CN112285035A - 一种水色识别装置及水色识别方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水色识别装置及水色识别方法，包括水样采集仓、LED光源阵、光能量检测单元、数据传输单元、电源；所述水样采集仓为贮存待测水样的腔体，其一侧设有LED光源阵，另一侧设有光能量检测单元，所述LED光源阵包括若干发光波长不同的单色LED，LED光源阵发出的光线穿过水样采集仓中的水样为光能量检测单元所接收。本发明采用多个发光波长不同的单色LED组成LED光源阵作为光源，使特异波长的单色光逐次穿过被检测的水样，得到特异波长的单色光的透光率数值，从而识别水色，极大的提高了水色检测效率和准确性。

Description

一种水色识别装置及水色识别方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种水色识别装置及水色识别方法。
背景技术
影响自然界水体颜色的物质主要包括浮游生物（如绿藻门、蓝藻门、黄藻门、硅藻门、原生动物等）、悬浮非生物颗粒等，这些物质对不同波长的光的吸收具有特异性，从而导致水体呈现出不同的颜色。有经验的水产养殖技术人员，通过现场观察即可判断不同水色代表的养殖水体现状和主要存在的问题。因此，观察养殖水体，明辨优劣水色对水质的管理维护和调理在养殖生产中显得尤其重要。但是，仅凭技术人员的观察还不足以准确识别水色，需要利用相应的识别传感器进行配合，如同我国大多数行业的现状，对于行业的底层核心技术的水色识别传感器却鲜有企业开展深入研发工作。
申请号为201520999508.7中国发明专利公开了一种快速水色检测专用装置，包括检测棒，所述检测棒底部开设有凹槽，所述凹槽的内侧壁上设有可调光源与光强度传感器，所述可调光源的光强为恒定值、频率为变化值，所述光强度传感器经设置在检测棒上的光电转换器、电线与手持数据接收器电性连接。当本发明的检测棒放入水中后，凹槽内将自动填充满水体，利用可调光源发出不同频率、不同波长的光，光强度传感器接收到经凹槽内被测水体吸收的光强，测算出被测水体的水色，从而减小目测水色造成的误差，更精确、智能、快速的测算出水体水色，整个装置结构简单且成本低廉。
申请号为201721256379.8中国发明专利公开了一种渔业水体水色识别传感器，通过水体水色的量化识别，避免通过人眼观察判断的主观性及不确定性；且所述渔业水体水色识别传感器的底面是平滑的，容易去除污物，可有效保证颜色检测器的测量效果；采用低功耗设计，结合太阳能模组应用，可以确保设备长时间稳定工作；所测量的参数可以及时传输至手机中，结合手机应用或平台的分析，输出水色分析结果和调水建议信息；其输出结果作为一种量化的数据信息，有利于技术人员做出更加合理的调水方案。
申请号为201521079898.2中国发明专利公开了一种水色识别装置，应用于水产养殖领域，在池水中抽取待测水样，利用光源照射待测水样，通过颜色识别模块对待测水样进行识别，获取待测水样的水色值，并通过显示模块直接显示，对于养殖户而言，操作简单，结果直观。
申请号为201721256847.1中国发明专利公开了一种基于窄带物联网的水色识别装置，其包括水色识别浮体本体和设在所述水色识别浮体本体内部的硬件控制板，所述硬件控制板包括颜色传感器、NB-IOT通讯模组和微控制器单元。本发明通过颜色传感器来量化识别水体水色，避免通过肉眼观察判断的主观性及不准确性；且水色识别装置的底面是平滑的容易擦除污物，颜色传感器与水面始终保持合理的测量距离，测量结果更加准确
上述专利的识别传感器装置构架大同小异，都是通过发射复合光线作为检测光线，由色彩识别电子元件按照RGB标准来识读色彩差异。但是复合光线中混合有多种波长的光，只有读取水体对关键特异波长的光的吸光度才能准确识别水色，而普通的检测装置无法准确检测该数据，从而使得现有技术中这种粗放构架并不足以对水体颜色进行有指导意义的检测，更难以判断是何种物质导致了水体呈现的颜色。实验室用光谱仪可以准确检测水中物质的吸收光谱，但是这类装置成本不菲，一般仅在科研勘测中有应用，而在渔业、养殖业中难以大规模推广应用，也无法做到对水色的实时监测。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种水色识别装置，包括水样采集仓、LED光源阵、光能量检测单元、数据传输单元、电源；所述水样采集仓为贮存待测水样的腔体，其一侧设有LED光源阵，另一侧设有光能量检测单元，所述LED光源阵包括若干发光波长不同的单色LED，LED光源阵发出的光线穿过水样采集仓中的水样为光能量检测单元所接收；所述光能量检测单元与数据传输单元相连接，所述水样采集仓上还设有进水口。
较佳的，所述水样采集仓中设有悬浮颗粒粒径分级过滤筛，将所述水样采集仓分为若干层。
较佳的，所述水样采集仓每层都设有对应的LED光源阵，每层LED光源阵中单色LED的组成相同。
较佳的，所述进水口设置在所述水样采集仓上方，所述水样采集仓下方设有出水口，所述进水口处设有粗过滤网。
较佳的，还包括清理装置，所述清理装置包括反冲洗泵，所述反冲洗泵连接于出水口。
较佳的，还包括清理装置，所述清洗装置包括加药仓，所述加药仓的底部设有计量泵，所述计量泵的底部设有传输管，所述传输管与进水口相连通，所述传输管上设有单向阀，所述出水口处设有排污管。
较佳的，所述悬浮颗粒粒径分级过滤筛为防腐蚀材料制成。
本发明还提供一种水色识别方法，包括以下步骤：
S1 采样；使水样进入到水样采集仓中；
S2 透射光检测；以若干发光波长不同的单色LED依次对水样进行穿透照射，每次通过水样的透射光由光能量检测单元接收，从而测定出水样在不同波长光照下的透光率；
S3 水色判断；根据不同物质对不同波长的光具有选择性吸收的特点，对测定的水样透光率数据进行分析；水样中某一特定波长的光的透光率低，则说明水样中含有吸收该特定波长光的物质，进而判断出水样的颜色。
较佳的，在步骤S2前还包括步骤S21：根据水样中悬浮物颗粒粒径大小的差异，在水样采集仓中设置分级过滤筛，将水样采集仓分为若干层，使每层水样所含的悬浮物颗粒产生差异；步骤S2中，通过相同的LED光源阵对每层水样都进行照射，光能量检测单元接收透射光并测定出每层水样在不同波长光照下的透光率；步骤S3中，对每层水样透光率数据进行分析。
较佳的，在步骤S3前还包括步骤S31：以步骤S2中的单色LED依次对一空白校准液进行穿透照射，每次测定的透光率作为该波长的光的透光率基准值。
本发明的优点为：
1、独创的采用多个发光波长不同的单色LED组成LED光源阵作为光源，使特异波长的单色光逐次穿过被检测的水样，得到特异波长的单色光的透光率数值，从而识别水色，极大的提高了水色检测效率和准确性。
2、独创的加入了水样保护性粗滤和目标性精滤环节。粗滤可以在水样进入采样系统最前端环节，过滤掉与水色检测无关的大颗粒物质，避免泵阀管路故障；目标性精滤环节可以分级筛除不同粒径的浮游生物和悬浮非生物颗粒，使水样对不同波长光的透光度产生变化，从而提取出更深层次、更精密的数据，结合筛网粒径还可判别影响水色的浮游生物和悬浮非生物颗粒的种类。
3、该技术方案中的单色LED光源阵、光能量检测单元都有极低成本的选型，整体设备成本大幅度降低，可以在水体中大量配置，便于在养殖业进行普及推广。
4、该水色识别传感器可长时间埋设于水下，对水色的检测持续进行，检测数据可远程传输，从而可对水色进行远程实时监测。
附图说明
图1为本发明传感器结构图；
图2为本发明多个传感器第一种布置图；
图3为本发明多个传感器第二种布置图；
图4为本发明传感器第一种清理装置结构图；
图5为本发明传感器第二种清理装置结构图。
图6为本发明水色识别方法流程图。
图中：1水样采集仓、2 LED光源阵、3光能量检测单元、4进水口、5悬浮颗粒粒径分级过滤筛、6出水口、7粗过滤网、8反冲洗泵、9加药仓、10计量泵体、11传输管、12单向阀、13排污管、14棱镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
如图1所示，一种水色识别装置，包括水样采集仓1、LED光源阵2、光能量检测单元3、数据传输单元和电源，本实施例中的LED光源阵2由5个单色LED组成，其发光波长分别为340nm、410nm、560nm、628nm、650nm。一般测定水色选择可见光（波长380nm-780nm）单色LED即可，如需测定水中特定微生物或生化成分，也可选用紫外光（波长小于380nm）单色LED或单色红外光（波长大于780nm）LED。在选择发射特定波长的单色LED时，该波长是根据当地水体中浮游生物或悬浮非生物颗粒的特征吸收来进行相应选择的，尽可能选取关键光谱频率，这样就可以更高效的识别当地水体水色以及水中的悬浮颗粒种类。
LED光源阵2中发光波长不同的单色LED数量越多，检测的精度越高，可识别的浮游生物或悬浮非生物颗粒种类越多。水样采集仓1中与LED光源阵2对称的一侧设有光能量检测单元3；光能量检测单元3优选为光电转换器，可以将光信号转化为可量化输出的信号，光电转换器与数据传输单元相连接；数据传输单元可以是导线配合数据接收器这样的有线采集传输方式，也可以是数据接收器配合无线传输模块如2G、3G、4G、5G或者无线网模块等无线传输方式，数据传输单元可以将信号进行放大、转化、数学处理、滤除噪音然后以合适的方式输出给外界的分析单元例如电脑、手机和平板等设备；水样采集仓1设有进水口4，位置形状数量不限，进水口4处设有粗过滤网7，可以过滤掉与水色检测无关的水草、杂质等大颗粒物质，避免泵阀管路故障，。水样采集仓1预设在水体中后，水样则由进水口4进入水样采集仓1内；水样也可以从特定采样点进行采集，经进水口注入水样采集仓。水样采集仓1中还设有悬浮颗粒粒径分级过滤筛5，悬浮颗粒粒径分级过滤筛5为不同孔径的筛网或滤膜，在水样采集仓1中从水样的进入端至远端，过滤筛的孔径递减，如图1所示。悬浮颗粒粒径分级过滤筛5级数越多（即不同孔径的过滤筛网/滤膜数量），检测的精度越高，可识别的浮游生物或悬浮非生物颗粒种类越多。本实施例中，悬浮颗粒粒径分级过滤筛5有两级过滤筛网，将水样采集仓1从上至下共分为三层，每层都设有相同的LED光源阵2。水样从上方进入，在上方设置孔径为0.1-0.3mm的过滤筛作为一级过滤筛网，在下方设置孔径为0.02-0.1mm的过滤筛作为二级过滤筛网，悬浮颗粒粒径分级过滤筛5可以目标性的依次过滤去除不同粒径的悬浮动物、藻类等浮游生物或悬浮非生物颗粒，从而对水色产生的影响的因素进行分离，通过对同位点不同粒径过滤后液体光谱吸收差异特征的比较，提取出更深层次、更精密的数据。整体设备的电源可以选用储能电池或外接电源，为LED光源阵2、光能量检测单元3、数据传输单元供电。
检测时，每层LED光源阵1中的5个单色LED依次发光透射对应层的水样，光电转换器接收后，经分析计算得到检测结果如下表1所示：
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
表中数值为透光率。由于LED发光会随使用时长发生衰减，透光率也会随之变化，从而影响到检测精准度，因此在检测前需要设定该次检测中透光率的基准值，以作为该次检测的标准参照。设定基准值的方式如下：5个单色LED依次对一空白校准液进行穿透照射，每次测定的透光率作为该波长的光的透光率基准值，即100%。空白校准液可选用无色透明的纯净水。
从表1中可以看出，波长340nm光透射粗滤液的透光率与基准值之间差距不大，说明水样内的浮游生物或悬浮非生物颗粒对波长340nm光的特异性吸收不明显，同时两级精滤对水样透光率造成的影响也不大，说明水样中基本不存在对波长为340nm的光具有特异性吸收的浮游生物或悬浮非生物颗粒。
波长410nm光透射粗滤液的透光率与基准值之间差距明显，说明水样中存在对波长410nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，且在1级精滤后水样透光率出现了明显变化，1级精滤后透光率接近基准值，说明1级精滤几乎去除掉了波长410nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，也就是说明该类浮游生物或悬浮非生物颗粒粒径大于1级过滤筛网的孔径，结合其对波长410nm光特异性吸收特征即可以判断其种类。
波长540nm光透射粗滤液的透光率与基准值之间差距明显，说明水样中存在对波长540nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，且在1级精滤后水样透光率出现了明显变化，1级精滤后透光率与基准值之间仍然差距明显，说明1级精滤没有完全去除掉波长540nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，在2级精滤后水样透光率出现了明显变化，2级精滤后透光率接近基准值，说明2级精滤几乎去除掉了波长540nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，综上水样中存在两种对波长540nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，一种粒径大于1级过滤筛网的孔径，另一种粒径小于1级过滤筛网的孔径但大于2级过滤筛网的孔径。
波长628nm光和波长659nm光透射水样的透光率变化表征相似，两者透射粗滤液的透光率与基准值之间差距明显，1级精滤后水样透光率未出现明显变化，2级精滤后水样透光率出现了明显变化且接近基准值，说明2级精滤几乎去除掉了特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，说明水样中存在两种分别对波长628nm光和波长659nm光的特异性吸收明显的浮游生物或悬浮非生物颗粒，它们的粒径小于1级过滤筛网的孔径但大于2级过滤筛网的孔径。
为提高检测的精度，可识别更多种类的浮游生物或悬浮非生物颗粒，可以在单个水色识别传感器的增加发光波长不同的单色LED数量，或增加悬浮颗粒粒径分级过滤筛级数（即不同孔径的过滤筛网/滤膜数量）；也可以增加水色识别传感器的数量，使得从整体上具有更多的发光波长不同的单色LED数量和更多的悬浮颗粒粒径分级过滤筛级数（即不同孔径的过滤筛网/滤膜数量）。由于LED光源阵2、光能量检测单元3都有极低成本的选型，因此即使设置多个识别传感器，总体方案的成本仍可以控制在较低水平。
实施例2
如图1-5所示，一种水色识别装置，包括水样采集仓1、单色LED光源阵2、光能量检测单元3、数据传输单元、电源和进水口4，水样采集仓1中与LED光源阵2对称的一侧设有光能量检测单元3；光能量检测单元3优选为光电转换器，可以将光信号转化为可量化输出的信号，水样采样仓的上下分别设有进水口4和出水口6，用于水样的采集和排出，进水口4处设有用于粗过滤的粗过滤网7，可以过滤掉与水色检测无关的水藻、杂质等大颗粒物质，避免泵阀管路故障。水样采集仓1中还设有悬浮颗粒粒径分级过滤筛5，悬浮颗粒粒径分级过滤筛5为不同孔径的筛网或滤膜，粗过滤网7和悬浮颗粒粒径分级过滤筛5需要进行定时清洗，避免造成孔径堵塞，因此还包括清理装置，清理装置包括反冲洗泵8，反冲洗泵8连接于进水口6，可以通过反向冲水的物理方式清除掉粗过滤网7和悬浮颗粒粒径分级过滤筛5上的附着物，除此之外，还可以设置加药仓9，加药仓9的底部设有计量泵10，计量泵10的底部设有传输管11，传输管11与进水口4相连通，传输管11上设有单向阀12，出水口6处设有排污管13，加药仓9可以从进水口4处添加酸碱液体，用于清除装置内的沉积物、残渣等，计量泵10用于计算和控制释放的酸碱液体的量，单向阀12用于防止回流，对应的，粗过滤网7和悬浮颗粒粒径分级过滤筛5采用耐酸碱防腐蚀之类的材料制成，包括尼龙或者钛合金等材料，该装置通过化学的方式对杂质进行溶解，并通过排污管13将溶解后杂质排出。
本实施例还提供另外一种悬浮颗粒粒径分级过滤筛5安装方式，如图2所示，设置多个水样采集仓1，水样采集仓1有玻璃等透明材料制成，在水样采集仓1外两边间隔设有两组LED光源阵2，每组LED光源阵2对应有一个光电转换器，每个水样采集仓1中设有一个悬浮颗粒粒径分级过滤筛5，每个悬浮颗粒粒径分级过滤筛5将水样采集仓1分隔成上下两层，悬浮颗粒粒径分级过滤筛5用于对水样中不同粒径的浮游生物或悬浮非生物颗粒进行分级，每层都设有对应的LED光源阵2和光电转换器，一级一套独立光电系统，每层LED光源阵2中单色LED的组成相同，每个水样采集仓1中的悬浮颗粒粒径分级过滤筛5的孔径不同，同时，还可以如图3所示，设置两个LED光源阵2对应一个光电转换器，在水样采集仓1和光电转换器之间还设有能改变光线传输方向的光学元件棱镜14，将两个不同位置的LED光源阵2发出的光传输至光电转换器上，通过一个光电转换器接收两组LED光源阵2的光线，采用多个发光波长不同的单色LED组成LED光源阵作为光源，使特异波长的单色光逐次穿过被检测的水样，得到特异波长的单色光的透光率数值，从而识别水色，极大的提高了水色检测效率和准确性。通过设置光学元件调校光线方向，可以实现一个LED光源阵对多层水样进行透射，也可以实现一个光电转换器接收多个LED光源阵的光线照射，使装置结构更为灵活紧凑。
实施例3
本发明还提供一种水色识别方法，包括以下步骤：
S1 采样；使水样进入到水样采集仓1中；
S2 透射光检测；以若干发光波长不同的单色LED依次对水样进行穿透照射，每次通过水样的透射光由光能量检测单元3接收，从而测定出水样在不同波长光照下的透光率；
S3 水色判断；根据不同物质对不同波长的光具有选择性吸收的特点，对测定的水样透光率数据进行分析；水样中某一特定波长的光的透光率低，则说明水样中含有吸收该特定波长光的物质，进而判断出水样的颜色；
在步骤S2前还包括步骤S21：根据水样中悬浮物颗粒粒径大小的差异，在水样采集仓1中设置分级过滤筛，将水样采集仓1分为若干层，使每层水样所含的悬浮物颗粒产生差异；步骤S2中，通过相同的LED光源阵2对每层水样都进行照射，光能量检测单元3接收透射光并测定出每层水样在不同波长光照下的透光率；步骤S3中，对每层水样透光率数据进行分析。分级过滤筛可对水样进行目标性精滤，分级筛除不同粒径的浮游生物和悬浮非生物颗粒，使水样对不同波长光的透光度产生变化，从而提取出更深层次、更精密的数据，结合筛网粒径还可判别影响水色的浮游生物和悬浮非生物颗粒的种类。
在步骤S3前还包括步骤S31：以步骤S2中的单色LED依次对一空白校准液进行穿透照射，每次测定的透光率作为该波长的光的透光率基准值，从而避免LED发光衰减影响到检测精准度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种水色识别装置，其特征在于：包括水样采集仓（1）、LED光源阵（2）、光能量检测单元（3）、数据传输单元、电源；所述水样采集仓（1）为贮存待测水样的腔体，其一侧设有LED光源阵（2），另一侧设有光能量检测单元（3），所述LED光源阵（2）包括若干发光波长不同的单色LED，LED光源阵（2）发出的光线穿过水样采集仓（1）中的水样为光能量检测单元（3）所接收；所述光能量检测单元（3）与数据传输单元相连接，所述水样采集仓（1）上还设有进水口（4）。
2.根据权利要求1所述的水色识别装置，其特征在于：所述水样采集仓（1）中设有悬浮颗粒粒径分级过滤筛（5），将所述水样采集仓（1）分为若干层。
3.根据权利要求2所述的水色识别装置，其特征在于：所述水样采集仓（1）每层都设有对应的LED光源阵（2），每层LED光源阵（2）中单色LED的组成相同。
4.根据权利要求3所述的水色识别装置，其特征在于：所述进水口（4）设置在所述水样采集仓（1）上方，所述水样采集仓（1）下方设有出水口（6），所述进水口（4）处设有粗过滤网（7）。
5.根据权利要求4所述的水色识别装置，其特征在于：还包括清理装置，所述清理装置包括反冲洗泵（8），所述反冲洗泵（8）连接于出水口（6）。
6.根据权利要求4所述的水色识别装置，其特征在于：还包括清理装置，所述清洗装置包括加药仓（9），所述加药仓（9）的底部设有计量泵（10），所述计量泵（10）的底部设有传输管（11），所述传输管（11）与进水口（4）相连通，所述传输管上设有单向阀（12），所述出水口（6）处设有排污管（13）。
7.根据权利要求6所述的水色识别装置，其特征在于：所述悬浮颗粒粒径分级过滤筛（5）为防腐蚀材料制成。
8.一种水色识别方法，其特征在于包括以下步骤：
S1 采样；使水样进入到水样采集仓（1）中；
S2 透射光检测；以若干发光波长不同的单色LED依次对水样进行穿透照射，每次通过水样的透射光由光能量检测单元（3）接收，从而测定出水样在不同波长光照下的透光率；
S3 水色判断；根据不同物质对不同波长的光具有选择性吸收的特点，对测定的水样透光率数据进行分析；水样中某一特定波长的光的透光率低，则说明水样中含有吸收该特定波长光的物质，进而判断出水样的颜色。
9.根据权利要求8所述的水色识别方法，其特征在于：在步骤S2前还包括步骤S21：根据水样中悬浮物颗粒粒径大小的差异，在水样采集仓（1）中设置分级过滤筛，将水样采集仓（1）分为若干层，使每层水样所含的悬浮物颗粒产生差异；步骤S2中，通过相同的LED光源阵（2）对每层水样都进行照射，光能量检测单元（3）接收透射光并测定出每层水样在不同波长光照下的透光率；步骤S3中，对每层水样透光率数据进行分析。
10.根据权利要求9所述的水色识别方法，其特征在于：在步骤S3前还包括步骤S31：以步骤S2中的单色LED依次对一空白校准液进行穿透照射，每次测定的透光率作为该波长的光的透光率基准值。
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CN114371152A (zh) * 2022-03-22 2022-04-19 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种漂流式海水透明度自动测量装置及透明度测量方法

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