CN111999280B - 一种无需取样的地表水重金属实时检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地表水重金属监测领域，提供一种无需取样的地表水重金属实时检测系统，包括计算机、激光模块、数据采集存储模块、数据处理模块和数据对比模块；数据对比模块与数据处理模块信号连接，数据对比模块接收数据处理模块解析出的LIBS光谱数据，将LIBS光谱数据与标准参考光谱进行对比，实时判断被测水体中重金属的种类及含量信息，得到被测水体所属水质类别信息；数据对比模块将被测水体中重金属的种类及含量信息与《地表水环境质量标准(GB3838‑2002)》中I‑V类地表水中不同重金属的区间端值进行比对，得到被测水体中重金属偏离I‑V类水的量化信息。本发明能实现实地检测地表水不同水层下重金属的种类及含量信息。
Description
技术领域
本发明涉及地表水重金属监测领域，尤其涉及一种无需取样的地表水重金 属实时检测系统。
背景技术
当前常用的地表水中重金属监测方法主要为离线测量与在线测量两种：
(1)离线测量：对地表水不同水层的水体人工取样、然后使用原子吸收分 光光度法、冷原子荧光法等多种技术在实验室对采集的水样进行检测、分析。 然而该方式存在以下三方面弊端：其一，水体取样因地势环境、外界影响有一 定的难度；其二，需将采集的水样送到专业实验室检测、分析，无法实时了解水质监测结果；其三，取样与分析过程中不可避免受外界因素影响，增加数据 处理难度，同时加大后期数据分析误差。
(2)在线测量：建立监控中心和若干个监测站组成的监测系统，该方法可 实现数据的实时监控及远程传输，但投资成本高，监测范围为固定区域，灵活 性差，同时极易破坏监测水域的生态环境。此外，大规模监测站建造受地理因素影响极大，提升了建造的难度与成本，经济性不可取。
基于激光的光谱诊断法---激光诱导击穿光谱方法(Laser Induced BreakdownSpectroscopy，LIBS)因其具有样品无需采集、预处理，检测灵敏 度高，建造成本较低，易于集成，且可同时对多种重金属检测等诸多优点，已 被广泛用于矿业、农业、工业冶金在线检测等多个领域。LIBS方法的工作原理 为一束高能脉冲激光辐照样品，在极短的时间内，极度加热并电离被照射区域 的一小块体积，形成瞬态激光诱导等离子体。在等离子体冷却的过程中，会向 外辐射包含照射区域元素信息的特征光谱，搭配适宜的光学元件，构造适当的 光学结构，通过光纤耦合至光谱仪，而后结合光谱数据库进行分析，便可以得 到被测区域的元素种类及含量信息。从LIBS原理出发，由于其具有纯光学元件 连接的优势，因此可被用于极端环境下样品化学成分的实地、在线检测。
综上，为解决以上提到的问题，本发明提出一种无需取样的地表水重金属 实时检测系统，无需取样的情况下，能够对地表水不同水层的重金属实时检测 与监控的设备。
发明内容
本发明主要解决现有的离线测量方法需现场取样，结果容易受外界因素影 响；以及现有的在线测量系统资成本高，灵活性差等技术问题，提出一种无需 取样的地表水重金属实时检测系统，能够实现实地检测地表水不同水层下重 金属的种类及含量信息，分析速度快，可连续实时完成重金属的检测任务。
本发明提供了一种无需取样的地表水重金属实时检测系统，包括：计算 机、激光模块、数据采集存储模块、数据处理模块和数据对比模块；
所述计算机分别与激光模块、数据采集存储模块信号连接；所述计算机控 制激光模块发射激光；
所述激光模块，发射激光并将激光聚焦于被测水体的被测深度位置，被 测水体吸收激光能量形成激光诱导等离子体；
所述数据采集存储模块，采集并记录被测水体的等离子体辐射光，并将等 离子体辐射光传输至数据处理模块；
所述数据处理模块与数据采集存储模块信号连接，所述数据处理模块根据 采集并记录的等离子体辐射光解析出被测水体的LIBS光谱；
所述数据对比模块中存储《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》I-V地 表水的标准参考光谱以及《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中I-V类地 表水中不同重金属的区间端值；所述数据对比模块与数据处理模块信号连接， 所述数据对比模块接收数据处理模块解析出的LIBS光谱数据，将LIBS光谱数据与标准参考光谱进行对比，实时判断被测水体中重金属的种类及含量信息， 并得到被测水体所属水质类别信息；同时，所述数据对比模块将被测水体中重 金属的种类及含量信息与《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中I-V类地 表水中不同重金属的区间端值进行比对，得到被测水体中重金属偏离I-V类水 的量化信息。
优选的，所述激光模块包括激光发射装置、测距装置、高反镜、平凸透镜、 二向色镜、半U型装置和L形支架；
所述测距装置固定在激光发射装置上；所述测距装置和激光发射装置的出 射方向相同；所述激光发射装置、测距装置分别与计算机信号连接；
所述激光发射装置发射的激光经高反镜反射，穿过平凸透镜后射入二向色 镜；所述二向色镜反射激光进入被测水体，并照射在半U型装置上；所述半U 型装置的底面位于被测水体的被测深度；所述半U型装置焊接在L形支架上； 所述L形支架固定在激光发射装置上，其中，所述平凸透镜设置在第一可移动 滑块上，所述第一可移动滑块配合设置在第一导轨上。
优选的，所述测距装置测量被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口 的距离；
所述计算机根据被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口的距离，得 到激光聚焦光路中平凸透镜的位置，并控制第一可移动滑块移动至对应位置， 调控激光聚焦到水下的不同深度，实现对地表水不同水层重金属的实时测量。
优选的，所述数据采集存储模块包括信号收集单元和光谱仪；
所述信号收集单元包括收集透镜与传输光纤；所述收集透镜设置在第二可 移动滑块上，所述第二可移动滑块配合设置在第二导轨上；所述收集透镜的输 出端设置传输光纤；
所述传输光纤与光谱仪的输入端信号连接；
所述光谱仪与数据处理模块信号连接。
优选的，所述测距装置测量被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口 的距离；
所述计算机根据被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口的距离以及 激光发射装置输出窗口到水面的距离，得到激光聚焦位置，并根据薄透镜成像 公式计算收集透镜到被测水体的被测深度的距离，进而控制第二可移动滑块移 动，调整收集透镜到最佳收集位置。
优选的，所述计算机通过时序控制器分别与激光模块、数据采集存储模块 信号连接；
所述计算机将触发信号输入到时序控制器，时序控制器响应信号，同时输 出两路3-5V TTL信号，一路用于触发激光模块，另一路用于触发数据采集存储 模块。
优选的，还包括：结果显示模块；
所述结果显示模块与数据对比模块信号连接，所述结果显示模块显示数据 对比模块得到的被测水体所属水质类别信息和被测水体中重金属偏离I-V类水 的量化信息。
优选的，还包括：供电模块；
所述供电模块分别与计算机、激光模块、数据采集存储模块、数据处理模 块和数据对比模块电连接，用于对整个系统进行供电。
本发明提供的一种无需取样的地表水重金属实时检测系统，与现有技术 相比具有以下优点：
1.本发明利用水无色透明的特点与LIBS技术进行结合，可实地、在线检测 地表水水域中不同水层的各项重金属种类及含量信息；被测水体无需进行人工 采集，可实地、在线检测分析；数据分析速度快，多元素同时检出、可完成 实时检测任务，并可长时间连续工作。
2.本发明易于集成化、小型化、商品化，特别适合于复杂地形以及人工 采集水样难的现场勘测任务，节约时间与成本。本发明主要用于不同地形下 地表水不同水层重金属实时检测领域，不排除应用于其它的、具有相近技术 特征的需要进行重金属检测的技术领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无需取样的地表水重金属实时检测系统的示意 图；
图2是本发明实施例提供的无需取样的地表水重金属实时检测系统的工作 过程示意图。
附图标记：1、测距装置；2、供电模块；3、计算机；4、时序控制器；5、 激光发射装置；6、光谱仪；7、高反镜；8、平凸透镜；9、第一可移动滑块； 10、二向色镜；11、半U型装置；12、传输光纤；13、被测水体的被测深度； 14、被测水体的水体表面；15、收集透镜；16、第二可移动滑块；17、数据处 理模块；18、数据对比模块；19、结果显示模块；20、L形支架。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚， 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所 描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说 明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
图1是本发明实施例提供的无需取样的地表水重金属实时检测系统的示意 图。图2是本发明实施例提供的无需取样的地表水重金属实时检测系统的工作 流程示意图。如图1-2所示，本发明实施例提供的无需取样的地表水重金属实 时检测系统，包括：计算机3、激光模块、数据采集存储模块、数据处理模块 17和数据对比模块18。
所述计算机3分别与激光模块、数据采集存储模块信号连接，计算机3用 于对系统各模块的工作进行指令控制。所述计算机3控制激光模块发射激光。 所述计算机3通过时序控制器4分别与激光模块、数据采集存储模块信号连接，负责同步以及调控激光模块与光谱仪的时序；具体为计算机3将触发信号输入 到时序控制器4，时序控制器4响应信号，同时输出两路3-5V TTL信号，一路 用于触发激光模块，另一路用于触发数据采集存储模块。
所述激光模块，发射激光并将激光聚焦于被测水体的被测深度13位置， 被测水体吸收激光能量形成激光诱导等离子体。在本实施例中，激光模块发 射的激光为短脉冲激光。在本实施例中，所述激光模块包括激光发射装置5、 测距装置1、高反镜7、平凸透镜8、二向色镜10、半U型装置11和L形支 架20；所述测距装置1固定在激光发射装置5上，所述测距装置1用于测量 激光发射装置5输出窗口到被测水体的被测深度的距离。所述测距装置1和激光发射装置5的出射方向相同；所述激光发射装置5、测距装置1分别与 计算机3信号连接；所述激光发射装置5发射的激光经高反镜7反射，穿过 平凸透镜8后射入二向色镜10；所述二向色镜10反射激光进入被测水体， 并照射在半U型装置11上；半U型装置11焊接在L形支架20上，所述L 形支架20固定在激光发射装置5上。L形支架20上焊接半U型装置11的一侧为长边，另一侧为短边，短边用来反射测距装置1的信号，使测距装置1 实现测距。半U型装置11中限定的被测水体吸收激光能量形成激光诱导等离子体，激光诱导等离子体透过二向色镜10。所述半U型装置11的底面位于 被测水体的被测深度13；其中，所述平凸透镜8设置在第一可移动滑块9上， 所述第一可移动滑块9配合设置在第一导轨上，平凸透镜8起聚焦激光作用， 其最佳位置姿势为入射激光夹角为90度。所述半U型装置11的底部为弧形，半U型装置11的上部一侧为长边、另一侧为短边。举例说明半U型装置11 的结构特点：在本实施例中，半U型装置11半径为1.5厘米，短边长为2cm， 长边长为4cm，底部为弧形，装置内部弧度为105度，能够降低水流对其的 冲击性，半U型装置11的最底部位于激光聚焦点下5毫米处，以避免激光击 穿半U型装置11而引起的测量误差；半U型装置11一方面通过L形支架20 上下移动能够标定被测水体的被测深度13，另一方面可以极大地限定地表水 水体流动速度，以减小由水体流动性引起的测量误差。
所述测距装置1测量被测水体的被测深度13到激光发射装置5输出窗口的 距离L1；所述计算机3根据被测水体的被测深度13到激光发射装置5输出窗口 的距离L1，得到激光聚焦光路中平凸透镜8的位置。计算机3通过RS232接口 或者USB接口控制第一可移动滑块9上的步进电机，移动至平凸透镜8到对应 位置，其中平凸透镜8表面与激光入射方向呈90度夹角。此外，计算机3亦可 根据实测需求，经由上述控制第一可移动滑块9，调控平凸透镜8，调控激光聚 焦到水下的不同深度，实现对地表水不同水层重金属的实时测量。
所述数据采集存储模块，采集并记录被测水体的等离子体辐射光，并将等 离子体辐射光传输至数据处理模块17。所述数据采集存储模块包括信号收集 单元和光谱仪6；所述信号收集单元包括收集透镜15与传输光纤12。所述收 集透镜15设置在第二可移动滑块16上，所述第二可移动滑块16配合设置在 第二导轨上；所述收集透镜15的输出端设置传输光纤12；所述传输光纤12 与光谱仪6的输入端信号连接；所述光谱仪6与数据处理模块17信号连接。 收集透镜15收集等离子体辐射光，传输光纤12传输等离子体辐射光至光谱 仪6。
所述测距装置1能够测量被测水体的被测深度13到激光发射装置5输出窗 口的距离L1；所述计算机3根据被测水体的被测深度13到激光发射装置5输出 窗口的距离L1以及激光发射装置输出窗口到水面的距离L2(在系统布置时已知)， 得到精确的水体之下的激光聚焦位置(即得到激光诱导等离子体到水体表面确 切距离)L3＝L1-L2；然后根据收集透镜15的焦距并根据薄透镜成像公式 1/(l-d)+1/d＝1/f，计算收集透镜15到被测水体的被测深度13的距离d。 式中的l为传输光纤12到激光诱导等离子体距离，具体为l＝L3+L4；f为收集透镜15的焦距，是一已知量。因此收集透镜15到被测水体的被测深度13的距离 d可以通过上述方法计算得到；计算机根据计算出的距离d，控制第二可移动滑 块16的步进电机移动，调整收集透镜到最佳收集位置。光谱仪6采集、记录被 激发等离子体辐射光。
另外，数据采集存储模块可通过对同一水层下的等离子体辐射光进行多次 叠加，以减小测量误差的同时增强探测极限。
所述数据处理模块17与数据采集存储模块信号连接，所述数据处理模块 17根据采集、记录被激发等离子体辐射光解析出被测水体的LIBS光谱。具体的，数据处理模块17根据《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》需检出的 重金属种类单元提供的重金属种类，首先结合NIST标准光谱数据库单元初步筛 选有效光谱，进一步对有效光谱进行光谱归一化，而后解析地表水体的LIBS光 谱，用于数据对比模块分析换算出谱线所对应的重金属种类及含量信息。
所述数据对比模块18中存储《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》I-V 地表水的标准参考光谱以及《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中I-V类 地表水中不同重金属的区间端值；所述数据对比模块18与数据处理模块17信 号连接，所述数据对比模块18接收数据处理模块17解析出的LIBS光谱数据， 将LIBS光谱数据与标准参考光谱进行对比，实时判断被测水体中重金属的种类 及含量信息，并得到被测水体所属水质类别信息；同时，所述数据对比模块18 将被测水体中重金属的种类及含量信息与《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中I-V类地表水中不同重金属的区间端值进行比对，得到被测水体中重金属偏 离I-V类水的量化信息。
在上述方案的基础上，还包括：结果显示模块19和供电模块2；所述结果 显示模块19与数据对比模块18信号连接，所述结果显示模块19显示数据对比 模块18得到的被测水体所属水质类别信息和被测水体中重金属偏离I-V类水的 量化信息。结果显示模块19可以为一显示屏或者带有扬声器的显示设备，扬声 器用于提醒用户指令结束或者结果预警。所述供电模块2分别与计算机3、激光 模块、数据采集存储模块、数据处理模块17和数据对比模块18电连接，用于 对整个系统进行供电，供电模块2可以为一锂电池或其他供电设备。计算机3 可以为一个普通笔记本或者台式电脑。
本实施例提供的需取样的地表水重金属实时检测系统在使用时：
(1)启动供电模块2为整个系统供电，使用测距装置1测距，并滑动L形 支架20使半U型装置11移动到被测水体的被测深度13，限定被测水体的流动 速度，同时锚定激光聚焦位置。
(2)根据测距装置1提供的距离信息，第一可移动滑块9移动平凸透镜8 到合适位置，第二可移动滑块16移动收集透镜15到最佳收集姿态。
(3)计算机3控制并设定时序控制器4的时序，时序控制器4同步激光模 块、数据采集存储模块之间时序，并触发激光模块、数据采集存储模块按照设 定时间序列协同工作；同时设定激光发射装置5中短脉冲激光，光谱仪6为工 作状态。
(4)计算机3触发时序控制器4，时序控制器4收到触发信号后，根据设 定的时序发送指令，触发激光发射装置5、光谱仪6协同工作。
(5)激光模块的激光发射装置5接收到触发信号后，激光发射装置5烧蚀 激光束，经过高反镜7反射激光束，照射到平凸透镜8上，而后激光束经由二 向色镜10反射激光束，并辐照到半U型装置11中限定的被测水体吸收激光能 量形成激光诱导等离子体。
(6)激光烧蚀等离子体的辐射光由收集透镜15聚焦后，将激光烧蚀等离 子体辐射光耦合传输光纤12并传输至光谱仪6中，光谱仪6采集、记录被激发 等离子体辐射光。
重复(3)、(4)、(5)、(6)步骤，对同一水层下的等离子体辐射光进行多 次叠加，增加其稳定性，以减小测量误差，同时增强系统的探测极限，这一过 程中光谱仪6始终记录每次测量的等离子体辐射光。
(7)光谱仪6将采集到等离子体辐射光传输至数据处理模块17中，进行 LIBS光谱解析与数据分析。
(8)数据处理模块17将解析的LIBS光谱与分析结果，传输至数据对比模 块18中，与数据对比模块18存储的《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》 中I-V类地表水的标准参考光谱进行分析对比，实时判断被测水体中重金属的种 类及含量信息，并得到被测水体所属水质类别信息。同时将被测水体中重金属 的种类及含量信息与《地表水环境质量标准(GB3838-2002)》中I-V类地表水 中不同重金属的区间端值进行比对，得到各项重金属偏离I-V类水质的量化信息。
(9)数据对比模块18的结果传输至结果显示模块19进行显示。
(10)重复步骤(1)到(9)实时测量下一位置或者下一水位的水质情况。
本发明实施例提供的无需取样的地表水重金属实时检测系统，实地检测地 表水不同水层下各项重金属的种类及含量信息，并与数据库中的《地表水环境 质量标准(GB3838-2002)》中不同类别重金属标准值的LIBS光谱进行对比分析，实时得到水体各项重金属的所属水质类别；进一步地将LIBS光谱解析结果 与数据库中I-V类水质重金属的区间端值进行比对，得到各项重金属偏离I-V 水质的量化信息。为地表水生态环境的水质评价、污染判断提供一种可执行的 设备。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部 分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各 实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种无需取样的地表水重金属实时检测系统，其特征在于，包括：计算机、激光模块、数据采集存储模块、数据处理模块和数据对比模块；
所述计算机分别与激光模块、数据采集存储模块信号连接；所述计算机控制激光模块发射激光；
所述激光模块，发射激光并将激光聚焦于被测水体的被测深度位置，被测水体吸收激光能量形成激光诱导等离子体；
所述数据采集存储模块，采集并记录被测水体的等离子体辐射光，并将等离子体辐射光传输至数据处理模块；
所述数据处理模块与数据采集存储模块信号连接，所述数据处理模块根据采集并记录的等离子体辐射光解析出被测水体的LIBS光谱；
所述数据对比模块中存储《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》I-V地表水的标准参考光谱以及《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》中I-V类地表水中不同重金属的区间端值；所述数据对比模块与数据处理模块信号连接，所述数据对比模块接收数据处理模块解析出的LIBS光谱数据，将LIBS光谱数据与标准参考光谱进行对比，实时判断被测水体中重金属的种类及含量信息，并得到被测水体所属水质类别信息；同时，所述数据对比模块将被测水体中重金属的种类及含量信息与《地表水环境质量标准（GB3838-2002）》中I-V类地表水中不同重金属的区间端值进行比对，得到被测水体中重金属偏离I-V类水的量化信息；
所述激光模块包括激光发射装置、测距装置、高反镜、平凸透镜、二向色镜、半U型装置和L形支架；所述测距装置固定在激光发射装置上；所述测距装置和激光发射装置的出射方向相同；所述激光发射装置、测距装置分别与计算机信号连接；所述激光发射装置发射的激光经高反镜反射，穿过平凸透镜后射入二向色镜；所述二向色镜反射激光进入被测水体，并照射在半U型装置上；所述半U型装置的底面位于被测水体的被测深度；所述半U型装置焊接在L形支架上；所述L形支架固定在激光发射装置上，其中，所述平凸透镜设置在第一可移动滑块上，所述第一可移动滑块配合设置在第一导轨上；
所述测距装置测量被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口的距离；所述计算机根据被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口的距离，得到激光聚焦光路中平凸透镜的位置，并控制第一可移动滑块移动至对应位置，调控激光聚焦到水下的不同深度，实现对地表水不同水层重金属的实时测量；
所述数据采集存储模块包括信号收集单元和光谱仪；所述信号收集单元包括收集透镜与传输光纤；所述收集透镜设置在第二可移动滑块上，所述第二可移动滑块配合设置在第二导轨上；所述收集透镜的输出端设置传输光纤；所述传输光纤与光谱仪的输入端信号连接；所述光谱仪与数据处理模块信号连接；
所述测距装置测量被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口的距离；所述计算机根据被测水体的被测深度到激光发射装置输出窗口的距离以及激光发射装置输出窗口到水面的距离，得到激光聚焦位置，并根据薄透镜成像公式计算收集透镜到被测水体的被测深度的距离，进而控制第二可移动滑块移动，调整收集透镜到最佳收集位置。
2.根据权利要求1所述的无需取样的地表水重金属实时检测系统，其特征在于，所述计算机通过时序控制器分别与激光模块、数据采集存储模块信号连接；
所述计算机将触发信号输入到时序控制器，时序控制器响应信号，同时输出两路3-5VTTL信号，一路用于触发激光模块，另一路用于触发数据采集存储模块。
3.根据权利要求1所述的无需取样的地表水重金属实时检测系统，其特征在于，还包括：结果显示模块；
所述结果显示模块与数据对比模块信号连接，所述结果显示模块显示数据对比模块得到的被测水体所属水质类别信息和被测水体中重金属偏离I-V类水的量化信息。
4.根据权利要求1所述的无需取样的地表水重金属实时检测系统，其特征在于，还包括：供电模块；
所述供电模块分别与计算机、激光模块、数据采集存储模块、数据处理模块和数据对比模块电连接，用于对整个系统进行供电。
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