CN105334164A - 一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头 - Google Patents

Abstract

本发明属于水质检测领域，具体涉及一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头。探头形状为圆锥形或方锥形，即探头直径随探头长度线性变化，大口径端的密封塞集成有LED光源、凹面反射镜和准直透镜，小口径端与相应尺寸光电探测器密封贴合。利用本发明的锥形光电耦合的水质现场取样检测探头，可以使通过待测水质的光信号全部汇聚到小口径端输出，从而被小口径端的光电探测器完全接收，不仅提高了水质光电检测的光电检测效率，同时能够实现水样现场取样检测，缩短检测周期。

Description

一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头

技术领域

本发明属于水质检测领域，具体涉及一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头。

背景技术

社会的快速发展，使人类对水资源的需求量不断增加，随之带来的水污染问题也越来越严重。传统的水质检测主要是利用电化学方法或者实验室化学试剂反应检测水质成分，这些方法不仅会浪费大量的人力和物力资源，还容易引起二次污染，也不能得到现场实时水环境信息，不利于水环境的监控和治理。其它光电类水质探测器则存在信号利用率低，光电探测器不能完全接收光信号和光电探测器尺寸大的缺点，不利于精确测量和节约成本。

因此，为了避免上述问题，本发明设计了一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头，该探头使带有被测物质信息的光信号能完全被光电探测器接收，同时这种取样探头易于便携化和微型化，集成后的检测系统信噪比高，利于在环境检测现场进行水质取样检测。

发明内容

本发明目的在于解决传统水质检测不能现场取样检测、检测周期长、二次污染严重等问题，同时解决了其它光电水质探测器光电检测效率不高的问题。因此，本发明将设计一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头，该锥形探头可以使带有被测物质信息的光信号完全被光电探测器接收，有效提高光电检测的光电检测效率，同时能够实现现场实时取样检测，既经济、节约、环保，又能集成在便携式系统中，便于携带、清洗和更换。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的锥形取样探头主要是由光学聚合物材料制成，探头整体形状为圆锥或方锥形，即探头直径随探头长度线性变化。同时，为了使光信号在取样探头内传输时满足全反射条件，使用的是低折射率光学聚合物材料。

锥形探头大口径端密封塞能从大口径端取下，便于水质现场取样；同时，该结构利于从大口径端观察探头内部污染情况，可及时进行清洗或更换，保证水质检测的准确性。

大口径密封塞末端集成有一LED光源，作为探测光源，该LED发光谱线特征要与被测物质谱线特征相匹配，LED光源位于密封塞的准直透镜和凹面反射镜焦点处，准直透镜可以保证光源发出的光以平行光照射锥形探头，从而使一部分平行光直接透过锥形槽内水质被光电探测器接收，另一部分光在锥形内壁多次全反射后被光电探测器接收；凹面反射镜可以使光源的发散光变成平行光束，经准直透镜聚焦后以一定角度入射，经内壁的多次全反射后同样被光电探测器接收，从而有效提高光源利用率和光电检测效率。

锥形探头的小口径端用薄光学塑料密封，该光学塑料具有大的折射率和高透光率，大折射率可以保证光线在小口径端处不会发生全反射，高透光率可以减小光信号在小口径端能量损失，利于光信号的检测。

光电探测器与小口径端的薄光学塑料密封贴合，因此，在满足信号传输条件时，光电探测器将带有被测物质信息的光信号全部接收，该结构不仅可以提高光信号检测效率，同时可实现水质现场实时取样检测，测量结果更精确。

附图说明

图1为本发明专利中一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头中子午光线图。

图2为本发明专利中一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头的圆锥形和方锥形俯视图。

图3为本发明专利中一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头大口径端带有密封塞的局部放大图。

图4为本发明专利中一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头水质检测系统图。

具体实施方式

下面将结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头整体系统如附图4所示，锥形探头由低折射率光学聚合物材料构成的外壳(1)、存储待测液体的空心锥形槽(2)和小口径端的薄密封层(3)组成，密封层(3)与对应尺寸光电探测器(8)完全贴合。锥形探头的大口径端与密封塞(4)结合，该密封塞(4)可以从大口径端取下，并且密封塞末端带有准直透镜(5)、LED光源(6)和凹面反射镜(7)，准直透镜(5)可以保证光源发出的光以平行光照射锥形探头，从而使一部分平行光直接通过锥形槽内水质被光电探测器接收，另一部分光在锥形内壁多次全反射后被光电探测器接收；LED光源(6)的发光谱线特征要与被测物质谱线特征相匹配；凹面反射镜(7)可以使光源的发散光变成平行光束，经准直透镜聚焦后以一定角度入射，经内壁的多次全反射后同样被光电探测器接收，从而有效提高光源利用率和光电检测效率。

为了保证在锥形取样探头内部发生全反射，在设计探头时还应满足一定条件，附图1为该锥形光电耦合的水质现场取样检测探头中子午光线图。设δ为锥形取样探头的锥角，由附图1可知，在锥形取样探头中，光线在外壳(1)分界面上反射角Φ随反射次数增加而逐渐减小，由图中几何关系及折射定律可得：

Φ_m＝90°-arcsin(1/n₁·sinΨ)-(2m-1)·(δ/2)(1)

式中，m是反射次数，n₁为待测水质的折射率，可通过折射率计测得，ψ为光线入射角。上式说明，当光线从大端入射，为了保证每次反射都满足全反射条件及光线都能从小端出射，还应满足：

$\sin (\mathrm{\Θ}+\frac{\mathrm{\δ}}{2})\≤\frac{a_1}{a_2}{[1-{\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(2\right)$

式中，a₁和a₂分别是锥形取样探头小口径端和大口径端半径，n₀为透明外壳折射率，且有n₀＜n₁，Θ为折射角。锥角δ很小时，有cos(δ/2)≈1，则有上式可得：

$\sin \left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)\≤\frac{\frac{a_1}{a_2}{[1-{\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^2]}^{\frac{1}{2}}-\sin \left(\mathrm{\Θ}\right)}{\cos \left(\mathrm{\Θ}\right)}---\left(3\right)$

上式即为光线在锥形探头中传输聚集到小端的条件。再利用：

$\sin \left(\frac{\mathrm{\δ}}{2}\right)=\frac{a_2-a_1}{L}---\left(4\right)$

式中L是锥形取样探头的长度，如附图1中所示，可得到：

$L\≥\frac{1}{2}\frac{2(a_2-a_1)\cos \mathrm{\Θ}}{\frac{a_1}{a_2}{\left[1-{\left(\frac{n_0}{n_1}\right)}^2\right]}^{\frac{1}{2}}-\sin \mathrm{\Θ}}\left(5\right)$

上式说明，为使锥形取样探头中的光线汇聚，探头的长度设计有一定要求。上述公式，为实际生产提供了理论依据，同时，通过合理选取透镜的相对孔径可以控制汇聚光束的最大入射角，保证汇聚光束也满足全反射条件。

当探头按上述要求设计生产完成后，将LED光源(6)与光源控制模块(9)连接，光电探测器(8)通过线路与信号处理中心(10)连接，将待测水样注入空心槽(2)，拧紧密封塞(4)，开启系统，光源的光经准直透镜(5)和凹面反射镜(7)后，一部分平行光直接通过锥形槽内待测水质被光电探测器接收，另一部分光在锥形内壁多次全反射后被光电探测器接收，接收的光信号经过处理中心(10)分析得出被测参数。

该锥形光电耦合的水质检测探头可以实现水样现场取样检测，同时采用锥形结构使光信号可以完全被探测器接收，提高了水质光电检测的光电检测效率。

Claims (3)

1.一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头，其特点在于：探头形状为圆锥形或方锥形。

2.根据权利要求1所述，一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头，其特点在于：大口径端密封塞集成有LED光源、凹面反射镜和准直透镜。

3.根据权利要求1所述，一种锥形光电耦合的水质现场取样检测探头，其特点在于：小口径末端为密封贴合的光电探测器。