CN208171847U - 一种光电传感测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光电传感测量设备技术领域，涉及一种光电传感测量装置，在滤光轮的圆周上设计了透明窗口，在对应着透明窗口的同轴光路上装设测试光源和光电探测器，用于准确定位波长，滤光轮与光源、起偏器、透镜组合、样品仓、探测器和简易机械支架组合制作成基于波长可调光源的光电传感测量装置，由电机带动滤光轮转动，改变光路透镜组合‑样品仓中工作的滤光片，来准确定位不同的波长，偏振器获取光源发出的自然光中的偏振光经过透镜组合后形成平行光，平行光的光信号被探测器探测到后转化成电流信号，电流信号经过放大电路得到模拟电压，经过单片机模数转换为可读取的数字电压值，利用电压值与测定参数的定量模型得到在线检测值。
Description
技术领域：
本实用新型属于光电传感测量设备技术领域，涉及一种光电传感测量装置，采用滤光轮和波长可调光源的结构，将不同波长的带通滤光片置于滤光轮轮圈圆周的不同透明窗口中，利用滤光轮的转动实现选择波长的功能。
背景技术：
随着全球工业化进程的推进，人类的生活水平越来越高，但出现的环境问题愈加严重，环境污染正严重影响着人类和动植物的生存环境。水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程，水质监测的范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各种各样的工业排水等。水质的主要监测项目可分为两大类：一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等；另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等。为客观的评价江河和海洋水质的状况，除上述监测项目外，有时需进行流速和流量的测定。当前，我国水环境水质监测技术取得了较快速度的发展，水质监测技术主要以理化监测技术为主，包括化学法、电化学法、原子吸收分光光度法、离子选择电极法、离子色谱法、气相色谱法、等离子体发射光谱(ICP—AES)法等。其中，离子选择电极法(定性、定量)、化学法(重量法、容量滴定法和分光光度法)在国内外水质常规监测中普遍被采用。近几年来生物监测、遥感监测技术也被应用到了水质监测中。
传统理化监测：在地表水水质监测中，由于监测仪器比较简单，物理监测指标数据往往比较容易获得，常用的物理指标监测仪器有测定水浊度的浊度仪，测定色度所用的滤光光度计，测定电导率用电导率仪等，还有多功能的水质监测仪实现了同时测定多项物理指标的效果。化学指标的监测是地表水监测的重点，随着国家对有毒有机物污染监测的重视，在仪器的引起及研发方面取得了一定的进步，一些监测站已经引进了大中型实验室监测仪，可现场监测Zn、Fe、Pb、Cd、Hg、Mn等重金属及卤族元素、铵态氮、亚硝态氮、氰化物、酚类、阴离子洗涤剂及Se等物质。
生物监测：生物监测是水环境污染监测方法之一，它是利用生物个体、种群或群落对环境污染变化所产生的反应阐明环境的污染状况，具有敏感性、富集性、长期性和综合性等特点。目前在实际监测中已经应用的生物监测方法主要包括生物指数法、种类多样性指数法、微型生物群落监测方法、生物毒性试验、生物残毒测定、生态理毒学方法等，涉及的水生生物涵盖单细胞藻类、原生生物、底栖生物、鱼类和两栖类。
遥感监测技术：内陆水体水质遥感监测是基于经验、统计分析或水质参数的光谱特性、选择遥感波段数据与地面实测水质参数数据进行数学分析，建立水质参数反演算法实现的。水质遥感监测方法可以反映水质在空间和时间上的分布情况和变化，发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁徙特征，而且具有监测范围广、速度快、成本低和便于长期动态监测的优势。
高锰酸钾法(potassium permanganate titration)是以高锰酸钾为滴定剂的氧化还原滴定法，在强酸性溶液中，高锰酸钾是强氧化剂，溶液酸度应该控制在1-2mol/L为宜，酸度太高，高锰酸钾容易分解；酸度太低，反应速度慢，且会产生二氧化锰沉淀。调节溶液酸度常用硫酸。因为硝酸具有氧化性，不宜使用。而盐酸具有还原性，会被高锰酸钾氧化，也不适合使用。
重铬酸钾法的原理是在强酸性溶液中，一定量的重铬酸钾氧化水样中还原性物质，过量的重铬酸钾以试亚铁灵作指示剂、用硫酸亚铁铵溶液回滴。根据用量算出水样中还原性物质消耗的氧。酸性重铬酸钾氧化性很强，可氧化大部分有机物，加入硫酸银作催化剂时，直链脂肪族化合物可完全被氧化，而芳香族有机物却不易被氧化，吡啶不被氧化，挥发性直链脂肪族化合物、苯等有机物存在于蒸气相，不能与氧化剂液体接触，氧化不明显。氯离子能被重铬酸盐氧化，并且能与硫酸银作用产生沉淀。
以上检测方法中，高锰酸钾法和重铬酸钾法是常用的水质检测手段，高锰酸钾法适用于测定污染较轻的水样，但容易受到氯离子的干扰；重铬酸钾法适用于测定污染严重的水样，但受外界环境的影响较大；两种方法都存在着测定时间长、操作复杂、实时性较差的缺点。近年来，由于近红外与紫外光谱法能实时分析检测物质成分(紫外光谱的吸收较明显)，基于光谱法的检测系统正越来越多地得到广泛的应用。中国专利201610872807.3公开的一种在线式全光谱水质分析仪包括光路模块及测控系统，所述光路模块通信连接所述测控系统，所述光路模块包括光源驱动单元、光源单元、聚焦准直分光单元、测量通道单元、参比通道单元、第一一分二光纤、准直单元、聚焦单元、第二一分二光纤及光谱仪，所述光源驱动单元的输出端连接所述光源单元的驱动端，所述光源单元发出的光束经过聚焦准直分光单元聚焦进入所述第一一分二光纤的单端，所述第一一分二光纤的双端分别将光束进入准直单元，光束经过准直单元进入光束选择器，光束经过光束选择器分别进入测量通道单元及参比通道单元，所述测量通道单元及参比通道单元输出的光束分别经过聚焦单元进入第二一分二光纤的双端，所述第二一分二光纤的单端连接所述光谱仪的输入端；中国专利201611258828.2公开的一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置包括疝灯光源、前置光路、光谱获取单元、快速处理平台以及输出单元；疝灯光源出射光经过前置光路后分为校正参考光路以及测量光路；校正参考光路通过待测水样入射至光谱获取单元；测量光路通过标准水样入射至光谱获取单元；校正参考光路以及测量光路经过光谱获取单元同步获取后转化成两组光谱曲线数字信号后发送至快速处理单元；快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理后获得待测水样中存在的待测物质及待测物质的浓度后通过输出单元输出到本地或远程从而实现监控；快速处理单元为基于ARM的水质多参数智能处理平台；中国专利201611217385.2公开的一种基于紫外可见光谱检测的水质检测系统包括有光谱测试单元一、光谱测试单元二和供电电源，所述的光谱测试单元一和光谱测试单元二均包括有光源、检测探头和光谱仪，光谱测试单元一和光谱测试单元二分别与工业计算机一和工业计算机二连接，工业计算机一和工业计算机二均与总控计算机连接，所述的总控计算机分别连接有报警装置、存储模块、显示模块和仪控模块，仪控模块分别连接有清洗系统和流路系统，清洗系统连接流路系统，流路系统上连接有样品预处理装置，流路系统分别给光谱测试单元一和光谱测试单元二提供测试样品，所述的供电电源给系统供电，样品预处理装置将样品中的杂质去除，再通过流路系统将样品采集至光谱测试单元一和光谱测试单元二，光源通过入射光路将紫外-可见光传输至检测探头，光通过样品吸收后，通过出射光路至光谱仪，光谱仪将光电信号转换成数字光谱数据并传输给工业计算机一和工业计算机二，工业计算机一和工业计算机二分别得到水质的紫外-可见光吸收光谱，并计算出水质参数，工业计算机一和工业计算机二分别将计算出的水质参数传输至总控计算机，总控计算机将每两个相对应的参数进行比较，差距超出预先设定的范围时，启动报警装置，若差距没超出预先设定的范围，总控计算机取两个数据的平均值作为最后的测试的数据，分别发送到存储模块和显示模块进行存储和显示，清洗系统由仪控模块进行控制，对流路系统进行清洗；中国专利201720003938.8公开了一种基于光谱分析的多参数水质检测仪包括检测箱、准直光源、嵌入式系统、单片机控制系统，所述检测箱内设有检测池和超声水槽，检测池和超声水槽通过隔板分割开，检测箱中部侧壁上安装有电加热器，检测箱下部的一侧安装有准直光源，检测箱下部的另一侧安装有聚焦器，聚焦器的侧部安装有光谱分析仪，光谱分析仪的信号输出端与嵌入式系统相连接，嵌入式系统与单片机控制系统通过串口通信连接，检测箱的底部安装有超声波发生器，超声波发生器与超声波换能器相连接；中国专利201621477557.5公开的一种基于光谱法的多参数水质实时在线监测装置包括疝灯光源、前置光路、光谱获取单元、快速处理平台以及输出单元；疝灯光源出射光经过前置光路后分为校正参考光路以及测量光路；校正参考光路通过待测水样入射至光谱获取单元；测量光路通过标准水样入射至光谱获取单元；校正参考光路以及测量光路经过光谱获取单元同步获取后转化成两组光谱曲线数字信号后发送至快速处理单元；快速处理单元分别对两组光谱曲线数字信号进行处理后获得待测水样中存在的待测物质及待测物质的浓度后通过输出单元输出到本地或远程从而实现监控；快速处理单元为基于ARM的水质多参数智能处理平台；中国专利201710909925.1公开的一种转动调节式光谱分析仪包括固定底板和焊接件，所述固定底板上安装有支撑板，所述螺纹座内设置有螺柱，所述螺柱的一端安装有套筒，所述套筒的一端安装有固定杆，所述固定杆的一端安装有紧固座，所述紧固座的表面设置有锁紧螺栓，所述转轴的一端安装有U型固定架，所述U型固定架的一端安装有强力吸盘，所述强力吸盘共设置有四个，两个强力吸盘为一组，两组强力吸盘之间设置有光谱分析仪，所述支撑板的顶端安装有脚座，所述脚座上安装有防尘盖；光谱分析技术不仅可以分析物质的组成成分，还可利用光谱的吸光度与物质浓度的关系对物质进行定量分析，操作方便、分析速度快、不存在二次污染，光谱法测量水质更符合现代测量仪器的发展理念；但是以上专利产品和现有技术中的光谱分析设备价格昂贵，体积较大，不利于实时实地检测。因此，研发设计一种小巧轻便、成本低廉、使用便捷和实用性强的光电传感测量装置，有良好的社会和经济价值，应用前景广阔。
发明内容：
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种小巧轻便、成本低廉、使用便捷和实用性强的光电传感测量装置，采用滤光轮和波长可调光源的结构，将不同波长的带通滤光片置于滤光轮轮圈圆周的不同透明窗口中，利用滤光轮的转动实现选择波长的功能，进行快速分析和无二次污染的水质监测。
为了实现上述目的，本实用新型涉及的光电传感测量装置的主体结构包括底座、一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、五号支架、六号支架、光源、起偏器、透镜组合、电机、滤光轮、通孔、滤光片、透明窗口、样品仓、前导管、后导管和探测器；矩形板状结构的底座的上表面从左至右依次设置有一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、五号支架和六号支架，底座分别与一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、五号支架和六号支架螺栓式连接，一号支架的顶端安装有光源，二号支架的顶端安装有起偏器，三号支架的顶端安装有透镜组合，透镜组合的主体结构包括大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜从左至右依次排列，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜的中心位于同一条直线上，四号支架的顶端安装有电机，电机与圆形结构的滤光轮连接，滤光轮的圆周上等间距开设有n-2个圆形结构的通孔，其中n-1个通孔中安装有圆形片状结构的波长不同的滤光片，其余1个通孔中安装有圆形结构的透明窗口，五号支架的顶端安装有内空式长方体结构的样品仓，样品仓的前部侧面上设置有圆形结构的前导管，样品仓的后部侧面上设置有圆形结构的后导管，六号支架的顶端设置有探测器；透镜组合、其中一个滤光片、样品仓和探测器的中心在同一条水平光路上。
本实用新型与现有技术相比，在滤光轮的圆周上设计了一个透明窗口，在对应着透明窗口的同轴光路上装设一个测试光源和光电探测器，用于准确定位波长，滤光轮与光源、起偏器、透镜组合、样品仓、探测器和简易机械支架组合制作成基于波长可调光源的光电传感测量装置，由电机带动滤光轮转动，从而改变光路透镜组合-样品仓中工作的滤光片，来准确定位不同的波长，偏振器获取光源发出的自然光中的偏振光经过透镜组合后形成平行光，平行光的光信号被探测器探测到后转化成电流信号，电流信号经过放大电路得到模拟电压，再经过单片机模数转换为可读取的数字电压值，利用电压值与测定参数的定量模型可以得到在线检测值；其结构简单，小巧轻便，成本低，易于制作，使用方便快捷，实时性强，不存在二次污染，尤其适用于深紫外光波段。
附图说明：
图1为本实用新型的主体结构原理示意图。
图2为本实用新型涉及的透镜组合的主体结构原理示意图。
图3为本实用新型涉及的滤光轮的主体结构原理示意图。
图4为本实用新型涉及的样品仓的主体结构原理示意图。
图5为本实用新型涉及的光电传感测量装置进行波长定位的原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的光电传感测量装置的主体结构包括底座1、一号支架2、二号支架3、三号支架4、四号支架5、五号支架6、六号支架7、光源8、起偏器9、透镜组合10、电机11、滤光轮12、通孔13、滤光片14、透明窗口15、样品仓16、前导管17、后导管18和探测器19；矩形板状结构的底座1的上表面从左至右依次设置有一号支架2、二号支架3、三号支架4、四号支架5、五号支架6和六号支架7，底座1分别与一号支架2、二号支架3、三号支架4、四号支架5、五号支架6和六号支架7螺栓式连接，一号支架2的顶端安装有光源8，二号支架3的顶端安装有起偏器9，三号支架4的顶端安装有透镜组合10，透镜组合10的主体结构包括大口径准直透镜101、聚焦透镜102和小口径准直透镜103，大口径准直透镜101、聚焦透镜102和小口径准直透镜103从左至右依次排列，大口径准直透镜101、聚焦透镜102和小口径准直透镜103的中心位于同一条直线上，四号支架5的顶端安装有电机11，电机11与圆形结构的滤光轮12连接，滤光轮12的圆周上等间距开设有n-2(n为大于2的整数)个圆形结构的通孔13，其中n-1个通孔13中安装有圆形片状结构的波长不同的滤光片14，其余1个通孔13中安装有圆形结构的透明窗口15，五号支架6的顶端安装有内空式长方体结构的样品仓16，样品仓16的前部侧面上设置有圆形结构的前导管17，样品仓16的后部侧面上设置有圆形结构的后导管18，六号支架7的顶端设置有探测器19；透镜组合10、其中一个滤光片14、样品仓16和探测器19的中心在同一条水平光路上。
本实施例涉及的底座1、一号支架2、二号支架3、三号支架4、四号支架5、五号支架6和六号支架7的材质均为不锈钢；光源8为包括氘灯、卤钨灯、氙灯、光发射二极管(LED)、超辐射光源、半导体光放大器、光纤放大器、来自空间的非单模光(太阳光)和复合光源(发光波长从紫外、可见至红外)的宽谱光源；起偏器9能够从自然光中获得偏振光；透镜组合10中的大口径准直透镜101为通光口径为1毫米至7厘米的准直透镜，聚焦透镜102为透射式透镜，小口径准直透镜103为通光口径为0.01毫米至1厘米的准直透镜；电机11为减速电机、伺服电机或直流步进马达，电机11转动时带动滤光轮12旋转以选择光路透镜组合10-样品仓16中的不同波长的滤光片14；滤光轮12上的通孔13的数量根据所需不同波长的滤光片14的数量选取，通孔13的数量比滤光片14的数量多1个；滤光片14为带通型滤光片；透明窗口15作为发出其他波段波长的测试光源200的通过窗口；样品仓16用于存储待测液体；前导管17作为待测液体流入样品仓16的通道；后导管18作为待测液体流出样品仓16的通道；探测器19为光子探测器。
本实施例涉及的光电传感测量装置使用时，将滤光轮12上的通孔13依次编号为0、1、2、3……N，并在编号为1、2、3……N的通孔13中依次置入不同波长的滤光片14，滤光片14对应的波长分别为λ1，λ2……λN，编号为0的没有置入滤光片14的通孔13为透明窗口15，在透明窗口15的左侧装设测试光源200，在透明窗口15的右侧装设光电探测器300，测试光源200的波长为λ0，测试光源200和光电探测器300的光路位于同一条轴线上，测试光源200包括激光器、发光二极管、灯和自然光，波长λ0是包括在测试光源200光谱波段中的一个波长，光电探测器300能够探测波长为λ0的光；开启电机11使其带动滤光轮12旋转，待透镜组合10、1号通孔13中的滤光片14、样品仓16和探测器19的中心在同一条水平光路上时，打开光源8，光源8发出自然光，起偏器9获取自然光中的偏振光，偏振光经过大口径准直透镜101时被大口径准直透镜101耦合为平行光，平行光经过聚焦透镜102时被聚焦透镜102聚焦为小光场范围的光，小光场范围的光经过小口径准直透镜103时被小口径准直透镜103耦合为小光场范围的平行光，小光场范围的平行光经过1号通孔13中的滤光片14之后成为单色光，单色光经过样品仓16后形成携带样品信息的光信号，探测器19将探测到的光信号转换为电流信号，电流信号经过放大电路得到模拟电压，模拟电压经过单片机模数转换为可读取的数字电压值，利用数字电压值与测定参数的定量模型能够得到在线检测值；期间，当光电探测器300探测到测试光源200发出的光信号时，说明1号通孔13中的滤光片14在光路透镜组合10-样品仓16的光轴上，探测器19探测到的是波长为λ1的光信号，滤光轮12匀速转动一圈的时间为T，滤光轮12有N个通孔13，探测器19每隔T/N的时间探测到一次光信号P，P为波长λ对应的光信号，光电探测器300探测到的光信号为P0，P0为波长λ0对应的光信号，则波长λ、光信号P和P0与时间T的对应关系下表所示：
| T | 0 | T/N | 2T/N | …… | (N-1)T/N | T | T+T/N | T+2T/N | …… |
| λ | λ1 | λ2 | λ3 | …… | λN | λ1 | λ2 | λ3 | …… |
| P0 | 1 | 0 | 0 | …… | 0 | 1 | 0 | 0 | …… |
| P | P1 | P2 | P3 | …… | Pn | P1 | P2 | P3 | …… |
从上表中能够看出，测试光源200和光电探测器300能够对波长λ进行准确定位，还能对其他波长进行准确定位，从而准确地得到探测器19对不同波长的响应。
Claims (1)
1.一种光电传感测量装置，其特征在于主体结构包括底座、一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、五号支架、六号支架、光源、起偏器、透镜组合、电机、滤光轮、通孔、滤光片、透明窗口、样品仓、前导管、后导管和探测器；矩形板状结构的底座的上表面从左至右依次设置有一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、五号支架和六号支架，底座分别与一号支架、二号支架、三号支架、四号支架、五号支架和六号支架螺栓式连接，一号支架的顶端安装有光源，二号支架的顶端安装有起偏器，三号支架的顶端安装有透镜组合，透镜组合的主体结构包括大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜从左至右依次排列，大口径准直透镜、聚焦透镜和小口径准直透镜的中心位于同一条直线上，四号支架的顶端安装有电机，电机与圆形结构的滤光轮连接，滤光轮的圆周上等间距开设有n-2个圆形结构的通孔，其中n-1个通孔中安装有圆形片状结构的波长不同的滤光片，其余1个通孔中安装有圆形结构的透明窗口，五号支架的顶端安装有内空式长方体结构的样品仓，样品仓的前部侧面上设置有圆形结构的前导管，样品仓的后部侧面上设置有圆形结构的后导管，六号支架的顶端设置有探测器；透镜组合、其中一个滤光片、样品仓和探测器的中心在同一条水平光路上。
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| CN201820723882.8U CN208171847U (zh) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | 一种光电传感测量装置 |
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| CN201820723882.8U Active CN208171847U (zh) | 2018-05-16 | 2018-05-16 | 一种光电传感测量装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN108318428A (zh) * | 2018-05-16 | 2018-07-24 | 德州尧鼎光电科技有限公司 | 一种光电传感测量装置 |
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2018
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| GR01 | Patent grant | ||
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