CN208688968U - 全光谱实时水质分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于水质监测领域，公开了全光谱实时水质分析仪，包括上盖、主箱体，主箱体内设置主控单元、电源、光谱分析装置和通信装置，所述电源分别为主控单元、光谱分析装置和通信装置供电，光谱分析装置和通信装置分别与主控单元连接并进行通信。主箱体内设置有过水槽，过水槽的底部连有排水管，过水槽的两个槽壁上设有入射光孔和出射光孔，入射光孔和出射光孔内设有密封镜片，光谱分析装置发出的光束从入射光孔进入，穿过过水槽后从出射光孔射出，产生供光谱分析装置接收的光谱。本实用新型提高了检测精度；本实用新型对成分复杂水体适应性强，无试剂消耗，无二次污染，设备运维成本低，适用于无人监测站、车载便携监测站、无人船巡视监测等。

Description

全光谱实时水质分析仪

技术领域

本实用新型属于水质监测技术领域，具体涉及全光谱实时水质分析仪。

背景技术

人类生活和生产用水对水质均有特定的要求，不同领域的使用水需达到不同的水质标准。对自然环境中水的监测主要包含物理指标、化学指标以及微生物指标；对工业用水则考虑是否影响产品质量或易于损害容器及管道。具体包括COD(Chemical OxygenDemand,化学需氧量)、BOD(Biochemical Oxygen Demand，生化需氧量)、TOC(TotalOrganic Carbon，总有机碳)、TSS(Total Suspended Solid，总悬浮固体)、硝氮指标、氨氮指标、总磷指标、总氮指标、浊度指标、重金属指标等。

多数有机物在UV波段都有强烈的吸收，通过测量待测水体UV波段的吸收光谱可以和水质的相关指标建立一定的关联关系，通过这些关联模型可以在某种程度上反演出相关指标参数值。在早期的研究中，人们发现在波长254nm的吸收度和水质COD、TOC等指标存在较好的线性相关关系，通过254nm吸光度值推算COD值在日本及欧美一些国家已经广泛接受并形成了相关工业标准。在实践中，人们也发现254单波长吸光度的一些局限性，主要表现在光源的波动、浊度的影响等，双光路可以解决光源波动影响，但浊度的影响无法消除，为此产生了双波长测量法，通过选取一个无明显有机物吸收的波长进行补偿从而消除浊度影响。

单波长、双波长的核心都是基于254nm吸光度与COD的线性关系，对于较为简单的水体，这个线性关系比较好，但对于有机物成分相对复杂的水体该线性关系常常会有较大偏离，而且通过单一波长补偿浊度也不一定准确，基于此，多波长模型相应诞生，其核心思想是采集大量的光谱数据，通过波长相关性分析以及大量计算机模拟，找到4～6个波长点吸光度值进行权重建模，该模型将比双波长法具有更好的适应性。

多波长法对于有一定复杂度的水体进行COD权重值建模有一定优势，但同时也存在一定不足，主要表现在对色度、温度、PH值等因素考虑不足；另一方面，对于更为广泛的针对不同水体进行统一建模的能力缺乏；另外，对于NH3-H、TN、TP等无直接明确吸收表现的指标无法建模。另外，现有的利用UV波段的吸收光谱进行水质检测的仪器一般都设有单独的水质检测探头，在进行检测时还需要将水质检测探头下放至待测定水域。这种方式存在以下缺陷：

1.目前主要通过光纤下放单独的探头至待测定水域，探头在水下的相对位置难以确定，容易出现探头晃动的情况，晃动将影响探头工作的精度；

2.在浅水区域下放单独的探头时，探头容易与水下的水藻等水生植物或河床等发生接触，对探头的正常工作造成极大的干扰甚至障碍，不利于水质监测工作的进行。

因此，在本领域至少存在上述技术问题亟待解决，需要提出更为合理的技术方案，解决以上技术问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种基于200nm～850nm的全光谱进行建模的实时水质分析仪，旨在设计一种全新的水质分析仪，无需单独的检测探头，通过自吸水的方式将待测区域的水引流至探测仪内，在分析仪内实现光谱分析，并产生光谱分析的信号，避免了水中异物造成的影响，也排除了晃动对光谱分析的干扰，极大地提升了光谱分析的便捷度和精确度。

为了实现上述效果，本实用新型所采用的技术方案为：

全光谱实时水质分析仪，包括上盖和主箱体，主箱体内设置主控单元、电源、光谱分析装置和通信装置，所述电源分别为主控单元、光谱分析装置和通信装置供电，光谱分析装置和通信装置分别与主控单元连接并进行通信。具体地说：

所述的主箱体内设置有过水槽，过水槽的底部连有排水管，过水槽的两个槽壁上对应设有入射光孔和出射光孔，入射光孔和出射光孔内均设有密封镜片，光谱分析装置发出的光束从入射光孔进入，穿过过水槽后从出射光孔射出，产生供光谱分析装置接收的光谱。

所述的上盖设有进水器，进水器包括连接板和设于连接板下方的引水件，引水件内设有水泵，水泵的进水口连接进水管，出水口连接出水管，出水管的下端口与引水件的下端面重合。

所述的光谱分析装置包括发射装置和接收装置，发射装置包括光源和准直透镜，所述光源与主控单元电连接，准直透镜对齐入射光孔；接收装置包括汇聚镜组和光谱仪，光谱仪与主控单元连接，汇聚镜组对齐出射光孔。

光源为点光源，其发出的光经过准直透镜的折射后成为平行光，平行光通过入射光孔、过水槽和出射光孔，经过汇聚镜组的传输进入光谱仪，在光谱仪内形成特定的光谱。

所述的光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，主控单元调用水质光谱模型及算法对光谱数据进行分析后得到相关水质指标，经通信装置发送至服务器；或者由光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，经通信装置直接发送至服务器，由服务器端调用水质光谱模型及算法对光谱数据进行分析后得到相关水质指标。

进一步的，水流经过过水槽会残留部分杂物和形成水渍，杂物和水渍影响测量光束的的光谱吸收，使后续的检测精度有偏差。故对上述方案进行优化，在所述的过水槽上设置清洗气道，清洗气道连通气泵，气泵与主控单元电连接。通过主控单元控制气泵的运行，往清洗气道内鼓入空气，冲刷过水槽的内壁，及时清理内壁面的残留，保证过水槽内的环境的清洁。

进一步的，进入过水槽内水经过测量光束的光谱吸收检测后，需要及时排出，以利于保持过水槽的内部清洁，并及时进行下一次光谱吸收检测，因此所述过水槽的槽底为倾斜面，排水管连通至槽底的最低处，以此加快过水槽内水流的排出。

再进一步，对上述方案进行优化，所述的引水件的下端面为倾斜面，该倾斜面与过水槽槽底的倾斜方向相反；上盖的上表面设有用于容纳连接板的下沉槽。引水件下端面的残留水从其斜面顺流而下，可及时下落到过水槽内，并从过水槽的出水孔排出。下沉槽用于给连接板定位和固定，方便安装和维护。

进一步的，主箱体内容纳空间有限，需要对内部设备进行合理布局，所述的电源连接一固定板，固定板的下方设有四根与主箱体连接固定的立柱，固定板的下方形成一定的容纳空间，可用于放置其他设备；考虑到电源为主箱体内的其他用电装置供电，且为了达到最佳工作效果，不同的用电装置额定电压不同，因此在固定板的下方设有电压转换器，电压转换器至少设有一个输入端和四个输出端，其输入端接电源，输出端分别向主控单元、通信装置、光源和光谱仪输出电压。电源经过电压转换器的处理后，施加给主控单元、通信装置、光源和光谱仪的电压分别为其额定电压。

进一步的，由于采用的光源为点光源，其经过准直透镜的折射后方能形成平行光束，由于准直透镜的焦点与光源的相对位置难以直接确定，需要调整光源与准直透镜的轴向距离方能实现调整，故对上述方案进行优化，所述光源连接固定于一安装板上，安装板上设置有滑槽，安装板通过滑槽与设于主箱体内部的安装块相对滑动，且安装块上设有紧定螺栓，用于将安装板固定。

再进一步，在进行焦距调节之前，还需对点光源的高度进行调节，使之与准直透镜光心尽可能在同一水平高度。故对上述技术方案进行优化，可采用一种优选的技术方案，所述的安装块包括相互贴合的上部和下部，上部与下部的贴合面为斜面，所述的下部与主箱体的内底部连接固定，所述上部与下部相对滑动，可调节安装块的总高度。上部与下部通过螺栓进行连接紧固。

进一步的，主箱体内部的多个电子器件相互可能产生干扰，故对上述方案进行优化，在所述主箱体的内部还设置有隔离板，所述隔离板连接过水槽，且隔离板将主箱体内部分割成左右两个区域。

再进一步，汇聚透镜对平行光束进行汇聚收拢，并传递给光谱仪供其分析，平行光束在过水槽内发生了一定程度的光谱吸收，并产生一定的传输偏向，为了加强对光束的汇聚收拢，对上述方案继续进行优化，所述的汇聚镜组为双分离透镜组，所述双分离透镜组包括正透镜和负透镜，所述正透镜为双凸面透镜，所述负透镜为平凹面透镜，所述正透镜的一凸面与负透镜的凹面相对设置。采用此种透镜对光束进行处理，能够达到更好的汇聚效果。

进一步的，上盖盖合在主箱体上，对主箱体进行封闭，避免杂物进入主箱体内部；所述的上盖与主箱体扣合，主箱体的上方开口，开口处的外缘为连续凸起结构或凹陷结构，上盖的扣合面边缘构造为与主箱体开口处对应配合的凹陷或者凸起。

本实用新型公开的全光谱实时水质分析仪，采用200nm～850nm的全光谱进行建模，并且综合考虑浊度、色度、温度、PH值等因素的影响。该模型不仅能预测COD指标，而且有一定能力反映NH3-H、TN、TP等参数指标。所述的建模方法的分析：

COD(Chemical Oxygen Demand,化学需氧量)是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量，在河流污染和工业废水性质的研究以及废水处理厂的运行管理中，它是一个重要的而且能较快测定的有机物污染参数。对于水体中多数污染有机物在UV波段都有比较强的吸收光谱，而且这些吸收光谱与COD值基本上是线性相关的，利用人工神经网络模型对整个UV段吸收光谱进行建模，通过一定的训练，可以很好地预测水体的COD值，该模型将比基于254nm单波长或者4～6个多波长点的模型有更好的适应性和准确性。基于该原理，还可以测量更多指标，如BOD、UV254、SAK254、NO3-N、NO2-N、浊度、色度等。

进一步的，NH3-H、TN、TP这些参数反映在UV波段的吸收光谱上并不像COD那么直接和显著，这给利用UV吸收光谱建模预测上述指标带来一定困难，但是对于特定水体，这些指标与水中有机物的浓度分布是强相关的，但这些相关关系不一定是线性的。基于此，我们选择可以拟合非线性相关关系的深度神经网络，建立整个UV段吸收光谱与上述参数的函数关系，从而预测这些参数指标。更进一步，基于该原理的深度神经网络能预测更多的参数指标，如TOC、DOC、BTX、WQI、余氯、PH值等。

再进一步，由于水体中各指标是相互关联的，通过增加水质常规五参数作为神经网络的特征值，能更精准地反映水体的状态，对于部分光谱响应不太充分的指标能提供更多维度的信息，从而增加预测的准确性。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1.本实用新型在主箱体内设置过水槽，将外部水引入主箱体内进行光谱吸收和检测，避免使用单独的探头，使检测装置的结构更为紧凑，无需下放探头，避免了水中杂物影响探头，影响检测的结果。

2.本实用新型通过设置紧凑的整体结构，方便携带和使用，能够在更多的环境中应用。

3.本实用新型提供的分析仪单次测试时间只有数秒，非常适合在线/原位测试。

4.本实用新型提供的分析仪采用纯光学测试，无试剂消耗，无二次污染。

5.本实用新型采用空气对过水槽进行自动清理，设备维护量极小，运维成本极低。

6.本实用新型体积小，便于安装，适用于无人监测站、车载便携监测站、无人船巡视监测等。

7.本实用新型在建模方法上，通过可以拟合非线性相关关系的深度神经网络，建立整个UV段吸收光谱的函数关系，对于更为广泛的各类水体统一建模的能力有显著提升，对于NH3-H、TN、TP等无直接明确吸收表现的指标也能进行有效的模型建立和训练。

8.本实用新型在建模方法上，通过增加水质常规五参数作为神经网络的特征值，能更精准地反映水体的状态，使得可以对更多指标，如BOD、UV254、SAK254、NO3-N、NO2-N、浊度、色度等进行准确分析。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本实用新型的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2是本实用新型的内部结构示意图。

图3是本实用新型的爆炸示意图。

图4是本实用新型水槽的结构示意图。

图5是本实用新型进水器的结构示意图。

图6是本实用新型发射装置的结构示意图。

图7是上盖的结构示意图。

图8是可进行上下调节一种安装块结构。

图9是实施例2战备湖第一阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标建模情况。

图10是实施例2瑶湖第一阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标建模情况。

图11是实施例2战备湖第一阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标交叉建模验证情况。

图12是实施例2瑶湖第一阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标交叉建模验证情况。

图13是实施例2战备湖全阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标建模情况。

图14是实施例2瑶湖全阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标建模情况。

图15是实施例2战备湖全阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标交叉建模验证情况。

图16是实施例2瑶湖全阶段COD、NH3-N、TN、TP各指标交叉建模验证情况。

图17是实施例2战备湖测试样本数据中去掉一个疑问数据后重新交叉建模验证情况。

图18是实施例2瑶湖测试样本数据中去掉一个疑问数据后重新交叉建模验证情况。

图中：1-主箱体；2-上盖；201-下沉槽；3-进水器；301-连接板；302-引水件；303-进水管；304-出水管；4-电源接口；4’-数据串口；5-主控单元；6-电源；7-通信装置；8-发射装置；9-过水槽；901-入射光孔；10-排水管；11-密封镜片；12-安装块；1201-下部；1202-上部；13-安装板；1301-滑槽；14-固定板；15-立柱；16-安装座；17-电压转换器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步阐释。

实施例1：

如图1、图2、图3所示，本实施例公开了全光谱实时水质分析仪，包括上盖2和主箱体1，主箱体内设置主控单元5、电源6、光谱分析装置和通信装置7，所述电源分别为主控单元、光谱分析装置和通信装置供电，光谱分析装置和通信装置分别与主控单元连接并进行通信。上盖设有电源接口4和数据串口4’，电源接口连接外部电路为电源充电，数据串口连接通信装置，可实现数据的有线传输。为了方便布线，所述主箱体的内底部设置有布线槽，连接电路和通信线路可从布线槽中走线，使线路更加规整。具体地说：

如图4所示，在本实施例中，所述的主箱体内设置有方形的过水槽9，过水槽的槽口与主箱体的上端口齐平；过水槽的底部设有安装座16，安装座与主箱体连接固定，过水槽通过粘接或卡接的方式固定在安装座的上表面；过水槽的底部连有排水管10，过水槽的两个槽壁上对应设有孔径为10mm的入射光孔901和出射光孔，入射光孔和出射光孔内均设有密封镜片11，密封镜片为平面透镜，采用氟化钙材料制成；光谱分析装置发出的光束从入射光孔进入，穿过过水槽后从出射光孔射出，产生供光谱分析装置接收的光谱。

如图5所示，上盖设有进水器3，进水器包括连接板301和设于连接板下方的引水件302，引水件内设有水泵，水泵的进水口连接进水管303，出水口连接出水管304，出水管的下端口与引水件的下端面重合。

如图6所示，所述的光谱分析装置包括发射装置8和接收装置，发射装置包括氙光灯光源和准直透镜，所述的准直透镜采用紫外熔融石英制成，其为凸透镜，且焦距为10mm；所述光源与主控单元电连接，准直透镜对齐入射光孔；接收装置包括汇聚镜组和光谱仪，光谱仪与主控单元连接，汇聚镜组对齐出射光孔。在本实施例中，采用的光谱仪测量波长为200nm～850nm，并以1*2048像素形式提供光谱检测数据。

在本实施例中，汇聚透镜对平行光束进行汇聚收拢，并传递给光谱仪供其分析，平行光束在过水槽内发生了一定程度的光谱吸收，并产生一定的传输偏向，为了加强对光束的汇聚收拢，对上述方案继续进行优化，所述的汇聚镜组为双分离透镜组，所述双分离透镜组包括正透镜和负透镜，所述正透镜为双凸面透镜，所述负透镜为平凹面透镜，所述正透镜的一凸面与负透镜的凹面相对设置。正透镜采用氟化钙材料制成，负透镜采用紫外熔融石英制成，采用此种透镜对光束进行处理，能够达到更好的汇聚效果。

光源为点光源，采用氙光灯，其发出的光经过准直透镜的折射后成为平行光，平行光通过入射光孔、过水槽和出射光孔，经过汇聚镜组的传输进入光谱仪，在光谱仪内形成特定的光谱。

由于采用的光源为点光源，其经过准直透镜的折射后方能形成平行光束，由于准直透镜的焦点与光源的相对位置难以直接确定，需要调整光源与准直透镜的轴向距离方能实现调整，故对上述方案进行优化，本实施例中所述光源连接固定于一安装板13上，安装板上设置有滑槽1301，安装板通过滑槽与设于主箱体内部的安装块12相对滑动，且安装块上设有紧定螺栓，用于将安装板固定。

具体是平行设置了两个长条形的安装块，安装板上平行设置有两个分别与一个安装块对应的滑槽，安装块上设有螺孔并安装紧定螺栓，当紧定螺栓旋紧时，安装块与安装板连接紧固；当需要调整安装板在安装块上的位置时，只需松开紧定螺栓即可。

在进行焦距调节之前，还需对点光源的高度进行调节，使之与准直透镜光心尽可能在同一水平高度。故对上述技术方案进行优化，采用一种优选的技术方案，所述的安装块包括相互贴合的上部1202和下部1201，上部与下部的贴合面为斜面，所述的下部与主箱体的内底部连接固定，所述上部与下部相对滑动，可调节安装块的总高度。上部与下部通过螺栓进行连接紧固。

光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，主控单元调用水质光谱模型及算法对光谱数据进行分析后得到相关水质指标，经通信装置发送至服务器；或者由光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，经通信装置直接发送至服务器，由服务器端调用水质光谱模型及算法对光谱数据进行分析后得到相关水质指标。

在本实施例中，通信装置具体采用DTU(Data Transfer unit，数据传输单元)，是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备。

水流经过过水槽会残留部分杂物和形成水渍，杂物和水渍影响测量光束的的光谱吸收，使后续的检测精度有偏差。故对上述方案进行优化，在所述的过水槽上设置清洗气道，清洗气道连通气泵，气泵与主控单元连接。通过主控单元控制气泵的运行，往清洗气道内鼓入空气，冲刷过水槽的内壁，及时清理内壁面的残留，保证过水槽内的环境的清洁。

进入过水槽内水经过测量光束的光谱吸收检测后，需要及时排出，以利于保持过水槽的内部清洁，并及时进行下一次光谱吸收检测，因此所述过水槽的槽底为倾斜面，排水管连通至槽底的最低处，以此加快过水槽内水流的排出。

在本实施例中，为了提高进水和出水的效率，避免水的残留，对上述方案进行优化，所述的引水件的下端面为倾斜面，该倾斜面与过水槽槽底的倾斜方向相反；引水件下端面的残留水从其斜面顺流而下，可及时下落到过水槽内，并从过水槽的出水孔排出。上盖的上表面设有用于容纳连接板的下沉槽201，下沉槽为方形，连接板也为方形，下沉槽用于给连接板定位和固定，方便安装和维护。

由于主箱体的容纳空间有限，需要对内部设备进行合理布局，所述的电源连接一固定板14，固定板的下方设有四根与主箱体连接固定的立柱15，固定板的下方形成一定的容纳空间，可用于放置其他设备；考虑到电源为主箱体内的其他用电装置供电，且为了达到最佳工作效果，不同的用电装置额定电压不同，因此在固定板的下方设有电压转换器17，电压转换器至少设有一个输入端和四个输出端，其输入端接电源，输出端分别向主控单元、通信装置、光源和光谱仪输出电压。电源经过电压转换器的处理后，施加给主控单元、通信装置、光源和光谱仪的电压分别为其额定电压。具体地，电源采用蓄电池，其输出直流电流且电压为12V，经过电压转换器后，向主控单元输出电压为5V，向光源输出电压为12V，向光谱仪输出电压为5V，向通信装置输出电压为5V。

主箱体内部的多个电子器件相互可能产生干扰，故对上述方案进行优化，在所述主箱体的内部还设置有隔离板，所述隔离板连接过水槽，且隔离板将主箱体内部分割成左右两个区域，隔离板与主箱体均采用低碳钢材料致制成并一体成型。设置隔离板后，不同区域之间的电连接或数据传输受到结构的影响，故隔离板的上端面为锯齿状表面，方便过线；或者在隔离板上设置过线孔，方便导线或数据线直接通过。

如图7所示，上盖可采用塑料制成或者低碳钢制成，上盖盖合在主箱体上，对主箱体进行封闭，避免杂物进入主箱体内部；所述的上盖与主箱体扣合，主箱体的上方开口，开口处的外缘为连续凸起结构或凹陷结构，上盖的扣合面边缘构造为与主箱体开口处对应配合的凹陷或者凸起。或者可采用另一种方案，所述的上盖与主箱体扣合，主箱体内部设有紧贴其内表面的内层，所述内层上端口的高度低于所述主箱体上端口的高度。

以上内容对本分析仪的组成结构进行了描述，现对其工作原理进行说明：

在应用时，该分析仪通电工作后，进水管的端口没入水面以下，水泵工作往过水槽中送水；同时主控单元控制光源启动，测量光束通过过水槽内的水并进入光谱仪形成吸收测量光谱，光谱仪将探测的光谱数据传输至主控单元主控单元，主控单元调用水质光谱模型及算法对光谱数据进行分析后得到相关水质指标，经通信装置发送至服务器；或者由光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，经通信装置直接发送至服务器，由服务器端调用水质光谱模型及算法对光谱数据进行分析后得到相关水质指标。

实施例2：

本实施例公开了采用实施例1中公开的分析仪对鄱阳湖进行实际水质检测的结果。

本实例采用全光谱法对水质样品进行建模，并应用所建模型预测湖水水质参数，光谱范围为200nm～850nm。本实例测试包含了两处湖水区域，一是战备湖(属于鄱阳湖的一个子湖)，另一个是瑶湖。本实例测试分第一阶段和第二阶段进行。

本实例测试所测参数包括四项：COD、NH3-N、TN、TP。

测试及建模方法：从上述两个湖泊固定点分别获取水样，每处水样两份，一份由实验室采用传统方式进行水质检测，另一份利用实施例1中公开的分析仪测试其样品光谱。样品光谱经过计算，得到不同样品的吸光度值，经插值处理得到从200nm～850nm间隔为2nm的吸光度图谱，该图谱结合实验室检测数据利用人工神经网络进行建模。

建模及模型评估：本实例测试过程中由于样本数据比较少，所建模型采用两种方式评估。

1.建模后利用模型回测样本数据，反映模型对建模样本的拟合情况。

2.采用部分数据进行建模，剩余数据用于验证，即交叉验证，这里每次留一个数据进行验证，其余数据进行建模，如此重复直至验证完每一个数据。

如图9所示，是战备湖第一阶段测试建模情况，图中包括纯水水样及战备湖8个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试5次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

如图10所示，是瑶湖第一阶段测试建模情况，图中包括纯水水样及瑶湖11个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试5次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据，。

如图11所示，是战备湖第一阶段交叉建模验证情况，图中包括纯水水样及战备湖8个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试5次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

如图12所示，是瑶湖第一阶段交叉建模验证情况，图中包括纯水水样及瑶湖11个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试5次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

如图13所示，是战备湖整个阶段测试建模情况，图中包括纯水水样及战备湖18个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试3次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

如图14所示，是瑶湖整个阶段测试建模情况，图中包括纯水水样及瑶湖13个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试3次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

如图15所示，是战备湖整个阶段交叉建模验证情况，图中包括纯水水样及战备湖18个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试3次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

如图16所示，是瑶湖整个阶段交叉建模验证情况，图中包括纯水水样及瑶湖13个水质样品，纯水水样测试20次，每个湖水样品测试3次，曲线一(三角形标记)是实验室测得的数据，曲线二(正方形标记)是模型预测数据。

从上述建模情况分析，模型回测数据与实验室数据误差较小，证明模型能充分反映测试参数与光谱之间的联系。交叉建模验证有些样品测试误差较大，一般有两种情况：误差较大的样品光谱类型比较特殊，其光谱特征在其它样品中没有得到充分反映，导致测试误差较大；实验室给出的数据可能存在误差。

分析原因，有可能是取水过程没有静置沉淀环节，导致湖底泥土等物进入样品，而一般湖底泥土或其它沉淀物会导致采用钼酸铵分光光度法测定总磷亮偏高，但这部分总磷并没有溶入水体中，光谱法测试不受其影响。

如图17所示，是战备湖去掉一个疑问数据后重新交叉建模验证情况，问题数据剔除后，TP交叉验证误差大幅下降。

同样的，在瑶湖测试中TP也有一个异常值，剔除后重新交叉建模验证，TP交叉验证误差也有明显下降。。

如图18所示，是瑶湖去掉一个疑问数据后重新交叉建模验证情况。

因此，地表水中有机物在紫外可见波段有丰富的吸收光谱信息，利用这些吸收光谱进行建模，可以较好地反映水体的多种指标，为水质的在线监控提供便捷的手段。如果没有特殊污染物，地表水的光谱形态都比较类似，都能较好地反映水体碳氮磷氧的循环过程，这也为不同水源地的地表水统一建模提供了可行性。对于有特殊化工污染物的水体，光谱形态也能较好地反映污染物的种类及含量，为水质人为污染提供了更便捷的监控手段。地表水的水质状态是一个多维度的平衡体系，碳氮磷氧的形态分布、水温、气压、ph值、浊度等因素相互影响，所有这些因素的影响都能反映到光谱形态的变化上来，通过光谱的精确建模，可以较好地反映上述参数指标的变化。

在具体的实施案例中可以采取下列手段提高建模精度：增加样本量，提高样本标准数据准确性，提高光谱数据稳定性，模型中增加其它变量因素，如水温、ph值等。

本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.全光谱实时水质分析仪，包括上盖(2)和主箱体(1)，主箱体内设置主控单元(5)、电源(6)、光谱分析装置和通信装置(7)，所述电源分别为主控单元、光谱分析装置和通信装置供电，光谱分析装置和通信装置分别与主控单元连接并进行通信；其特征在于：

所述的主箱体内设置有过水槽(9)，过水槽的底部连有排水管(10)，过水槽的两个槽壁上对应设有入射光孔(901)和出射光孔，入射光孔和出射光孔内均设有密封镜片(11)，光谱分析装置发出的光束从入射光孔进入，穿过过水槽后从出射光孔射出，产生供光谱分析装置接收的光谱；

所述的上盖设有进水器(3)，进水器包括连接板(301)和设于连接板下方的引水件(302)，引水件内设有水泵，水泵的进水口连接进水管(303)，出水口连接出水管(304)，出水管的下端口与引水件的下端面重合；

所述的光谱分析装置包括发射装置(8)和接收装置，发射装置包括光源和准直透镜，所述光源与主控单元连接，准直透镜对齐入射光孔；接收装置包括汇聚镜组和光谱仪，光谱仪与主控单元连接，汇聚镜组对齐出射光孔；

所述的光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，主控单元处理得到水质指标并经通信装置发送至服务器；或者由光谱仪向主控单元传输吸收测量光谱，并经通信装置直接发送至服务器，由服务器处理得到水质指标。

2.根据权利要求1所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述的过水槽上设置有清洗气道，清洗气道连通气泵，气泵与主控单元电连接。

3.根据权利要求1或2所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述过水槽的槽底为倾斜面，排水管连通至槽底的最低处。

4.根据权利要求3所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述引水件的下端面为倾斜面，该倾斜面与过水槽的槽底的倾斜方向相反；上盖的上表面设有用于容纳连接板的下沉槽(201)。

5.根据权利要求1所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述的电源连接一固定板(14)，固定板的下方设有四根与主箱体连接固定的立柱(15)；固定板的下方还设有电压转换器(17)，电压转换器的输入端接电源，输出端分别向主控单元、通信装置、光源和光谱仪输出电压。

6.根据权利要求1所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述光源连接固定于一安装板(13)上，安装板上设置有滑槽(1301)，安装板通过滑槽与设于主箱体内部的安装块(12)相对滑动，且安装块上设有紧定螺栓，用于将安装板固定。

7.根据权利要求1所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述主箱体的内部还设置有隔离板，所述隔离板连接过水槽，且隔离板将主箱体内部分割成左右两个区域。

8.根据权利要求1所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述的汇聚镜组为双分离透镜组，所述双分离透镜组包括正透镜和负透镜，所述正透镜为双凸面透镜，所述负透镜为平凹面透镜，所述正透镜的一凸面与负透镜的凹面相对设置。

9.根据权利要求1所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述的上盖与主箱体扣合，主箱体的上方开口，开口处的外缘为连续凸起结构或凹陷结构，上盖的扣合面边缘构造为与主箱体开口处对应配合的凹陷或者凸起。

10.根据权利要求6所述的全光谱实时水质分析仪，其特征在于：所述的安装块包括相互贴合的上部(1202)和下部(1201)，上部与下部的贴合面为斜面；所述的下部与主箱体的内底部连接固定，所述上部沿与下部的贴合面滑动，且上部设有用于与下部紧定的螺栓。