CN209014471U - 一种基于led光源的光谱法水质监测模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，属于净水领域的水质在线监测技术领域。它包括流体室、光电室、光学探测部分、电子电路系统和透光防水密封组件。流体室与光电室之间连接透光防水密封组件实现防水分离，光学探测部分安装在电子电路系统的电路板上，透光防水密封组件包括石英片，光学探测部分包括贴片式LED、带通滤光片和光电二极管，电子电路系统包括单片机、电源模块、运放模块、低通滤波模块、模数转换和通信模块。本实用新型通过紫外光激发荧光信号来检测水中蛋白类与腐殖质类物质，通过蓝光的散射检测水的浊度，具有体积小、能耗低、成本低、灵敏快速和无需试剂的优点。

Description

一种基于LED光源的光谱法水质监测模块

技术领域

本实用新型涉及市政水处理或家用净水领域的在线水质监测技术，具体涉及一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，通过紫外光激发荧光信号来检测水中，通过蓝光散射光检测水的浊度。

背景技术

自然水体中所存在的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)，主要包括大分子蛋白类、中等分子量的腐殖酸、富里酸以及其他小分子物质。在饮用水处理过程中，DOM可在氯化消毒工艺中生成具有致癌作用的消毒副产物；在末端管网中，DOM可为管道中微生物的生长提供碳源，形成生物膜；此外，DOM可以螯合重金属，增强纳米粒子的分散性。

各地饮用水源水中DOM含量存在较大差异；长江水系饮用水源中溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)通常小于2mg/L，而江苏北部地区饮用水源水往往在5mg/L左右，甚至个别饮用水源地DOC高达9mg/L。目前饮用水厂所普遍采用的混凝-沉淀-过滤-消毒工艺，主要对其中的大分子量蛋白类物质实现有效去除，而对中等分子量腐殖质类物质去除效果较差。一些水厂采用臭氧-活性炭工艺进行深度处理，但由于成本较高，需要通过监测进出水水质进行优化。

随着水质污染事件频发，末端净水技术成为饮用水安全保障的迫切需求。近年来，中国末端净水产业发展十分迅速，形成了一系列净水机品牌。目前的末端净水设备主要采用的净水方式包括：(1)PP棉过滤，目的在于去除浊度和颗粒物；(2)活性炭过滤，目的在于吸附部分有机物和重金属；(3)膜材料过滤，其中超滤膜过滤进一步截留颗粒物、胶体和微生物，对后续纳滤膜或反渗透膜起到保护作用，而纳滤膜或反渗透膜则对大部分溶解性有机物及重金属实现有效去除。末端净水市场领域竞争日趋激烈，增加净水器产品的附加功能，有利于提高品牌价值和产品附加值。其中水质在线监测功能组件成为末端净水设备领先制造商的关注热点。

目前的净水机主要采用总溶解性固体(TDS)的指标评价水质监测结果，然而有害的重金属浓度往往是微量的，通常难以被TDS指标所反映。DOM的在线监测可以作为末端净水水质的重要评价方法。一方面，水中的重金属离子大多以与DOM形成的络合态存在，去除DOM的同时可以去除重金属；另一方面，DOM浓度可以反映出自来水中加氯后的消毒副产物生成水平；另一方面，溶解性有机物、医药护理品和消毒副产物等微量有毒污染物在活性炭过滤和膜滤过程中也存在相似的去除行为；此外，水中微生物的滋生会导致蛋白类荧光信号的偏高。因此，通过监测溶解性有机物的去除程度，理论上可以同时反映重金属、医药护理品和消毒副产物等微量污染物的去除水平以及进行微生物污染预警。供水管网中生物膜的脱落、管道腐蚀与破损会导致饮用水具有较高的浊度。尽管浊度比DOM更容易在净水机中实现去除，即净水器对DOM去除效率高意味着其浊度去除效率也高，但净水机厂商希望在不显著增加成本的前提下能够同时监测DOM浓度和浊度两个指标。

末端净水产品对水质监测模块的要求是体积小、能耗低、成本低、灵敏快速和无需试剂。紫外法和荧光法探测DOM，无需化学试剂且灵敏快速，是最适合在线应用价值的DOM探测技术。浊度探测同样采用光学方法，可通过探测散射光或吸光度来实现定量。与化学法、电化学法等方法相比，光学法不直接接触水体，避免了潜在污染。

发光二极管(LED)具有单色性好、体积小、能耗低和寿命长等优点，且其发光波长已由可见光波段拓展到深紫外波段(波长小于300nm)，近年来深紫外波段LED的发展获得突破，已具备商业化大批量生产能力，可在水质监测领域进行应用。

如中国专利申请号CN201410502662.9，公开日为2014.12.10的申请案公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法，中国专利申请号CN201510738667.6，公开日为2017.10.17的申请案公开了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用，上述两个申请案均采用了以紫外LED为光源，采用处于光路相对位置的光电二极管探测紫外吸光度值，并采用与紫外LED光路垂直位置的带通滤光片和光电二极管探测蛋白类和腐殖质类两种荧光信号。上述申请案能够保证水处理过程中的水质监测，然而嵌入到净水机系统中仍存在困难，主要在于：1)LED光源采用TO39金属封装，成本较高，难以集成到电路板上；2)为实现荧光探测，光源和光电二极管采用相互垂直的光路设计，需要两块石英片，难以实现微型化，也增加了耐压防水设计难度。

中国专利申请号201810127420.4，公开日为2018.07.20的申请案公开了一种含水质监测功能的末端消毒净水组件及使用方法，其设计以消毒功能为主，采用了贴片式LED作为光源，降低了成本，但为实现杀菌效果，采用多颗贴片式LED，设计仍体积较大，而且不能够检测浊度指标。

南京信息工程大学研究生王志丹在2016.06.14公开了一篇名为光学浊度传感器的设计与实现的论文，该论文系统地总结了浊度测量的基础理论和方法，目前浊度的检测方法包括透射法、散射法、比值法和表面散射法，其中散射法包括垂直散射式、前向散射式和后向散射式；浊度探测所采用的光源包括白炽灯、发光二极管LED和激光二极管。在实际应用中，由于溶解性有机物对波长小于500nm的入射光有显著的吸收作用，目前的浊度监测探头均采用>600nm的红光或红外光源进行探测，以最大程度地消除溶液色度对测量结果带来的误差。然而，由于二级瑞利散射的存在，探测荧光所用的最大波长应小于入射光波长的2倍，意味着采用红光或红外光源探测浊度和采用紫外作为激发光源来探测荧光，难以共同使用一个光电二极管及其探测电路。另一方面，采用光源峰值波长在400～550nm左右的蓝绿光可以达到较高的浊度测量灵敏度，而净水机所处理的自来水的特点是低浊度和低溶解性有机物。腐殖质荧光的发射波长范围在400～500nm内。因此，在净水领域采用400～500nm蓝光进行浊度探测不仅可以获得较高的灵敏度，而且还可以与荧光探测共用光电二极管及其放大电路，同时所受溶解性有机物的干扰较小。

综上所述，在饮用水厂需要通过在线监测净水单元前后的水质来进行处理工艺的优化调整；净水机或净水系统厂商为了更好地反映净水前后的水质差异，需要在进水和出水管路上安装两个微型化的水质监测模块，同时对浊度和溶解性有机物浓度进行探测，通过差值计算，来反映净水器净水效果。

发明内容

1.要解决的问题

针对饮用水厂或民用净水系统迫切需要在线监测水中浊度和溶解性有机物浓度的需求，本实用新型旨在提供一种微型化嵌入式水质监测模块，通过荧光法探测溶解性有机物浓度，通过散射光法探测浊度，具有微型化、成本低、易安装、灵敏快速等优点，可安装在水处理单元或净水机进水和出水管路，实时反映净水效果。

2.技术方案

为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，包括流体室、光电室和透光防水密封组件，所述的流体室、透光防水密封组件、光电室依次连接，所述的光电室内包括光学探测部分和电子电路系统，所述的光学探测部分安装在电子电路系统的电路板上，其中光学探测部分提供光源及将荧光与散射光信号转换成电信号，所述的电子电路系统对电信号进行处理后输出。

进一步地，所述的流体室通过透光防水密封组件实现与光电室的透光防水分离，所述的透光防水密封组件包括石英片和密封垫圈。

进一步地，所述的流体室两端设置快接头连接进出水管路。

进一步地，所述的荧光与散射光所实现的水质监测对象，包括(i)通过荧光法探测蛋白类荧光信号、腐殖质类荧光信号或蛋白类荧光和腐殖质类荧光的总荧光信号三种荧光信号对流路中的溶解性有机物或微生物污染进行监测，(ii)通过探测蓝光照射到颗粒物或胶体上所产生的散射光来监测水中的浊度。

进一步地，所述的光学探测部分包括贴片式LED、带通滤光片和光电二极管，贴片式LED和光电二极管并列设置于同一块电路板一上，带通滤光片封装在光电二极管的表面。

进一步地，所述的光电二极管还可以设置在电路板二上，带通滤光片封装于光电二极管表面，电路板一上正对于带通滤光片处开孔，贴片式LED设置于开孔的边缘，且贴片式LED的表面与带通滤光片的表面齐平。

进一步地，所述的贴片式LED的光源为单色紫外LED光源或紫外+蓝光复色组合封装LED光源或紫外LED+蓝光LED双光源。

进一步地，其中所述的单色紫外LED光源所选用的波长范围为250～370nm，主要用于作为荧光信号探测的激发光源，优选地采用中心波长在280±5nm的紫外芯片用于激发蛋白类荧光或腐殖质类荧光，优选地采用中心波长在310±5nm、330±5nm或365±5nm处的紫外LED芯片用于单独激发腐殖质类荧光；

进一步地，其中所述的复色组合封装LED光源是将用于激发荧光信号的紫外LED芯片和用于浊度探测的蓝光(400～500nm)LED芯片组合封装于同一基底上，优选地采用280±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装，采用310±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装，采用330±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装，采用365±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装。

进一步地，所述的带通滤光片根据贴片式LED光源的不同，选择匹配不同类型的带通滤光片，分别是波长范围为(i)330～360nm范围的带通滤光片，可用于蛋白类荧光信号探测和微生物污染预警，(ii)380～500nm范围的带通滤光片用于腐殖质类荧光信号的探测，(iii)330～500nm的带通滤光片用于对蛋白类荧光和腐殖质类荧光的总荧光信号进行探测；所述的带通滤光片对带通波长范围外光强的截止率为99.9％以上。

进一步地，所述的光电二极管是对300～500nm范围中的紫外-可见光具有较高线性响应的硅光电二极管。

进一步地，所述的电子电路系统包括单片机、电源模块、运放模块、低通滤波模块、模数转换、通信模块、温度传感器、上位机和恒流驱动模块，其中电源模块为电子电路系统各元器件供电；单片机输出数字信号控制恒流驱动电路来实现贴片式LED的开关控制；带通滤光片将光信号输入光电二极管，运放模块对光电二极管输出的信号放大处理后再传输给低通滤波模块，低通滤波模块处理后输入到模数转换，最后由单片机进行采集后与上位机进行通信；所述的温度传感器监测电路板温度，用于因温度变化对贴片式LED的功率输出和光电二极管的信号进行校正补偿，其补偿系数通过测定同一溶液在不同温度下的数值进行确定。

进一步地，所述的运放模块采用零偏置电压的光伏模式，其运算放大器采用跨阻放大设计实现I-V转换；模数转换采用12位以上高精度AD模数转换芯片将信号进行模数转换，单片机与上位机通过IIC总线方式进行通信。

一种基于LED光源的光谱法水质监测模块的使用方法，其步骤为：

(1)打开电源模块，单片机控制恒流驱动电路，控制贴片式LED开关，只输出紫光或交替输出蓝光或紫光；

(2)贴片式LED发出的蓝光透过石英片照射到流体室水样中的细小颗粒物形成散射光，贴片式LED发出的紫光经过石英片照射到流体室水样中的溶解性有机物产生荧光；

(3)带通滤光片过滤带通波长范围外的光强，将散射光和/或荧光产生的光信号传输给光电二极管；

(4)光电二极管将光信号转换成电信号；

(5)运放模块对光电二极管输出的电信号进行处理，放大电信号，传输到低通滤波模块；

(6)低通滤波模块处理后将电信号输入到模数转换，再传输给单片机；

(7)单片机进行采集后与上位机进行通信，上位机计算水处理单元或净水机进水和出水两处荧光信号的差值和/或散射光信号的差值，判断水处理单元或净水机对有机物和浊度的去除效果。

作为本实用新型更进一步的阐述，所述的荧光探测DOM浓度与散射光探测浊度，单片机通过两个数字引脚输出信号控制两个独立的LED恒流驱动电路，控制紫外LED芯片和蓝光LED芯片交替点亮，由于腐殖质受紫外光激发所产生的荧光为蓝光，因此荧光和蓝光的散射光可以共用滤光片和光电二极管及其放大电路。

3.有益效果

相比于最接近的现有技术，本实用新型的有益之处在于：

(1)本实用新型所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其优点在于LED光源采用贴片式封装，成本为TO39封装的1/20以下，有利于规模化生产。

(2)本实用新型所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其优点在于LED光源和光电二极管位于平行面上，朝向相同，这样的光路设计所占空间较小，仅采用一块石英片，有利于实现光电器件与水的分离，降低防水密封的设计难度。

(3)本实用新型所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，根据水体中广泛存在的蛋白类或腐殖质类所具有的内在荧光特性特点，采用荧光法进行水质在线监测，可以实现对10ppb至5ppm DOC浓度水平的线性探测，并可根据重金属、医药护理品、消毒副产物与腐殖质在活性炭中的竞争吸附和膜过滤中的“穿透”行为，对活性炭滤芯或膜滤芯的更换进行提示；与TDS在线监测方法相比，荧光法还可适用于对无机盐去除效果较差的活性炭过滤或纳滤膜过滤的出水水质监测；微生物在石英片表面附着形成生物膜，由于胞外聚合物中含有大量蛋白类物质，因此，蛋白类荧光信号可以在一定程度上预警净水机内部管路的微生物污染风险。

(4)本实用新型采用蓝光照射到颗粒物或胶体上所产生的散射光来监测水中的浊度，对于低浊度的自来水，蓝光比红外或红光探测浊度更加灵敏，同时自来水中溶解性有机物的浓度较低，其对蓝光探测浊度的影响可以忽略。

(5)本实用新型所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其优点在于紫外光所激发产生的荧光和探测浊度所用蓝光的波长相近，通过对紫外LED芯片和蓝光LED芯片封装成复合光源，巧妙地利用同一光电二极管和带通滤光片组合，采用分时复用方式对荧光信号和浊度信号进行探测，进一步降低了探测成本。

附图说明

图1为本实用新型水质监测模块的外观结构的(a)正视图、(b)侧视图、(c)俯视图和(d)轴测图；

图2为本实用新型水质监测模块结构的爆炸分解图的正视图；

图3为本实用新型水质监测模块结构的爆炸分解图的轴测图；

图4为本实用新型水质监测模块的光学器件位置示意图；

图5为本实用新型水质监测模块的电子电路系统示意图；

图6为AD采集前原始电压数据(左侧Y轴)和AD采集后信号值(右侧Y轴)与溶解性有机物浓度之间的线性拟合；

图7为AD采集前原始电压数据随时间的变化图；

图8为水质监测模块所测得散射光信号值与硫酸肼浊度标准液浓度直接的线性拟合；

图9为本实用新型水质监测模块的流体室的流场示意图；

图10流体室的进出水流路改进示意图：(a)俯视图和(b)侧视图。

1、流体室；2、光电室；3、光学探测部分；4、电子电路系统；5、透光防水密封组件；101、快接头；102、垫圈凹槽；103、下螺丝孔；201、环形支撑架；202、顶盖；203、上螺丝孔；301、贴片式LED；302、带通滤光片；303、光电二极管；41、电路板一；42、电路板二；401、单片机；402、电源模块；403、运放模块；404、低通滤波模块；405、模数转换；406、通信模块；407、温度传感器；408、上位机；409、恒流驱动模块；501、石英片；502、密封垫圈。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本实用新型作详细描述。

实施例1

本实施例的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，使用荧光与散射光所实现的水质监测对象，包括(i)通过荧光法探测蛋白类荧光信号、腐殖质类荧光信号或蛋白类荧光和腐殖质类荧光的总荧光三种荧光信号对流路中的溶解性有机物或微生物污染进行监测，(ii)通过蓝光照射到颗粒物或胶体上所产生的散射光来监测水中的浊度。

如图1、图2和图3所示，本实施例的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，包括流体室1、光电室2、光学探测部分3、电子电路系统4和透光防水密封组件5。流体室1两端各设有一个快接头101，一端是进水的快接头101，另一端是出水的快接头101；光电室2上方设有顶盖202，光电室2内设有环形支撑架201，环形支撑架201中设置光学探测部分3和电子电路系统4；透光防水密封组件5包括石英片501和密封垫圈502。光电室2的顶盖202通过螺丝将上螺丝孔203和下螺丝孔103进行连接，顶盖202通过环形支撑架201来顶紧石英片501和密封垫圈502，实现光电室2与流体室1的防水透光分离密封的目的。

光学探测部分3包括贴片式LED301、带通滤光片302和光电二极管303，贴片式LED301、带通滤光片302和光电二极管303之间的位置关系和光路如图4-(a)所示，光电二极管303居中焊接在电路板二42上，贴片式LED301所在的电路板一41中央部分开孔，贴片式LED301焊接于电路板一41开孔的边缘，带通滤光片302封装于光电二极管303表面，设计两块电路板之间距离和位置，使带通滤光片302透过贴片式LED301所在电路板一41的开孔并且带通滤光片302的表面与贴片式LED301电路板一41的表面齐平。贴片式LED301采用紫外加蓝光复合封装的5050规格贴片LED，其中所封装的紫外光LED芯片发光功率为3mW，波长λ为280±5nm，所封装的蓝光LED芯片发光功率为60mW，波长λ为465±5nm，紫外光LED芯片和蓝光LED芯片的阴极分别连接各自的恒流驱动电路，共用阳极，实现独立开关控制，所输出的紫外光和蓝光的发光角均大于140°。带通滤光片302，所用波长范围为380～500nm范围的带通滤光片302，用于透过腐殖质类荧光，对其他波长范围的紫外和可见光截止率为99.9％以上，带通滤光片302固定于光电二极管303表面，其尺寸为长4.4mm，宽4.0mm，厚约2.2.mm。光电二极管303是对300～500nm范围中的紫外-可见光具有较高线性响应的贴片式封装的硅光电二极管，本实施例中选用镇江镓芯光电科技有限公司所生产的蓝光增敏型贴片式光电二极管，其尺寸为长4.4mm，宽4.0mm，厚约1.2mm。

如图5所示，电子电路系统4包括单片机401、电源模块402、运放模块403、低通滤波模块404、模数转换405、通信模块406和温度传感器407，电子电路系统4的元器件排布于两块印刷电路板一41和电路板二42上。

电源模块402为电子电路系统4各元器件供电，选用TI公司的tps61040芯片用于所需的DC-DC电压转换，采用LM317芯片分别构成恒流驱动模块409，分别驱动贴片式LED301的紫外光LED芯片和蓝光LED芯片。

光电信号经过运放模块403和低通滤波模块404进行信号放大和降噪，其中运放模块403选用TI公司的OPA129运算放大器芯片以跨阻放大方式设计电路，选用的放大电阻为500MΩ；低通滤波模块404采用TI公司的OPA227运算放大器芯片设计带宽为10Hz的低通滤波器，其目的在于将50Hz的工频干扰削减50dB。

单片机401选用采用STM32F103C8T6芯片，通过数字输出引脚控制恒流驱动电路中的LM317芯片来实现贴片式LED301光源中紫外LED芯片和蓝光LED芯片的交替闪亮，即在1s的周期内，紫外LED芯片点亮0.5s后熄灭，然后蓝光LED芯片开始点亮0.5s。当紫外LED芯片工作时，所发出的280±5nm紫外光透过石英片501照射到流体室1水样中的溶解性有机物，有机物中蛋白类物质和腐殖质类物质分别产生波长在320～350nm和380～500nm范围内的荧光，在本实施例中仅有腐殖质类荧光信号透过石英片501和带通滤光片302照射到光电二极管303表面，光电二极管303采用零偏置电压的光伏工作模式，所产生的信号经运放模块403和低通滤波模块404处理后，经模数转换405后传输给单片机401。当蓝光LED芯片工作时，所发出的465±5nm蓝光同样透过石英片501照射到流体室1中的细小颗粒物上而形成散射光，由于LED光的发光角度较大，所形成的散射光可以是垂直散射、前向散射和后向散射；散射光透过石英片501和带通滤光片302照射到光电二极管303表面，光电二极管303采用零偏置电压的光伏工作模式，所产生的信号经运放模块403和低通滤波模块404处理后，经模数转换405后传输给单片机。由于荧光和散射光都是微弱光，因此可采用分时复用的方式，共用一套光电二极管303及其运算放大电路。

单片机401与上位机408进行通讯，采用IIC方式将荧光信号和散射光信号传送给上位机408；在净水机中的进水和出水两处分别接入本实例水质监测模块，或者采用一个水质监测模块在未使用净水机取水时监测进水的水质而在净水机取水时监测净化出水的水质，通过电磁阀的开关实现所监测水路的切换来实现对净水机处理前和处理后水质的先后监测；上位机通过比较计算净水机进水和出水两处水质监测模块所测得的荧光信号和散射光信号差值，来反映净水机对水中有机物和浊度的去除效果。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品配制5mg/L DOC溶液并进行梯度稀释，所测数据如图6和图7所示。在图6中，AD模数转换前原始电压数值或AD模数转换后的荧光信号值与DOC浓度均呈现出良好的线性关系(R²>0.99)，每荧光信号单位对应的DOC浓度为5/166mg/L，即约为30μg/L；在图7中显示采用紫外LED芯片恒亮时AD模数转换前原始电压数值随时间的变化，在前30s内，电压数值变化小于0.8mV，即在12位精度AD采样精度以内；随后电压数值下降，但在60s内的数值变化小于1.5mV。这种变化是由于LED持续点亮后，芯片温度有所上升导致发光效率下降。由于净水机的使用往往在1分钟以内，且紫外LED芯片和蓝光LED芯片采用每0.5s交替频闪模式，占空比50％，可以有效解决散热问题，因此本实用新型实施例的水质监测模块能够满足净水器的测试需求。

采用国家标准《水质浊度的测定》(GB13200-91)配制硫酸肼标准溶液并进行梯度稀释，采用蓝光的散射进行浊度探测，如图8所示，所测得的光强信号与浊度NTU之间具有很好的线性关系(R²>0.99)，每散射光强信号单位对应100/3882NTU，即约0.026NTU。

另外，还实测了南京某净水机品牌公司所提供的其实验室内的反渗透净水机的进出水，对于荧光信号，净化前自来水比净化后的出水高出～48mV，即～60个采样单位(arbitrary unit,AU)；对于浊度，净化前自来水笔净化后的出水高～29.5mV，即～37个采样单位(AU)，对应0.95NTU的浊度差值。

实施例2

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

如图9所示，实施例1中的流体室1的流场存在一定的死体积，本实施例中将进出水管轴线两侧的死循环区域进行实体填充，以减少流体室(1)中的死体积。

贴片式LED301、带通滤光片302和光电二极管303之间的位置关系和光路如图4-(b)所示，贴片式LED301和光电二极管303并列焊接于同一块电路板一41上，带通滤光片302封装在光电二极管303的表面，贴片式LED301和光电二极管303边缘相距一定距离，本实施例中采用2mm，使贴片式LED301的部分发光能够斜照到光电二极管303和带通滤光片302的上方空间，光电二极管303采用镇江镓芯光电科技有限公司所生产的TO-5金属封装的硅光电二极管。

模数转换405采用TI公司的ADS1118的高端模数转换芯片，具有四路单端输入和2/3-16可编程增益放大器，而单片机401采用相对低端的MA82G5B32单片机芯片。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品和硫酸肼浊度标准溶液配制同时含有2mg/LDOC的溶解性有机物和1NTU的浊度的溶液，本实施例的水质监测模块测得荧光信号为122AU，每单位对应的灵敏度为2/122mg/L，即约16μg/L；测得蓝光散射光的信号为73AU，每个单位对应的灵敏度为1/73NTU，即约为0.014NTU。

实施例3

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

如图10所示，本实施例中将流体室1的进出水管接口采用上下左右非对称设计，以增加紊流强度，减少流场死循环体积。

带通滤光片302的带通波长范围为330-500nm，用于对蛋白类荧光和腐殖质类荧光的总荧光信号进行探测，而对其他波长的紫外或可见光截止率为99.9％以上。

采用长江水水样(DOC约为1.8mg/L)经0.45μm过膜处理后，再往水样中添加硫酸肼浊度标准溶液增加1NTU的浊度。本实施例中所获得的总荧光信号值为92AU，每荧光单位代表的DOC浓度为1.8/92mg/L，即约为19.6μg/L；所测得蓝光散射光信号为39AU，每单位对应的灵敏度约为0.0256NTU。

实施例4

本实施例基本与实施例3相同，不同之处在于：

贴片式LED301采用310±5nm紫外和465±5nm蓝光两颗LED光源并列放置，其中紫外LED的发光功率为8mW，用于激发水中的腐殖质类荧光信号。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品和硫酸肼浊度标准溶液配制同时含有约2mg/LDOC的溶解性有机物和约1NTU的浊度的溶液，本实施例的水质监测模块测得荧光信号为86AU，每单位对应的灵敏度为2/86mg/L，即约23μg/L；测得蓝光散射光的信号为40AU，每个单位对应的灵敏度为1/40NTU，即约为0.025NTU。

实施例5

本实施例基本与实施例3相同，不同之处在于：

贴片式LED301采用330±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片复合封装，其中紫外LED芯片的发光功率为8mW，用于激发水中的腐殖质类荧光信号。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品和硫酸肼浊度标准溶液配制同时含有约2mg/LDOC的溶解性有机物和约1NTU的浊度的溶液，本实施例的水质监测模块测得荧光信号为136AU，每单位对应的灵敏度为2/136mg/L，即约15μg/L；测得蓝光散射光的信号为40AU，每个单位对应的灵敏度为1/40NTU，即约为0.025NTU。

实施例6

本实施例基本与实施例3相同，不同之处在于：

贴片式LED301采用365±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片复合封装，其中紫外LED芯片的发光功率为40mW，用于激发水中的腐殖质类荧光信号。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品和硫酸肼浊度标准溶液配制同时含有约2mg/LDOC的溶解性有机物和约1NTU的浊度的溶液，本实施例的水质监测模块测得荧光信号为255AU，每单位对应的灵敏度为2/255mg/L，即约8μg/L；测得蓝光散射光的信号为40AU，每个单位对应的灵敏度为1/40NTU，即约为0.025NTU。

实施例7

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

贴片式LED301为单色紫外LED光源，波长为280±5nm；带通滤光片302的带通波长范围为330-500nm。本实施例仅对水中的溶解性有机物的蛋白类荧光和腐殖质类荧光的总荧光信号进行探测，不探测浊度信号。

采用长江水水样(DOC约为1.8mg/L)经0.45μm过膜处理后分成两份，一份添加硫酸肼浊度标准试剂使得溶液浊度为2NTU，另一份不添加浊度，本实施例水质监测模块所测得两个水样的蛋白类荧光和腐殖质类荧光的总荧光信号分别为89AU和92AU。因为2NTU的硫酸肼溶液在280nm处的吸光度约为0.026，即每厘米约为94％透光率，对荧光的内部掩盖效应较小。通常情况下，自来水的浊度小于1NTU，所以自来水中的浊度对荧光信号的探测影响很小。

实施例8

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

运放模块403中所采用的放大电阻为1GΩ，带通滤光片302的带通波长范围为330-360nm，用于对蛋白类荧光信号进行探测，而对其他波长的紫外或可见光截止率为99.9％以上。本实施例中仅单独对水中的溶解性有机物的蛋白类荧光，不探测浊度信号。

因为国际腐殖质协会自然有机物标准品的蛋白类荧光很弱，所以本实施例中采用经0.45μm过膜处理的长江水水样(DOC约为1.8mg/L)，水质监测模块所测得的蛋白类荧光信号为38AU。

实施例9

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

贴片式LED301为单色紫外LED光源，波长为310±5nm，输出光功率约为8mW。本实施例仅单独对水中的溶解性有机物的腐殖质类荧光，不探测浊度信号。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品配制含有约2mg/L DOC的溶解性有机物，本实施例的水质监测模块所测得腐殖质类荧光信号为86AU，每单位对应的灵敏度为2/86mg/L，即约23μg/L DOC。

实施例10

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

贴片式LED301为单色紫外LED光源，波长为330±5nm，输出光功率约为8mW。本实施例仅单独对水中的溶解性有机物的腐殖质类荧光，不探测浊度信号。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品配制含有约2mg/L DOC的溶解性有机物，本实施例的水质监测模块所测得腐殖质类荧光信号为137AU，每单位对应的灵敏度为2/137mg/L，即约15μg/L DOC。

实施例11

本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：

贴片式LED301为单色紫外LED光源，波长为365±5nm，输出光功率为40mW。本实施例仅单独对水中的溶解性有机物的腐殖质类荧光，不探测浊度信号。

采用国际腐殖质协会自然有机物标准品配制含有约2mg/L DOC的溶解性有机物，本实施例的水质监测模块所测得腐殖质类荧光信号为257AU，每单位对应的灵敏度为2/257mg/L，即约8μg/L DOC。

Claims (12)

1.一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，包括流体室(1)、光电室(2)和透光防水密封组件(5)，其特征在于：所述的流体室(1)、透光防水密封组件(5)和光电室(2)依次连接，所述的光电室(2)内包括光学探测部分(3)和电子电路系统(4)，所述的光学探测部分(3)安装在电子电路系统(4)的电路板上，其中光学探测部分(3)提供光源及将荧光或散射光信号转换成电信号，所述的电子电路系统(4)对电信号进行处理后输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的光学探测部分(3)包括贴片式LED(301)、带通滤光片(302)和光电二极管(303)，贴片式LED(301)和光电二极管(303)并列设置于电路板一(41)上，且贴片式LED(301)的光可以照到光电二极管(303)的上方，带通滤光片(302)封装在光电二极管(303)的表面。

3.根据权利要求2所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的光电二极管(303)设置在电路板二(42)上，带通滤光片(302)封装于光电二极管(303)表面，电路板一(41)上正对于带通滤光片(302)处开孔以使带通滤光片(302)穿过该孔，贴片式LED(301)设置在电路板一(41)上，且贴片式LED(301)的光可以照到光电二极管(303)的上方。

4.根据权利要求2或3任意一项所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的贴片式LED(301)的光源为单色紫外LED光源或紫外+蓝光复色组合封装LED光源或紫外LED+蓝光LED双光源。

5.根据权利要求4所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的单色紫外LED光源所选用的波长范围为250～370nm。

6.根据权利要求5所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的单色紫外LED光源采用中心波长为280±5nm或310±5nm或330±5nm或365±5nm的紫外LED芯片。

7.根据权利要求4所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的复色组合封装LED光源是将紫外波长250～370nm范围内的LED芯片和蓝光波长400～500nm范围内的LED芯片组合封装于同一基底上。

8.根据权利要求7所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的复色组合封装LED光源采用280±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装，或采用310±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装，或采用330±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装，或采用365±5nm紫外LED芯片和465±5nm蓝光LED芯片组合封装。

9.根据权利要求5～8任意一项所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的带通滤光片(302)根据LED光源的不同，选择匹配不同类型的带通滤光片(302)，分别是波长范围为330～360nm或380～500nm或330～500nm的带通滤光片(302)，所述的带通滤光片(302)对带通波长范围外光强的截止率为99.9％以上。

10.根据权利要求2或3任意一项所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的光电二极管(303)是对300～500nm范围中的紫外-可见光具有较高线性响应的硅光电二极管。

11.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的电子电路系统(4)包括单片机(401)、电源模块(402)、运放模块(403)、低通滤波模块(404)和模数转换(405)，其中电源模块(402)为电子电路系统(4)各元器件供电；单片机(401)输出数字信号控制恒流驱动电路(409)来实现贴片式LED(301)的开关控制；光电二极管(303)接收透过带通滤光片(302)的光并将其转换为电信号输出，运放模块(403)对光电二极管(303)输出的信号放大处理后再传输给低通滤波模块(404)，低通滤波模块(404)处理后输入到模数转换(405)，最后由单片机(401)进行采集后与上位机(408)进行通信。

12.根据权利要求11所述的一种基于LED光源的光谱法水质监测模块，其特征在于：所述的运放模块(403)采用零偏置电压的光伏模式，其运算放大器采用跨阻放大设计；模数转换(405)采用12位以上高精度AD模数转换芯片将信号进行模数转换。