CN116124720A - 一种水质在线监测方法及水质在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水质在线监测方法及水质在线监测装置，该方法包括：使平行光束穿过待测水样后在分列于待测水样相对侧的第一反射镜与第二反射镜之间进行反射n次之后到达汇聚透镜，通过吸收光谱检测模块检测从汇聚透镜射出的光线的光谱数据；第一反射镜包括多个阵列设置的反射微镜以及用于驱动反射微镜发生转动的驱动模块，通过调整反射微镜的转动角度进而控制n的大小，该装置包括前述的各设备；本发明通过调整部分反射微镜的转动角度以达到反射镜面的不同偏转角度，最终实现光在检测区域的一次或多次反射，可以调整被测水体吸收光谱的光程，可以拓宽检测设备的检测范围，提高检测精度，从而满足宽量程、高精度的实时检测。

Description

一种水质在线监测方法及水质在线监测装置

技术领域

本发明涉及水质在线监测技术领域，尤其是在不同水质、复杂水质环境下的水质污染程度的监测，具体涉及了一种水质在线监测方法及水质在线监测装置。

背景技术

传统的水污染检测手段主要是实验室法及半导体传感器法。其中实验室法主要采用人工前往水体现场采样并携带回实验室，采用化学滴定、中和等方法，实现对水体中的COD(化学需氧量)、VOC(挥发性有机物)、重金属等有害物质的检测，该种方法具有准确度高、受外界环境影响小等优点，但同时也存在人工成本高、实时性不好、所取水样不具有完整的代表性等缺点，严重影响污水预警与治理的及时性，并且由于采用化学方式对水样进行预处理等因素，在检测过程中产生的化学废液将对水体产生二次污染。对于采用半导体传感器进行检测，虽然其具有实时性好、集成度高、体积小等信息时代的诸多优点，但同时由于其受温湿度等环境因素的影响较大，且由于其原理仍然是基于化学属性，随时间变化，其存在灵敏度降低等问题，且一般需要半年左右更换一次传感器探头，因此其对于大规模应用或无人监测系统来说仍然存在不足。光谱吸收法是近年来环境监测领域广泛应用的一种方法，其具有维护少、响应速度快、受环境影响小等优点，但也存在吸收光程单一，可检测量程范围小等严重制约其广泛应用的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的一个或多个不足，提供一种新型的能够兼具宽量程、量程可调、高精度的水质在线监测方法。

本发明同时还提供了一种实现上述水质在线监测方法的水质在线监测装置。

为达到上述目的，本发明采用的一种技术方案是：一种水质在线监测方法，该水质在线监测方法包括：

使平行光束穿过待测水样后在分列于待测水样相对侧的第一反射镜与第二反射镜之间进行反射n次之后到达汇聚透镜，通过吸收光谱检测模块检测从所述汇聚透镜射出的光线的光谱数据；

n大于等于0，当n为0时，平行光束经过第一反射镜反射后进入汇聚透镜；

当n大于0时，平行光束先在第一反射镜与第二反射镜之间反射并最终经由第一反射镜反射后到达汇聚透镜；

所述第一反射镜包括多个阵列设置的反射微镜以及用于驱动所述反射微镜发生转动的驱动模块，通过调整所述反射微镜的转动角度进而控制n的大小。

根据本发明，当待测水样中COD、VOC等污染物浓度较高时，此时由于污染物浓度较高，光谱中特殊波长的光被吸收较多，为实现分辨不同浓度，则需要减少光程；

当待测水样中COD、VOC等污染物污染程度较低时，为实现污染程度的分辨，则需要增加光程以增加待测水样对特定波长光谱的吸收。

进一步地，本发明中，当待测水样的污染程度小于预设值，通过改变所述反射微镜的转动角度以使n变大；

当待测水样的污染程度大于预设值，通过改变所述反射微镜的转动角度以使n变小。

根据本发明的一些优选方面，多个阵列设置的所述反射微镜沿着待测水样的流通方向呈线性排列。

根据本发明的一些优选且具体的方面，所述驱动模块具有多个，其数量与所述反射微镜的数量一一对应，每个所述驱动模块与一个所述反射微镜传动连接且用于驱动各自对应的所述反射微镜发生转动。

根据本发明的一些优选且具体的方面，所述驱动模块具有多个，每个所述驱动模块分别与至少2个所述反射微镜传动连接且用于驱动该至少2个所述反射微镜发生同步和同向转动。

根据本发明的一些优选方面，所述反射微镜为MEMS微镜。

根据本发明的一些优选方面，所述第二反射镜的结构与所述第一反射镜相同。

根据本发明的一些优选方面，所述平行光束通过平行光供给模组提供，所述平行光供给模组包括光源、准直透镜，所述准直透镜设置在所述光源的前侧且用于将来自所述光源的光线转换成平行光束。

根据本发明的一些优选方面，所述平行光供给模组固定地设置且用于使平行光束以固定方向经过待测水样并入射至所述第一反射镜。

在本发明的一些优选实施方式中，所述准直透镜、所述第二反射镜、所述汇聚透镜依次设置且分别位于所述待测水样的同一侧；

所述平行光束的入射角度以β表示，所述第一反射镜与所述第二反射镜之间的距离以H表示，所述准直透镜与所述汇聚透镜之间的距离以L表示，所述第二反射镜上发生的反射次数为n，所述反射微镜的转动角度以Δθ表示；

Δθ通过如下公式计算得到：

本发明提供的又一技术方案：一种水质在线监测装置，该水质在线监测装置包括：

待测水样检测区，其至少用于供待测水样流通；

平行光供给模组，用于提供平行光束；

第一反射镜、第二反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜分列于所述待测水样检测区的相对两侧，且所述第一反射镜、所述第二反射镜允许平行光束在两者之间发生反射；

汇聚透镜，所述第二反射镜、所述汇聚透镜分别位于所述待测水样检测区的同侧，该汇聚透镜用于收集反射结束后从所述第一反射镜反射出的光线；

吸收光谱检测模块，用于检测从所述汇聚透镜射出的光线的光谱数据；

其中，所述第一反射镜包括转动地设置的反射微镜以及用于驱动所述反射微镜发生转动的驱动模块，所述反射微镜具有多个且呈阵列设置。

根据本发明的一些优选方面，所述水质在线监测装置还包括控制系统，该控制系统分别与所述驱动模块、所述吸收光谱检测模块通信连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明创新地通过调整部分反射微镜的转动角度以达到反射镜面的不同偏转角度，最终实现光在检测区域的一次或多次反射，可以调整被测水体吸收光谱的光程，当需要时可以及时通过增强水体对光谱的吸收能力，拓宽检测设备的检测范围，提高检测精度，从而满足宽量程、高精度的实时检测；当进入未知污染程度水体时，可通过读取吸收光谱检测模块数据并判断检测该水体所需的合适光程，实现检测光程的自适应调整，进而实现高、低浓度污染水样的在线实时监测，可以完成对单一环境水质或多种环境水质的综合在线监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例中水质在线监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中第一反射镜的结构示意图；

图3为本发明实施例中水质在线监测装置检测高污染水样时的示意图；

图4为本发明实施例中水质在线监测装置检测低污染水样时的示意图；

附图标记中：1、待测水样检测区；2、平行光供给模组；21、光源；22、准直透镜；3、第一反射镜；31、反射微镜；4、第二反射镜；5、汇聚透镜；6、吸收光谱检测模块。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图与具体实施方式对本发明做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

本例提供了一种水质在线监测方法，该水质在线监测方法包括：

使平行光束穿过待测水样后在分列于待测水样相对侧的第一反射镜与第二反射镜之间进行反射n次之后到达汇聚透镜，通过吸收光谱检测模块检测从所述汇聚透镜射出的光线的光谱数据；

n大于等于0，当n为0时，平行光束经过第一反射镜反射后进入汇聚透镜；

当n大于0时，平行光束先在第一反射镜与第二反射镜之间反射并最终经由第一反射镜反射后到达汇聚透镜；

所述第一反射镜包括多个阵列设置的反射微镜以及用于驱动所述反射微镜发生转动的驱动模块，通过调整所述反射微镜的转动角度进而控制n的大小。

本例中，当待测水样中COD、VOC等污染物浓度较高时，此时由于污染物浓度较高，光谱中特殊波长的光被吸收较多，为实现分辨不同浓度，则需要减少光程；当待测水样中COD、VOC等污染物污染程度较低时，为实现污染程度的分辨，则需要增加光程以增加待测水样对特定波长光谱的吸收。进一步地，当待测水样的污染程度小于预设值，通过改变所述反射微镜的转动角度以使n变大；当待测水样的污染程度大于预设值，通过改变所述反射微镜的转动角度以使n变小。

进一步地，本例中，该水质在线监测方法还包括对光谱数据进行分析的判断工序，该判断工序包括：

当读取到光谱后，对检测得到的光谱数据进行信号强度的判断，若低于预期信号强度，也即信号强度过小时，也即可能由于污水污染程度较低，其光谱吸收较弱，如光程较短，吸收光谱检测模块可能无法检测到吸收光谱的变化，则通过改变所述反射微镜的转动角度以增加光线在反射镜之间反射的次数，进而增加光程；

若超出预期信号强度，也即可能由于污水污染程度较高，其光谱吸收能力较强，如光程较长，则容易使得吸收过多，吸收光谱检测模块无法监测光谱的变化，则通过改变所述反射微镜的转动角度以减少光线在反射镜之间反射的次数，进而减少光程；

若信号强度符合预期信号强度，则输出该信号。

下面结合附图1-4的水质在线监测装置对本发明上述水质在线监测方法进行进一步说明，便于理解。

具体地，如图1至图4所示，本例提供一种水质在线监测装置，该水质在线监测装置包括：

待测水样检测区1，其至少用于供待测水样流通；

平行光供给模组2，用于提供平行光束；

第一反射镜3、第二反射镜4，第一反射镜3、第二反射镜4分列于待测水样检测区1的相对两侧，且第一反射镜3、第二反射镜4允许平行光束在两者之间发生反射；

汇聚透镜5，第二反射镜4、汇聚透镜5分别位于待测水样检测区1的同侧，该汇聚透镜5用于收集反射结束后从第一反射镜3反射出的光线；

吸收光谱检测模块6，用于检测从汇聚透镜5射出的光线的光谱数据；

其中，第一反射镜3包括转动地设置的反射微镜31以及用于驱动反射微镜31发生转动的驱动模块(未示出)，反射微镜31具有多个且呈阵列设置。

本例中，如图1-2所示，多个阵列设置的反射微镜31沿着待测水样的流通方向呈线性排列，第二反射镜4的结构与第一反射镜3相同，也即本例中，在通过控制第一反射镜3以调节光程之时，也可以将第二反射镜4设置成包括多个反射微镜的结构，进一步增加光程的可调节性。当然，在其他实施方式中，第二反射镜的结构也可以采用常规的普通反射镜。

作为可选的实施方式，驱动模块具有多个，其数量与反射微镜31的数量一一对应，每个驱动模块与一个反射微镜31传动连接且用于驱动各自对应的反射微镜31发生转动；或，驱动模块具有多个，每个驱动模块分别与至少2个反射微镜31传动连接且用于驱动该至少2个反射微镜31发生同步和同向转动。进一步地，本例中，反射微镜为MEMS微镜，微电子机械系统技术(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)，是利用成熟的半导体制备工艺将驱动装置和反射镜片集成在一起，实现器件的微型化；本发明中，MEMS微镜本身可以过已有方法进行制备或者商购获得；MEMS微镜的基本原理为：通过微机电驱动机构精确控制微镜镜面旋转的驱动力，实现精确控制微镜镜面的旋转角度，从而达到精确控制光线的传播方向。现有MEMS微镜根据镜面可旋转方向可分为一维和二维MEMS微镜，根据驱动方式不同又可分为静电驱动型、电磁驱动型、电热驱动型及压电驱动型等种类，因此，本例中可以电压驱动，通过控制施加在反射微镜上的电压大小以实现反射镜面不同角度的偏转，从而控制光线在两个反射镜之间的反射次数。

本例中，平行光供给模组2包括光源21(可以为氙灯，其为利用氙(xian)气放电而发光的电光源，由于灯内放电物质是惰性气体氙气，其激发电位和电离电位相差较小，便于激发)、准直透镜22，准直透镜22设置在光源21的前侧且用于将来自光源21的光线转换成平行光束；进一步地，平行光供给模组2固定地设置且用于使平行光束以固定方向经过待测水样并入射至第一反射镜3。

本例中，水质在线监测装置还包括控制系统(未示出)，该控制系统分别与驱动模块、吸收光谱检测模块6通信连接，可以实现远程监控操作。

本例中，汇聚透镜5采用大口径以利于收集检测区域光信号的效率最大化，具体使汇聚透镜5的焦点汇聚于吸收光谱检测模块6，其作用是最大程度地收集经第一反射镜3反射后穿过待测水样检测区1中的待测水样的光，并传递至吸收光谱检测模块6，实现信号的最大化。

本例中，准直透镜22、第二反射镜4、汇聚透镜5依次设置且分别位于待测水样检测区1的同一侧。

进一步地，本例中，如图3所示，当待测水样中COD、VOC等污染物浓度较高时，其光谱吸收能力较强，如光程较长，则容易使得吸收过多，吸收光谱检测模块6无法监测光谱的变化，需要减小测量光程。为减小待测水样检测区1的测量光程，可以通过调整反射微镜31的转动角度以控制其反射镜面的偏转角度，使得平行光束照射过来后直接反射至汇聚透镜5，此时即可实现检测光程的缩短，达到高污染水质的在线实时监测；在此种情况下，可实现最短光程，可通过吸收光谱检测模,6读取此时待测水样的吸收光谱；

如图4所示，当待测水样中COD、VOC等污染物污染程度较低时，其光谱吸收较弱，如光程较短，吸收光谱检测模块6可能无法检测到吸收光谱的变化。为增加光谱吸收，通过增加光线在待测水样检测区1内的反射次数，实现检测光程的增加。通过调整反射微镜31的转动角度以控制其反射镜面的偏转角度，使得平行光束入射至第一反射镜3的反射微镜31之后能够反射至第二反射镜4上，并经第二反射镜4的反射使得光线再次进入第一反射镜3，如果光程还不够，则还可以继续控制第一反射镜上的对应位置反射微镜继续转动以控制反射镜面的偏转角度，使得光线在第一反射镜与第二反射镜之间重复反射多次，最终反射完成之后经由第一反射镜反射至汇聚透镜，此时可实现光程的较大增长，实现低污染水质的在线实时监测；图4中光线在第一反射镜3上完成两次反射，在第二反射镜4上完成一次反射。

进一步地，本例中，平行光束的入射角度以β表示，第一反射镜3与第二反射镜4之间的距离以H表示，准直透镜22与汇聚透镜5之间的距离(各自的中心点之间的距离)以L表示，第二反射镜4上发生的反射次数为n，经第一反射镜3反射后的光需要进入汇聚透镜5则需要的反射角为θ，反射微镜31的转动角度以Δθ表示；

如图3所示，当光源21发生的光仅准直透镜22处理后以平行光束入射至第一反射镜3后直接反射至汇聚透镜5时，其入射的位置L₁(该位置正投影到第二反射镜上的点与准直透镜中心点之间的距离)为：

L₁＝H*tanβ；

此时，经第一反射镜3反射后的光需要进入汇聚透镜5则需要的反射角θ为：

根据光反射原理，入射角与反射角相等，那么第一反射镜3上的部分反射微镜31所需要偏转角度为：

将上述公式代入则可得：

如图4所示，当光线在第一反射镜3与第二反射镜4之间发生了反射，图4中，在第一反射镜3上反射了2次，在第二反射镜4上反射了1次；则平行光束经第一反射镜3反射后的光进入第二反射镜4的入射角则为：

根据光反射原理，第一反射镜3上对应反射微镜31需要偏转的角度为：

以此类推，当需要在第二反射镜4进行n次反射时，则需要第一反射镜3上对应反射微镜31需要转动的角度为：

由上可知，本例通过对反射微镜的微调，使其偏转一定角度，实现光在检测区域的多次反射，以增加被测水体吸收光谱的光程，增强水体对光谱的吸收能力，拓宽检测设备的检测范围，提高了检测精度，也即实现了：通过自适应光程调节，根据待测水样自适应动态调整光程，实现高、低浓度污染水样的在线实时监测，当进入未知污染程度水体时，可通过读取吸收光谱检测模块数据并判断检测该水体所需的合适光程，实现检测光程的自适应调整，同时本例的装置结构基于其排布方式可以实现检测设备的微型化、系统化，缩小占比空间。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水质在线监测方法，其特征在于，该水质在线监测方法包括：

使平行光束穿过待测水样后在分列于待测水样相对侧的第一反射镜与第二反射镜之间进行反射n次之后到达汇聚透镜，通过吸收光谱检测模块检测从所述汇聚透镜射出的光线的光谱数据；

n大于等于0，当n为0时，平行光束经过第一反射镜反射后进入汇聚透镜；

当n大于0时，平行光束先在第一反射镜与第二反射镜之间反射并最终经由第一反射镜反射后到达汇聚透镜；

所述第一反射镜包括多个阵列设置的反射微镜以及用于驱动所述反射微镜发生转动的驱动模块，通过调整所述反射微镜的转动角度进而控制n的大小。

2.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，当待测水样的污染程度小于预设值，通过改变所述反射微镜的转动角度以使n变大；

当待测水样的污染程度大于预设值，通过改变所述反射微镜的转动角度以使n变小。

3.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，多个阵列设置的所述反射微镜沿着待测水样的流通方向呈线性排列。

4.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，所述驱动模块具有多个，其数量与所述反射微镜的数量一一对应，每个所述驱动模块与一个所述反射微镜传动连接且用于驱动各自对应的所述反射微镜发生转动；

或，所述驱动模块具有多个，每个所述驱动模块分别与至少2个所述反射微镜传动连接且用于驱动该至少2个所述反射微镜发生同步和同向转动。

5.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，所述反射微镜为MEMS微镜。

6.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，所述第二反射镜的结构与所述第一反射镜相同。

7.根据权利要求1所述的水质在线监测方法，其特征在于，所述平行光束通过平行光供给模组提供，所述平行光供给模组包括光源、准直透镜，所述准直透镜设置在所述光源的前侧且用于将来自所述光源的光线转换成平行光束。

8.根据权利要求7所述的水质在线监测方法，其特征在于，所述平行光供给模组固定地设置且用于使平行光束以固定方向经过待测水样并入射至所述第一反射镜。

9.根据权利要求7所述的水质在线监测方法，其特征在于，所述准直透镜、所述第二反射镜、所述汇聚透镜依次设置且分别位于所述待测水样的同一侧；

所述平行光束的入射角度以β表示，所述第一反射镜与所述第二反射镜之间的距离以H表示，所述准直透镜与所述汇聚透镜之间的距离以L表示，所述第二反射镜上发生的反射次数为n，所述反射微镜的转动角度以Δθ表示；

Δθ通过如下公式计算得到：

10.一种水质在线监测装置，其特征在于，该水质在线监测装置包括：

待测水样检测区，其至少用于供待测水样流通；

平行光供给模组，用于提供平行光束；

第一反射镜、第二反射镜，所述第一反射镜、所述第二反射镜分列于所述待测水样检测区的相对两侧，且所述第一反射镜、所述第二反射镜允许平行光束在两者之间发生反射；

汇聚透镜，所述第二反射镜、所述汇聚透镜分别位于所述待测水样检测区的同侧，该汇聚透镜用于收集反射结束后从所述第一反射镜反射出的光线；

吸收光谱检测模块，用于检测从所述汇聚透镜射出的光线的光谱数据；

其中，所述第一反射镜包括转动地设置的反射微镜以及用于驱动所述反射微镜发生转动的驱动模块，所述反射微镜具有多个且呈阵列设置。

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