CN203732481U

CN203732481U - 基于鱼类生物电频谱的水质监测系统

Info

Publication number: CN203732481U
Application number: CN201420008183.7U
Authority: CN
Inventors: 杨凌升; 徐宏岭
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2024-01-07

Abstract

一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块以及数据分析模块；数据采集模块包括循环水槽、监视水槽和板状电极；数据处理模块为滤波增幅电路，滤波增幅电路包括高通滤波器、低通滤波器、功率放大器和陷波器；并按照输入端、高通滤波器、功率放大器、低通滤波器、功率放大器、陷波器、输出端的顺序进行连接；数据分析模块包括频谱仪和模数转换电路。本实用新型具有反应灵敏、精度高、成本低、能够提高为人民服务的水准；能够广泛布点，打破外国公司对我国水质监测系统的垄断的有益效果。

Description

基于鱼类生物电频谱的水质监测系统

技术领域

本实用新型属于环保监测中的水质监测系统领域，具体涉及一种利用生物电频谱对水质进行监测的基于鱼类生物电频谱的水质监测系统。

背景技术

鱼类在线监测系统的使用始于1929年，最初是以鱼类死亡或呼吸变化为指标。目前已发展为以鱼类正趋流性、回避行为、游泳行为、弱电脉冲或耗氧率等为指标的仪器系统，敏感性相比最初大为提高。

作为新兴技术，鱼类监测尚有一些重要技术问题有待解决：

（1）在判定受试鱼类的运动行为变化上尚没有明确标准；

（2）受试鱼类的行为运动受到多因素影响，导致结论偏差；

（3）低浓度的水体污染在短时间内影响鱼类的运动行为有限，给在线鱼类监测造成一定的难度；

（4）受技术水平的制约，在线鱼类监测技术目前还难以对污染物进行定量分析。

1993年，美国学者Costan G与Bermingham N提出了可以利用鱼类活动电位来实现对水质的监测，通过根据投入毒物后，电极间采集到的生物电位的抖动程度，来判断水体是否受到污染。

2005年，中国学者利用通过鱼类活动电位对水质进行监测的原理设计出《利用鱼的活动电位变化监测水中有毒物质的方法》，通过观测鲫鱼和锦鲤的活动电位来监测水质。但是，鱼的活动电位数量级一般为μV，非常微弱，由于未考虑到系统周边电磁环境，对采集到的信号未进行足够的减噪处理，因此对鱼的活动电位无法精确测量。并且通过活动电位监测水质存在以下两点问题：

（1）当投入的毒物浓度过低时，生物电位变化不是很强烈，所产生的电位信号抖动可能未超过预警线，但实际上已经对水体产生了污染；

（2）仅通过生物电位无法得知投入的毒物对鱼的哪种生理机能产生影响，从而导致在反应灵敏度上较弱，所以无法形成有效的判据。

国内还有几套利用了鱼的水质监测系统，如《基于鱼类多样本统计的水质污染预警系统及预警方法》。该方法对监测及参考图像帧分别处理后得到监测及参考小鱼的运动参数，分别判断监测鱼缸是否处于报警范围以及参考鱼缸中小鱼是否处于异常状态，在监测鱼缸处于报警范围且参考鱼缸中小鱼处于异常状态时确定原水受到污染。但通过小鱼的运动图像变化，势必需要较高浓度的毒物，否则对鱼体的影响不会太强烈、无法在短时间内引起鱼类的运动变化。因此该系统依然无法实现低浓度下的快速检测功能。

目前我国自主生产的生物水质监测仪器与国外知名品牌如美国哈希、日本岛津等相比存在较大差距，仍需要依赖进口；因此生产出精度高、反应灵敏、成本低的生物水质监测仪器是目前急需解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，通过采集电信号，对电信号进行降噪放大处理，再通过数据分析模块建立电信号与频率之间的相对应关系，细分为呼吸运动产生的活动电位与游泳运动产生的活动电位，根据各种运动活动电位算出相应的功率，通过各种运动功率在总运动功率中所占比值的变化对水质进行监测。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块以及数据分析模块；数据采集模块包括循环水槽、监视水槽和板状电极；数据处理模块为滤波增幅电路，滤波增幅电路包括高通滤波器、低通滤波器、功率放大器和陷波器；并按照输入端、高通滤波器、功率放大器、低通滤波器、功率放大器、陷波器、输出端的顺序进行连接；数据分析模块包括频谱仪和模数转换电路。

进行监测时，将试验用鱼只放入监视水槽当中，循环水槽中无鱼，两个水槽构成了一个对比系统，可通过两个水槽的信号相减，降低噪声30dB；数据处理模块用于对水槽中电极采集到的信号进行去噪声后放大处理，其中高通滤波器用于阻止过低的频率通过，低通滤波器用于阻止过高的频率通过，并且可以根据选择的试验用鱼所能产生的生物电信号频率范围选择合适型号的高通滤波器与低通滤波器；另外，我国使用的工业交流电频率是50Hz，为了消除工频干扰以及其2次、3次谐振噪声干扰，特意在滤波增幅电路中增加了陷波器，这样就可以有效消减50Hz，100Hz和150Hz工频噪声的干扰，提高数据采集精度；并且数据分析模块中采用频谱仪将幅度与频率结合之后进行观测，通过频率细分鱼类各种生理活动。

作为优选，板状电极为白金镀膜板状电极或铜质板状电极。

电极的材质可为不锈钢、铜、白金镀膜等，电极材质的选择会导致测量时系统噪声的增加；实验证明，不锈钢效果最差，铜其次，白金镀膜最佳；若从成本上考虑，可选取铜片作为制作电极的材料，当生物电频率为1Hz时，会比不锈钢电极减少系统噪声10dB以上。

作为优选，监视水槽的一端通过安装有水泵的进水管与循环水槽连接，另一端通过出水管与循环水槽连接。

通过进水管的水泵既可以将循环水槽中的水吸入监测水槽，随后再通过出水管流入循环水槽进行循环，也可以针对所监测不同毒物的浓度调节进水速率。

作为优选，循环水槽与监视水槽的体积都为10升。

在水槽容量的选择上，不宜选择体积太大的水槽，这样会导致电极接收面积增大，易受干扰；并且对水质进行监测时，选取斑马鱼作为试验用鱼为宜，斑马鱼为我国水质监测中使用的标准鱼种，是水环境中重金属以及有机污染的指示生物；或者也可以选取青鳉鱼，青鳉鱼为国际标准化组织（ISO）推荐的毒性试验标准用鱼；斑马鱼和青鳉鱼皆为小型鱼类；一般在试验中选取10-15条，为了保证试验用鱼能够自由游动，水槽体积为10L最佳。

本实用新型与现有技术相比，在数据采集模块中，采用两个水槽形成对比系统进行降噪，在电机材质上选用白金镀膜或者铜质电极；在数据处理模块中，采用特有滤波增幅电路对信号进行反复降噪放大处理；在数据分析模块中，采用频谱仪对采集到的电信号抖动幅度与频率结合后进行观测，细分鱼类各种生理活动，计算各种运动电信号的功率，再将其与总的电信号功率进行比较，就能得知毒物对鱼类的何种运动产生了影响。

因此本实用新型的有益效果为：（1）反应灵敏、精度高、成本低，提高为人民服务的水准；（2）能够广泛布点，打破外国公司对我国水质监测系统的垄断。

附图说明

图1、本实用新型的结构图；

图2、本实用新型中数据处理模块结构框图。

附图标记列表：数据处理模块1、数据分析模块2、循环水槽3、监视水槽4、板状电极5、进水管6、出水管7、水泵8。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本实用新型提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

如图1所示为本实用新型的结构图，本实用新型为一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块1以及数据分析模块2；数据采集模块包括循环水槽3、监视水槽4和板状电极5；监视水槽4的一端通过安装有水泵8的进水管6与循环水槽3连接，另一端通过出水管7与循环水槽3连接；板状电极5为白金镀膜板状电极或铜质板状电极。

监测时选取国际标准化组织（ISO）推荐的毒性试验标准用鱼—青鳉鱼，青鳉鱼为小型鱼类，循环水槽3和监视水槽4的体积都选取为10升；在循环水槽3向监视水槽4进水的速率设置上，根据所监测毒物浓度来设定，假设需要监测A毒物，其国家检测标准是1mg/L，先将毒物含量已知的相对浓度较高的毒液投入循环水槽3中，通过水泵8吸入监视水槽4，大致2-3分钟内，使监视水槽4中的毒物浓度达到监测标准的90%，也就是0.9mg/L，算出流速，然后通过水泵8设置流水速率。

如图2所示为本实用新型中数据处理模块结构框图，数据处理模块1为滤波增幅电路，包括高通滤波器、低通滤波器、功率放大器和陷波器；并按照输入端、高通滤波器、功率放大器、低通滤波器、功率放大器、陷波器、输出端的顺序进行连接。

根据选择的试验用鱼所能产生的生物电信号频率范围选择合适型号的高通滤波器与低通滤波器，基本处理频带在0-30Hz之间，因此可以选择高通滤波器fc=0.5Hz,低通滤波器fc=30Hz；第一个功率放大器放大2000倍，第二个功率放大器放大50倍，总体放大十万倍；再引入陷波器，有效消减50Hz，100Hz和150Hz工频噪声干扰。

最后再通过数据分析模块对采集到的电信号抖动幅度与频率结合后进行观测，细分青鳉鱼的各种生理活动：例如青鳉鱼的呼吸运动电信号频率范围为4-10Hz，游泳运动电信号频率范围为0.5-2Hz；再计算各种运动电信号的功率，将其与总的电信号功率进行比较，得知毒物对鱼类的何种运动产生了影响，从而达到对水质进行监测的目的。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims

1.一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，其特征在于：包括数据采集模块、数据处理模块（1）以及数据分析模块（2）；所述数据采集模块包括循环水槽（3）、监视水槽（4）和板状电极（5）；所述数据处理模块（1）为滤波增幅电路，所述滤波增幅电路包括高通滤波器、低通滤波器、功率放大器和陷波器；并按照输入端、高通滤波器、功率放大器、低通滤波器、功率放大器、陷波器、输出端的顺序进行连接；所述数据分析模块（2）包括频谱仪和模数转换电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，其特征在于：所述板状电极（5）为白金镀膜板状电极或铜质板状电极。

3.根据权利要求1所述的一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，其特征在于：所述监视水槽（4）的一端通过安装有水泵（8）的进水管（6）与循环水槽（3）连接，另一端通过出水管（7）与循环水槽（3）连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于鱼类生物电频谱的水质监测系统，其特征在于：所述循环水槽（3）与监视水槽（4）的体积都为10升。