CN207571033U - 水体叶绿素a含量的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及水体水质检测技术领域，尤其涉及一种水体叶绿素a含量的测量装置。包括动力装置、控制模块、信号处理模块、光源模块以及梯形棱镜模块；处理模块包括A/D转换器、选频滤波器、光电二极管以及荧光信号处理模块；光源模块包括与控制模块连接的LED光源，LED光源包括两路光源，光电二极管连接荧光信号调理模块。通过该装置能够准确测量出水体中叶绿素a的含量。

Description

水体叶绿素a含量的测量装置

技术领域

本实用新型涉及水体水质检测技术领域，尤其涉及一种水体叶绿素a含量的测量装置。

背景技术

叶绿素a是水体中的蓝藻、硅藻、绿藻等藻类进行光合作用的重要物质，通过测量水体叶绿素a的含量和变化趋势可以预测水中藻类的生长状况，因此，水体中叶绿素a的含量是判断水体水质的一个重要指标。叶绿素的荧光现象是指叶绿素a在透射光下为绿色而在反射光下为红色的现象,这红光就是叶绿素a受光激发后发射的荧光.叶绿素a溶液的荧光可达吸收光的10%左右.而鲜叶的荧光程度较低,只占其吸收光的0.1-1%左右。用一束特殊波长的单色光去照射水体中的藻类，由于叶绿素a的荧光效应，此时会有荧光被激发出来。激发出的荧光强度与叶绿素a的浓度成正比例关系。因此，可以通过测量荧光强度来衡量水中叶绿素a的含量。但是，水中的藻类含量少，叶绿素a的荧光极其微弱，如果不采取特殊的措施，荧光信号会完全淹没在太阳光、激发光的散射光中，无法准确采集。水中的杂质颗粒物影响荧光信号采集，主要通过2个途径影响荧光信号：（1）途由于水中的颗粒的散射和吸收作用，使水中的荧光信号在到达测量光窗时减弱；（2）颗粒物对入射光信号有散射作用，散射光经过光窗后进过滤光片到底光检测器。虽然滤光片有滤出带宽外光的作用，由于截至深度有限，会有一部分分光穿过滤片。

目前，传统在线叶绿素a测量装置用LED单波长光激发水体叶绿素a荧光，荧光和环境光混合一起经过滤光片，荧光透过滤光片到达光电探测单元进行荧光探测，从而测量叶绿素a含量。但是，传统在线叶绿素a测量装置有多种因素会影响荧光的测量：（1）滤光镜截至深度和带宽有限，阳光是全光谱，滤光镜不能在全光谱范围内有效，因而会有非有效荧光信号进入光检测器对测量结果造成很大误差；（2）传统在线叶绿素a测量装置将入射光转换成脉冲光，激发的荧光将变成脉冲信号，脉冲信号通过高通滤波器，由于高通滤波器隔直通交的特性，环境光等直流信号被去除，然后交流信号再通过低通滤波器，将交流信号转换成直流信号进行处理，此种信号处理方式，光学检测器对监测的光无频率选择性，无法滤出高频噪声信号，导致荧光信号提取失败；（3）传统在线叶绿素a测量装置在待测水样的浊度出现较大变化时，测量误差较大。

因此，现有技术中急需一种能够克服现有技术当中存在的问题，精确测量水体中叶绿素a含量的装置。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种水体叶绿素a含量的测量装置，通过该装置能够准确测量出水体中叶绿素a的含量。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种水体叶绿素a含量的测量装置，包括动力装置、控制模块、信号处理模块、光源模块以及梯形棱镜模块；

处理模块包括A/D转换器、选频滤波器、光电二极管以及荧光信号处理模块，A/D转换器连接控制模块，选频滤波器分别连接控制模块、A/D转换器以及荧光信号处理模块，光电二极管连接荧光信号调理模块；

光源模块包括与控制模块连接的LED光源，LED光源包括两路光源，光源模块；

梯形棱镜模块包括对称设置的棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ，棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的下端分别设置有滤光片。

作为优选，控制模块为单片机。

作为优选，选频滤波器包括高通滤波器、运算放大器Ⅰ、运算放大器Ⅱ、选择开关以及积分器。

作为优选，LED光源的两路光源为激发叶绿素a荧光的450nmLED以及测量浊度的680nmLED。

作为优选，棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的反射面的倾斜角度均为71°，棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的宽度和高度均分别为6.38cm和14.34cm。

作为优选，动力装置为直流电机。

本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型的水体叶绿素a含量的检测装置设置有选频滤波器，选频滤波器对荧光信号的频率具有选择性，减少测量的误差。

（2）本实用新型的水体叶绿素a含量的检测装置对称设置有棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ，棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ反射面的倾斜角度均为71°，对称设置的棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ能够很好的形成测量光路，保证LED光源发射的光经过棱镜Ⅰ面反射进入待测水体，水下被激发的荧光或者浊度散射光通过棱镜Ⅱ反射到光电二极管。

附图说明

图1是本实用新型水体叶绿素a含量的测量装置的结构示意图；

图2是本实用新型水体叶绿素a含量的测量装置的棱镜的位置示意图；

图3是本实用新型水体叶绿素a含量的测量装置原理示意图；

图4是本实用新型水体叶绿素a含量的测量装置的选频滤波器的电路示意图；

图5是本实用新型水体叶绿素a含量的测量装置的棱镜Ⅰ或者棱镜Ⅱ的主视图；

图6是本实用新型的水体叶绿素a含量的测量装置的棱镜Ⅰ或者棱镜Ⅱ的侧视图；

图7是本实用新型的水体叶绿素a含量的测量装置的棱镜Ⅰ或者棱镜Ⅱ的俯视图。

以上各图中：1、控制模块；2、A/D转换器；3、选频滤波器；4、荧光信号处理模块；5、LED光源；6、光电二极管；7、棱镜Ⅰ；8、棱镜Ⅱ；9、动力装置。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

如图1至图3所示，一种水体叶绿素a含量的测量装置，包括动力装置9、控制模块1、信号处理模块、光源模块以及梯形棱镜模块；处理模块包括A/D转换器2、选频滤波器3、光电二极管6以及荧光信号处理模块4，A/D转换器2连接控制模块1，选频滤波器3分别连接控制模块1、A/D转换器2以及荧光信号处理模块4，光电二极管6连接荧光信号处理模块4；光源模块包括与控制模块1连接的LED光源5，LED光源5包括两路光源；控制模块1发出一定的频率，占空比为50%的脉冲信号，一方面接入LED光源5，一方面接入选频滤波器3。控制模块1发出的脉冲信号作为参考信号供LED光源5和选频滤波器3使用。LED光源5接受控制模块1的控制发出光信号，LED光源5内置两路光源，通过控制模块1选择使用哪一路光源。两路光源，一路为激发叶绿素a荧光的450nm光源，一路是测量浊度的680nm光源。控制模块1可以通过开通特定的光源来测量叶绿素a或者浊度。该控制模块1为单片机。如图1所示，动力装置9为直流电机，直流电机为装置提供动力。LED光源5发射出的光通过光腔传递给棱镜Ⅰ，棱镜Ⅰ将入射光反射到待测水体，棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的下端均设置有滤光片。如图5至图7所示，梯形棱镜模块包括对称设置的棱镜Ⅰ7和棱镜Ⅱ8。棱镜Ⅰ7和棱镜Ⅱ8的反射面的倾斜角度均为71°，棱镜Ⅰ7和棱镜Ⅱ8的宽度和高度分别为6.38cm和14.34cm。

继续参见图1至图3，LED光源5发出的光经过棱镜Ⅰ7面反射进入待测水体。水下被激发的荧光或者浊度散射光通过棱镜Ⅱ8面反射到光电二极管6。光信号经过荧光信号处理模块4将光信号装换成电信号。电信号进入选频滤波器3处理，选频滤波器3提取出和参考频率一致的信号。此信号通过A/D转换器2转换成数字信号交由控制模块1进行处理。

如图4所示，选频滤波器3包括高通滤波器、运算放大器Ⅰ、运算放大器Ⅱ、选择开关以及积分器。由于LED光源5发出的信号为脉冲光源，所以荧光信号和散射光信号均为脉冲光信号，脉冲光信号叠加环境光信号（日光）从图4中的IN进入，信号经过由C1和R1构成高通滤波器，初步滤除信号中的直流成分，此后信号分成两路，一路进入运算放大器Ⅰ，一路进入运算放大器Ⅱ。运算放大器Ⅰ构成跟随器，放大比例为1，运算放大器Ⅱ构成反向放大器，放大比例-1。ADG419TQ构成的是选择开关，当基准电压（REF）为低时，S1和D接通；当基准电压（REF）为高时，S2与D接通。当基准电压（REF）为低时，LED光源5关闭，此时无光源发出，S1和D接通，光电二极管6测到的是环境光等噪声信号，记为；当基准电压（REF）为高时，LED光源5开启，此时有光源发出，此时有荧光和散射光记为V，S2与D接通，光电二极管6发出的光，为类似的环境光等噪声信号。REF信号的占空比为50%。R4和C2构成积分器。

对于和中的直流分量，由于，对于随机噪声分量可得：

最终，选频滤波器将与LED光源频率同步的荧光信号提取出来，抑制直流分量和随机分量，从而减少测量的误差。

本实用新型的水体叶绿素a含量的检测装置设置有选频滤波器，选频滤波器对荧光信号的频率具有选择性，减少测量的误差。本实用新型的水体叶绿素a含量的检测装置对称设置有棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ，棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ反射面的倾斜角度均为71°，对称设置的棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ能够很好的形成测量光路，保证LED光源发射的光经过棱镜Ⅰ面反射进入待测水体，水下被激发的荧光或者浊度散射光通过棱镜Ⅱ反射到光电二极管。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种水体叶绿素a含量的测量装置，其特征在于，包括动力装置、控制模块、信号处理模块、光源模块以及梯形棱镜模块；

所述处理模块包括A/D转换器、选频滤波器、光电二极管以及荧光信号处理模块，所述A/D转换器连接所述控制模块，所述选频滤波器分别连接所述控制模块、A/D转换器以及荧光信号处理模块，所述光电二极管连接所述荧光信号调理模块；

所述光源模块包括与所述控制模块连接的LED光源，所述LED光源包括两路光源；

所述梯形棱镜模块包括对称设置的棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ，所述棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的下端分别设置有滤光片。

2.根据权利要求1所述的水体叶绿素a含量的测量装置，其特征在于，所述控制模块为单片机。

3.根据权利要求1所述的水体叶绿素a含量的测量装置，其特征在于，所述选频滤波器包括高通滤波器、运算放大器Ⅰ、运算放大器Ⅱ、选择开关以及积分器。

4.根据权利要求1所述的水体叶绿素a含量的测量装置，其特征在于，所述LED光源的两路光源为激发叶绿素a荧光的450nmLED以及测量浊度的680nmLED。

5.根据权利要求1所述的水体叶绿素a含量的测量装置，其特征在于，所述棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的反射面的倾斜角度均为71°

所述棱镜Ⅰ和棱镜Ⅱ的宽度和高度均分别为6.38cm和14.34cm。

6.根据权利要求1所述的水体叶绿素a含量的测量装置，其特征在于，所述动力装置为直流电机。