CN113340887A - 一种高通量阵列式水质传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高通量阵列式水质传感器，其具体包括，N行N列比色池阵列，N行N列接收光纤阵列，N行N列LED光源阵列，N行N列比色池阵列用于预装与水样产生显色反应的化学试剂。上述三种阵列中每个相同行和列处的基本单元在位置上相互对应，还包括光纤束、聚光镜、光电二极管、跨导放大器、A/D转换器、数据采集系统；光纤束与聚光镜相连，聚光镜与光电二极管相连，光电二极管与跨导放大器相连，跨导放大器与A/D转换器相连,A/D转换器与数据采集系统相连，数据采集系统与LED扫描驱动控制器相连。本发明检测速度快、检测时间短，极大地克服了现有的单通道单参数比色传感方法费时费力的缺点，适用于大样本的水质快速现场检测。

Description

一种高通量阵列式水质传感器
技术领域
本发明属于水质监测技术领域，尤其涉及一种高通量阵列式水质传感器。
背景技术
饮水安全是全球性的战略问题，近年来大量的工业污染和农药兽药等废水排放，导致地表水中存在大量的苯系物、酚类以及重金属等重污染物的残留。虽然自来水厂对水源地的水质进行了严格的筛查和硝化、消毒等控制处理，但是饮用水安全事故依然没有杜绝，使得社会经济发展和人民的健康生活受到极大的威胁。
水质检测监测是预防饮用水安全事故的重要手段。水质检测监测需要使用水质传感器来完成。在水质传感器中，电化学传感器和光学传感器是最为常见的类型，如电导率传感器、溶解氧传感器、浊度传感器等。现有的光学传感器，如浊度传感器，其内部只有一个通道，一次测量只能得到一个参数。适用于光学传感水质参数还包括余氯、氨氮、铁、铜、锰以及钙镁等，如何实现多通道多参数同时检测的光学传感器，提高水质检测速度，实现多通道采集的高度集成，是光学水质传感研究领域迫切需要和重点解决的关键问题之一。
发明内容
针对如何设计实现一种多通道一次性检测的光学传感器，提高水质检测速度，实现多通道采集的高度集成的问题，本发明公开了一种阵列式光学传感器，一次性实现了多个通道的数据采集，极大地提高了水质检测设备工作能力，能有效降低检测人员的工作强度，提升了水质安全检测的技术支撑能力。
本发明公开了一种高通量阵列式水质传感器，其具体包括，N行N列比色池阵列、N行N列接收光纤阵列、N行N列LED光源阵列，上述三种阵列中每个相同行和相同列处的基本单元在位置分布上相互对应，以确保N行N列LED光源阵列中的某一行和某一列处的LED光源发出的光穿过N行N列比色池阵列中对应的相同行和相同列处的比色池，被N行N列接收光纤阵列中的对应的相同行和相同列处的接收光纤所接收。该高通量阵列式水质传感器还包括光纤束、聚光镜、光电二极管、跨导放大器、A/D转换器、数据采集系统；其中，N为大于等于2的正整数。
N行N列接收光纤阵列中的N2根接收光纤沿着LED光源的发光方向，在N行N列接收光纤阵列的后端延伸出来并捆绑汇集形成一根光纤束，光纤束与聚光镜相连，聚光镜与光电二极管相连，光电二极管与跨导放大器相连，跨导放大器与A/D转换器相连,A/D转换器与数据采集系统相连，数据采集系统与LED扫描驱动控制器相连，LED扫描驱动控制器与N行N列LED光源阵列相连；N行N列比色池阵列用于预装与水样产生显色反应的化学试剂，N行N列LED光源阵列用于产生一定波长的发射光束，N行N列接收光纤阵列用于接收LED光源发射的穿过比色池后的光束，光纤束为多芯光纤，用于实现N行N列比色池阵列与聚光镜的软连接。聚光镜用于对光纤束出射的光束进行汇聚，光电二极管用于将聚光镜汇聚后的光信号转换为电信号；跨导放大器用于对光电二极管所转换得到的电信号进行放大，A/D转换器用于将跨导放大器放大后的电信号转换为数字信号，数据采集系统用于按照设定时序启动N行N列LED光源阵列发射光束和N行N列接收光纤阵列接收光束，并计算N行N列比色池阵列中的每个比色池的吸光度值。LED扫描驱动控制器用于提供LED光源工作所需要的恒定电流。
N行N列LED光源阵列在数据采集系统的控制下，按照2秒钟的时间间隔，按照先列后行的顺序，控制其中的每个LED光源依次点亮，每点亮一个LED光源，该LED光源对应位置处的比色池中的水样与化学试剂进行显色反应后，比色池中水样吸收LED光源发出的一部分光线，穿过比色池的光线进入与其LED光源对应的接收光纤后，经聚光镜汇聚后被光电二极管所接收，再经过跨导放大器放大后，A/D转换器将跨导放大器放大后的信号转换为数字信号，再将该数字信号输入至数据采集系统，数据采集系统计算得到该位置处的比色池的吸光度；到达2秒钟的时间间隔后，数据采集系统控制关断该LED光源并点亮N行N列LED光源阵列中的下一个LED光源，最终得到N行N列比色池阵列中的每个比色池的吸光度。
在所述的N行N列比色池阵列中的比色池中预装与特定水质参数进行显色反应的化学试剂，以实现对特定水质参数的检测。
所述的高通量阵列式水质传感器根据水质分析中的分光光度原理，N行N列LED光源阵列中的LED光源发出的光穿过N行N列比色池阵列中的相对应的比色池并被比色池所部分吸收后，穿过比色池的光被N行N列接收光纤阵列中的对应的接收光纤所接收，所述的比色池吸收光量的强度用吸光度A来表述。
所述的LED光源阵列中的LED光源的外径为2-5mm。所述的LED光源采用聚光型LED，其发散角小于50度。当N＝5时，LED光源阵列中的25个LED光源按行分为5组，每一行LED光源为一组，每组内的LED光源发光的波长相同，各组LED光源的发光波长范围为420nm至630nm。
所述的N行N列比色池阵列采用透明聚碳酸酯材料加工得到，其所包含的每个比色池为5mm长、5mm宽的方形。
数据采集系统的主时钟提供2s时间间隔的周期脉冲信号，所述的周期脉冲信号的下降沿按照先列后行的顺序，依次触发N行N列接收光纤阵列中的每个接收光纤接收光信号，所述的周期脉冲信号的上升沿按照先列后行的顺序，依次触发N行N列LED光源阵列中的每个LED光源依次发光。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种高通量阵列式水质传感器，每个通道由一个发光LED、一个比色池、一根光纤构成，每组LED光源具有相同的发光波长。每个通道的比色池内预装有显色试剂，适用于水质检测中分光光度法原理，既可以用于单个参数多个平行样分析，也可以用于多个参数的同时检测，每次检测时，按照设定时间进行数据采集。
本发明集成了光学比色和多通道光纤，结构紧凑，检测速度快，检测时间短，极大地克服了现有的单通道单参数的比色传感方法费时费力的缺点，提高了检测设备的检测能力，非常适用于大批量水样的快速筛查和现场定量检测。
附图说明
图1为本发明公开的高通量阵列式水质传感器的组成图；
图2为5行5列的LED光源阵列的结构示意图；
图3为数据采集系统的工作时序图。
图中，101为N行N列LED光源阵列，102为N行N列比色池阵列，103为N行N列接收光纤阵列，104为LED扫描驱动控制器，105为光纤束，106为聚光镜，107为光电二极管，108为跨导放大器，109为AD转换器，100为数据采集系统。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
本发明公开了一种高通量阵列式水质传感器，图1为本发明公开的高通量阵列式水质传感器的组成图，其具体包括，N行N列比色池阵列、N行N列接收光纤阵列、N行N列LED光源阵列。上述三种阵列中每个相同行和相同列处的基本单元在位置分布上相互对应，以确保N行N列LED光源阵列中的某一行和某一列处的LED光源发出的光穿过N行N列比色池阵列中对应的相同行和相同列处的比色池，被N行N列接收光纤阵列中的对应的相同行和相同列处的接收光纤所接收。该高通量阵列式水质传感器还包括光纤束、聚光镜、光电二极管、跨导放大器、A/D转换器、数据采集系统；其中，N为大于等于2的正整数。
具体的，对于所述的N行N列LED光源阵列中的第i行、第j列处的LED光源、所述的N行N列比色池阵列中的第i行、第j列处的比色池和所述的N行N列接收光纤阵列中的第i行、第j列处的接收光纤，三者在位置分布上前后对应，共同组成一一对应的光度检测对，其中i为大于等于1且小于等于N的任意整数，j为大于等于1且小于等于N的任意正整数。
N行N列接收光纤阵列中的N2根接收光纤沿着LED光源的发光方向，在N行N列接收光纤阵列的后端延伸出来并捆绑汇集形成一根光纤束，光纤束与聚光镜相连，光电二极管位于聚光镜的汇聚光路方向上，光电二极管与跨导放大器相连，跨导放大器与A/D转换器相连,A/D转换器与数据采集系统相连，数据采集系统与LED扫描驱动控制器相连，LED扫描驱动控制器与N行N列LED光源阵列相连；N行N列比色池阵列用于预装与水样产生显色反应的化学试剂，N行N列LED光源阵列用于产生一定波长的发射光束，N行N列接收光纤阵列用于接收LED光源发射的穿过比色池后的光束，光纤束为多芯光纤，用于实现N行N列比色池阵列与聚光镜的软连接，聚光镜用于对光纤束出射的光线进行汇聚，光电二极管用于将聚光镜汇聚后的光信号转换为电信号，跨导放大器用于对光电二极管所转换得到的电信号进行放大，A/D转换器用于将跨导放大器放大后的电信号转换为数字信号，数据采集系统用于按照设定时序启动N行N列LED光源阵列发光和N行N列接收光纤阵列进行光束采集，并计算N行N列比色池阵列中的每个比色池的吸光度值。LED扫描驱动控制器用于提供LED光源工作所需要的恒定电流。
N行N列LED光源阵列在数据采集系统100的控制下，按照2秒钟的时间间隔，按照先列后行的顺序，控制其中的每个LED光源依次点亮，每点亮一个LED光源，该LED光源对应位置处的比色池中水样与化学试剂进行显色反应，比色池中水样吸收LED光源发出的一部分光线，穿过比色池的光线进入与其LED光源对应的接收光纤并经聚光镜汇聚后被光电二极管所接收，再经过跨导放大器放大后，A/D转换器将跨导放大器放大后的信号转换为数字信号，再将该数字信号输入至数据采集系统，数据采集系统计算得到该位置处的比色池的吸光度，数据采集系统再控制关断该LED光源并点亮下一个LED光源，从而得到了N行N列比色池阵列中的每个比色池的吸光度。在每个比色池中预装与特定的水质参数进行显色反应的化学试剂，如DPD余氯检测试剂用于检测水中的游离氯，水杨酸试剂检测水中的氨氮等。因此本装置既可以预装相同的试剂，一次可以测量25个样本，也可以预装25种试剂，一次测量完成25种水质参数的检测。
所述的高通量阵列式水质传感器根据水质分析中的分光光度原理，N行N列LED光源阵列中的LED光源发出的光穿过N行N列比色池阵列中的相对应的比色池并被比色池所部分吸收后，穿过比色池的光被N行N列接收光纤阵列中的对应的接收光纤所接收，所述的比色池吸收光的强度用吸光度A来表述。
如图2所示，LED光源阵列中的LED光源按1-25的顺序排列，形成5×5的矩阵，因此对应得到的吸光度为Ai(i＝1,2,3,……,25)。所述的LED光源阵列中的LED光源的外径为3mm，所述的LED光源采用聚光型LED，其发散角小于50度。当N＝5时，LED光源阵列中的25个LED光源按行分为5组，每一行LED光源为一组，每组内的LED光源发光的波长相同，各组LED光源的发光波长分别为：420nm、470nm、515nm、550nm、630nm。
所述的N行N列比色池阵列采用透明聚碳酸酯材料加工，其每个比色池呈5mm长、5mm宽的方形。
所述的N行N列接收光纤阵列中的接收光纤采用塑料光纤，单根接收光纤的芯径为0.5mm。N行N列接收光纤阵列中的接收光纤集成为一光纤束，穿过光纤束的光经汇聚透镜106后被光电二极管107接收，经跨导放大器108放大后所产生的电压信号，通过109ADC转换器得到数字信号。
25个LED在数据采集系统100的控制下，安装规定的2秒时间开始扫描驱动LED发光，104为LED扫描驱动控制器，提供LED工作所需要的恒定电流。
数据采集系统的主时钟提供2s时间间隔的周期脉冲信号，所述的周期脉冲信号的下降沿按照先列后行的顺序，依次触发N行N列接收光纤阵列中的每个接收光纤接收光束，所述的周期脉冲信号的上升沿按照先列后行的顺序，依次触发N行N列LED光源阵列中的每个LED光源依次发光，例如通道#1在主时钟的上升沿开启LED发光，在下降沿完成一次通道的数据采集。图3为数据采集系统的工作时序图。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种高通量阵列式水质传感器，其特征在于，其具体包括，N行N列比色池阵列，N行N列接收光纤阵列，N行N列LED光源阵列，上述三种阵列中每个相同行和相同列处的基本单元在位置分布上相互对应，以确保N行N列LED光源阵列中的某一行和某一列处的LED光源发出的光穿过N行N列比色池阵列中对应的相同行和相同列处的比色池，被N行N列接收光纤阵列中的对应的相同行和相同列处的接收光纤所接收；该高通量阵列式水质传感器还包括光纤束、聚光镜、光电二极管、跨导放大器、A/D转换器、数据采集系统；其中，N为大于等于2的正整数；
N行N列接收光纤阵列中的N2根接收光纤沿着LED光源的发光方向，在N行N列接收光纤阵列的后端延伸出来并捆绑汇集形成一根光纤束，光纤束与聚光镜相连，聚光镜与光电二极管相连，光电二极管与跨导放大器相连，跨导放大器与A/D转换器相连,A/D转换器与数据采集系统相连，数据采集系统与LED扫描驱动控制器相连，LED扫描驱动控制器与N行N列LED光源阵列相连；N行N列比色池阵列用于预装与水样产生显色反应的化学试剂，N行N列LED光源阵列用于产生一定波长的发射光束，N行N列接收光纤阵列用于接收LED光源发射的穿过比色池后的光束，光纤束为多芯光纤，用于实现N行N列比色池阵列与聚光镜的软连接，聚光镜用于对光纤束出射的光束进行汇聚，光电二极管用于将聚光镜汇聚后的光信号转换为电信号，跨导放大器用于对光电二极管所转换得到的电信号进行放大，A/D转换器用于将跨导放大器放大后的电信号转换为数字信号，数据采集系统用于按照设定时序启动N行N列LED光源阵列发射光束和N行N列接收光纤阵列接收光束，并计算N行N列比色池阵列中的每个比色池的吸光度值；LED扫描驱动控制器用于提供LED光源工作所需要的恒定电流。
2.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
N行N列LED光源阵列在数据采集系统的控制下，按照2秒钟的时间间隔，按照先列后行的顺序，控制其中的每个LED光源依次点亮，每点亮一个LED光源，该LED光源对应位置处的比色池中水样与化学试剂进行显色反应，比色池中水样吸收LED光源发出的一部分光线，穿过比色池的光线进入与其LED光源对应的接收光纤后，经聚光镜汇聚后被光电二极管所接收，再经过跨导放大器放大后，A/D转换器将跨导放大器放大后的信号转换为数字信号，再将该数字信号输入至数据采集系统，数据采集系统计算得到该位置处的比色池的吸光度；到达2秒钟的时间间隔后，数据采集系统控制关断该LED光源并点亮N行N列LED光源阵列中的下一个LED光源，最终得到N行N列比色池阵列中的每个比色池的吸光度。
3.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，在所述的N行N列比色池阵列中的比色池中预装与特定水质参数进行显色反应的化学试剂，以实现对特定水质参数的检测。
4.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
所述的高通量阵列式水质传感器根据水质分析中的分光光度原理，N行N列LED光源阵列中的LED光源发出的光穿过N行N列比色池阵列中的相对应的比色池并被比色池部分吸收后，穿过比色池的光被N行N列接收光纤阵列中的对应的接收光纤所接收，所述的比色池吸收光量的强度用吸光度A来表述。
5.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
所述的LED光源阵列中的LED光源的外径为2-5mm。
6.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
所述的LED光源采用聚光型LED，其发散角小于50度。
7.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
当N＝5时，LED光源阵列中的25个LED光源按行分为5组，每一行LED光源为一组，每组内的LED光源发光的波长相同，各组LED光源的发光波长范围为420nm至630nm。
8.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
所述的N行N列比色池阵列采用透明聚碳酸酯材料加工得到，其所包含的每个比色池为5mm长、5mm宽的方形。
9.如权利要求1所述的高通量阵列式水质传感器，其特征在于，
数据采集系统的主时钟提供2s时间间隔的周期脉冲信号，所述的周期脉冲信号的下降沿按照先列后行的顺序，依次触发N行N列接收光纤阵列中的每个接收光纤接收光信号，所述的周期脉冲信号的上升沿按照先列后行的顺序，依次触发N行N列LED光源阵列中的每个LED光源依次发光。
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