CN112986168A - 一种硝酸盐浓度光学检测装置及检测方法 - Google Patents

一种硝酸盐浓度光学检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硝酸盐浓度光学检测装置及检测方法,包括光源、光纤、测量光路、参比光路和控制模块;所述光纤将光源发射的光线分成两路,分别传导至测量光路和参比光路,以获取光强数据I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0,进而计算待测水体在220nm波段的吸光度
Figure DDA0002952289250000011
和275nm波段的吸光度
Figure DDA0002952289250000012
然后计算待测水体中的校正后硝酸根锂离子吸光度A=A220‑A275;根据吸光度A,利用吸光度与浓度关系曲线获得待测水体中的硝酸盐浓度。本发明的光学检测装置和检测方法可以用于海水的原位检测,具有高效的硝酸盐检测效率,可有效消除水体浊度干扰和光源不稳定性干扰,实现了水体中硝酸盐含量的精确测量。

Description

一种硝酸盐浓度光学检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于海水化学分析技术领域,具体地说,是涉及一种用于检测海水中的硝酸盐含量的装置及方法。
背景技术
硝酸盐广泛存在于海洋水体中,是导致水体富营养化的主要因素之一,其浓度过高容易导致赤潮、水华等灾害的发生,因此是海洋生态环境监测的重要指标之一。
传统的硝酸盐含量测定方法主要为分光光度法,即,利用Griess反应显色后进行定量测定,并且硝酸盐还需要还原成亚硝酸盐后才能进行测定。还原硝酸盐常用的方法是镉柱还原法,即在pH=8的条件下,硝酸盐被镀铜镉粒还原成亚硝酸盐后再进行测定。该方法虽然还原效率较高,但随着使用次数的增加,会出现还原效率下降的问题,需要重新活化镉粒,重新填充装柱,操作比较耗时。
近年来,基于光学方法的硝酸盐传感器被开发并逐渐应用于海水硝酸盐含量的原位检测过程中。采用硝酸盐传感器对海水中的硝酸盐进行浓度检测时,由于无需进行水样预处理,可以根据水体光学特性直接测得硝酸盐浓度,因此能够实现实时、快速测量且无二次污染物的生成,在海水硝酸盐监测领域具有独特优势。但是,采用这类传感器进行硝酸盐浓度检测时,检测结果易受海水中有机物质的干扰影响,因此测量精度有限,且体积大、价格昂,制约着其在该领域的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硝酸盐浓度光学检测装置及检测方法,以提高检测结果的稳定性和准确度。
为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案予以实现:
在一个方面,本发明提出了一种硝酸盐浓度光学检测装置,包括光源、光纤、测量光路、参比光路和控制模块;其中,所述光源发射波长范围可覆盖200nm-300nm的光线;所述光纤与所述光源光耦合,并通过其两路分支将所述光源发射的光线分成两路分开传导;所述测量光路与所述光纤的第一路分支光耦合,利用第一路分支传导的光线分别照射纯净水和待测水体,并从透射出的吸收光中分别采集220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光,进而根据采集到的吸收光的强度生成相应的电信号;所述参比光路与所述光纤的第二路分支光耦合,根据第二路分支传导的光强度生成相应的电信号;所述控制模块接收所述测量光路和参比光路输出的电信号,根据所述电信号生成光强数据I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0,并计算出待测水体在220nm波段的吸光度
Figure BDA0002952289230000021
以及在275nm波段的吸光度
Figure BDA0002952289230000022
进而利用275nm波段的吸光度校正220nm波段的吸光度,计算出待测水体中校正后的硝酸根离子的吸光度A=A220-A275,然后根据吸光度A,利用吸光度与浓度关系曲线获得待测水体中的硝酸盐浓度;其中,I220、I275、I0分别表示光线从纯净水透射后220nm波段吸收光的光强、275nm波段吸收光的光强以及在照射纯净水期间通过光纤的第二路分支传导的光强;I'220、I'275、I'0分别表示光线从待测水体透射后220nm波段吸收光的光强、275nm波段吸收光的光强以及在照射待测水体期间通过光纤的第二路分支传导的光强。
在本申请的一些实施例中,为了解决光学模块稳定速度慢、体积大的缺陷,本申请优选采用脉冲氙灯作为所述光源,发射固定周期的脉冲光线;为了解决脉冲氙灯在220nm波段和275nm波段光强不足和不稳定的问题,所述控制模块控制所述测量光路和参比光路在脉冲氙灯的每一个发光周期内采集M次光强,并计算出平均值;同时,所述控制模块控制脉冲氙灯的闪烁频率为N次/秒,并且采集N个平均值再次取平均,将最终结果作为所述光强数据。在检测过程中采用高频检测、平均值算法,可以更好地适应脉冲氙灯短暂的脉冲发光时间。
在本申请的一些实施例中,配置所述脉冲氙灯发射光的波长范围为190nm-1100nm,发散角为30°,发光周期为100us;优选配置在每一个发光周期100us内的采样次数为30次,即M=30;优选配置脉冲氙灯的闪烁频率为20次/秒,即N=20。
在本申请的一些实施例中,所述光纤优选采用Y型光纤,并配置其第一路分支与第二路分支的分光比例为3:1。
在本申请的一些实施例中,所述测量光路包括光源准直透镜、光学窗口、分光片、220nm带通滤光片和275nm带通滤光片、两个汇聚透镜和两个光电转换器;其中,所述光源准直透镜与所述光纤的第一路分支光耦合,用于对第一路分支传导的光线进行准直;所述光学窗口位于所述光源准直透镜的后方,所述光学窗口包括两个,平行且间隔设置;测量时,纯净水或待测水体充满两个所述光学窗口之间的区域,准直后的光线穿过一个光学窗口照射纯净水或待测水体后,形成吸收光并经由另外一个光学窗口射出;所述分光片位于所述光学窗口的后方,对经由所述光学窗口射出的吸收光进行1:1分光,形成两路吸收光并对应垂直射入到220nm带通滤光片和275nm带通滤光片,滤光形成220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光;所述两个汇聚透镜分别对应位于所述220nm带通滤光片和275nm带通滤光片的后方,用于对所述220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光进行汇聚;所述两个光电转换器分别对应位于所述两个汇聚透镜的后方,用于接收汇聚后的220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光,并根据吸收光的强度生成电信号,输出至所述控制模块,以用于光强数据I220、I275和I'220、I'275的计算。
在本申请的一些实施例中,在所述参比光路中设置有另一光电转换器,其与所述光纤的第二路分支光耦合,接收通过第二路分支传导的光线,并根据光强度生成相应的电信号传输至所述控制模块,以用于光强数据I0和I'0的计算。
在本申请的一些实施例中,在所述硝酸盐浓度光学检测装置中还设置有外壳,其封装所述光源、光纤、测量光路、参比光路和控制模块,优选将两个所述光学窗口布设在所述外壳的壳体上且外露,所述外壳在两个所述光学窗口之间形成内凹区,以供纯净水或待测水体流过。采用这种结构设计,在测量时,可以直接将硝酸盐浓度光学检测装置投放于纯净水或者待测水体中,实现硝酸盐浓度的原位测量。
在另一个方面,本发明还提出了一种硝酸盐浓度光学检测方法,包括:将波长范围可覆盖200nm-300nm的光分成两路,一路为测量光,另一路为参比光;利用测量光照射纯净水,并采集透过纯净水射出的吸收光线中220nm波段的吸收光的光强I220和275nm波段的吸收光的光强I275;在利用测量光线照射纯净水期间,采集参比光的光强I0;利用测量光线照射待测水体,并采集透过待测水体射出的吸收光线中220nm波段的吸收光的光强I'220和275nm波段的吸收光的光强I'275;在利用测量光线照射待测水体期间,采集参比光的光强I'0;计算待测水体在220nm波段的吸光度
Figure BDA0002952289230000041
计算待测水体在275nm波段的吸光度
Figure BDA0002952289230000042
计算待测水体中校正后的硝酸根离子的吸光度A=A220-A275;根据吸光度A,利用吸光度与浓度关系曲线获得待测水体中的硝酸盐浓度。
在本申请的一些实施例中,所述波长范围可覆盖200nm-300nm的光优选为通过脉冲氙灯发射的固定周期的脉冲光;所述光强I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0的采集过程为:在脉冲氙灯的每一个发光周期内分别采集M次光强,并计算出平均值;配置脉冲氙灯的闪烁频率为N次/秒,采集N个平均值再次取平均,将最终结果作为I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0的光强数据。
在本申请的一些实施例中,优选配置所述脉冲氙灯发射光的波长范围为190nm-1100nm,发散角为30°,发光周期为100us;优选配置在每一个发光周期100us内的采样次数为30次,即M=30;优选配置脉冲氙灯的闪烁频率为20次/秒,即N=20;优选配置所述测量光和参比光的分光比例为3:1。
与现有技术相比,本发明的优点和积极效果是:本发明的光学检测装置和检测方法可以用于海水的原位检测,具有高效的硝酸盐检测效率,可有效消除水体浊度干扰和光源不稳定性干扰,实现了水体中硝酸盐含量的精确测量。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后,本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明所提出的硝酸盐浓度光学检测装置的一种实施例的整体结构示意图;
图2是图1所示硝酸盐浓度光学检测装置的一种实施例的电控部分原理框图;
图3是光强数据采样点的波形图;
图4是本发明所提出的硝酸盐浓度光学检测方法的一种实施例的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
水体中硝酸盐的一个重要特征是其硝酸根离子在220nm波长的光照下具有强烈的吸收特性,可用于硝酸盐的定量测定。而水体中溶解的有机物,其在220nm波长和275nm波长的光照下均有吸收特性。但是,硝酸根离子在275nm的波长处没有吸收,因此,在275nm波长处作另一次测量,可以校正硝酸盐的检测值,完成硝酸盐含量的准确测定。
基于以上特性,本实施例为实现待测水体中硝酸盐含量的准确测量,首先设计了一套硝酸盐浓度光学检测装置,如图1、图2所示,包括外壳(图中未示出)以及封装于所述外壳中的光源10、光纤20、测量光路40、参比光路30和控制模块等主要组成部分。
针对光源10而言,目前用于检测水体中硝酸盐含量的原位传感器主要以氘灯和氙灯作为光源。利用氘灯作为光源时,传感器的稳定时间较长、体积较大,功率过高,不能满足市场快速测量、功耗低、小型化等要求。因此,为满足市场需求,本实施例选用氙灯作为光源10,以解决光学模块稳定慢、体积大的缺陷。
在本实施例中,优选采用发射固定频率脉冲光的脉冲氙灯作为光源10,以简化光学检测装置的结构和体积,同时提高硝酸盐含量的检测效率。
考虑到水体中硝酸根离子和有机物的吸光特性,通过光源10发射的光线,其波长范围应覆盖200nm-300nm。作为一种优选实施例,可选用波长范围为190nm-1100nm,发光周期为100us、发散角为30°的脉冲氙灯作为所述光源10,安装于光学检测装置中。这种脉冲氙灯,其体积可以控制在长×宽×高为42×42×38mm以内,以有利于光学检测装置的小型化设计。
将本实施例的光源10与光纤20在结构上进行光耦合设计,如图1所示,通过光纤20将光源10发射的光线分成两路,一路为测量光线,一路为参比光线,分别传导至后方的测量光路40和参比光路30。
在本实施例中,所述光纤20优选采用Y型光纤,入射端21与光源10光耦合,接收光源10发射的光线;出射端分成两路分支,分别为第一路分支22和第二路分支23。其中,第一路分支22与测量光路40光耦合,第二路分支23与参比光路30光耦合,以将光源10发射的光线分成两路,一路作为测量光线,传导至测量光路40,以用于照射纯净水或者待测水体;另一路作为参比光线,传导至参比光路30,以用于检测光源10的稳定性。
作为一种优选实施例,所述光纤20的总直径优选为800um,光纤的第一路分支22与第二路分支23的分光比例优选配置为3:1。
在参比光路30中,可以配置一个光电转换器31,例如光电二极管,与光纤的第二路分支23光耦合,用于采集通过光纤的第二路分支23传导的参比光线,并根据参比光线的强度生成与之对应的电信号,传输至控制模块,如图2所示,以生成光强数据。
在测量光路40中,如图1所示,主要配置有光源准直透镜41、两个光学窗口42、43、分光片44、220nm带通滤光片45和275nm带通滤光片47、两个汇聚透镜46、48以及两个光电转换器49、50。
其中,光源准直透镜41与光纤的第一路分支22光耦合,用于对通过光纤的第一路分支22传导的测量光线进行准直后,垂直入射到位于其后方的光学窗口42,以用于照着纯净水或者待测水体。
作为一种优选实施例,所述光源准直透镜41的直径为5mm,焦距为10mm。
两个光学窗口42、43优选平行相对且间隔设置。测量时,将纯净水或待测水体充满两个光学窗口42、43之间的区域,并使通过光源准直透镜41准直后的光线穿过一个光学窗口42照射纯净水或待测水体后,形成吸收光线,然后经由另外一个光学窗口43射出。
在本实施例中,优选将两个光学窗口42、43布设在光学检测装置的外壳的壳体上且外露,并设计外壳在两个所述光学窗口42、43之间形成内凹区,以供纯净水或待测水体流过。使用时,可以直接将本实施例的光学检测装置投入到纯净水或者待测水体中,外壳与两个光学窗口42、43密封装配,形成防水内腔,以用于封装所述光源10、光纤20、参比光路30、控制模块以及测量光路40中除两个光学窗口42、43以外的其他部件。当光学检测装置完全浸入到纯净水或者待测水体后,纯净水或待测水体从外壳的所述内凹区流过,充满两个光学窗口42、43之间的区域,以接收测量光线的照射。
作为一种优选实施例,两个光学窗口42、43优选采用石英玻璃制成,其直径优选配置为11mm,厚度为4mm,表面镀满防生物附着膜,以防止在检测过程中被待测水体中的微生物附着,影响硝酸盐含量测量的准确度。
将分光片44布设在光学窗口43的后方,如图1所示,用于对通过光学窗口43射出的吸收光线进行1:1分光,以形成两路吸收光线分别垂直入射到220nm带通滤光片45和275nm带通滤光片47。在本实施例中,优选配置所述分光片44的长×宽×高为12mm×12mm×1mm,以便于光学检测装置的小型化设计。
在本实施例中,调整所述分光片44的布设角度,使其分光出射的两路吸收光线沿彼此垂直的方向传播,一路垂直入射到220nm带通滤光片45中,以分离出其中220nm波段的吸收光线,并经由汇聚透镜46汇聚到光电转换器49中;另外一路垂直入射到275nm带通滤光片47中,以分离出其中275nm波段的吸收光线,并经由汇聚透镜48汇聚到光电转换器50中。
在带通滤光片中,透射率等于峰值透射率的50%的两个波长称为半功率波长。滤光片的带宽是半功率波长之间的差,称为半峰全宽(FWHM),也叫半带宽。在本实施例中,所述220nm带通滤光片45优选采用直径为12.5mm、厚度为3mm、半带宽为10nm的窄带通滤光片,并调整220nm带通滤光片45与位于其后方的汇聚透镜46的距离为2mm。所述275nm带通滤光片47优选采用直径为12.5mm、厚度为3mm、半带宽为10nm的窄带通滤光片,并调整275nm带通滤光片47与位于其后方的汇聚透镜48的距离为2mm。
所述汇聚透镜46、48的直径可以为6.3mm,焦距为6mm,用于对220nm和275nm波段的吸收光线进行汇聚,以满足两个光电转换器49、50对两个波段吸收光线的有效采集。
在本实施例中,两个光电转换器49、50优选采用两个光电二极管实现光信号到电信号的转换。作为一种优选实施例,光学检测装置中所使用的三个光电转换器31、49、50均可采用感光面积为3.6mm×3.6mm、光谱响应范围为190-1000nm的光电二极管进行光强的采集和检测。
光电转换器49、50根据采集到的220nm波段的吸收光的强度和275nm波段的吸收光的强度,分别生成与之对应的电信号,传输至控制模块,供控制模块解析。
在本实施例中,如图2所示,所述控制模块优选采用AD芯片、处理芯片配合简单的外围电路搭建而成。其中,AD芯片用于采集三个光电转换器31、49、50输出的电信号,并将其转换成数字信号发送至处理模块,以生成光强数据,并进行硝酸盐含量的计算。
同时,处理芯片可通过驱动电路控制光源10的工作状态,例如控制脉冲氙灯每秒开启N次,即,配置脉冲氙灯的闪烁频率为N次/秒;并调节AD芯片的采样频率,即,在脉冲氙灯的每一个发光周期内的采样次数M。
下面结合图1所示的光学检测装置,对硝酸盐浓度的光学检测方法进行详细阐述。
如图4所示,主要涉及以下过程:
S401、配置光源10的闪烁频率和AD芯片的采样频率。
在本实施例中,光源10采用脉冲氙灯发射波长范围为190nm-1100nm、发光周期为100us的脉冲光,并且控制脉冲氙灯的闪烁频率为20次/秒,即,处理芯片通过驱动电路控制脉冲氙灯每秒开启20次,每次发光100us。配置AD芯片在脉冲氙灯的每个100us发光周期内采集30次电信号,即,通过三个光电转换器31、49、50输出的反映光强的电信号,并转换成数字信号发送至处理芯片,以计算出参比光强数据、220nm波段的吸收光的光强数据以及275nm波段的吸收光的光强数据。
S402、将光学检测装置浸入纯净水中,控制光源10闪烁,获取参比光的光强I0、220nm波段的吸收光的光强I220以及275nm波段的吸收光的光强I275
本实施例在对待测水体进行检测前,首先将光学检测装置全部浸入到纯净水中,使两个光学窗口42、43之间充满纯净水。按照20次/秒的闪烁频率控制脉冲氙灯开启,发射光线,并经由Y型光纤20分成两路,形成参比光线和测量光线。其中,参比光线入射到光电转换器31,以转换成反映参比光线强度的电信号,供AD芯片采集;测量光线经由光源准直透镜42准直后,透过光学窗口42照射纯净水,以形成吸收光线经由光学窗口43射出后,经由分光片44进行1:1分光,以形成两路吸收光线:一路经由220nm带通滤光片45过滤出其中的220nm波段的吸收光线,通过汇聚透镜46汇聚到光电转换器49,以转换成反映220nm波段吸收光强度的电信号,供AD芯片采集;另一路经由275nm带通滤光片47过滤出其中的275nm波段的吸收光线,通过汇聚透镜48汇聚到光电转换器50,以转换成反映275nm波段吸收光强度的电信号,供AD芯片采集。
处理芯片控制AD芯片在脉冲氙灯的发光周期100us内,分别对三个光电转换器31、49、50进行30次的电信号采集,进而形成三组测量数据。图3所示的其中一个脉冲波即由一组测量数据形成,记录光线从光强为0上升至最高再下降至0的一个闪烁周期内,光电转换器31/49/50检测到的光线强度。处理芯片对三组测量数据分别进行求均值运算,以形成三个光强均值。
处理芯片控制脉冲氙灯每秒闪烁20次,每次闪烁生成一组光强均值(即,三个光强均值),记录20组光强均值,然后再取均值,即,对反映参比光强的20个光强均值取均值,形成参比光强数据I0;对反映220nm波段吸收光线光强的20个光强均值取均值,形成220nm波段的吸收光线的光强数据I220;对反映275nm波段吸收光线光强的20个光强均值取均值,形成275nm波段的吸收光线的光强数据I275
S403、将光学检测装置浸入待测水体中,控制光源10闪烁,获取参比光线的光强I'0、220nm波段的吸收光线的光强I'220以及275nm波段的吸收光线的光强I'275
在获取到光强数据I220、I275、I0后,将光学检测装置完全浸入待测水体中,采用与过程S402中相同的闪烁频率和采样频率控制脉冲氙灯和AD芯片工作,在脉冲氙灯的100us发光周期内,采集30次数据,取平均值;控制脉冲氙灯的闪烁频率为20次/秒,采集20组数据,再次取平均值,从而生成参比光的光强I'0、220nm波段的吸收光的光强I'220以及275nm波段的吸收光的光强I'275
S404、计算待测水体在220nm波段的吸光度A220
在本实施例中,利用以下公式计算出待测水体在220nm波段的吸光度A220
Figure BDA0002952289230000111
S405、计算待测水体在275nm波段的吸光度A275
在本实施例中,利用以下公式计算出待测水体在275nm波段的吸光度A275
Figure BDA0002952289230000112
S406、计算待测水体中校正后的硝酸根离子的吸光度A;
在本实施例中,利用275nm波段的吸光度校正220nm波段的吸光度,根据220nm和275nm的吸光度值关系式A=A220-A275,计算出待测水体中校正后的硝酸根离子的吸光度A,由此可消除水体浊度和光源不稳定性的干扰,提高待测水体中硝酸盐浓度测量的准确度。
S407、根据吸光度A,利用吸光度与浓度关系曲线获得待测水体中的硝酸盐浓度;
吸光度与浓度关系曲线为已知曲线,可存储于控制模块中,供处理芯片调用,以生成硝酸盐浓度的测量结果。
本实施例可以在光学检测装置中设置通信模块,如图2所示,用于将处理芯片生成的测量结果上传至上位机,以供工作人员观测。
本实施例的光学检测装置在检测过程中,采用高频采样模式、平均值算法,可以适应脉冲氙灯100us的脉冲发光时间,解决了脉冲氙灯在220nm和275nm光强不足和不稳定性的问题。同时,运用参比光路校正系统,可以进一步提高测量的稳定性。采用本实施例的光学检测方法,可以提高光学检测装置的测量量程和稳定性,具有高效的硝酸盐检测效率,可用于海水的原位检测。
当然,也可以将光强数据I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0的生成以及上述过程S404~S407从处理芯片转移至上位机中完成,以减轻处理芯片的数据处理量。
应当指出的是,以上所述仅是本发明的一种优选实施方式,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,包括:
光源,其发射波长范围覆盖200nm-300nm的光线;
光纤,其与所述光源光耦合,并通过其两路分支将所述光源发射的光线分成两路分开传导;
测量光路,其与所述光纤的第一路分支光耦合,利用第一路分支传导的光线分别照射纯净水和待测水体,并从透射出的吸收光中分别采集220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光,进而根据采集到的吸收光的强度生成相应的电信号;
参比光路,其与所述光纤的第二路分支光耦合,根据第二路分支传导的光强度生成相应的电信号;
控制模块,其接收所述测量光路和参比光路输出的电信号,根据所述电信号生成光强数据I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0,并计算出待测水体在220nm波段的吸光度
Figure FDA0002952289220000011
以及在275nm波段的吸光度
Figure FDA0002952289220000012
进而利用275nm波段的吸光度校正220nm波段的吸光度,计算出待测水体中校正后的硝酸根离子吸光度A=A220-A275,然后根据吸光度A,利用吸光度与浓度关系曲线获得待测水体中的硝酸盐浓度;
其中,I220、I275、I0分别表示光线从纯净水透射后220nm波段吸收光的光强、275nm波段吸收光的光强以及在照射纯净水期间通过光纤的第二路分支传导的光强;I'220、I'275、I'0分别表示光线从待测水体透射后220nm波段吸收光的光强、275nm波段吸收光的光强以及在照射待测水体期间通过光纤的第二路分支传导的光强。
2.根据权利要求1所述的硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,
所述光源为脉冲氙灯,发射固定周期的脉冲光;
所述控制模块控制所述测量光路和参比光路在脉冲氙灯的每一个发光周期内采集M次光强,并计算出平均值;
所述控制模块控制脉冲氙灯的闪烁频率为N次/秒,采集N个平均值再次取平均,将最终结果作为所述光强数据。
3.根据权利要求2所述的硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,所述脉冲氙灯发射光的波长范围为190nm-1100nm,发散角为30°,发光周期为100us;所述M=30;所述N=20。
4.根据权利要求1所述的硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,所述光纤为Y型光纤,其第一路分支与第二路分支的分光比例为3:1。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,所述测量光路包括:
光源准直透镜,其与所述光纤的第一路分支光耦合,用于对第一路分支传导的光线进行准直;
光学窗口,其位于所述光源准直透镜的后方,所述光学窗口包括两个,平行且间隔设置;测量时,纯净水或待测水体充满两个所述光学窗口之间的区域,准直后的光线穿过一个光学窗口照射纯净水或待测水体后,形成吸收光并经由另外一个光学窗口射出;
分光片,其位于所述光学窗口的后方,对经由所述光学窗口射出的吸收光进行1:1分光,形成两路吸收光并对应垂直射入到220nm带通滤光片和275nm带通滤光片,滤光形成220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光;
两个汇聚透镜,其分别对应位于所述220nm带通滤光片和275nm带通滤光片的后方,用于对所述220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光进行汇聚;
两个光电转换器,其分别对应位于所述两个汇聚透镜的后方,用于接收汇聚后的220nm波段的吸收光和275nm波段的吸收光,并根据吸收光的强度生成电信号,输出至所述控制模块。
6.根据权利要求5所述的硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,在所述参比光路中设置有另一光电转换器,其与所述光纤的第二路分支光耦合,接收通过第二路分支传导的光线,并根据光强度生成相应的电信号传输至所述控制模块。
7.根据权利要求5所述的硝酸盐浓度光学检测装置,其特征在于,还包括:
外壳,其封装所述光源、光纤、测量光路、参比光路和控制模块,两个所述光学窗口布设在所述外壳的壳体上且外露,所述外壳在两个所述光学窗口之间形成内凹区,供纯净水或待测水体流过。
8.一种硝酸盐浓度光学检测方法,其特征在于,包括:
将波长范围覆盖200nm-300nm的光分成两路,一路为测量光,另一路为参比光;
利用测量光照射纯净水,并采集透过纯净水射出的吸收光中220nm波段的吸收光线的光强I220和275nm波段的吸收光的光强I275
在利用测量光照射纯净水期间,采集参比光的光强I0
利用测量光照射待测水体,并采集透过待测水体射出的吸收光中220nm波段的吸收光的光强I'220和275nm波段的吸收光的光强I'275
在利用测量光照射待测水体期间,采集参比光的光强I'0
计算待测水体在220nm波段的吸光度
Figure FDA0002952289220000031
计算待测水体在275nm波段的吸光度
Figure FDA0002952289220000032
计算待测水体中校正后的硝酸根离子的吸光度A=A220-A275
根据吸光度A,利用吸光度与浓度关系曲线获得待测水体中的硝酸盐浓度。
9.根据权利要求8所述的硝酸盐浓度光学检测方法,其特征在于,
所述波长范围覆盖200nm-300nm的光为通过脉冲氙灯发射的固定周期的脉冲光;
所述光强I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0的采集过程为:
在脉冲氙灯的每一个发光周期内分别采集M次光强,并计算出平均值;
配置脉冲氙灯的闪烁频率为N次/秒,采集N个平均值再次取平均,将最终结果作为I220、I275、I0和I'220、I'275、I'0的光强数据。
10.根据权利要求9所述的硝酸盐浓度光学检测方法,其特征在于,
所述脉冲氙灯发射光的波长范围为190nm-1100nm,发散角为30°,发光周期为100us;所述M=30,所述N=20;
所述测量光和参比光的分光比例为3:1。
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