CN209690151U - 一种光谱水质检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光谱水质检测装置。所述装置包括：光源，发射检测光；准直光学器，接收所述检测光并将所述检测光准直形成平行光束；光程变换器，设置于检测区域内，改变射入检测区域内的所述平行光束的光程，形成透射光束；光谱获取单元，获取所述透射光束的透射光谱信息。

Description

一种光谱水质检测装置

技术领域

本申请涉及水质检测技术领域，具体涉及一种光谱水质检测装置。

背景技术

传统的光学法检测技术是采用单波长或多波长的光线，在一定波段内测量吸光度，根据朗伯比尔定律计算物质浓度。由于不同物质的吸收波段不同，为了精确的检测水质参数，可采用紫外吸收全光谱测量法。这是一种从紫外光到可见光全波段进行吸光度测量的方法。通过对不同水质参数或不同物质浓度对吸光度进行数学建模，对待测水质的全波段吸光度进行计算，进而分析水质的方法。

紫外吸收全光谱水质测试仪器多采用氙灯作为灯源，这是由于氙灯能产生从紫外到可见波段的较稳定的光。光线经过光学系统准直后，进入检测池。不同波长的光被对应物之吸收后，透射光经过光学系统分光，被CCD检测阵列检测便获得了透射光强的光谱。吸光度A＝lg(I0/I1),其中I0为入射光强，I1为透射光强，计算获得的与波长对应的吸光度包含了待测物质的大量光谱信息。根据朗伯比尔定律：A＝Kbc可以从光谱信息中获取物质的浓度信息，其中，K为摩尔吸光系数，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关，c为吸光物质的浓度，b为检测光程。

由于水中不同的物质在进行测量时，所需要的最佳测量光程是不同的，常需要改变不同的光程以保持较高的信噪比。且不同浓度溶液也需要不同的光程，否则可能使准确度和精度降低。

在光谱水质检测仪器中，改变光程通常是采用精密的机械结构去改变光源的位置或者检测光学系统的位置。

本申请的发明人发现，这种方法光程的改变不够精准，且对机械结构的精密性具有较高的要求。

实用新型内容

本申请一个实施例提供了一种光谱水质检测装置，包括光源、准直光学器、光程变换器、光谱获取单元，其中，光源发射检测光；准直光学器接收所述检测光并将所述检测光准直形成平行光束；光程变换器设置于检测区域内，改变射入检测区域内的所述平行光束的光程，形成透射光束；光谱获取单元获取所述透射光束的透射光谱信息。

作为本申请的一种可选择的技术方案，所述光谱水质检测装置还包括：计算设备，确定所述检测光的入射光谱信息和所述透射光谱信息，基于所述入射光谱信息和所述透射光谱信息计算所述光程对应的吸光度信息。

作为本申请的一种可选择的技术方案，所述光谱水质检测装置还包括感应光源、光电传感器，感应光源置于所述光源下方，产生感应光束；光电传感器设置于所述感应光束射出所述检测区域处，感应所述感应光束通过所述光程变换器后的光信号；其中，所述计算设备基于所述光信号确定所述光程变换器的位置。

作为本申请的一种可选择的技术方案，所述光谱水质检测装置还包括位置控制器，所述位置控制器与所述光程变换器连接，根据所述计算设备的指令控制所述光程变换器的位置。

本申请的实施例提供的技术方案，可以精确的控制光程；降低对机械结构的要求，降低制造成本，提高可实现性，且长期使用更为稳定；在现今绝大多数水质检测设备中，进行简单的加工和改善便可以实现，其可实现度较高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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他的附图。

图1是本申请一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图；

图2是本申请另一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图；

图3是本申请又一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图；

图4是本申请再一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图；

图5是本申请一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图；

图6是本申请另一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图；

图7是本申请又一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图；

图8是本申请再一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1是本申请一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图，包括光源11、准直光学器12、光程变换器13、光谱获取单元14。

装置各部件固定在不锈钢密封固定结构中。装置各部件经过防水处理。检测时，将设备放在水里，检测区域被淹没即可。

光源11发射检测光。准直光学器12接收检测光并将检测光准直形成平行光束。光程变换器13设置于检测区域内，改变射入检测区域内的平行光束的光程，形成透射光束。光谱获取单元14获取透射光束的透射光谱信息。

光源11包括氙灯、激光光源、LED光源。因水质检测时，有机物的吸收波段多为紫外波段，为了得到全光谱信息，光源11可以为获得稳定的从紫外到可见波段光的氙灯。

光程变换器13的材料包括石英玻璃、火石玻璃、塑料玻璃的一种。光程变换器13涂有增透膜。石英材料对紫外线和可见光的吸收都较少，在加上增透膜减少了反射损耗后，垂直放置在检测光路上的石英玻璃可以低损耗的透过光线，同时又能减少实际检测光程。由于石英玻璃结构对光线仍然有微弱的吸收作用，在计算吸光度时，对透射光谱进行一定的补偿，可以获得信噪比更高的吸光度。石英玻璃结构需要一直垂直于光路，保证光程的精确。

本实施例提供的技术方案，可以精确的控制光程；降低对机械结构的要求，降低制造成本，且长期使用更为稳定；在现今绝大多数水质检测设备中，进行简单的加工和改善便可以实现，其可实现度较高。

图2是本申请另一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图，包括光源11、准直光学器12、光程变换器13、光谱获取单元14、计算设备(未示出)、感应光源15、光电传感器16。

光源11发射检测光。准直光学器12接收检测光并将检测光准直形成平行光束。光程变换器13设置于检测区域内，改变射入检测区域内的平行光束的光程，形成透射光束。光谱获取单元14获取透射光束的透射光谱信息。

计算设备确定检测光的入射光谱信息和透射光谱信息，基于入射光谱信息和透射光谱信息计算光程对应的吸光度信息。感应光源15置于光源下方，产生感应光束。光电传感器16设置于感应光束射出检测区域处，感应该感应光束通过光程变换器13后的光信号。计算设备基于该光信号确定光程变换器13的位置。

感应光源15使用寿命较长的LED光源，以产生感应光束。光程变换器13涂有增透膜，且半部分设置有遮光部131。光电传感器16用来监测感应光束的出现和消失，用来感应检测池中是否有障碍物或遮光部131是否阻挡光线。

本实施例提供的技术方案，通过感应光源15和光电传感器16来感应光程变换器13的遮光部131的位置，使得光程变换器15处于合适的位置，可以更加精确的控制光程，装置进行简单的改善便可以实现，其可实现度较高。

图3是本申请又一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图，包括光源11、准直光学器12、光程变换器13、光谱获取单元14、计算设备(未示出)、感应光源15、光电传感器16、位置控制器17。

光源11发射检测光。准直光学器12接收检测光并将检测光准直形成平行光束。光程变换器13设置于检测区域内，改变射入检测区域内的平行光束的光程，形成透射光束。光谱获取单元14获取透射光束的透射光谱信息。

计算设备确定检测光的入射光谱信息和透射光谱信息，基于入射光谱信息和透射光谱信息计算光程对应的吸光度信息。感应光源15置于光源下方，产生感应光束。光电传感器16设置于感应光束射出检测区域处，感应该感应光束通过光程变换器13后的光信号。计算设备基于该光信号确定光程变换器13的位置。位置控制器17与光程变换器13连接，根据计算设备的指令控制光程变换器13的位置。

光程变换器13包括阶梯变换器或Dove棱镜。阶梯变换器每一层都涂有增透膜，且半部分设置有遮光部131。Dove棱镜涂有增透膜，且设置至少一层遮光部131。位置控制器17可以是精度较低的步进电机，能精确的改变光程变换器13的位置，而且成本较低，但并不以此为限。

需要获得光束经过不同光程的光谱信息时，位置控制器17驱动光程变换器13向上或向下移动，以利用光程变换器13的不同的层，来改变光束的光程。例如，光程变换器13有八层，其每一层的横向宽度是不同的，不同的宽度会使最终检测的光程不同，获得的光谱信息也不同。

在光程变换器13向下移动的过程中，感应光源15产生感应光束，光电传感器16感应该感应光束，一旦光程变换器13每一层下部设置的遮光部131遮挡住感应光束，光电传感器16感应不到感应光束通过光程变换器13的光信号，计算设备就控制位置控制器17继续向下移动，一直到再一次感应到光信号，就换到了光程变换器13的不同的层，来改变光程。

本实施例提供的技术方案，可以通过位置控制器17来移动光程变换器13的位置，实现光程变换器13的多种光程的自动切换，能方便获得多种光程的光谱信息。

图4是本申请又一实施例提供的一种光谱水质检测装置组成示意图，包括光源11、准直光学器12、光程变换器13、光谱获取单元14。

光源11发射检测光。准直光学器12接收检测光并将检测光准直形成平行光束。光程变换器13设置于检测区域内，改变射入检测区域内的平行光束的光程，形成透射光束。光谱获取单元14获取透射光束的透射光谱信息。

光谱获取单元14包括光束聚焦机构141、分光系统142、光谱检测阵列143。

光束聚焦机构141将射出检测区域的透射光束聚焦成为细光束。分光系统142将细光束分光。光谱检测阵列143接收分光系统142分光后的光，并获取透射光谱信息。

图5是本申请一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S110中，光谱水质检测装置的光源11发出检测光。

光源11包括氙灯、激光光源、LED光源。因水质检测时，有机物的吸收波段多为紫外波段，为了得到全光谱信息，光源11优选可以获得稳定的从紫外到可见波段光的氙灯，氙灯光源发出检测光。。

在步骤S120中，检测光经过准直光学器12，形成平行光束并射入检测区域。

在步骤S130中，平行光束经过光程变换器13改变光程，形成透射光束，射出检测区域。

光程变换器13的材料包括石英玻璃、火石玻璃、塑料玻璃的一种。光程变换器13涂有增透膜。光程变换器13的材料采用石英玻璃时，石英材料对紫外线和可见光的吸收都十分少，在加上增透膜减少了反射损耗后，垂直放置在检测光路上的石英玻璃可以低损耗的透过光线，同时又能减少实际检测光程。由于石英玻璃结构对光线仍然有微弱的吸收作用，在计算吸光度时，对透射光谱进行一定的补偿，可以获得信噪比更高的吸光度。石英玻璃结构需要一直垂直于光路，保证光程的精确。

在步骤S140中，光谱获取单元14获取透射光束的透射光谱信息。

图6是本申请另一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S210中，光谱水质检测装置的光源11发出检测光。

在步骤S220中，检测光经过准直光学器12，形成平行光束并射入检测区域。

在步骤S230中，平行光束经过光程变换器13改变光程，形成透射光束，射出检测区域。

在步骤S240中，光谱获取单元14获取透射光束的透射光谱信息。

在步骤S250中，计算设备确定检测光的入射光谱信息和透射光谱信息。

在步骤S260中，计算设备基于入射光谱信息和透射光谱信息计算光程对应的吸光度信息。

吸光度A＝lg(I0/I1)，其中I0为入射光强，I1为透射光强，计算获得的与波长对应的吸光度包含了待测物质的大量光谱信息。根据朗伯比尔定律：A＝Kbc(K为摩尔吸光系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。c为吸光物质的浓度，b为检测光程)，可以从光谱信息中获取物质的浓度信息。

在本实施例中，步骤S210、S220、S230、S240与上述步骤S110、S120、S130、S140相同，不再赘述。

图7是本申请又一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S301中，感应光源产生感应光束。

感应光源15使用寿命较长的LED光源，以产生感应光束。感应光源15位于光源11下方。

在步骤S302中，光电传感器16感应光信号。

光电传感器16设置于感应光束射出检测区域处，感应光信号。

在步骤S303中，计算设备基于光信号确定光程变换器13的位置，发送指令驱动位置控制器17移动光程变换器13。

计算设备接收光电传感器16感应光信号的信息，确定光程变换器13的位置，基于此位置发送指令驱动位置控制器17继续移动或停止移动光程变换器13。

在步骤S310中，光谱水质检测装置的光源11发出检测光。

在步骤S320中，检测光经过准直光学器12，形成平行光束并射入检测区域。

在步骤S330中，平行光束经过光程变换器13改变光程，形成透射光束，射出检测区域。

在步骤S340中，在感应光源15关闭的情况下，获取透射光束的透射光谱信息。

当光程变换器为多层的阶梯变换器时，例如为八层时，需要得到系列透射光谱信息，就需要多次测量，通过位置控制器驱动光程变换器移动，进行多次测量。首先，可以获取未经过光程变换器改变光程而形成透射光束的的透射光谱信息。然后，确定检测次数未达到预定值，再次执行通过移动光程变换器改变光程的步骤S301-S304，完成多次测量。而获取透射光束的透射光谱信息时需要在感应光源关闭的情况下进行，以避免干扰。

在步骤S350中，计算设备确定检测光的入射光谱信息和透射光谱信息。

在步骤S360中，计算设备基于入射光谱信息和透射光谱信息计算光程对应的吸光度信息。

在本实施例中，步骤S310、S320、S330、S350、S360与上述步骤S210、S220、S230、S250、S260相同，不再赘述。

图8是本申请又一实施例提供的一种光谱水质检测方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S401中，感应光源15产生感应光束。

在步骤S402中，光电传感器16感应光信号。

在步骤S403中，计算设备基于光信号确定光程变换器13的位置，发送指令驱动位置控制器17移动光程变换器13。

在步骤S410中，光谱水质检测装置的光源11发出检测光。

在步骤S420中，检测光经过准直光学器12，形成平行光束并射入检测区域。

在步骤S430中，平行光束经过光程变换器13改变光程，形成透射光束，射出检测区域。

在步骤S441中，在感应光源15关闭的情况下，光束聚焦机构141将射出检测区域的透射光束聚焦成为细光束。

在步骤S442中，分光系统142将细光束分光。

在步骤S443中，光谱检测阵列143接收分光系统142分光后的光，并检测透射光谱信息。

在步骤S450中，计算设备确定检测光的入射光谱信息和透射光谱信息。

在步骤S460中，计算设备基于入射光谱信息和透射光谱信息计算光程对应的吸光度信息。

在本实施例中，步骤S401、S402、S403、S410、S420、S430、S450、S460与上述步骤S301、S302、S303、S310、S320、S330、S350、S360相同，不再赘述。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (6)

1.一种光谱水质检测装置，包括：

光源，发射检测光；

准直光学器，接收所述检测光并将所述检测光准直形成平行光束；

光程变换器，设置于检测区域内，改变射入检测区域内的所述平行光束的光程，形成透射光束；

光谱获取单元，获取所述透射光束的透射光谱信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置还包括：

计算设备，确定所述检测光的入射光谱信息和所述透射光谱信息，基于所述入射光谱信息和所述透射光谱信息计算所述光程对应的吸光度信息。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述装置还包括：

感应光源，置于所述光源下方，产生感应光束；

光电传感器，设置于所述感应光束射出所述检测区域处，感应所述感应光束通过所述光程变换器后的光信号；

其中，所述计算设备基于所述光信号确定所述光程变换器的位置。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述装置还包括：

位置控制器，与所述光程变换器连接，根据所述计算设备的指令控制所述光程变换器的位置。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光谱获取单元包括：

光束聚焦机构，将射出所述检测区域的所述透射光束聚焦成为细光束；

分光系统，将所述细光束分光；

光谱检测阵列，接收所述分光系统分光后的光，并获取所述透射光谱信息。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光程变换器包括阶梯变换器或Dove棱镜；

所述阶梯变换器每一层都涂有增透膜，且半部分设置有遮光部；所述阶梯变换器的材料包括石英玻璃、火石玻璃、塑料玻璃的一种；或

所述Dove棱镜涂有增透膜，且设置至少一层遮光部。