CN105043994A - 一种非接触式地表水水质检测装置 - Google Patents

Abstract

一种非接触式地表水水质检测装置，包括光谱采样头、准直器、光路选通器、分叉光纤和微型光谱仪，所述光谱采样头有多个，每个通过光纤与光纤准直器连接，光纤准直器与分叉光纤的会聚镜头在光路上一一对应，光路选通器位于光纤准直器与会聚镜头之间，光路选通器具有围绕旋转轴旋转的选通通道，使选通通道在旋转的过程中可以将其中的一对光纤准直器和会聚镜头之间的光路导通。与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用连续光谱测量方法实现现场非接触式地表水水质检测，可同时探测有色可溶性有机物、总悬浮物、叶绿素a等水质参数，具有成本低、使用方便、测量速度快、无污染的优点。

Description

一种非接触式地表水水质检测装置

技术领域

本发明涉及一种非接触式地表水水质检测装置，属于水质检测技术领域。

背景技术

河流、湖泊、池塘、供水水库等地表水中叶绿素a浓度、藻青蛋白浓度、有色可溶性有机物、悬浮物以及透明度等参数是地表水常规水质检测的重要水质参数，这些水质参数关系到饮用水、水产养殖、工业生产、环境污染等水质安全问题。上述地表水水质参数检测的通常方法是现场取样，将样品带回实验室利用实验室分析设备进行检测，这种方法的缺点是消耗时间多、成本高、检测频率低，在一些突发水质安全事件中反应滞后。一些便携式水质检测设备可在现场使用，虽然效率有了很大的提高，但是也需要取样，操作繁琐，采用化学方法的还需要使用化学试剂，会造成二次污染。

光学方法是目前水质检测最先进的方法，特别是基于连续光谱的方法，可同时测量多个水质参数，具有检测速度快、无二次污染等优点。但是现有的水质检测方法都是接触式的，如在线式水质检测，利用取样器将被测水样送到光学传感头处进行光学检测；浸没式传感头可将传感头直接放置在水中，效率大大提高，但由于是传感器放入水中测量，水中物质会对传感头造成污染，使测量的准确性降低，维护也不方便。如果采用非接触式光学测量，将会避免传统化学检测方法遇到的诸多问题，还能避免现有光学检测方法中水对光学传感器污染的问题，使得测量更加方便、快速。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种非接触式地表水水质检测装置，能够实现非接触式光学水质检测，可同时检测叶绿素a、有色可溶性有机物、藻青蛋白浓度、悬浮物、透明度等多个参数，具有准确、非接触、快速、方便、低成本的优点。

本发明的技术方案是：

一种非接触式地表水水质检测装置，包括光谱采样头、光纤准直器、光路选通器、分叉光纤和微型光谱仪，所述光谱采样头有多个，每个光谱采样头通过光纤与光纤准直器连接，光纤准直器与分叉光纤的各会聚镜头在光路上一一对应，光路选通器位于光纤准直器与会聚镜头之间，光路选通器具有围绕旋转轴旋转的选通通道，使选通通道在旋转的过程中可以将其中的一对光纤准直器和会聚镜头之间的光路导通，而将其他的对接光纤准直器和会聚镜头之间的光路阻断；所述分叉光纤的主光路与微型光谱仪连接。

所述的光路选通器，有三个可选通通道，用来选择三个光谱采样头输入的光束，每次选通一个通道，选通的通道光束可通过，并耦合进分叉光纤到达微型光谱仪，光谱仪可测得选通通道的光谱数据。还包含一个挡光状态。

所述的分叉光纤，一端有三个光纤头，另一端有一个光纤头，三个光纤头的一端每个光纤头上均有一个会聚透镜，将入射光束耦合进光纤，一个光纤头的一端有连接口可以直接与微型光谱仪连接。带有会聚透镜一端的三个光纤头分别于光谱采样头三个准直镜头光轴对准，通过光路选通器每次采集一个光谱采样头的光谱。

所述的微型光谱仪，光谱范围覆盖380nm～780nm，并且在该谱段具有较高的光谱灵敏度。

进一步的，所述光谱采样头，包括：

一个余弦采集器，朝向正上方，用于采集方位角180°、高低角0°～90°范围内的天空连续光谱辐照度，余弦采集器采集的光束直接导入光纤，在光纤的另一端与一个光纤准直器连接；

一个测量天空下行连续光谱辐亮度的接收镜头，前端为一个视场角为3°的会聚镜头，光轴指向斜上方，高低角为45°，方位角为正前方，会聚镜头将入射光会聚进光纤，光纤的另一端与一个光纤准直器连接；

一个测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头，前端为一个视场角为3°的会聚镜头，光轴指向斜下方，高低角为-45°，方位角为正前方，会聚镜头将入射光会聚进光纤，光纤的另一端与一个光纤准直器连接。

三个光纤准直器围绕光路选通器的旋转轴呈三角形分布。

还包括嵌入式计算机，所述微型光谱仪与嵌入式计算机连接，所述光路选通器与所述嵌入式计算机连接，并受嵌入式计算机的指令控制旋转选择光路通道。

所述光路选通器的旋转轴通过步进电机驱动。

进一步的，还包括触控显示屏，触控显示屏与所述嵌入式计算机连接。触控显示屏用于使用者的人机交互和测量结果显示。

进一步的，还包括移动电源，对微型光谱仪、嵌入式计算机和触控显示屏供电。移动电源采用锂离子电池，一次充电可供设备连续工作至少五小时。

进一步的，定位器和取景摄像头，定位器和取景摄像头分别与嵌入式计算机连接。

取景摄像头的视场角为30°，光轴与测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头的光轴平行，用来对光谱采样头采集的水面区域成像，经标定后能够确定光谱采样头视场在对应的取景摄像头采集图像中的位置，在进行数据采集时，取景摄像头采集的图像可在触控显示屏的某一位置开窗口显示，选择成像区域的水面没有漂浮物、阴影和倒影，保证采集光谱数据的可靠性。

定位器为GPS定位器或北斗定位器模块，可以获取采集数据时的精确位置，嵌入式计算机将此位置同时嵌入计算的水质参数结果中，使得测量结果同时具有定位信息。

嵌入式计算机包含处理器，用来控制光路选通器、微型光谱仪、取景摄像头和定位器，采集数据并处理。所述嵌入式计算机还有存储器，存储器中存储有光学物理模型，用于将采集到的三个连续光谱数据结合光学物理模型计算出水质参数，并将定位器获取定位数据融入水质参数中。

使用者通过触控显示屏操作嵌入式计算机，控制微型光谱仪和光谱采样头顺序采集可见光谱段的天空光连续光谱辐照度数据、天空下行连续光谱辐亮度数据和水面上行连续光谱辐亮度数据，进一步计算出被测区域水面的光谱反射率数据，再利用嵌入式计算机中存储的光学物理数学模型计算出水质参数，并通过显示器实时显示。还可以控制定位器，将定位信息融入计算出的水质参数中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用连续光谱测量方法实现现场非接触式地表水水质检测，可同时探测有色可溶性有机物、总悬浮物、叶绿素a等水质参数，具有成本低、使用方便、测量速度快、无污染的优点。与浸没式荧光计相比，没有淬灭效应、不存在生物污损。

本发明所述的一种非接触式地表水水质检测装置，利用光谱采样头和微型光谱仪采集可见光谱段的天空光连续光谱辐照度数据、天空下行连续光谱辐亮度数据和水面上行连续光谱辐亮度数据，利用上述三个连续光谱数据计算出水面光谱反射率数据，结合已经建立的光学物理模型计算出水质参数。

附图说明

图1为一种非接触式地表水水质检测仪原理图。

图中：

10为光谱采样头，

11为天空光连续光谱辐照度采样头，即余弦采集器，

12为测量天空下行连续光谱辐亮度的接收镜头，

13为测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头，

20为光纤准直器，

30为光路选通器，

40为分叉光纤，

50为微型光谱仪，

60为嵌入式计算机，

70为触控显示屏，

80为取景摄像头，

90为定位器，

100为移动电源。

图2为光谱采样头准直器分布位置示意图。

图3为光路选通示意图。图中，30为光路选通器，31为选通通道，32为旋转轴。

图4为光路选通原理示意图。

图中：

21为天空光连续光谱辐照度采样头对应的光纤准直器，

22为天空下行连续光谱辐亮度采样头对应的光纤准直器，

23为水面上行连续光谱辐亮度采样头对应的光纤准直器；

30为光路选通器；

41为分叉光纤天空光连续光谱辐照度采样头对应的接收会聚镜头，

42为分叉光纤天空下行连续光谱辐亮度采样头对应的接收会聚镜头，

43为分叉光纤水面上行连续光谱辐亮度采样头对应的接收会聚镜头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本发明的技术方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本发明技术方案的内容，在本发明的基础上进行的改进和设计，应属于本发明的保护范围。

如图1-4所示，本发明实施例所述的一种非接触式地表水水质检测装置，包含光谱采样头10、光路选通器30、分叉光纤40、微型光谱仪50、嵌入式计算机60、液晶触控显示屏70、取景摄像头80、定位器90、移动电源100、壳体等几部分。使用者通过触控显示屏70操作嵌入式计算机60，控制光谱采样头10、光路选通器30和微型光谱仪50顺序采集可见光谱段的天空光连续光谱辐照度数据、天空下行连续光谱辐亮度数据和水面上行连续光谱辐亮度数据，进一步计算出被测区域水面的光谱反射率数据，再利用嵌入式计算机60中存储的光学物理数学模型计算出水质参数，并通过液晶触控屏70实时显示。嵌入式计算机60还控制定位器90，将定位信息融入计算出的水质参数中。嵌入式计算机60还控制取景摄像头80，将取景摄像头80采集的图像实时显示在液晶触控屏70上，用来观察采集光谱数据的区域，判断采集区域是否符合测量条件。

光谱采样头10包含一个余弦采集器11，朝向正上方，用于采集方位角180°、高低角0°～90°范围内的天空连续光谱辐照度，余弦采集器采集的光束直接导入光纤，在光纤的另一端有一个光纤准直器20，将上述光束准直；

一个测量天空下行连续光谱辐亮度的接收镜头12，前端为一个视场角为3°的会聚镜头，光轴指向斜上方，高低角为45°，方位角为正前方，会聚镜头将入射光会聚进光纤，光纤的另一端有一个光纤准直器20；

一个测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头13，前端为一个视场角为3°的会聚镜头，光轴指向斜下方，高低角为-45°，方位角为正前方，会聚镜头将入射光会聚进光纤，光纤的另一端有一个光纤准直器20。

余弦采集器和接收镜头后均耦合光纤尾纤，光纤尾纤的另一端有一个光纤准直镜，用于将接收到的光束准直。光谱采样头带有准直器的一端三个光纤准直器并排安装，顶端平齐，分布如图2所示，呈三角位置分布。

光路选通器30为一个不透光的圆盘，如图3所示，圆盘绕旋转轴32旋转，圆盘上开有一圆孔31，圆孔的大小与准直器20的口径匹配，圆盘旋转式时，圆孔31的中轴能够与光纤准直器21、22和23的中轴重合。

如图4所示，分叉光纤40的三个接收会聚镜头41、42和43的位置与分别光纤准直器21、22和23对应。光路选通器圆盘由步进电机驱动，旋转时，一次可以选通一路。每个通道选通时光谱仪采集一次光谱数据并存储。光路选通器转盘每转一圈，光谱仪采集一次数据作为背景光谱，用于接收会聚镜头41、42和43通道选通时采集光谱的校正。

取景摄像头80的视场角为30°，光轴与测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头13的光轴平行，且在装配时保证光谱采样头的视场在取景摄像头视场的中央位置，在进行数据采集时，取景摄像头采集的图像可在触控显示屏70的某一位置开窗口显示，选择成像区域的水面没有漂浮物、阴影和倒影，保证采集光谱数据的可靠性。

嵌入式计算机60对采集到的光谱数据进行处理，计算出与环境光无关的水面连续光谱反射率曲线，利用存储器中存储的光学物理模型计算出水质参数。定位器90可为GPS定位器或北斗定位器模块，可以获取采集数据时的精确位置，嵌入式计算机60将此位置同时嵌入计算的水质参数结果中，使得测量结果同时具有定位信息。

在壳体上同时设置一个水泡，可以确定水平位置，在采集数据时参考水泡位置保证仪器的位置，使测量数据更加准确。

移动电源100采用锂离子电池，对微型光谱仪、嵌入式计算机、取景摄像机和触控显示屏供电，一次充电可供设备连续工作至少五小时。

Claims (10)

1.一种非接触式地表水水质检测装置，包括光谱采样头、准直器、光路选通器、分叉光纤和微型光谱仪，其特征在于，所述光谱采样头有多个，每个通过光纤与光纤准直器连接，光纤准直器与分叉光纤的会聚镜头在光路上一一对应，光路选通器位于光纤准直器与会聚镜头之间，光路选通器具有围绕旋转轴旋转的选通通道，使选通通道在旋转的过程中可以将其中的一对光纤准直器和会聚镜头之间的光路导通，而将其他的对接光纤准直器和会聚镜头之间的光路阻断；所述分叉光纤的主光路与微型光谱仪连接。

2.如权利要求1所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，所述的光路选通器，有三个可选通通道，用来选择三个光谱采样头输入的光束，每次选通一个通道，选通的通道光束可通过，并耦合进分叉光纤到达微型光谱仪，光谱仪可测得选通通道的光谱数据。

3.如权利要求2所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，所述的微型光谱仪，光谱范围覆盖380nm～780nm。

4.如权利要求1或2或3所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，所述光谱采样头，包括：

一个余弦采集器，朝向正上方，用于采集方位角180°、高低角0°～90°范围内的天空连续光谱辐照度，余弦采集器采集的光束直接导入光纤，在光纤的另一端与一个光纤准直器连接；

一个测量天空下行连续光谱辐亮度的接收镜头，前端为一个视场角为3°的会聚镜头，光轴指向斜上方，高低角为45°，方位角为正前方，会聚镜头将入射光会聚进光纤，光纤的另一端与一个光纤准直器连接；

一个测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头，前端为一个视场角为3°的会聚镜头，光轴指向斜下方，高低角为-45°，方位角为正前方，会聚镜头将入射光会聚进光纤，光纤的另一端与一个光纤准直器连接。

5.如权利要求4所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，三个光纤准直器围绕光路选通器的旋转轴呈三角形分布。

6.如权利要求1所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，还包括嵌入式计算机，所述微型光谱仪与嵌入式计算机连接，所述光路选通器与所述嵌入式计算机连接，并受嵌入式计算机的指令控制旋转选择光路通道。

7.如权利要求6所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，所述光路选通器的旋转轴通过步进电机驱动。

8.如权利要求1所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，还包括触控显示屏，触控显示屏与所述嵌入式计算机连接，触控显示屏用于使用者的人机交互和测量结果显示。

9.如权利要求8所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，还包括移动电源，对微型光谱仪、嵌入式计算机和触控显示屏供电。

10.如权利要求9所述的一种非接触式地表水水质检测装置，其特征在于，还包括定位器和取景摄像头，定位器和取景摄像头分别与嵌入式计算机连接；

取景摄像头，光轴与测量水面上行连续光谱辐亮度的接收镜头的光轴平行，用来对光谱采样头采集的水面区域成像，经标定后能够确定光谱采样头视场在对应的取景摄像头采集图像中的位置，在进行数据采集时，取景摄像头采集的图像可在触控显示屏的某一位置开窗口显示，选择成像区域的水面没有漂浮物、阴影和倒影，保证采集光谱数据的可靠性；

定位器为GPS定位器或北斗定位器模块，可以获取采集数据时的精确位置，嵌入式计算机将此位置同时嵌入计算的水质参数结果中，使得测量结果同时具有定位信息。