CN104165853A - 一种光谱法水体环境在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光谱法水体环境在线测量装置，控制器的输出端与光源、探测器相连；光源模块发出的连续脉冲光经Y型光纤一分为二，分别作为测量光源和参考光源；参考光源经参考光纤连接参考探测器，参考探测器把参考光学信号转化为参考电信号导入到控制器；测量光源进入到反射探头内，反射探头发出的检测光透射进流通池后，再照射到反射镜上，经反射镜反射的反向反射光再透射过流通池返回到反射探头内经过接收光纤进入到探测器，探测器进行光电信号转换后输送到控制器。本发明有益效果：采用同一种光源，可以有效消除光源老化等波动带来的影响，具有更好的光学稳定性；将紫外-可见波段的光作为整体光谱考虑，具有更高的灵敏度和准确性。

Description

一种光谱法水体环境在线测量装置

技术领域

本发明涉及测控技术领域，具体说是一种测量装置，更具体说是一种便携式、低功耗的光谱在线测量系统。

背景技术

进入21世纪以来，随着经济的迅速发展，生态系统正承受着巨大压力，各类水体环境(江、河、湖、海)也遭受到了严重的破环。水体环境监测的核心内容是监测与分析水体的质量状况及其变化规律，为国家和各级政府开发、利用、管理与保护水资源提供科学依据。只有对待测的水质状况进行持续、自动、原位(in-situ)、在线(on-line)监测，并对数据同步传输、存储，才能使监测数据具有客观性、科学性，才能为各级环保部门的监督、管理与决策、污染治理等提供准确依据。

近几年来，发达国家已展开应用光学方法检测水体污染物含量的水质分析技术及仪器研究，基于光谱分析的水质多参数原位在线监测技术已成为国际热点技术。目前的水体有机物(如COD等)、营养盐(硝酸盐、亚硝酸盐等)的监测方法主要依靠化学试剂法、这些技术和方法难以满足复杂条件下(高浊度、多干扰)的高精度原位、在线监测需求。以COD为例，目前经典方法是高锰酸盐指数法(CODMn)和重铬酸钾回流法(CODCr)。此类分析方法不仅对现场操作人员的健康构成威胁，如果废液直接排放到环境当中，还会造成非常严重的二次污染。针对硝酸盐、铵盐的测量，也有采用离子选择电极的方式进行的，此种方法可以避免化学试剂法的步骤繁琐等缺点，但是由于海洋水体高盐度的特性，此类电极法的应用也受到了一定的限制。中国专利申请号为200510038331.5公开了一种光谱法非接触COD/DOC水质在线监测方法及装置，光路中依次设有低压汞灯光源,调制盘,紫外滤光片和可见滤光片,分束片、光电倍增管。利用光束穿过自由落体水流,测量穿过水流后可见光和紫外光的吸光度,并通过可见光和紫外光吸光度的差值反演出水中COD的值。该专利采用光源“通过45°分束片分成两路光束，其中一路作为参考光路反射折向90°方向，通过反射镜，分束片到光电倍增管；另一路作为测量光路透射后经调制盘，通过匀速稳定的待测水帘，透过分束片被光电倍增管接收”，这种结构由于采用分束片分光，光学系统复杂，其主要缺点有二：一、多个光学元件，在震动情况下对光学系统影响较大；二、采用调制盘、倍增管等元件，体积较大，难以实现原位监测。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述方法的缺点，实现水体参量(硝酸盐、浊度、COD)的实时、在线测量，本发明的目的在于提供一种基于光谱吸收技术，无需化学试剂，几乎不用维护，且不易受到外界干扰性能优异，使用方便的光学法探头式在线测量装置，本发明的技术方案如下：

一种光谱法水体环境在线测量装置，包括防护腔体，所述防护腔体内设置控制器、光源、探测器、参考探测器、反射探头、连接各部分的一体化光纤，所述防护腔体前端连接流通池，流通池一端安装有石英滤光片，另一端安装有反射镜；所述控制器的输出端与光源、探测器相连；所述光源模块发出的连续脉冲光经Y型光纤一分为二，分别作为测量光源和参考光源；参考光源经参考光纤连接参考探测器，参考探测器把参考光学信号转化为参考电信号导入到控制器；测量光源进入到反射探头内，反射探头发出的检测光透射进流通池后，再照射到反射镜上，经反射镜反射的反向反射光再透射过流通池返回到反射探头内经过接收光纤进入到探测器，探测器进行光电信号转换后输送到控制器。

所述光源采用紫外-可见波段的连续光源，采用氙灯作为光源。

为减小体积，保证震动时光路的稳定性，实现原位监测，所述测量光源模块、参考光源模块、光谱采集模块通过一体化设计的光纤结构单元连接成一体。

所述反射探头为接收光纤和5根发射光纤在反射探头内合为一束而集成的，所述接收光纤位于中心，5根发射光纤环绕接收光纤。

所述流通池中间开孔，一端通过螺纹与防护腔体相连，另一端为镀铝紫外增强反射镜。

采用电池供电模式。

本发明具有以下的特点和有益效果：

1.探测机理采用光学方法进行探测，不需要化学试剂，几乎不用维护，简便实用，系统带有蓄电池，可以手持式操作，现场观测测量结果，也可以通过远程通讯接口，进行数据自动采集与传输，适用于长期无人值守监测；

2、本发明装置的光学传输部分将发射单元和接收单元设计成一体化光纤结构，并采用同一种光源，通过光纤分配，一路光纤作为参考，另一路作为检测，可以有效消除光源老化等波动带来的影响，具有更好的光学稳定性；此外，采用本发明的光纤结构，具有很好屏蔽作用，保证光传输过程中的稳定性。

3.本发明的计算方法是将紫外-可见波段的光作为整体光谱考虑，基于人工智能算法进行浓度计算，可以有效消除不同成分带来的交叉干扰，具有更高的灵敏度和准确性。

4、整个设备用不锈钢腔体密封，结构紧凑、耐压，具有良好的电磁屏蔽性能，抗干扰性强，可靠性高，可以满足电磁环境复杂的场合应用；采用光纤作为分光元件，结构简单，抗干扰能力强，能够保证恶劣条件下具有更好的光学可靠性和稳定性，且易于集成为一体化探头，易于实现原位监测。

5、本发明基于光谱测量及分析技术进行水体生物、化学参量的监测，可以满足不同深度环境监测要素的自动、在线测量，可以广泛应用于水厂、污水处理厂、电厂的环境监测，也可以用于养殖业水体环境污染物的自动监控，生产成本低廉、生产工艺简单，市场应用前景好。

附图说明

图1为本发明实施例光学系统示意图；

图2为一体化光纤结构示意图；

图3为本发明实施例外观结构示意图；

图4为防护腔体内部元件排列示意图；

其中1为光源，2为探测器，3为参考探测器，4为发射光纤，5为接收光纤，6为参考光纤，7为控制器，8为电源，9为反射镜，10为反射探头，11为防护腔体，12流通池。

具体实施方式

如图1、图4所示，本发明为一种探头式光谱法水质参量测量系统，光源1、探测器2、参考探测器3、发射光纤4、接受光纤5、参考光纤6、控制器7、电源8等密封在防护腔体11内。防护腔体11为高强度不锈钢材质，整体成圆柱型，圆柱体中心轴线处安放一片不锈钢底板，底板把腔体一分为二，分上下两层，下层前部安置控制器7，后部放置电源8，二者用导线相连接。上层前部放置探测器2，上层中部放置光源1，上层后部放置参考探测器3。光源1经发射光纤4分成的参考光纤6与参考探测器3连接，参考探测器3用导线与控制器7连接。光源1还经发射光纤4与位于防护腔体后部底座轴心处的控制器反射探头10连接，控制器反射探头10前为一体化不锈钢材质的流通池12及反射镜9，控制器反射探头10经接收光纤5与探测器2相连，探测器2与控制器7用导线相连接。上述除了流通池12和反射镜9，所有装置均用螺丝固定在防护腔体11内的不锈钢底板上。

如图2所示，所述装置内包含一个一体化设计的光纤结构测量单元。前述的测量光源模块、参考光源模块、光谱采集模块通过一体化设计的光纤结构单元连接到一块；发射光纤4为一束光纤，可以为2根或多根，在光纤进入反射探头10之前一分为二，一束分开作为参考光纤6进入到参考探测器3；另一束作为检测光纤进入到反射探头10内。反射探头10的发出的检测光照射到反射镜9上，经过光学流通池12返回到反射探头10内。光学信号在流通池12内经过衰减，进入到反射探头10形成检测信号，检测信号的后端是接收光纤5，信号经过接收光纤5进入到探测器2，进过光电信号转换，进入到控制器7。

所述密封腔内的电源模块8为了实现自容式工作，采用电池供电模式，保证了野外数据采集的需要。供电电池8位于控制器7的下方。图3是自容式密封结构图。

所述光源采用紫外-可见波段的连续光源，采用氙灯作为光源，光源输出接口为SMA905接口，方便与光纤的耦合。

所述流通池中间开孔，一端通过螺纹与防护腔体14相连，另一端为反射镜9，反射镜9为紫外石英反射反射镜，采用的是thorlab公司生产的紫外增强铝反射镜。反射镜9和流通池12与反射探头10通过螺纹链接，为一体化不锈钢结构，中间有密封圈13密封，密封圈13与防护腔体11紧密连接。

本发明在进行水体水质测量时，为了防止生物附着对光学流通池12的污染，增加了防护帽14，防护帽14为不锈钢结构，外附铜网，带有螺纹结构与防护腔体11相连，既能保证待测水样的流通，又能方便拆卸。

如图2所示，发射光纤4为6跟芯径400um的光纤束，一分为二后，一根作为参考光纤6，内径400um，另外5根进入到控制器反射探头10。接收光纤5为芯径为600um的石英光纤；接收光纤5和上述的5根发射光纤在控制器反射探头10内合为一束，集成为一个不锈钢反射探头；光信号传输光纤材质为深紫外石英光纤，数值孔径N.A＝0.22。

本发明的控制器包括控制电路板、电源等，控制器的输出端与光源模块、光谱采集模块、参考信号采集模块相连，实现对光源及数据的采集，控制电路板是系统的核心，由单片机、工控板及附属配件等组成，负责数据的采集、信号的放大，数据处理、数据存储等功能。单片机可采用STM32系列单片机。

所述探测器2包括光谱采集模块、参考信号采集模块、数据处理模块，光谱采集模块包括后向反射探头、光谱模块等，参考信号采集模块包括光电二极管及其放大电路组成，光电二极管可以采用Silcon公司PC10-2型号；数据处理模块包括数据的采集、数据分析处理、数据存储功能单元、扩展功能单元；光谱采集模块、参考信号采集模块、数据处理模块均可采用研华3363工控板。

探测器2接收探测到的光学信号，采用凹面光栅与线阵CCD结合，获取吸收光谱，CCD为日本滨松的线阵CCD。

本发明对接收范围为200-600nm的宽光谱进行综合分析，通过吸收光谱获取多个波长的吸收系数，经过系列预处理，提取其光谱特征，利用神经网络建立光谱吸光度与水质参数的分析模型，建立吸光度与水质参数的非线性映射关系，利用大量的实测数据进行模型参数反演，从而建立光谱数据与水质参数的数学关系，最后得到被监测水质参数的浓度值。

本发明的工作过程如下：

首先在准备测量时，根据所要测量的水体参量的浓度值的预计大小，适当调整流通池的光程长度，被测水体参量的浓度值越大，流通池的光程长度越小，两者呈线性关系。测量时将流通池浸入被测水体中，至少使流通池全部被水体淹没，整套装置可全部浸入到被测水体里，测量深水区的水质参量。操作控制器7使氙灯光源模块工作，发射出连续脉冲光，光束经发射光纤传导，发射光纤进入反射探头10之前一分为二，一束分开作为参考光纤6进入到参考探测器3；参考探测器3把参考光学信号转化为参考电信号导入到控制器7，得到参考光谱信息。另一束作为检测光纤进入到控制器反射探头10内。控制器反射探头10发出的检测光透射进光学流通池12后，再照射到反射镜9上，经反射镜反射的反向反射光再透射过光学流通池12返回到反射探头10内。光学信号在流通池12内经过衰减，进入到反射探头10形成检测信号，检测信号的后端是接收光纤5，信号经过接收光纤5进入到探测器2，进过光电信号转换，进入到控制器7，得到检测光谱信息。对接收到的200-600nm范围的参考光谱信息和检测光谱信息提取其光谱特征，经过预处理后，再利用神经网络建立的光谱吸光度与水质参数的分析模型进行分析计算，得到被监测水体参量的浓度值。

本发明装置采用光学方法进行探测，光学传输部分设计为一体化光纤结构，可以有效消除光源老化等波动带来的影响，不需要化学试剂，无污染，几乎不用维护，简便实用，可以手持式操作，现场观测测量结果，也可以通过远程通讯接口，实施数据自动采集与传输，可以满足不同深度环境监测要素的自动、在线测量，适用于长期无人值守监测，该发明还具有成本低廉、生产工艺简单，具有广泛的市场应用前景。

Claims (6)

1.一种光谱法水体环境在线测量装置，包括防护腔体，其特征在于：所述防护腔体内设置控制器、光源、探测器、参考探测器、反射探头、连接各部分的一体化光纤，所述防护腔体前端连接流通池，流通池一端安装有石英滤光片，另一端安装有反射镜；所述控制器的输出端与光源、探测器相连；所述光源模块发出的连续脉冲光经Y型光纤一分为二，分别作为测量光源和参考光源；参考光源经参考光纤连接参考探测器，参考探测器把参考光学信号转化为参考电信号导入到控制器；测量光源进入到反射探头内，反射探头发出的检测光透射进流通池后，再照射到反射镜上，经反射镜反射的反向反射光再透射过流通池返回到反射探头内经过接收光纤进入到探测器，探测器进行光电信号转换后输送到控制器。

2.根据权利要求1所述的光谱法水体环境在线测量装置，其特征在于：所述光源采用紫外-可见波段的连续光源，采用氙灯作为光源。

3.根据权利要求1所述的光谱法水体环境在线测量装置，其特征在于：所述测量光源模块、参考光源模块、光谱采集模块通过一体化设计的光纤结构单元连接成一体。

4.根据权利要求1所述的光谱法水体环境在线测量装置，其特征在于：所述反射探头为接收光纤和5根发射光纤在反射探头内合为一束而集成的，所述接收光纤位于中心，5根发射光纤环绕接收光纤。

5.根据权利要求1所述的光谱法水体环境在线测量装置，其特征在于：所述流通池中间开孔，一端通过螺纹与防护腔体相连，另一端为镀铝紫外增强反射镜。

6.根据权利要求1所述的光谱法水体环境在线测量装置，其特征在于：采用电池供电模式。