括其它紧固件（例如，螺丝扣、对压部件等）。
在一些实施例中，传感器端头700还可以包括孔730，其用于插入一个或多个温度传感器盖，如图3所描绘的那些。返回至图7A-7C，孔730可以带螺纹或以其它方式配置成接纳并固定温度传感器盖。温度传感器（图7A-7C中未示出）适于感测水样本的当前温度并生成对应信号，该信号可以被用于基于例如因可接受范围之外的温度而造成的误差来修正浓度计算。
另外，传感器端头700优选为浸入式传感器端头，意指其在进行荧光发射测量时被部分地或全部浸入水样本的表面之下。因此，传感器端头外壳702、针对控制器外壳的连接、以及外壳702中的任何窗口或其它潜在空间在浸入之前被有效密封。例如，在某些情况下，外壳702包括处于传感器端头的近端部704处的第一O形环凹槽710，和环绕温度传感器孔730的第二O形环凹槽732。在包括样本杯的一些实施例中，还可以在传感器端头700的近端部704附近，围绕传感器端头700的圆周形成第三O形环凹槽742，以便在样本杯与传感器端头700之间提供基本上不渗透的密封。另外，光源窗口720和发射检测器窗口722还可以利用O形环等密封。在一些实施例中，光源窗口720和发射检测器窗口722因窗口通道与放置在通道内的球透镜之间的压配合而密封。
图8是描绘根据本发明一些实施例的、确定水样本中的产品的浓度的方法的流程图。一般来说，荧光测定计测量该产品中的活性分子的荧光发射，其与水样本中该产品的实际浓度成比例。在提供具有控制器模块和连接至该控制器模块的传感器端头的手持式荧光测定计（802）之后，提供包含关注的产品的水样本。将传感器端头浸入水样本中（804）并且该水样本占据传感器的分析区域。接下来，通过传感器端头中的光源生成具有第一UV波长的紫外（UV）激发光，并将其引导到水样本和分析区域中（806）。接着，传感器端头检测并测量样本的第二UV波长的荧光发射（808）。传感器端头包括控制器（例如，图4中的402），其基于所测量的荧光发射来计算样本中产品的浓度（810）。第一波长可以处于280nm-310nm的范围中。第二UV波长可以处于310nm-400nm的范围中。传感器还可以测量样本的第一波长的基准荧光发射。该传感器还可以测量具有零浓度化学品的零溶液的荧光发射。在该情况下，样本中化学品的浓度可以基于包含该化学品的样本的所测量荧光发射与零溶液的所测量荧光发射中的计算差来计算。样本的浓度还可以基于针对校准样本中产品的已知浓度所确定的校准常数来计算。
作为一示例，在某些情况下，样本浓度可以基于来自两个UV检测器的信号来评估。基准检测器测量由光源生成的UV激发的强度，而荧光发射检测器测量由产品发射的荧光发射的强度。该计算使用下面的方程：
C C = K X ( I E S I R S - I E 0 I R 0 )
其中，CC是样本溶液中产品X（例如，表面活性剂、抗菌剂等）的当前实际浓度；
KX是校准系数；
是来自发射检测器的、针对该样本溶液的输出信号；
是来自基准检测器的、针对该样本溶液的输出信号；
是来自发射检测器的、针对零溶液（即，具有零浓度产品的溶液）的输出信号；而
是来自基准检测器的、针对零溶液的输出信号。
K X = C CALIBR / ( I E CALIBR I R CALIBR - I E 0 I R 0 )
其中，CCALIBR是校准溶液中产品的浓度；
是来自发射检测器的、针对校准溶液的输出信号；而
是来自基准检测器的、针对校准溶液的输出信号。
如上参照图4讨论的，手持式荧光测定计内的控制器402可以基于来自发射检测器的强度信号来计算样本中产品的浓度。在一些实施例中，控制器402还可以基于校准常数、零点偏移和/或利用上述关系的激发基准信号来计算产品浓度。针对控制器的操作指令可以存储在板载或离散存储器中。在这方面，该存储器可以是包括程序指令的计算机可读介质，该程序指令使控制器提供归于它们的任何功能，并且执行在此描述的任何方法。该控制器还可以将通过发射和/或基准检测器获取的原始荧光数据和其它有关数据存储在该存储器中。该控制器还可以将任何计算的荧光值和/或浓度数据存储在存储器中。
如上所述，在本发明的一些实施例中，可以通过人工将传感器端头下降到水样本中来通过手持式荧光测定计进行荧光测量。例如，用户可以抓住控制器模块并暂时将浸入式传感器端头浸入到液态样本中，以使传感器端头部分或完全浸入该样本中并且水样本占据传感器端头窗口附近的分析区域。可以使用类似方法，以利用按和先前讨论的本发明的实施例相似的方式配置的一个或多个光学测量装置（除了荧光测定装置以外）来测量水样本的其它光学性质。例如，浊度计和/或吸收计可以包括与上面讨论的那些相似的手持式控制器模块，以及并入了浊度和/或吸收率测量传感器和光学装置的浸入式传感器端头。
下面转至图9-10，在一些实施例中，包括样本杯的采样部件被设置成包含围绕浸入式传感器端头的水样本。在一些实施例中，大约5ml至大约20ml的少量水可以足够进行测量。由此，这种手持式装置极其便携，能够在从水样本源去除的同时测量水流的一个或多个性质。例如，在一些实施例中，该手持式光学装置是手持式荧光测定计，其可以被用于测量现场或试验环境下的荧光发射。
本发明的实施例由此可用于与由基于传统单元的仪器（例如，其中，将水样本放置在光学透明单元中）为目标的那些应用相似的许多应用。然而，本发明的实施例提供了超过基于单元的装置的许多优点。例如，在此描述的手持式装置的传感器端头可以被浸入水样本内，而基于单元的装置典型地依靠位于该单元外部的仪表装置来测量该单元内的水的性质。因此，此处的手持式装置避免了与光学单元相关联的缺陷，如因单元表面的刮蹭或积垢而造成的信号劣化。类似的是，最小清洁（例如，上述荧光测定计中的光源窗口和发射检测器窗口的较小面积）可以与光学单元通常所需的耗时清洁或更换形成对比。另外，本发明的实施例提供了部分因水样本紧邻浸入式传感器端头而造成的增强的灵敏度，其显著减小了位于传感器端头内的光学传感器与水样本之间的行进距离。因此，本发明的实施例所提供的增高的灵敏度提供了超过以往手持式光学测量装置的优点。例如，根据本发明实施例的荧光测定计可以测量非常低的产品浓度（例如，百万分率，ppm），和/或用于测量具有高颜色和/或浊度的水样本内的产品的浓度。
图9A-9D是根据本发明的一些实施例的、手持式光学测量装置900的各个视图。该光学测量装置900通常包括并入了浸入式传感器端头906的控制器模块902，和具有用于包含要被测量的水样本的样本杯908的采样部件904。在一些实施例中，采样部件904有利地耦接至控制器模块902，由此提供了一种获取和包含水样本的集成且便利的方式，同时还提供了在使用期间和/或未使用时用于浸入式传感器端头906的保护壳或盖。在一些实施例中，样本杯的接合性质可以允许以最小延迟来测量所舀取的样本，并且不需要附加准备或处理步骤。
图9A是处于打开位置的、具有采样部件904的手持式光学测量装置900的立体图。该手持式控制器模块902通常包括具有连接至传感器端头906的底表面932的外壳930。该外壳优选地适于被用户的手握持。例如，该外壳可以是具有棒或手柄形式的细长外壳。参照图9B，在一些实施例中，外壳930具有可以包括显示器和/或输入接口（如小键盘、按钮等（图9B中未示出））的面部980。尽管未示出，但控制器模块902包括定位在外壳930内的控制器，其适于基于从位于传感器端头内的至少一个光学传感器接收到的光学传感器信号来计算水样本的光学性质。仅仅作为一个示例，该光学传感器可以包括荧光发射检测器，并且该控制器可以接收表示水样本中的荧光水平的光学信号，并且计算水样本中产品的对应浓度，如在上述的荧光测定计的实施例中所述。在一些实施例中，该光学传感器还可以（或者另选地）包括浊度传感器和/或吸收率传感器。
返回至图9A，在一些实施例中，该浸入式传感器端头906包括近端部942和远端部940，该传感器端头906的长度在该近端部与远端部之间延伸。传感器端头906的近端部942连接至控制器外壳的底表面932，而传感器端头的远端部940延伸离开外壳930的表面932。仅仅作为一个示例，在某些情况下，该控制器模块外壳930具有远端部936和近端部934，该控制器模块外壳930的长度在该近端部与远端部之间延伸，并且传感器端头906被定位成接近远端部936。控制器模块外壳的近端部934可以适于被用户的手握持。
在一些实施例中，采样部件904包括样本杯908和将样本杯908耦接至控制器模块902的接合部件910。在一些实施例中，接合部件910是将样本杯耦接至控制器模块和/或相对于控制器模块保持样本杯的细长部件。例如，接合部件910可以是具有耦接至样本杯908的第一端部952和耦接至控制器模块902的第二端部950的细长刚性部件。接合部件910的长度在第一端部952与第二端部950之间延伸。
在某些情况下，接合部件910与样本杯908为一整体，并且可移动地耦接至控制器模块902，尽管不同的实施例可以包括与控制器模块902为一整体和/或接合至样本杯908的接合部件。接合部件910可以按各种方式耦接至控制器模块902。仅仅作为一个示例，在某些情况下，接合部件910的第二端部950环绕枢轴920以铰链方式耦接至控制器模块部的近端部934。在某些情况下，接合部件可以环绕大致平行于外壳控制器的底表面932的旋转轴922枢轴地旋转，尽管其它构造也是可以的。
样本杯908被配置成包含要通过控制器模块902上的浸入式传感器端头906分析的水样本。转至图9B-9D，在一些实施例中，样本杯908在手持式装置900的闭合位置可以完全包围传感器端头906。在某些情况下，样本杯908可围绕传感器端头906可去除地固定。例如，如图9A所示，在一些实施例中，样本杯908和控制器模块/传感器端头包括围绕传感器端头906可去除地固定样本杯908的协作紧固件（例如，柱960A和孔960B和/或凸块962A和样本杯轮缘926B）。本领域技术人员应当清楚，可用各种紧固件，并且本发明不限于任何特定紧固件。在一些实施例中，空气随着样本杯围绕传感器端头固定而逸出样本杯，并且传感器端头904排出样本杯内的空气和水。这帮助缩减或消除可以被圈禁在样本杯内并且影响荧光测量的气泡。而且，在某些情况下，O形环（未示出）或其它密封机构在将样本杯围绕传感器端头906固定时可以帮助包含样本杯908内的水样本。在一些实施例中，样本杯908可以不密封，以允许更多空气从样本杯逸出。返回至图9B-9D，假定样本杯908中存在水样本，传感器端头将随着样本杯在传感器端头906上方闭合而至少部分地延伸到水样本中，由此保证至少传感器端头的、接收来自样本的光和/或将光透射到样本中的部分被浸入水样本中。
因此，样本杯908还可以在将其围绕传感器端头906固定时向传感器端头906提供保护罩。在一些实施例中，样本杯908由刚性塑料制成，其向传感器端头906提供耐久且强健的保护壳或盖。还可以设想本领域已知的和具有类似性质的其它材料。
如上提到，浸入式传感器端头906可以包括各种光学传感器中的一种或多种，包括可用于测量液态样本内的荧光、浊度、和/或吸收率的光学传感器。在许多情况下，传感器端头还可以包括发射特定波长的光的光源，以辅助测量不同光学性质。反过来，光学传感器可以根据该传感器的构造而敏感于光波长的一个或多个范围。在一些实施例中，样本杯908包括对于光学传感器所敏感于的光波长不透明的材料。在一些实施例中，样本杯材料对于由传感器端头内的光源所生成的光波长不透明。仅仅作为一个示例，在一些实施例中，样本杯908可以对于在上述荧光测定计的实施例中可用的、在大约280nm至大约320nm和在大约300nm至大约420nm的范围内的UV辐射不透明。在一些实施例中，可以使用透明聚碳酸酯以提供环境光防护，并且允许对水样本水平的可视控制。
参照图9C和9D，在一些实施例中，样本杯908和接合部件910组合以形成针对支承表面（未示出）上的光学装置900的相当稳定的基座。例如，样本杯908的底部可以在支承表面上提供第一立脚点，并且接合部件910可以在其第二端部952处包括支承部件970，以提供第二立脚点。在某些情况下，样本杯908和/或支承部件970的几何结构可以被配置成提供大致平坦的立脚点，以使接合部件910和/或控制器模块外壳930相对于支承表面大致平行。然而，在一些实施例中，样本杯和/或支承部件可以被配置成使得控制器模块相对于支承表面成角状。这种构造可以帮助观看控制器模块面部980上的显示。
在一些实施例中，溢出出口或开口在将传感器端头插入到样本杯908中时向过多的样本水提供离开样本杯908的路径。在一些实施例中，溢出出口有利地定位在传感器端头906的具有传感器光学装置的一部分的视线之外，以最小化来自通过溢出开口进入样本杯908的杂散光对测量的任何潜在影响。在一些实施例中，光学测量装置900还包括耦接至溢出开口的过满储蓄器或腔，其可以接收来自样本杯908的一部分水样本。例如，溢出储蓄器可以是耦接至样本杯908的分离室或稍大样本杯的一部分。在一些实施例中，接合部件910可以包括具有与接合部件910的第一端部952相邻的溢出开口的溢出储蓄器。图9E示出了根据本发明的一些实施例的、具有连接样本杯908与溢出储蓄器982的溢出出口978的光学测量装置900的示例。
图10例示了示出根据本发明一些实施例的、用于测量水样本的光学性质的方法1000的流程图。在第一步骤1002中，设置手持式光学装置以进行测量。该装置优选地包括具有传感器端头的控制器部和具有样本杯的采样部。在一些实施例中，该装置包括在此描述的手持式光学装置中的一种，尽管可以使用具有本发明的特征的任何装置。例如，该光学装置可以适于测量水样本的一种或多种不同光学性质，如水样本的荧光性、浊度、或吸收率。还可设想其它光学性质。
在第二步骤1004中，该方法包括从手持式光学装置的传感器端头松开样本杯。接着，将样本杯充满足够量的水样本1006，并且围绕传感器端头再次固定1008。一些实施例允许用户容易地使用该杯来获取水样本。例如，用户可以松开样本杯908，将其移动离开传感器端头906，并接着将水样本灌注到杯中。在一些实施例中，用户可以使用杯908从更大的储蓄器或容器中舀取水样本。例如，用户首先通过将接合部件910从控制器模块902拉开来打开该装置。接着，用户可以握住接合部件和/或控制器部来舀水。在一些实施例中，接合部件可以相对于控制器部902旋转成180度取向，并且用户可以抓住控制器部902，以便在获取样本时延长装置的长度。由此，该接合部件可以提供延伸手柄，使其更容易从开放水体抓取或舀取水样本。
随着样本杯围绕传感器端头完全固定，传感器端头至少部分地浸入水样本中。在一些实施例中，样本杯贯穿围绕传感器端头松开和固定而优选地保持耦接至该装置的控制器部。在围绕传感器端头固定样本杯时，该方法还包括利用传感器端头和控制器部测量水样本的光学性质的步骤1010。
在一些实施例中，该方法还包括在将水样本引入样本杯中之前，旋转该采样部离开该控制器部和传感器端头。例如，参照图9D，采样部904可以旋转离开控制器模块902，直到该装置打开并且样本杯908可访问为止。图9A示出了打开构造的一个示例。在从水样本测量一种或多种光学性质之后，可以松开样本杯并且将其打开以从样本杯丢弃水样本。接着，可以再次将样本杯围绕传感器端头固定，以提供围绕传感器端头的保护盖。
由此，公开了本发明的多个实施例。尽管本发明参照某些公开的实施例进行了相当详细的描述，但所公开的实施例出于例示和非限制的目的来呈现，而且本发明的其它实施例也是可以的。本领域技术人员应当清楚，在不脱离本发明的精神和所附权利要求书的范围的情况下，可以进行各种变化、改变和修改。

Claims (21)

1.一种手持式光学测量装置，该手持式光学测量装置包括：
手持式控制器模块，该手持式控制器模块包括：
包括底表面的外壳，该外壳适于被用户的手握持，
定位在该外壳内的控制器，该控制器适于基于光学传感器信号来计算水样本的光学性质，以及
浸入式传感器端头，该浸入式传感器端头包括：
包括近端部和远端部的外壳，该传感器端头的长度在该近端部与远端部之间延伸，该传感器端头在传感器端头外壳的近端部处连接至控制器模块外壳的底表面，和
耦接至该控制器的至少一个光学传感器，该光学传感器适于在将传感器端头浸入水样本中时基于该水样本的光学性质来生成并向控制器发送光学传感器信号；和
采样部件，该采样部件包括：
用于包含水样本的样本杯，该样本杯：
能够围绕传感器端头可去除地固定，以使得当样本杯未围绕传感器端头固定时可以将水样本引入到该样本杯中，并且当包含水样本的样本杯围绕传感器端头被固定时，该传感器端头的至少一部分被浸入到水样本中，和耦接至样本杯和手持式控制器模块的接合部件，用于无论是否样本杯围绕传感器端头固定都相对于手持式控制器模块保持该样本杯。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，该控制器模块的外壳还包括第一端部和第二端部，该控制器模块的外壳的长度在该第一端部与第二端部之间延伸，其中，该传感器端头被定位成接近该控制器模块的外壳的第一端部，并且该控制器模块的外壳的第二端部适于被用户的手握持。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，该接合部件包括支承部件，其中，该样本杯和支承部件在支承表面上的固定位置处为该手持式光学测量装置提供相当稳定的基座。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，该接合部件包括以铰链方式耦接至控制器模块的外壳的刚性部件。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，该接合部件与该样本杯为一整体。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，该采样部件还包括溢出储蓄器，该溢出储蓄器可以接纳来自样本杯的一部分水样本。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，该接合部件包括溢出储蓄器。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，该采样部件当样本杯围绕传感器端头固定时提供环绕该传感器端头的刚性保护盖。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，该光学测量装置是荧光测定计、浊度计、以及光吸收仪中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，该光学传感器敏感于第一波长范围的光，并且该样本杯对于该第一波长范围的光不透明。
11.一种手持式光学测量装置，该手持式光学测量装置包括：
控制器部；
采样部；以及
枢轴，该枢轴耦接控制器部与采样部，
该控制器部包括：
细长刚性外壳，该细长刚性外壳包括底表面和第一端部与第二端部，该控制器部外壳的长度在该第一端部与第二端部之间延伸，
控制器，该控制器适于基于光学传感器信号来计算水样本的光学性质，以及
浸入式传感器端头，该浸入式传感器端头包括：耦接至该控制器的至少一个光学传感器、和近端部与远端部，该传感器端头的长度在该近端部与远端部之间延伸，该传感器端头的近端部连接至控制器部外壳的接近该控制器部外壳的第一端部的底表面；并且
该采样部包括：
细长刚性接合部件，该细长刚性接合部件包括第一端部与第二端部，该接合部件的长度在该第一端部与第二端部之间延伸，该枢轴将该接合部件的第二端部耦接至该控制器部外壳的第二端部，和
样本杯，该样本杯用于接纳水样本，该样本杯耦接至该接合部件的第一端部，该样本杯还能够围绕该传感器端头可去除地固定，以使得该传感器端头随着样本杯围绕该传感器端头固定而至少部分地浸入到该样本杯中包含的水样本中。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，该枢轴包括大致平行于该控制器外壳的底表面的旋转轴。
13.根据权利要求11所述的装置，其中，该接合部件包括支承部件，其中，该样本杯和支承部件在支承表面上的固定位置中为该手持式光学测量装置提供相当稳定的基座。
14.根据权利要求11所述的装置，其中，该采样部还包括溢出储蓄器，该溢出储蓄器可以接纳来自样本杯的一部分水样本。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，该接合部件包括溢出储蓄器。
16.根据权利要求11所述的装置，其中，该采样部当样本杯围绕传感器端头固定时提供环绕该传感器端头的刚性保护盖。
17.根据权利要求11所述的装置，其中，该光学测量装置是荧光测定计、浊度计、和光吸收仪中的至少一种。
18.一种用于测量水样本的光学性质的方法，该方法包括：
提供根据权利要求11至17中任一项所述的手持式光学测量装置；
将该样本杯从该传感器端头周围松开，该样本杯仍保持耦接至该接合部件和控制器部；
将水样本引入到该样本杯中；
将该样本杯围绕该传感器端头固定，以使得该传感器端头的至少一部分浸入到该水样本中；以及
利用该传感器端头和控制器部测量该水样本的光学性质。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：在将水样本引入样本杯中之前，将该采样部旋转离开该控制器部和传感器端头。
20.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括：将水样本从样本杯去除，并将该样本杯围绕传感器端头固定以提供围绕该传感器端头的保护盖。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，该光学性质是水样本的荧光性、浊度、或吸收率。
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