CN104730054B - 一种一体化探头式光电水质多参数在线测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种一体化探头式光电水质多参数在线测量系统，包括控制与数据采集单元和光学系统单元；所述控制与数据采集单元包括上位机、控制与数据采集单元、采集器件；所述光学系统单元包括光源和光路，复合光源包括左光源和右光源，左光源为一组多个不同波长的LED光源组成的LED阵列；紫外LED光源和近红外LD光源组成右光源；上位机通过控制与数据采集单元控制光源发出所需的不同波长光照射待测水体，激发待测水体物质发出荧光及散射光信号；本发明的优点是：不需要任何化学试剂直接测量，检测数据快，避免了繁琐的步骤；同时完成对水质中多种藻类的分类及浓度检测、烃类的含量以及浊度的在线检测；可进行单独精确检测，满足不同环境监测的需要。

Description

一种一体化探头式光电水质多参数在线测量系统

技术领域

本发明专利涉及在线原位检测设备，具体说是一种水质在线原位测量系统。

技术背景

伴随着国民经济的高速发展，经济腾飞，生产力增加，我国的水体水质环境也遭受到了严重的破坏。工业废水排放、通航增加及石油泄漏等原因引起水体富营养化及烃类含量增加，导致水体中浮游植物过量，引起近些年近海水域赤潮频发，并且过量的浮游植物耗尽水中的溶解氧，导致大量水中生物频繁死亡等。在水产养殖、环境监测、医疗卫生和科学研究领域中，需要实时掌握水体中的各项参数变化情况，以便进行监测和控制。传统的化学方法依赖于化学反应，很难彻底摆脱复杂结构、消耗试剂、易造成二次污染等固有不足，并且测量周期长，越来越难以满足社会发展的需要。光谱法不需要任何化学试剂，对水质本身没有影响，而且不需要对水样进行预处理，直接测量，检测速度快，避免了繁琐的步骤。目前光谱法测量水体水质的仪器基本被西方发达国家垄断，与其相比，我国的光谱法水体水质环境探测、传感器技术落后，缺乏价格合理、可分析参数全面、实时、快速、精确的自主知识产权的传感器分析仪器，这种局面严重制约了对水体水质环境的监测与控制。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的上述方面的缺点，实现全面、实时、快速、精确测量水质藻类浓度、烃类含量、浊度各项参数变化情况，提供一种基于多波段荧光技术和散射测量技术，无需依赖于化学反应，几乎不用维护，且不易受到外界干扰，使用方便的水质在线监测系统。利用水体中藻类、烃类和浊度对光的荧光特性和散射特性，反演出水体中各参数的浓度。本发明的光源是一种新型的复合光源，主要由三类光源优化组合而成。复合光源由控制电路统一控制，复合光源的LED(发光二极管)阵列组分由多个不同波长的LED光源组成，用于测量藻类浓度并进行分类；复合光源的LED和LD(激光二极管)组分包括一个用于测量烃类的LED光源和一个用于测量浊度的LD光源。复合光源采用一体化结构，密封在一个金属壳体内，并做了耐压防水处理。不同波长光源发射入射光进入待测样品中，在其光路垂直方向获取荧光及散射信号。通过获取的不同信号与水质中成分之间的关系反演出待测样品中各参数的具体浓度。

具体技术方案如下：

一种一体化探头式光电水质多参数在线测量系统，其特征在于：包括控制与数据采集单元和光学系统单元；

所述控制与数据采集单元包括上位机、控制与数据采集单元、采集器件；

所述光学系统单元包括光源和光路及滤光系统，光源包括左光源和右光源，左光源为一组多个不同波长的LED光源组成的LED阵列；紫外LED光源和近红外LD光源组成右光源；上位机通过控制与数据采集单元控制光源发出所需的不同波长光照射待测水体，激发待测水体物质发出荧光及散射光信号；

滤光系统包括旋转式自动滤光片切换系统，所述旋转式自动滤光片切换系统通过控制步进电机转动来带动旋转滤光片转动，根据激发信号的不同，由上位机控制选择不同的滤光片进行滤光，光信号通过滤光片后到达采集器件，采集器件用来将荧光及散射光信号快速采集；

上位机根据采集器件获得的散射光信号进行浊度补偿，结合荧光信号反演出藻类及烃类浓度。

所述左光源为呈环形分布的低功耗LED阵列，光源的波长范围为370nm—650nm，所述LED阵列和凹槽侧面垂直安装于探头内；右光源为LED和1个LD组合光源，此组两个光源也与凹槽侧面垂直，并排安装于探头另一侧；紫外LED灯用于激发烃类发出荧光信号，近红外LD灯用于激发水体获得浊度信号，待测水体的范围包括淡水、海水等各类水域。

整个浸入式探头结构包括电缆接头、外壳、控制与数据采集单元、步进电机、旋转滤光片、采集器件、上透镜、上视窗、待测水体、左视窗、左透镜、左光源、右视窗、右透镜、右光源、温度传感器、压力传感器、进水孔；所述光路分两路，一路为370nm-650nm的多个LED阵列，另一路为1个紫外LED和LD；多个发光二极管阵列发出的光经左透镜和左视窗照射待测水体；另一路光经过右透镜和右视窗照射待测水体；激发光信号经其入射90°方向的上视窗、上透镜和旋转滤光片被采集器件采集。

滤光系统为旋转式自动滤光片切换系统，旋转滤光片包括基体、滤光片A、滤光片B、旋转轴、圆孔；步进电机通过旋转轴与旋转滤光片相连，通过步进电机转动带动旋转滤光片转动。

本发明的优点是：

1、采用光谱法不需要任何化学试剂，对水质本身没有影响，而且不需要对水样进行处理，直接测量，检测数据快，避免了繁琐的步骤。

2、采用LED和LD组成复合光源，可激发荧光及散射光信号，同时完成对水质中多种藻类的分类及浓度检测、烃类的含量以及浊度的在线检测。同时具备浊度补偿功能，根据测量散射光信号对藻类及烃类进行浊度补偿，实现实时、快速、精确了解水质各项参数变化情况。

3、可根据实际需要单独选择所需光源进行单独精确检测，满足不同环境监测的需要。

4、滤光片自动切换，由于采用复合光源对水体进行照射，同时测量多个参数，激发的光信号不同。通过控制步进电机转动来带动旋转滤光片转动，根据激发信号的不同，选择合适的滤光片对激发光信号进行滤光，以减少其他光信号对测量参数的影响；

本发明的技术效果：

一体化探头式水质多参数在线监测方法与系统，采用光谱法测量，可实现对水质直接测量，检测速度快，避免繁琐的步骤，同时不需要化学试剂，避免对水质的二次污染。采用复合光源作为光源，可获取荧光及散射光信号，同时完成对水质中多种藻类的分类及浓度检测、烃类的含量以及浊度的在线检测，实现实时、快速、精确了解水质各项参数变化情况。提高环境部门对水质各项参数的监测技术水平，为有效预防水体污染提供有力的技术支撑。

附图说明：

图1是浸入式探头的剖面结构示意图；

图2是旋转滤光片的俯视结构示意图。

图3是左光源正视结构示意图。

图4是右光源正视结构示意图。

图5是本发明装置的工作流程示意图；

具体实施方式

参见图1-图5，本发明包括控制与数据采集单元和光学系统单元。控制与数据采集单元包括上位机、控制与数据采集单元、采集器件，光学系统单元包括光源和光路，光源采用复合光源。

复合光源包括左光源12和右光源15，左光源12为一组多个不同波长的LED光源1201—1206组成的LED阵列，紫外LED光源1501和近红外LD光源1502组成右光源15，上位机通过控制与数据采集单元3控制光源发出所需的不同波长光照射待测水体，激发待测水体物质发出荧光及散射光信号；

滤光系统设计成旋转式自动滤光片切换系统，通过控制步进电机4转动来带动旋转滤光片5转动，根据激发信号的不同，选择合适的滤光片进行滤光，光信号通过滤光片后到达采集器件6，采集器件6将荧光及散射光信号快速采集；

采集获得的光信号通过数据处理模块完成对所需数据的处理，最后在上位机上显示出需要的信息。

所述左光源12为呈环形分布的低功耗LED阵列，光源的波长范围为370nm-650nm；LED范围可以根据需要进行适当调整，选择不同波长组合，此LED阵列按照与凹槽侧面垂直的方向安装于探头内，用于对水体中藻类进行分类及浓度测量；右光源15为紫外LED和近红外LD组合光源，紫外LED光源用于激发烃类发出荧光信号，近红外LD光源用于激发水体中浊度获得散射光信号，此组两个二极管也与凹槽侧面垂直，并排安装于探头另一测。

如图1所示，整个浸入式探头结构包括电缆接头1、外壳2、控制与数据采集单元3、步进电机4、旋转滤光片5、采集器件6、上透镜7、上视窗8、待测水体9、左视窗10、左透镜11、左光源12、右视窗13、右透镜14、右光源15、温度传感器16、压力传感器17、进水孔18；所述光路分两路，一路为370nm-650nm的多个LED1201—1206阵列，另一路为1个紫外LED1501和近红外LD1502。多个发光二极管阵列发出的光经左透镜10和左视窗11照射待测水体9；另一路光经过右透镜13和右视窗14照射待测水体9。激发光信号经其入射方向90°方向的上视窗8、上透镜7和旋转滤光片5被采集器件6采集。采用光源设置于侧面有利于机械设计加工，且光源分两侧分布有利于减少光源之间的相互影响。由于探头采用浸入式结构长期置于水体当中光窗易附着沉积物，采用侧面安装可有效减少沉积物的附着，并且易于光窗的清洗。如图2所示，旋转滤光片5包括基体500、滤光片A501、滤光片B502、旋转轴503、圆孔504。旋转滤光片5为旋转式自动滤光片切换系统，步进电机4通过旋转轴503与旋转滤光片5相连，通过步进电机4转动带动旋转滤光片5转动。

如图3、4所示，左光源12和右光源15正视图，左光源包括多个呈环形分布的LED灯1201—1206，右光源包括两个并列分布的LED1501和LD1502。这种两侧的光源安置设计有利于光信号的激发，减少测量不同参数时光源之间的相互影响。

所述待测水体经过开有进水孔的遮光罩进行遮光处理。

所述探头外壳11两侧底部分别装有温度传感器19和压力传感器20，用来测量待测水体的温度及测试待测水体深度。

如图5所示，首先系统进行初始化，完成系统自检。初始化完成后光源开始工作发射入射光，入射光与待测水体中藻类、烃类或浊度相互作用发出荧光或散射光，由于不同的发射光源激发的藻类和烃类的荧光信号及浊度的散射光信号波长不同，不同的波长应选择对应的不同滤光片。此系统上位机可分时控制发射光源，由步进电机同步自动选择滤光片。荧光或散射光信号经滤光片后通过光电转换模块完成光电转换，通过数据采集模块完成对信号的快速采集。同时数据采集模块完成对压力传感器与温度传感器所测数据的采集，最后完成数据传输，将数据上传至上位机，上位机根据采集模块获得的散射光信号进行浊度补偿，结合荧光信号反演出藻类及烃类浓度，并显示出需要的信息。

实施例

本发明所述左光源12为由6个中心波长不同的LED组成的呈环形分布的低功耗LED阵列，光源的波长范围为370nm-650nm；LED范围可以根据需要进行调整，选择不同波长组合，可选用370nm、460nm、535nm、580nm、600nm、630nm的LED组成，用于淡水、海水等各类水体中藻类(硅藻、绿藻、蓝藻和隐藻)的分类和浓度测量，LED的数量也可根据需要进行调整，数量可以为2、4、6、8等多个。所述右光源15中紫外LED中心波长可选用265nm，近红外LD波长可选用880nm。所述旋转滤光片5中滤光片A501可选用685nm带通滤光片，用于藻类测试滤光；滤光片B502可选用360nm滤光片，用于烃类测试滤光。所述采集器件6可采用硅光电探测器PC10-2，对光信号进行采集，电路控制芯片采用STM32F103。

本发明原理是：多个不同波长的LED组成的阵列及一个紫外LED发射入射光进入待测样品，检测被测样品的荧光信号；近红外LD发射照射待测样品，在其光路垂直90°方向检测荧光及散射信号。通过获取的不同信号与水质中成分之间的关系反演出待测样品中参数的具体浓度。

Claims (1)

1.一种一体化探头式光电水质多参数在线测量系统，其特征在于：包括控制与数据采集单元和光学系统单元；

所述控制与数据采集单元包括上位机、控制与数据采集单元、采集器件；

所述光学系统单元包括光源和光路及滤光系统，光源包括左光源和右光源，左光源为一组多个不同波长的LED光源组成的LED阵列；紫外LED光源和近红外LD光源组成右光源；上位机通过控制与数据采集单元控制光源发出所需的不同波长光照射待测水体，激发待测水体物质发出荧光及散射光信号；采用LED和LD组成复合光源，可激发荧光及散射光信号，同时完成对水质中多种藻类的分类及浓度检测、烃类的含量以及浊度的在线检测，并根据测量散射光信号对藻类及烃类进行浊度补偿；滤光系统包括旋转式自动滤光片切换系统，所述旋转式自动滤光片切换系统通过控制步进电机转动来带动旋转滤光片转动，根据激发信号的不同，由上位机控制选择不同的滤光片进行滤光，光信号通过滤光片后到达采集器件，采集器件用来将荧光及散射光信号快速采集；滤光片自动切换，由于采用复合光源对水体进行照射，同时测量多个参数，激发的光信号不同；通过控制步进电机转动来带动旋转滤光片转动，根据激发信号的不同，选择合适的滤光片对激发光信号进行滤光，以减少其他光信号对测量参数的影响；

上位机根据采集器件获得的散射光信号进行浊度补偿，结合荧光信号反演出藻类及烃类浓度；所述左光源为呈环形分布的低功耗LED阵列，光源的波长范围为370nm—650nm，所述LED阵列和凹槽侧面垂直安装于探头内；右光源为LED和LD组合光源，此组两个光源也与凹槽侧面垂直，并排安装于探头另一侧；紫外LED灯用于激发烃类发出荧光信号，近红外LD灯用于激发水体获得浊度信号，待测水体的范围包括淡水、海水水域；整个浸入式探头结构包括电缆接头、外壳、控制与数据采集单元、步进电机、旋转滤光片、采集器件、上透镜、上视窗、待测水体、左视窗、左透镜、左光源、右视窗、右透镜、右光源、温度传感器、压力传感器、进水孔；所述光路分两路，一路为370nm-650nm的多个LED阵列，另一路为1个紫外LED和1个LD；多个发光二极管阵列发出的光经左透镜和左视窗照射待测水体；另一路光经过右透镜和右视窗照射待测水体；激发光信号经其入射90°方向的上视窗、上透镜和旋转滤光片被采集器件采集；滤光系统为旋转式自动滤光片切换系统，旋转滤光片包括基体、滤光片A、滤光片B、旋转轴、圆孔；步进电机通过旋转轴与旋转滤光片相连，通过步进电机转动带动旋转滤光片转动。