CN105044051B - 一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，包括激光器、光路整形装置、用于盛放样品水质的三维可调样品台、光纤光谱仪、数字脉冲延时器、嵌入式控制主板、PH探头、ORP探头、温度探头、电导电极探头、电源；三维可调样品台、光纤光谱仪、数字脉冲延时器、PH探头、ORP探头、温度探头、电导电极探头、电源均分别与嵌入式控制主板连接；数字脉冲延时器与激光器连接，用于控制激光器触发和光谱信号采集间的同步延迟时间；本发明可以快速分析水样的PH值、温度、氧化性及重金属含量等水质特性。

Description

一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统

技术领域

本发明属于激光诊断和测量技术领域，具体涉及一种对水质的PH值、温度、氧化性及重金属进行快速分析的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统。

背景技术

水是人类在生活、生产中必不可少的物质，而饮用水的优质又与人类生命健康密切相关。随着经济的快速发展，一方面是水的大量使用，另一方面是很多未经处理的生活污水和工业废水引起的水质污染。水中的重金属对人的健康影响颇深，对其快速、准确地检测能有效提高饮用水的安全。

激光诱导击穿光谱技术（Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术，该方法在测量过程中只需几微克即可， 故可实现非破坏测量；无需样品预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析，使LIBS 技术应用范围非常广泛；使用 LIBS技术进行成份分析，整个过程只需十秒左右，实时性和快速性非常良好；LIBS技术可通过定标对物质中痕量进行定量分析，且检测限和精度完全满足应用需求。

与传统对水质检测的技术相比，LIBS有其不可比拟的优势，但是由于激光器、光谱仪体积的因素，导致检测仪不便于携带，制约了水质检测的方便性。另一方面，由于激光直接照射到靶样品后，激光诱导等离子体处于一种自由膨胀状态，等离子体柱形貌不规则。会造成等离子体的自吸效应，影响元素含量检测的精度。因为自吸效应是由于激光等离子体中心部位发射的光子向外传播时，被边缘低温区同种元素的低能态原子所吸收造成的，而且吸收主要发生在光谱线中心频率附近，使得谱线峰值强度降低。随着分析元素含量增大，谱线中心频率附近会出现“凹陷”，这种严重自吸现象称为自蚀（self-reversal），共振线（灵敏谱线）尤为显著。另外，纳秒脉冲激光能使材料组分的化学键严重断裂，仅能探测到材料组分的原子或离子的 ＬＩＢＳ光谱。而飞秒激光脉宽小，光强较高，作用在材料表面的热效应范围小，使材料快 速电离，从而保持材料的分子结构，除探测到原子或离子的ＬＩＢＳ光谱外，还可看到材料组分的分子结构光谱。飞秒烧蚀使等离子体的寿命大大缩短，由于飞秒烧蚀是冷烧蚀过程，减少了烧蚀的体积，从而提高了ＬＩＢＳ的谱线强度和信号光谱与背景光谱的比值。

发明内容

针对上述问题及技术，本发明提供了一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，以解决现有技术存在的水质检测设备体积大、精度低、检测参量单一等问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：包括激光器、光路整形装置、用于盛放样品水质的三维可调样品台、光纤光谱仪、数字脉冲延时器、嵌入式控制主板、用于检测水质PH值得PH探头、用于检测水质氧化性的ORP探头、用于检测水质温度的温度探头、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头、电源；所述的三维可调样品台、光纤光谱仪、数字脉冲延时器、用于检测水质PH值的PH探头、用于检测水质氧化性的ORP探头、用于检测水质温度的温度探头、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头、电源均分别与所述的嵌入式控制主板连接；所述的数字脉冲延时器与所述的激光器连接，用于控制激光器触发和光谱信号采集间的同步延迟时间；所述的激光器发射的激光经过所述的光路整形装置后，射到样品水质，使其产生等离子体，被等离子体激发的原子所发射的光谱由所述的光纤光谱仪获取，进而识别样品中元素的组成成分及含量；样品水质的PH值、氧化性、温度以及硬化度与矿化度的的测量均由所述的嵌入式控制主板分别通过pH探头、ORP探头、温度探头、电导电极探头测得。

作为优选，所述的激光器为脉宽150fs、波长800nm，单脉冲能量3uJ，重复频率250kHz的飞秒脉冲激光器。

作为优选，所述的光路整形装置包括第一反射平面镜片、第二反射平面镜片、第三反射平面镜片、第一石英透镜、球形反射镜、第二石英透镜、探头；所述的激光器输出的激光脉冲依次经过第一反射平面镜片、第二反射平面镜片、第三反射平面镜片后，由焦距为30mm的第一石英透镜聚焦到三维可调样品台，然后经直径50mm的球形反射镜反射，并由焦距为50mm的第二石英透镜聚焦到光纤耦合器的探头上，再通过光纤传输到所述的光纤光谱仪中，所述的光纤光谱仪处理得到的数据通过串口发送到所述的嵌入式控制主板。

作为优选，所述的三维可调样品台包括步进电机、平台。

作为优选，所述的光纤光谱仪为快触发型四通道光纤光谱仪，该光谱仪四个通道分别使用两块2400L/mm，一块600L/mm，以及一块1200L/mm的全息光栅，分别覆盖230-345nm，340-440nm，425-953nm，和934-1082nm光谱波段，其光谱分辨率分别为0.08nm，0.08nm，0.4nm和0.11nm。

作为优选，所述的检测系统还包括存储设备、GPRS模块和触摸显示屏，所述的存储设备、GPRS模块和触摸显示屏均分别与所述的嵌入式控制主板连接。

作为优选，所述的嵌入式控制主板采用搭载Linux操作系统的主芯片为S3C2440的控制板，用于对三维可调样品台、数字脉冲延时器的控制以及对光纤光谱仪发来数据进行分析、处理、显示和存储。

作为优选，所述的球形反射镜的反射面位于球体内部。

作为优选，所述的pH探头、ORP探头、温度探头、电导电极探头等间距放于水质检测槽中，水质检测槽放置在所述的三维可调样品台上。

作为优选，所述的水质检测槽底部设置有排水管。

国外相关产品价格高，还有兼容性差的问题。而本发明具有模块化设计、成本低、体积小、响应时间短的特点，能够大规模普及，因此可以很好的填补这个市场空白。

附图说明

图1：本发明实施例的系统原理图；

图2：本发明实施例为检测水质PH值、氧化性、温度、硬化度与矿化度的装置示意图；

图3：本发明实施例的光路整形装置结构图；

图4：本发明实施例的系统工作流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1、图2和图3，本发明提供的一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，包括激光器1、光路整形装置、用于盛放样品水质的三维可调样品台6、光纤光谱仪11、数字脉冲延时器、嵌入式控制主板12、用于检测水质PH值得PH探头13、用于检测水质氧化性的ORP探头14、用于检测水质温度的温度探头15、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头16、电源、存储设备、GPRS模块和触摸显示屏；三维可调样品台6、光纤光谱仪11、数字脉冲延时器、用于检测水质PH值的PH探头13、用于检测水质氧化性的ORP探头14、用于检测水质温度的温度探头15、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头16、电源、存储设备、GPRS模块和触摸显示屏均分别与嵌入式控制主板12连接；数字脉冲延时器与激光器1连接。

本实施例采用的激光器1为Sapphire再生放大激光器RegA 9000,Coherent，是脉宽150fs、波长800nm，单脉冲能量3uJ，重复频率250kHz的飞秒脉冲激光器。

本实施例采用的是DG645数字脉冲延时器，用于控制激光器1触发和光谱信号采集间的同步延迟时间。

本实施例的光纤光谱仪11采用AVANTES公司的AvaSpec2048FT快触发型四通道光纤光谱仪，该光谱仪四个通道分别使用两块2400L/mm，一块600L/mm，以及一块1200L/mm的全息光栅，分别覆盖230-345nm，340-440nm，425-953nm，和934-1082nm光谱波段，其光谱分辨率分别为0.08nm，0.08nm，0.4nm和0.11nm。其具有热电内制冷功能，100 mm的焦距和0.22的数值孔径组合可以使光谱仪在不增大自身体积的情况下达到分辨率与灵敏度的最佳平衡。

本实施例的光路整形装置包括第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4、第一石英透镜5、球形反射镜7、第二石英透镜8、探头9；激光器1输出的激光脉冲依次经过第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4后，由焦距为30mm的第一石英透镜5聚焦到三维可调样品台6，然后经直径50mm的球形反射镜7反射，并由焦距为50mm的第二石英透镜8聚焦到光纤耦合器的探头9上，再通过光纤10传输到光纤光谱仪11中，光纤光谱仪11处理得到的数据通过串口发送到嵌入式控制主板12。三维可调样品台6包括步进电机、平台。第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4均以特定的角度固定在光路整形装置中，确保脉冲激光能通过光路反射照射到三维可调样品台6上的靶面上；球形反射镜7的反射面位于球体内部；三维可调样品台6由嵌入式控制主板12控制，以保证脉冲激光照射到待测水质的点位于球形反射镜的中心。

本实施例的嵌入式控制主板12采用三星公司搭载Linux操作系统的主芯片为S3C2440的控制板，用于对三维可调样品台6、数字脉冲延时器的控制以及对光纤光谱仪11发来数据进行分析、处理、显示和存储。

本实施例在使用激光诱导击穿光谱测量水质元素含量时，用滴管滴一滴水质到载玻片上，在激光照射的同时，三维可调样品台6会缓慢转动，确保激光照射到水质不同点，提高测量准确性。

本实施例在测量水质PH值、温度等参量时，使用水质检测槽17，本实施例的pH探头13、ORP探头14、温度探头15、电导电极探头16等间距放于水质检测槽17中，水质检测槽17放置在三维可调样品台6上；水质检测槽17底部设置有排水管18，每次测量后可以进行通过排水管18进行排水，并且可以取出来进行清洗操作。

本实施例的激光器1发射的激光经过光路整形装置后，射到样品水质，使其产生等离子体，被等离子体激发的原子所发射的光谱由光纤光谱仪11获取，进而识别样品中元素的组成成分及含量；样品水质的PH值、氧化性、温度以及硬化度与矿化度的的测量均由嵌入式控制主板12分别通过pH探头13、ORP探头14、温度探头15、电导电极探头16测得。

本实施例的GPRS模块用于对处理的信息进行远程传输，存储设备为U盘。

本实施例的激光脉冲照射到与脉冲激光呈45°角摆放的第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4，然后经过光路的整合后射至光轴垂直于平台的焦距为30mm的第一石英透镜5，第一石英透镜5将脉冲激光聚焦在样品水质上，样品水质放置于三维可调样品台6上的载玻片上。三维可调样品台6为可移动平台，三维可调样品台6的驱动轴连接有步进电机。等离子体激发的原子所发射的光经光纤直至微型光纤光谱仪11。

本实施例的数字脉冲延时器由嵌入式控制主板12控制，当启动水质检测后，数字脉冲延时器会先启动激光器进行照射，每个测量周期内，每个光谱10次激光脉冲作用在水质表面不同点上的平均结果。激光作用到样品上5us后再启动光纤光谱仪进行测量，测量积分时间为2ms。

本实施例的三维可调样品台6处于球形反射镜7中，球形反射镜7将等离子体膨胀过程中所形成的超音速冲击波又反射回等离子体区域，从而使得等离子体受到束缚，温度升高；部分光辐射被反射回等离子体区，增大等离子体的能量密度；球形反射镜7能够有效阻挡等离子体轴向扩散，有利于形成温度分布均匀的等离子体。综上几点可知，这几方面都会导致等离子体温度进一步升高并且温度分布趋于均匀，这是降低光谱线的自吸效应的有利条件。

本实施例的使用自由定标法进行元素的定量分析。自由定标法不需要通过对标准样品进行实验测量得出定标曲线，而是直接根据得到的谱线的相对强度计算出分析组份的浓度。优点：无需定标物，程序简化，与上两种方法相比成本较低，全元素测量，真正实现远程在线实时分析。缺点：不考虑自吸收效应，对测量结果会有影响，需对所有的谱线进行分析，工作量相对较大。

请见图4，本实施例的工作流程为：

步骤1：用滴管取水样；

步骤2：本系统有两个测量室，一个用于测量样品水质中各元素的种类及含量，另一个用于检测样品水质的PH值、水质氧化性、水质温度、硬化度与矿化度；

当使用激光诱导击穿光谱测量水质元素含量时，用滴管滴一滴水质到载玻片上，启动数字脉冲延时器，启动激光器1，启动光纤光谱仪11，光谱信息分析处理显示并保存各元素含量信息。 在激光照射的同时，三维可调样品台6会缓慢转动，确保激光照射到水质不同点，提高测量准确性；

当测量水质PH值、温度等参量时，将水样注入水质检测槽17，PH探头13、ORP探头14、温度探头15、电导电极探头16安装在容器内部，检测出水质PH值等参量，显示并保存水质PH值、氧化性、温度等参量。水质检测槽17没有固定在水质检测系统中，每次测量后可以进行通过排水管18进行排水，并且可以取出来进行清洗操作。

步骤3：可以将检测结果数据上传到远程服务器中。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：包括激光器（1）、光路整形装置、用于盛放样品水质的三维可调样品台（6）、光纤光谱仪（11）、数字脉冲延时器、嵌入式控制主板（12）、用于检测水质PH值的PH探头（13）、用于检测水质氧化性的ORP探头（14）、用于检测水质温度的温度探头（15）、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头（16）、电源；

所述的三维可调样品台（6）、光纤光谱仪（11）、数字脉冲延时器、用于检测水质PH值的PH探头（13）、用于检测水质氧化性的ORP探头（14）、用于检测水质温度的温度探头（15）、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头（16）、电源均分别与所述的嵌入式控制主板（12）连接；

所述的数字脉冲延时器与所述的激光器（1）连接，用于控制激光器（1）触发和光谱信号采集间的同步延迟时间；

所述的激光器（1）发射的激光经过所述的光路整形装置后，射到样品水质，使其产生等离子体，被等离子体激发的原子所发射的光谱由所述的光纤光谱仪（11）获取，进而识别样品中元素的组成成分及含量；

样品水质的PH值、氧化性、温度以及硬化度与矿化度的的测量均由所述的嵌入式控制主板（12）分别通过pH探头（13）、ORP探头（14）、温度探头（15）、电导电极探头（16）测得；

所述的光路整形装置包括第一反射平面镜片（2）、第二反射平面镜片（3）、第三反射平面镜片（4）、第一石英透镜（5）、球形反射镜（7）、第二石英透镜（8）、探头（9）；

所述的激光器（1）输出的激光脉冲依次经过第一反射平面镜片（2）、第二反射平面镜片（3）、第三反射平面镜片（4）后，由焦距为30mm的第一石英透镜（5）聚焦到三维可调样品台（6），然后经直径50mm的球形反射镜（7）反射，并由焦距为50mm的第二石英透镜（8）聚焦到光纤耦合器的探头（9）上，再通过光纤（10）传输到所述的光纤光谱仪（11）中，所述的光纤光谱仪（11）处理得到的数据通过串口发送到所述的嵌入式控制主板（12）。

2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的激光器（1）为脉宽150fs、波长800nm，单脉冲能量3uJ，重复频率250kHz的飞秒脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的三维可调样品台（6）包括步进电机、平台。

4.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的光纤光谱仪（11）为快触发型四通道光纤光谱仪，该光谱仪四个通道分别对应使用两块2400L/mm，一块600L/mm，以及一块1200L/mm的全息光栅，分别覆盖230-345nm，340-440nm，425-953nm，和934-1082nm光谱波段，其光谱分辨率分别为0.08nm，0.08nm，0.4nm和0.11nm。

5.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的检测系统还包括存储设备、GPRS模块和触摸显示屏，所述的存储设备、GPRS模块和触摸显示屏均分别与所述的嵌入式控制主板（12）连接。

6.根据权利要求5所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的嵌入式控制主板（12）采用搭载Linux操作系统的主芯片为S3C2440的控制板，用于对三维可调样品台（6）、数字脉冲延时器的控制以及对光纤光谱仪（11）发来数据进行分析、处理、显示和存储。

7.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的球形反射镜（7）的反射面位于球体内部。

8.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的pH探头（13）、ORP探头（14）、温度探头（15）、电导电极探头（16）等间距放于水质检测槽（17）中，水质检测槽（17）放置在所述的三维可调样品台（6）上。

9.根据权利要求8所述的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于：所述的水质检测槽（17）底部设置有排水管（18）。