CN115290587A - 一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置 - Google Patents

一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置 Download PDF

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章伟
路珊珊
胡雪峰
张子贤
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Hefei University of Technology
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Chuzhou Yiran Sensing Technology Research Institute Co ltd
Hefei University of Technology
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G—PHYSICS
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    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Abstract

本发明公开了一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置，检测方法包括以下步骤：S1，打开光源；S2，光线进入分叉光纤，同等光量的光线进入空芯光纤通道内；S3，打开参考通道的转换阀门，光线进入光学分光机构得到参考光谱；打开待测通道的转换阀门，得到待测光谱；断开所有转换阀门记录暗光谱；S4，通过吸光度计算得到其吸收光谱，确定待测溶液的种类和溶液浓度；通过该装置同时实现多种溶液的检测，提高检测效率，且该装置需溶液量极少，并令吸收光程大大增加，提高了检测的灵敏度，降低了溶液浓度的检测下限，保证溶液在低浓度下也能正常得出光谱数据。

Description

一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置
技术领域
本发明涉及液体检测技术领域，具体涉及一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置。
背景技术
为了构建稳定、健康的水环境系统，需要对水体参数含量进行准确监测，以评估水体的质量，保护和治理水环境。水质检测主要是对水中污染物的种类、浓度和变化趋势等进行检测，近年来，各种光学水质检测方法日新月异，例如红外光谱法、荧光光谱法和紫外可见光谱法。其中紫外-可见吸收光谱法基于朗伯-比尔定律，采用扫描光谱的方式直接对水溶液进行透射光的检测，通过测量特定波长或特定波长范围的光的吸光度来定性和定量分析物质，具有重复性好、没有二次污染等优点。然而，基于紫外-可见吸收光谱法，传统的检测腔室主要使用不同光程的比色皿，比色皿一般为长方体，其底部及两侧为磨毛玻璃，另外两侧为光学石英玻璃，作为测量的透光面。比色皿和比色皿支架搭配使用，通过调节比色皿支架的测量长度可以放置、更换不同的比色皿，从而进行不同浓度溶液的吸光度检测。在每次测量完成后需要用无水乙醇对其内部进行洗涤、擦拭，测量易受干扰，操作复杂，维护成本高，只能停留在实验室分析，难以实现水源地的实时、快速监测。光程越长的比色皿体积越大，较长光程的比色皿进行检测时所需待测溶液量极大，不适合低浓度、少量样品溶液的检测，不利于系统的小型化。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可以通过多通道空芯光纤装置，从而实现多参数溶液浓度检测，并且其成本低廉，所需待测溶液量小，使得吸收光程大大增加，提高了检测的灵敏度，降低了检测限。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，包括以下步骤：
S1，打开光源；
S2，光线进入光纤通道内；
S3，光线被光纤中的溶液吸收后，进入光学分光机构，得到该溶液对应光谱；
S4，光谱通过PC上位机得到吸收光谱图；
所述步骤S2中，光线通过分叉光纤分成若干同等亮度的光线，光线经过光纤准直镜后进入空芯光纤通道内；
所述步骤S3具体包括以下步骤:
S31，蠕动泵将不同的待测溶液分别注入待测通道中，将去离子水注入至参考通道中；
S32，打开参考通道的转换阀门，空芯光纤内的光线通过光学分光机构，得到参考光谱 I0；
S33，关闭参考通道的转换阀门，打开待测通道的转换阀门，空芯光纤内的光线通过光学分光机构，待测光谱I；
S34，断开所有转换阀门，得到暗光谱Id；
所述步骤S4具体包括以下步骤:
S41，待测溶液的吸光度
Figure BDA0003811498970000021
得到其吸收光谱f(xi)，其中i为待测溶液的个数；
S42，通过PC上位机显示其吸收光谱示意图，根据吸收峰位置对应的波段确定待测溶液的种类；根据吸收光谱确定溶液浓度。
作为本发明的一种优选实施方式：在步骤S33中，所述待测通道包括第一通道、第二通道和第三通道，打开其中一条待测通道的转换阀门，得到该待测通道中溶液的待测光谱I后，关闭该通道的转换阀门；重复该步骤直至得到所有待测通道中溶液的待测光谱。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤S42具体为：根据下式计算吸收光谱的面积 Si：
Figure BDA0003811498970000022
[a,b]为选取以吸收峰为中心对称分布的一段区间,且b-a≠0
根据Si的大小，确定溶液的浓度：
不同浓度为x1，x2，x3，…，xi的待测溶液测得吸收光谱为 f(x1)，f(x2)，f(x3)，…，f(xi)，通过计算得到其吸收面积为S1，S2，S3，...，Si，
根据x1，x2，x3，…，xi和S1，S2，S3，...，Si，建立浓度x和吸收光谱面积S的对应关系，得出其多项式拟合方程：S＝knxn+kn-1xn-1+...+k2x2+k1x+k0，其中， k0,k1,k2,...,kn-1,kn均为常数，且不全为0；
将所测溶液的吸收光谱面积Si代入拟合方程，得到其浓度的大小xi。
作为本发明的一种优选实施方式：所述步骤S32、S33中，进入光学分光机构的具体步骤包括：
SA，光线通过狭缝控制其入射的宽度；
SB，通过所述准直镜，对光线进行准直；
SC，通过所述透射光栅，光线发生衍射，按不同的衍射角出射；
SD，在所述聚焦镜的作用下，将不同波段的光线在光电探测元件表面成像。
作为本发明的一种优选实施方式：所述光源的波长区间为180-800nm。
一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，包括沿光线方向依次设置的光源、空腔光纤检测腔、光学分光机构、PC上位机；
所述空芯光纤检测腔，包括：
分叉光纤，设置有一个进口端和若干出口端，用于将光源分解成若干同等光亮；
空芯光纤，其进口端与所述分叉光纤的出口端连接；
蠕动泵，与所述空芯光纤连接，用于向所述空芯光纤内泵入或抽出溶液；
阀门转换开关，设置在所述空芯光纤的出口端；
光纤准直镜，设置在所述分叉光纤与空芯光纤、所述空芯光纤与阀门转换开关之间，用于将光线整合为平行光束；
所述光学分光机构，包括沿光线方向依次间隔设置光学狭缝、准直镜、透射光栅、聚焦镜和光电探测元件。
作为本发明的一种优选实施方式：设置有完全相同的四个所述空芯光纤，其中第一通道、第二通道和第三通道为待测通道，所述待测通道用于通入待测溶液；第四通道为参考通道，所述参考通道用于通入去离子水。
作为本发明的一种优选实施方式：所述空芯光纤的两端设置有与所述蠕动泵连接的槽口，用于将溶液泵入或抽出空芯光纤。
作为本发明的一种优选实施方式：所述空芯光纤的玻璃管内壁镀有一层不与待测溶液发生反应的镀层金属，光线在内部镀有所述镀层金属的光纤内全反射传播。
作为本发明的一种优选实施方式：所述空芯光纤设置有多种不同长度的尺寸，用于检测装置对不同光程测量时的更换。
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
1.本发明通过设置多个空芯光纤检测腔室，可以实现互不影响的多通道溶液浓度检测。通过设置三个待测溶液空芯光纤检测通道和一个去离子水空芯光纤检测通道，可以同时实现三种不同溶液的定性检测或者实现三种不同浓度溶液的定量检测，提高了检测效率。
2.通过采用空芯光纤用作溶液检测的吸收腔室，由于空芯光纤具有特有的空芯结构，待测溶液可以容易地注入其内部，不仅所需溶液量极少，而且令吸收光程大大增加，提高了检测的灵敏度，降低了溶液浓度的检测下限，保证溶液在低浓度下也能正常得出光谱数据。
3.空芯光纤越长，其吸收光程越长，检测限越低。空芯光纤长度灵活可调，通过调节空芯光纤的长度，可以改变吸收光程，实现不同量程的检测。
4.通过光学分光机构以及PC上位机，透射光栅使光束按不同的波长分散，然后通过聚焦镜聚焦形成光谱，得到溶液吸收光线后的光谱数据，进而完成对溶液吸光度的计算，对溶液的种类进行判断，并通过光谱面积确定溶液浓度。
附图说明
图1为本发明的整体框图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明中的空芯光纤检测腔示意图；
图4为本发明中的光学分光机构示意图；
图5为本发明中的吸收光谱示意图；
图6为本发明中的光纤准直镜与空芯光纤的示意图。
附图标记为：狭缝1、准直镜2、透射光栅3、聚焦镜4、光电探测元件5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
涉及一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法及检测装置，整体框图如图1所示，
基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，包括以下步骤：
S1，打开发射连续光谱的光源；
S2，光线进入光纤通道内；光线通过分叉光纤分成若干同等亮度的光线，光线经过光纤准直镜后进入空芯光纤通道内；
S3，光线被光纤中的溶液吸收后，进入光学分光机构，得到该溶液对应光谱，具体包括以下步骤:
S31，蠕动泵将不同的待测溶液分别注入待测通道中，将去离子水注入至参考通道中；
S32，打开参考通道的转换阀门，空芯光纤内的光线通过光学分光机构，得到参考光谱 I0；
S33，关闭参考通道的转换阀门，打开待测通道的转换阀门，空芯光纤内的光线通过光学分光机构，待测光谱I；所述待测通道包括第一通道、第二通道和第三通道，打开其中一条待测通道的转换阀门，得到该待测通道中溶液的待测光谱I后，关闭该通道的转换阀门；重复该步骤直至得到所有待测通道中溶液的待测光谱；
S34，断开所有转换阀门，得到暗光谱Id；
S4，光谱通过PC上位机得到吸收光谱图，具体包括以下步骤:
S41，待测溶液的吸光度
Figure BDA0003811498970000051
得到其吸收光谱f(xi)，其中i为待测溶液的个数；
S42，通过PC上位机显示其吸收光谱示意图，根据吸收峰位置对应的波段确定待测溶液的种类；根据吸收光谱确定溶液浓度，具体为：根据下式计算吸收光谱的面积Si：
Figure BDA0003811498970000052
[a,b]为选取以吸收峰为中心对称分布的一段区间,且b-a≠0
根据Si的大小，确定溶液的浓度：
不同浓度为x1，x2，x3，…，xi的待测溶液测得吸收光谱为 f(x1)，f(x2)，f(x3)，…，f(xi)，通过计算得到其吸收面积为S1，S2，S3，...，Si，
根据x1，x2，x3，…，xi和S1，S2，S3，...，Si，建立浓度x和吸收光谱面积S的对应关系，得出其多项式拟合方程：S＝knxn+kn-1xn-1+...+k2x2+k1x+k0，其中， k0,k1,k2,...,kn-1,kn均为常数，且不全为0；
将所测溶液的吸收光谱面积Si代入拟合方程，得到其浓度的大小xi。
所述步骤S3中，进入光学分光机构的具体步骤包括：
SA，光线通过狭缝控制其入射的宽度；
SB，通过所述准直镜，对光线进行准直；
SC，通过所述透射光栅，光线发生衍射，按不同的衍射角出射；
SD，在所述聚焦镜的作用下，将不同波段的光线在光电探测元件表面成像。
所述光源的发射的连续光线波长区间为180-800nm。
一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，包括沿光线方向依次设置的光源、空腔光纤检测腔、光学分光机构、PC上位机；
所述空芯光纤检测腔，包括：
分叉光纤，设置有一个进口端和若干出口端，用于将光源分解成若干同等光亮；
空芯光纤，其进口端与所述分叉光纤的出口端连接；
蠕动泵，与所述空芯光纤连接，用于向所述空芯光纤内泵入或抽出溶液；
阀门转换开关，设置在所述空芯光纤的出口端；
光纤准直镜，设置在所述分叉光纤与空芯光纤、所述空芯光纤与阀门转换开关之间，用于将光线整合为平行光束；
所述光学分光机构，包括沿光线方向依次间隔设置光学狭缝、准直镜、透射光栅、聚焦镜和光电探测元件。
所述待测通道用于通入待测溶液包括第一通道、第二通道和第三通道；所述参考通道用于通入去离子水包括第四通道，所述第一通道、第二通道、第三通道、第四通道为完全相同的空芯光纤。
所述空芯光纤的两端设置有与所述蠕动泵连接的槽口，用于将溶液泵入或抽出空芯光纤。
所述空芯光纤的玻璃管内壁镀有一层不与待测溶液发生反应的镀层金属，光线在内部镀有所述镀层金属的光纤内全反射传播。
本发明通过设置多个空芯光纤检测腔室，可以实现互不影响的多通道溶液浓度检测。通过设置三个待测溶液空芯光纤检测通道和一个去离子水空芯光纤检测通道，可以同时实现三种不同溶液的定性检测或者实现三种不同浓度溶液的定量检测，提高了检测效率。通过采用空芯光纤用作溶液检测的吸收腔室，由于空芯光纤具有特有的空芯结构，待测溶液可以容易地注入其内部，不仅所需溶液量极少，而且令吸收光程大大增加，提高了检测的灵敏度，降低了溶液浓度的检测下限，保证溶液在低浓度下也能正常得出光谱数据。空芯光纤越长，其吸收光程越长，检测限越低。空芯光纤长度灵活可调，通过调节空芯光纤的长度，可以改变吸收光程，实现不同量程的检测。通过光学分光机构以及PC上位机，透射光栅使光束按不同的波长分散，然后通过聚焦镜聚焦形成光谱，得到溶液吸收光线后的光谱数据，进而完成对溶液吸光度的计算，对溶液的种类进行判断，并通过光谱面积确定溶液浓度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：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)

1.一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，包括以下步骤：
S1，打开光源；
S2，光线进入光纤通道内；
S3，光线被光纤中的溶液吸收后，进入光学分光机构，得到该溶液对应光谱；
S4，光谱通过PC上位机得到吸收光谱图；
其特征在于，
所述步骤S2中，光线通过分叉光纤分成若干同等亮度的光线，光线经过光纤准直镜后进入空芯光纤通道内；
所述步骤S3具体包括以下步骤:
S31，蠕动泵将不同的待测溶液分别注入待测通道中，将去离子水注入至参考通道中；
S32，打开参考通道的转换阀门，空芯光纤内的光线通过光学分光机构，得到参考光谱I0；
S33，关闭参考通道的转换阀门，打开待测通道的转换阀门，空芯光纤内的光线通过光学分光机构，待测光谱I；
S34，断开所有转换阀门，得到暗光谱Id；
所述步骤S4具体包括以下步骤:
S41，待测溶液的吸光度
Figure FDA0003811498960000011
得到其吸收光谱f(xi)，其中i为待测溶液的个数；
S42，通过PC上位机显示其吸收光谱示意图，根据吸收峰位置对应的波段确定待测溶液的种类；根据吸收光谱确定溶液浓度。
2.根据权利要求1所述一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，其特征在于：在步骤S33中，所述待测通道包括第一通道、第二通道和第三通道，打开其中一条待测通道的转换阀门，得到该待测通道中溶液的待测光谱I后，关闭该通道的转换阀门；重复该步骤直至得到所有待测通道中溶液的待测光谱。
3.根据权利要求1所述一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，其特征在于，所述步骤S42具体为：根据下式计算吸收光谱的面积Si：
Figure FDA0003811498960000012
[a,b]为选取以吸收峰为中心对称分布的一段区间,且b-a≠0
根据Si的大小，确定溶液的浓度：
不同浓度为x1，x2，x3，…，xi的待测溶液测得吸收光谱为f(x1)，f(x2)，f(x3)，…，f(xi)，通过计算得到其吸收面积为S1，S2，S3，...，Si，
根据x1，x2，x3，…，xi和S1，S2，S3，...，Si，建立浓度x和吸收光谱面积S的对应关系，得出其多项式拟合方程：S＝knxn+kn-1xn-1+...+k2x2+k1x+k0，其中，k0,k1,k2,...,kn-1,kn均为常数，且不全为0；
将所测溶液的吸收光谱面积Si代入拟合方程，得到其浓度的大小xi。
4.根据权利要求1所述一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，进入光学分光机构的具体步骤包括：
SA，光线通过狭缝控制其入射的宽度；
SB，通过所述准直镜，对光线进行准直；
SC，通过所述透射光栅，光线发生衍射，按不同的衍射角出射；
SD，在所述聚焦镜的作用下，将不同波段的光线在光电探测元件表面成像。
5.根据权利要求1所述一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法，其特征在于，所述光源的波长区间为180-800nm。
6.一种基于权利要求1-5中任一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，其特征在于，包括沿光线方向依次设置的光源、空腔光纤检测腔、光学分光机构、PC上位机；
所述空芯光纤检测腔，包括：
分叉光纤，设置有一个进口端和若干出口端，用于将光源分解成若干同等光亮；
空芯光纤，其进口端与所述分叉光纤的出口端连接；
蠕动泵，与所述空芯光纤连接，用于向所述空芯光纤内泵入或抽出溶液；
阀门转换开关，设置在所述空芯光纤的出口端；
光纤准直镜，设置在所述分叉光纤与空芯光纤、所述空芯光纤与阀门转换开关之间，用于将光线整合为平行光束；
所述光学分光机构，包括沿光线方向依次间隔设置光学狭缝、准直镜、透射光栅、聚焦镜和光电探测元件。
7.根据权利要求6所述的一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，其特征在于，所述待测通道用于通入待测溶液包括第一通道、第二通道和第三通道；所述参考通道用于通入去离子水包括第四通道，所述待测通道与参考通道为完全相同的空芯光纤。
8.根据权利要求6所述的一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，其特征在于，所述空芯光纤的两端设置有与所述蠕动泵连接的槽口，用于将溶液泵入或抽出空芯光纤。
9.根据权利要求6所述的一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，其特征在于，所述空芯光纤的玻璃管内壁镀有一层不与待测溶液发生反应的镀层金属。
10.根据权利要求6所述的一种基于空芯光纤的多通道溶液浓度检测方法的检测装置，其特征在于，所述空芯光纤设置有多种不同长度的尺寸，用于检测装置对不同光程测量时的更换。
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