CN117990634A - 多光谱传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种多光谱传感器，包括依次设置的集成LED光源、光纤、吸收池与多通道检测器：所述集成LED光源上均布有多个能发出不同频段光线的LED灯珠，所述集成LED光源与光纤之间设有聚光透镜；所述多通道检测器与光纤对准，所述多通道检测器为全息凹面光栅与200个阵列的光电二极管组成。相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：通过全息凹面光栅与200个阵列的光电二极管组成的多通道检测器配合集成LED光源与光纤，其解决了现有水质传感器中存在的无法对多种成分的有机物进行准确检测的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及多光谱传感器。
背景技术
水质感应器是现代环境监测和水资源管理中不可或缺的工具，它们利用各种技术手段对水中的物理、化学和生物参数进行实时或定期检测。现有的水质感应器技术涵盖了多种方法：
传统的电化学传感器通过测量电化学反应来检测水质参数，如pH值、溶解氧、电导率和某些重金属离子。生物传感器则依赖于生物活性物质(如酶、抗体或微生物)与目标物质的特异性相互作用，用于检测特定的有机污染物或微生物。然而，随着科技的进步，光学检测方法在水质监测中逐渐崭露头角。光学水质感应器利用光的性质，如吸收、反射、散射和荧光，来分析水中的各种成分和特性。这些方法具有非侵入性、无需化学试剂、响应速度快、灵敏度高和可实现在线连续监测等优点。
例如，光学吸收法可以通过测量特定波长的光穿过水样后的衰减程度，来测定浊度、色度和某些溶解物质的浓度。荧光光谱法可以检测水中的藻类、有机污染物和某些重金属离子，因为这些物质在特定波长的激发下会发出特征荧光。此外，光纤传感器由于其抗电磁干扰、尺寸小、可远程传输和生物兼容性好等特点，在水质参数检测中也得到了广泛应用。
光学检测方法的引入不仅提升了水质监测的精度和效率，也为环境保护和水资源管理提供了更为先进和可靠的工具。随着光电子技术和纳米材料科学的发展，我们可以预期未来的光学水质感应器将更加智能化、微型化和多功能化，为全球的水质保护工作做出更大的贡献。
其中使用光学吸收法的传感器中，都是采用了单光谱法进行测量，而单光谱分为单波长法和双波长法；单波长法就是在一个理想状态下，波长的吸光度和被测物质浓度呈现简单线性关系，这也是简单遵循朗伯-比尔定律的测试方法，忽略干扰物质浓度的影响。而双光谱法则是为了解决单光谱的问题，用紫外单波长测浓度，另一个波长测干扰物质浓度，两者再相减。实际在测试中，为了保证精度，单波长和双波长需要不断地进行模型校正，以适应组分浓度矩阵的变化。
但是单光谱最大的弱点是选定一个波长，假定最大的吸收峰值出现在这个波长。如传统UV法测量的波长在254nm，事实上由于水中的情况复杂，无法判定吸收峰值就在这个波长，不同的污水存在着特定的吸收峰，只用254nm的波长捕捉全部有机物是非常困难的。即使选定的波长是正确的，用双波长法的仅靠一个补偿波长的补偿方式，也无法对水中各种干扰物质进行完全的补偿。因此单光谱法存在一定的测量误差，而在实际使用中某些情况下误差是不允许的，因此只适合于成分比较单一的污水进行测量，无法对多成分的污水进行测量。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种多光谱传感器，其解决了现有水质传感器中存在的无法对多种成分的有机物进行准确检测的技术问题。
根据本发明的实施例记载的一种多光谱传感器，包括依次设置的集成LED光源、光纤、吸收池与多通道检测器：
所述集成LED光源上均布有多个能发出不同频段光线的LED灯珠，所述集成LED光源与光纤之间设有聚光透镜；
所述多通道检测器与光纤对准，所述多通道检测器为全息凹面光栅与200个阵列的光电二极管组成。
本发明的技术原理为：通过集成LED光源发射特定频段范围的光线，并通过聚光透镜汇聚到光纤内，然后特定频段范围的光线在光纤内传导到吸收池，吸收池中是待测液体，特定频段范围的光线被待测液体吸收部分后，剩余光线进入多通道检测器，经过多通道检测器中的全息凹面光栅最终在200个阵列的光电二极管上转变为电信号，然后储存。
因为是特定频段范围的光线，因此可以满足该范围内的吸收峰的污水的检测，进而可以对如硝氮、亚硝酸氮和COD等多种成分同时检测，且检测结果准确。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：通过全息凹面光栅与200个阵列的光电二极管组成的多通道检测器配合集成LED光源与光纤，其解决了现有水质传感器中存在的无法对多种成分的有机物进行准确检测的技术问题。
进一步的，还包括外壳，所述外壳上设有凹槽，所述凹槽为吸收池，所述LED光源、光纤与多通道检测器设置在外壳内，所述凹槽位置对准光纤与多通道检测器处设有连接口，所述连接口处设有密封镜片。
保证了多光谱传感器的优良防水性能，同时该结构体积小巧。
进一步的，所述LED灯珠以聚光透镜中心为圆心进行周向均布。
便于聚光透镜将光线导入光纤。
进一步的，所述LED灯珠采用深紫外LED，所述深紫外LED的波段为200-390nm。
采用了深紫外LED保证了其波段保持在200-390nm，相对于传统光谱分析使用的氙灯或氘灯，其一般尺寸达到100mmX50mmX40mm,使用时还需要提前预热且使用功耗达100mW以上,其具有使用方便、节能、体积小灯特点，进而可以使用在水质传感器中。
进一步的，所述光纤为Y形光纤，所述Y形光纤的公共端对准集成LED光源，所述Y形光纤的一分支端对准多通道检测器，所述Y形光纤的另一分支端处设有参照模块，所述参照模块也为多通道检测器。
即设置了一组参照组，便于后续数据处理中，进行光衰补偿等，保证了检测的准确度。
进一步的，所述外壳内位于凹槽两侧分别设有光源控制电路板与检测控制电路板，所述光源控制电路板分别连接控制集成LED光源与参照模块，所述检测控制电路板连接控制多通道检测器。
进一步的，所述光源控制电路板与检测控制电路板中都设有控制模块、储存模块与通讯模块，所述光源控制电路板与检测控制电路板都通过通讯模块连接服务器。
进一步的，所述光源控制电路板的控制模块分别连接控制每个LED灯珠，所述检测控制电路板的控制模块分别连接控制多通道检测器的200个阵列的光电二极管依次工作。
进一步的，所述光源控制电路板的控制模块分别连接控制参照模块的200个阵列的光电二极管依次工作。
其中200个阵列的光电二极管是依次工作，保证信号采集的准确度。
进一步的，所述外壳内还设有清理装置，所述清理装置包括清理电机与刷板，所述清理电机设置在外壳内，所述刷板设置在凹槽内，所述清理电机连接有一根传动轴，所述传动轴穿透外壳与刷板连接；所述光源控制电路板的控制模块连接控制清理电机。
设置清理电机，用于定期清理凹槽，保证检测准确度，因为本申请采用的是多光谱传感器，需要用于复杂水域的水质检测，其设置清理电机可以保证检测的准确度。
附图说明
图1为本发明实施例的多光谱传感器原理示意图。
图2为本发明实施例的多光谱传感器结构示意图。
图3为本发明实施例的多通道检测器结构示意图。
图4为本发明实施例的光谱传感器测量与国标法柜式化学测量仪的测量数据比较图。
图5为本发明实施例的光源控制电路板控制示意图。
图6为本发明实施例的检测控制电路板控制示意图。
上述附图中：10、集成LED光源；11、LED灯珠；20、光纤；21、聚光透镜；30、多通道检测器；31、全息凹面光栅；32、200个阵列的光电二极管；40、外壳；41、凹槽；42、连接口；43、密封镜片；50、光源控制电路板；60、检测控制电路板；70、清理装置；71、清理电机；72、刷板；73、传动轴。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
如图1-2所示的多光谱传感器，包括依次设置的集成LED光源10、光纤20、吸收池与多通道检测器30以及外壳40；其中外壳40上设有凹槽41，凹槽41为吸收池，用于检测液体流过，进行检测；LED光源、光纤20与多通道检测器30设置在外壳40内，凹槽41位置对准光纤20与多通道检测器30处设有连接口42，连接口42处设有密封镜片43，进而光线可以通过密封镜片43透出，照射在凹槽41内。
集成LED光源10上均布有多个能发出不同频段光线的LED灯珠11，集成LED光源10与光纤20之间设有聚光透镜21，用于将所有的LED灯珠11的光线汇集到光纤20中。
如图3所示，多通道检测器30与光纤20对准，保证能接受所有光线，多通道检测器30为全息凹面光栅31与200个阵列的光电二极管32组成，即进行200个波长检测测试，其分辨率可以达到0.8nm。
具体如图3所示，同时在本申请中不同频段光线经过光纤20传导至输出端(多通道检测器30处)，经过内部设计的反射光栅将测量光束反射到200点阵检测器变换成所需测量的电信号输出。采用光纤20传导，可以使光在封闭的纤维内沿着任意曲折得光路进行传输。光纤20可以代替传统的透镜、棱镜、反射镜等复杂的光学系统，避免了机械辅助固定，稳定性提高，减小了仪器的体积和重量。光栅和检测器集成设计，避免了分离式的反复校正光栅和检测器的位置，加强了仪器的可靠性。缩短了光程，使传感器整体小型化。
如图1所示，LED灯珠11以聚光透镜21中心为圆心进行周向均布，LED灯珠11采用深紫外LED，其中深紫外LED的波段为200-390nm。具体的本申请采用的深紫外LED的直径和长度都不到10mm，功耗不高于4mW，进而保证其能在小型的传感器中使用。
通过本申请采用的深紫外LED配合多通道检测器30，可以用同一原理测量COD、BOD、TOC、DOC(溶解有机物)等参数；即使在悬浮物浓度很高，达到每克升(g/l)的含量的情况下，也可以通过独特的悬浮物/浊度光谱补偿算法，准确测量所需的参数，其测量精度通常高于柜式在线分析仪的测量，具体如图4所示的本申请的光谱传感器测量与国标法柜式化学测量仪的测量数据比较图。
如图1-2所示，光纤20为Y形光纤20，Y形光纤20的公共端对准集成LED光源10，Y形光纤20的一分支端对准多通道检测器30，Y形光纤20的另一分支端处设有参照模块，参照模块也为多通道检测器30，进而设置了参照组，用于对检测数据进行补偿。
如图2所示，外壳40内位于凹槽41两侧分别设有光源控制电路板50与检测控制电路板60，光源控制电路板50分别连接控制集成LED光源10与参照模块，检测控制电路板60连接控制多通道检测器30。
如图5-6所示，光源控制电路板50与检测控制电路板60中都设有控制模块、储存模块与通讯模块，其中光源控制电路板50与检测控制电路板60都通过通讯模块连接服务器，进而两者可以分别上传数据，且相互之间不影响。
具体的光源控制电路板50的控制模块分别连接控制每个LED灯珠11，检测控制电路板60的控制模块分别连接控制多通道检测器30的200个阵列的光电二极管32依次工作，光源控制电路板50的控制模块分别连接控制参照模块的200个阵列的光电二极管32依次工作，进而可以根据实际检测需求关闭部分LED灯珠11与部分光电二极管，比如测量额数据只有两个时，可以关闭部分LED灯珠11与光电二极管，进而节省能源。
如图2、5所示，外壳40内还设有清理装置70，用于清理，清理装置70包括清理电机71与刷板72，清理电机71设置在外壳40内，刷板72设置在凹槽41内，清理电机71连接有一根传动轴73，传动轴73穿透外壳40与刷板72连接，实现驱动；光源控制电路板50的控制模块连接控制清理电机71，进而控制清理装置70定期清理凹槽41。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种多光谱传感器，其特征在于：包括依次设置的集成LED光源、光纤、吸收池与多通道检测器：
所述集成LED光源上均布有多个能发出不同频段光线的LED灯珠，所述集成LED光源与光纤之间设有聚光透镜；
所述多通道检测器与光纤对准，所述多通道检测器为全息凹面光栅与200个阵列的光电二极管组成。
2.如权利要求1所述的多光谱传感器，其特征在于：还包括外壳，所述外壳上设有凹槽，所述凹槽为吸收池，所述LED光源、光纤与多通道检测器设置在外壳内，所述凹槽位置对准光纤与多通道检测器处设有连接口，所述连接口处设有密封镜片。
3.如权利要求1所述的多光谱传感器，其特征在于：所述LED灯珠以聚光透镜中心为圆心进行周向均布。
4.如权利要求1所述的多光谱传感器，其特征在于：所述LED灯珠采用深紫外LED，所述深紫外LED的波段为200-390nm。
5.如权利要求2所述的多光谱传感器，其特征在于：所述光纤为Y形光纤，所述Y形光纤的公共端对准集成LED光源，所述Y形光纤的一分支端对准多通道检测器，所述Y形光纤的另一分支端处设有参照模块，所述参照模块也为多通道检测器。
6.如权利要求5所述的多光谱传感器，其特征在于：所述外壳内位于凹槽两侧分别设有光源控制电路板与检测控制电路板，所述光源控制电路板分别连接控制集成LED光源与参照模块，所述检测控制电路板连接控制多通道检测器。
7.如权利要求6所述的多光谱传感器，其特征在于：所述光源控制电路板与检测控制电路板中都设有控制模块、储存模块与通讯模块，所述光源控制电路板与检测控制电路板都通过通讯模块连接服务器。
8.如权利要求7所述的多光谱传感器，其特征在于：所述光源控制电路板的控制模块分别连接控制每个LED灯珠，所述检测控制电路板的控制模块分别连接控制多通道检测器的200个阵列的光电二极管依次工作。
9.如权利要求8所述的多光谱传感器，其特征在于：所述光源控制电路板的控制模块分别连接控制参照模块的200个阵列的光电二极管依次工作。
10.如权利要求7所述的多光谱传感器，其特征在于：所述外壳内还设有清理装置，所述清理装置包括清理电机与刷板，所述清理电机设置在外壳内，所述刷板设置在凹槽内，所述清理电机连接有一根传动轴，所述传动轴穿透外壳与刷板连接；所述光源控制电路板的控制模块连接控制清理电机。
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