CN113176248A - 一种海水微塑料在线监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海水微塑料在线监测系统，上位机通过光源控制板控制激光器发射激光，激光经由拉曼探头出射的激发光经分束镜发射后作用于待测样品激发拉曼光信号，激发的拉曼光信号由分束镜反射后由拉曼探头采集，采集的拉曼光信号经接受光纤到达光谱仪进行光电信号转换，上位机对光谱仪处理的拉曼光信号进行数据处理后显示在上位机；在图像采集时成像单元中高分辨数码相机采集经物镜和分束镜后的海水微塑料图像信息，采集的图像信息传输至上位机后显示。本发明可以实现对海水微塑料的直接测量，检测速度快，避免了繁琐的步骤，同时不需要化学试剂，避免对海水水质的二次污染。同时增加成像单元，可实现对海水为塑料的形貌进行表征。
Description
技术领域
本专利涉及海水水质环境在线监测领域，尤其涉及环境光学监测技术领域，具体为一种微塑料在线监测系统。
技术背景
近年来，随着经济的迅速发展，海洋环境中微塑料污染日益严重。微塑料甚至可能对鸟类、鱼类及其他海洋生物造成物理和化学层面致命的伤害，从而破坏海洋生态环境。传统微塑料检测方法往往步骤繁琐，成本高，难以满足现代环境监测的要求；现有的海水微塑料在线监测缺乏实时、快速、精准的在线监测系统，这种局面严重制约了对海水微塑料的监测与控制。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述方面的缺点，实现海水微塑料的实时在线监测，本发明提供一种基于拉曼光谱测量技术，测量过程无需化学试剂，测量速度快，且不易受到外界干扰，性能优越，使用方便的在线监测系统，系统增加成像功能，可实现对海水微塑料的形貌进行表征，实现了现场实时、快速、精准监测海水微塑料的目的。
本发明具体技术方案如下：
一种海水微塑料在线监测系统，其特征在于：上位机通过工控板与主动光源、蠕动泵连接；上位机通过光源控制板与激光器连接；上位机还与光谱仪连接；
主动光源设置在流通池的一侧，蠕动泵设置在流通池的进口端；流通池的另外一侧设置物镜及分束镜，所述物镜与流通池平行，分束镜与物镜成45度倾斜设置；物镜上方设置拉曼探头，拉曼探头经入射光纤与激光器连接；拉曼探头还经接受光纤与光谱仪连接；
分束镜外侧与物镜对应处设置高分辨相机，所述高分辨相机与上位机连接。
当待测样品流经流通池时，上位机通过光源控制板控制激光器发射激光，激光经入射光纤到达拉曼探头，由拉曼探头出射的激发光经分束镜反射后作用于待测样品激发拉曼光信号，激发的拉曼光信号由分束镜反射后由拉曼探头采集，采集的拉曼光信号经接受光纤到达光谱仪。光信号进入光谱仪以后首先经过狭缝控制进入光谱仪的光通量，然后经过准直镜将入射光准直成平行光到达光栅，最后经聚焦镜将光栅的衍射光聚焦在探测器。上位机对光谱仪处理的拉曼光信号进行数据处理后显示在上位机；
实际测样中拉曼光谱受噪声影响较大，有许多毛刺，需对拉曼光谱数据进行DB7小波处理和标准差归一化处理。对预处理后的拉曼光谱建立数据集，构成标准品的一个特征数据。通过建立的数据集训练算法模型，从而建立识别算法，识别算法选用随机森林识别模型。用建立的识别模型与实际测试的拉曼光谱数据进行比对，来识别未知水质中的微塑料种类。
在图像采集时上位机通过工控板控制主动光源开启，主动光源发出的光照射在待测水样上，微塑料的图像信息经物镜进行放大，放大后的图像信息透过分束镜后到达高分辨相机，高分辨相机采集经物镜和分束镜后的海水微塑料图像信息，采集的图像信息传输至上位机后显示。
因为海水水质在测量过程中成分复杂，在激光照射下容易激发荧光信号，为了避免荧光信号对拉曼光信号的影响，所述激光器激发光源采用785nm激光器，此波段激光器激发光信号可有效避免荧光信号对拉曼光信号的干扰。
所述流通池进口端设置过滤网。
图像采集与拉曼采集光路同轴，测量为准同步运行，两者之间延时400ms。测量间隔时间相对水样流速可忽略。默认测量为同一测量位置。测量软件集成在一起，每次测量完成后测量结果同时显示在上位机。
在海水微塑料测量过程中通过拉曼光谱测试和微塑料图像信息获取微塑料的形貌，双重测试保证微塑料测量结果的准确性。
本发明的优点是：
1、激光器前端设计光源控制板，通过光源控制板单独控制光源，并且光源控制板进行了稳压处理，保证为光源提供稳定的电压信号，保证光源的稳定性；
2、系统采用待测水样直接流过流通池，无需对水样进行预处理，实现水样直接测量，提高样品测量效率。
3、系统增加成像单元，可实现对海水微塑料的形貌进行表征。
本发明的效果：
本发明的一种海水微塑料在线监测系统采用拉曼光谱测量技术，可以实现对海水微塑料的直接测量，检测速度快，避免了繁琐的步骤，同时不需要化学试剂，避免对海水水质的二次污染。同时增加成像单元，可实现对海水为塑料的形貌进行表征。提高了环保部门对海水微塑料的监测水平，为有效防治海水微塑料污染提供有力的技术支持。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图1中：1、上位机；2、工控板；3、蠕动泵；4、流通池；5、主动光源；6、物镜；7、分束镜；8、高分辨相机；9、光源控制板；10、激光器；11、拉曼探头；12、光谱仪；
图2是本发明系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明，如图所示，上位机1通过工控板2与主动光源5、蠕动泵3连接；上位机1通过光源控制板9与激光器10连接；上位机1还与光谱仪12连接；
主动光源5设置在流通池4的一侧，蠕动泵3设置在流通池4的进口端；流通池的另外一侧设置物镜6及分束镜7，所述物镜6与流通池4平行，分束镜7与物镜6成45度倾斜设置；物镜上方设置拉曼11探头，拉曼探头11经入射光纤与激光器10连接；拉曼探头11还经接受光纤与光谱仪12连接；
分束镜7外侧与物镜6对应处设置高分辨相机8，所述高分辨相机8与上位机1连接。
上位机1通过工控板2控制蠕动泵3进行水样采集，当待测样品流经流通池4时，上位机1通过光源控制板9控制激光器10发射激光，激光经入射光纤到达拉曼探头11，由拉曼探头11出射的激发光经分束镜7反射后作用于待测样品激发拉曼光信号，激发的拉曼光信号由分束镜7反射后由拉曼探头11采集，采集的拉曼光信号经接受光纤到达光谱仪12。光信号进入光谱仪12以后首先经过狭缝控制进入光谱仪12的光通量，然后经过准直镜将入射光准直成平行光到达光栅，最后经聚焦镜将光栅的衍射光聚焦在探测器。上位机1对光谱仪12处理的拉曼光信号进行数据处理后显示在上位机1；
实际测样中拉曼光谱受噪声影响较大，有许多毛刺，需对拉曼光谱数据进行DB7小波处理和标准差归一化处理。对预处理后的拉曼光谱建立数据集，构成标准品的一个特征数据。通过建立的数据集训练算法模型，从而建立识别算法，识别算法选用随机森林识别模型。用建立的识别模型与实际测试的拉曼光谱数据进行比对，来识别未知水质中的微塑料种类。
在图像采集时上位机1通过工控板2控制主动光源5开启，主动光源5发出的光照射在待测水样上，微塑料的图像信息经物镜6进行放大，放大后的图像信息透过分束镜7后到达高分辨相机8，高分辨相机8采集经物镜6和分束镜7后的海水微塑料图像信息，采集的图像信息传输至上位机1后显示。
因为海水水质在测量过程中成分复杂，在激光照射下容易激发荧光信号，为了避免荧光信号对拉曼光信号的影响，所述激光器10激发光源采用785nm激光器，此波段激光器10激发光信号可有效避免荧光信号对拉曼光信号的干扰。
在海水微塑料测量过程中通过拉曼光谱测试和微塑料图像信息获取微塑料的形貌，双重测试保证微塑料测量结果的准确性。
图2为本专利系统工作流程图。开启上位机1测量软件，通过上位机1软件启动蠕动泵3采集待测水样。图像采集与拉曼采集为准同步运行，两者之间延时400ms。启动主动光源5和高分辨相机8，完成图像信息采集。关闭主动光源5，停止图像采集。延时400ms后，启动激光器10和光谱仪12，完成拉曼光谱信号采集。关闭激光器10，停止拉曼光谱信号采集，关闭蠕动泵3停止水样采集，关闭上位机1测量软件。
本发明中，光谱仪、工控板、光源控制板可采用市购产品，如：工控板可采用鲲航公司的KHDQ-0003R型号控制模块，光谱仪采用海洋光学公司的QE65 Pro型光谱仪，光源控制板可采用长春镭仕光电科技有限公司的ADR-1805型号。
Claims (5)
1.一种海水微塑料在线监测系统，其特征在于：上位机通过工控板与主动光源、蠕动泵连接；上位机通过光源控制板与激光器连接；上位机还与光谱仪连接；
主动光源设置在流通池的一侧，蠕动泵设置在流通池的进口端；流通池的另外一侧设置物镜及分束镜，所述物镜与流通池平行，分束镜与物镜成45度倾斜设置；物镜上方设置拉曼探头，拉曼探头经入射光纤与激光器连接；拉曼探头还经接受光纤与光谱仪连接；
分束镜外侧与物镜对应处设置高分辨相机，所述高分辨相机与上位机连接；当待测样品流经流通池时，上位机通过光源控制板控制激光器发射激光，激光经入射光纤到达拉曼探头，由拉曼探头出射的激发光经分束镜发射后作用于待测样品激发拉曼光信号，激发的拉曼光信号由分束镜反射后由拉曼探头采集，采集的拉曼光信号经接受光纤到达光谱仪；光信号进入光谱仪以后首先经过狭缝控制进入光谱仪的光通量，然后经过准直镜将入射光准直成平行光到达光栅，最后经聚焦镜将光栅的衍射光聚焦在探测器；上位机对光谱仪处理的拉曼光信号进行数据处理后显示在上位机；
在图像采集时上位机通过工控板控制主动光源开启，主动光源发出的光照射在待测水样上，微塑料的图像信息经物镜进行放大，放大后的图像信息透过分束镜后到达高分辨相机，高分辨相机采集经物镜和分束镜后的海水微塑料图像信息，采集的图像信息传输至上位机后显示；
在海水微塑料测量过程中通过拉曼光谱测试和微塑料图像信息获取微塑料的形貌，双重测试保证微塑料测量结果的准确性。
2.根据权利要求1所述的海水微塑料在线监测系统，其特征在于：图像采集与拉曼采集光路同轴，测量为准同步运行，两者之间延时400ms。
3.根据权利要求1所述的海水微塑料在线监测系统，其特征在于：所述激光器激发光源采用785nm激光器，此波段激光器激发光信号可有效避免荧光信号对拉曼光信号的干扰。
4.根据权利要求1所述的海水微塑料在线监测系统，其特征在于：所述流通池进口端设置过滤网。
5.根据权利要求1所述的海水微塑料在线监测系统，其特征在于：先对拉曼光谱数据进行DB7小波处理和标准差归一化处理，对预处理后的拉曼光谱建立数据集，构成标准品的一个特征数据；通过建立的数据集训练算法模型，从而建立识别算法，识别算法选用随机森林识别模型，用建立的识别模型与实际测试的拉曼光谱数据进行比对，来识别未知水质中的微塑料种类。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210727 |
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