CN216350319U - 一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，包括支撑杆、光谱收集装置、数据处理模块和显示模块；包括支撑杆、光谱收集装置、数据处理模块和显示模块；所述光谱收集装置设置于支撑杆上，所述光谱收集装置用于收集光谱数据，所述光谱收集装置与数据处理模块相连，将光谱数据实时发送给数据处理模块；所述显示模块与数据处理模块相连，将所述数据处理模块处理的结果通过显示模块呈现出来；所述光谱收集装置包括用于采集光谱数据的探头和用于存放光谱仪和标定光源的恒温；探头主体设置有多个探测窗口，可以极大的提升作业效率的同时还不需要再额外增加转台机构，降低了制造的成本。

Description

一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪

技术领域

本实用新型涉及水质检测分析技术领域，主要涉及一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪。

背景技术

水是生命之源，水环境问题一直是国家乃至世界重视的问题。水质在线监测是实现水环境保护，污水排放控制，污水处理，饮用水安全保障，水资源管理等方面的重要基础和有效手段。传统水质检测使用的方法多是化学法或电化学法，传统的实验室分析具有采取困难，分析效率低下等问题，而在线监测方法中的化学法和色谱法也具有二次污染，试剂消耗，成本高昂等问题。

光谱水质分析法相对传统物理或化学水质分析方法而言，具有体积小、速度快、成本低等优点。采用光谱法对水质进行分析的基本原理为使用一束平行的光源通过某一均匀溶液时，不同种类和浓度物质的溶液对光具有不同的吸收度。根据检测光经过溶液吸收后的吸光度曲线，可分析出溶液中所含物质及浓度。

现有的水面之上法的反射光谱分析仪在应用中时，其设备需要增加按不同太阳高度角进行偏转的转台，以调整仪器角度以最大程度的避免太阳直射反射，设备复杂且工作效率低。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪以解决上述的问题。为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，包括支撑杆、光谱收集装置、数据处理模块和显示模块；支撑杆的一端固定在所探测水域的岸边地面上，支撑杆的另一端延伸至水域且在水域的上方；光谱收集装置设置于支撑杆上，光谱收集装置用于收集光谱数据，光谱收集装置与数据处理模块相连，将光谱数据实时发送给数据处理模块；显示模块与数据处理模块相连，将数据处理模块处理的结果通过显示模块呈现出来；光谱收集装置包括用于采集光谱数据的探头和用于存放光谱仪和标定光源的恒温箱。

优选的，探头包括准直镜、壳体、转轮、步进电机；准直镜通过光纤与光谱仪连接，转轮设置于壳体的内部，转轮与步进电机的输出轴相连，步进电机带动转轮相对于壳体旋转；转轮内固定设置反射镜；转轮上设置单光路通道，壳体上设置若干个探测窗口，步进电机带动转轮旋转至单光路通道与探测窗口对应，光源经探测窗口、单光路通道射至反射镜，经反射镜的反射，使光源平行进入准直镜再通过光纤进入光谱仪；步进电机带动转轮旋转可以实现光谱仪采集多种光谱数据。

优选的，壳体为多边形，探测窗口设置于壳体的边框上，探测窗口包括用于探测太阳光的太阳光探测窗口、用于探测基于太阳光水面反射出的光的反射光探测窗口、用于光谱仪波长校准的标定光源探测窗口、用于暗室矫正的暗室光源探测窗口。

优选的，太阳光探测窗口包括第一太阳光探测窗口，第二太阳光探测窗口，第一太阳光探测窗口位于壳体竖直向上的位置。

优选的，第一太阳光探测窗口、第二太阳光探测窗口和反射光探测光窗口设置开孔，第一太阳光探测窗口的开孔用余弦矫正器进行封装，第二太阳光探测窗口和反射光探测窗口的开孔用K9光学玻璃进行封装。

优选的，壳体为八边形，每相邻的两个探测窗口的中心线夹角为45°；步进电机带动转轮以45°为一步前进，步进电机每旋转一步光谱仪采集一组光谱数据。

优选的，所述壳体内设置直角棱镜，所述直角棱镜相对于标定光源视窗设置，所述标定光源发射的光源通过光纤、准直器经直角棱镜反射进入单光路通道至光谱仪。

优选的，标定光源是汞氩灯光源。

优选的，反射镜与转轮的中心位置成45°角，即光源从转轮上的单光路通道射入且与反射镜成45°夹角。

本实用新型具备的有益技术效果是：

对比传统化学法或电化学法，本实用新型提供的基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪的检测效率高，无需使用化学试剂制样，无需大量人员现场采样，可以快速对大面积水域水质进行检测或连续检测。

其他的水面之上法的反射光谱采集应用中需要调整仪器角度以最大程度的避免太阳直射反射，使得这类型设备需要增加按不同太阳高度角进行偏转的转台，而本实用新型中的探头主体设置有多个探测窗口，可以极大的提升作业效率的同时还不需要再额外增加转台机构，降低了制造的成本，同时设备内部增加暗视场校准，余弦反射器校准，汞氩灯标准光谱校准，可以轻松实现采集数据的准确反射率计算和定期光谱仪的波长标定维护工作。

附图说明

图1为本实用新型的具体实施例的系统布局示意图；

图2为本实用新型的具体实施例的探头的结构示意图；

图3为本实用新型的具体实施例的壳体的结构示意图；

图4为本实用新型的具体实施例的工作原理图；

图5为本实用新型的具体实施例的光路结构示意图。

附图标记：1、水域；2、支撑杆；3、恒温箱；4、探头；41、步进电机；42、转轮；421、反射镜；422、单光路通道；43、准直镜；51、第一太阳光探测窗口；52、第二太阳光探测窗口；53、反射光探测窗口；54、暗室光源探测窗口；55、标定光源探测窗口；56、直角棱镜；57、准直器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-5所示，一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，包括支撑杆2、光谱收集装置、数据处理模块和显示模块。支撑杆2的一端固定在所探测水域1的岸边地面上，支撑杆2的另一端延伸至水域1且在水域1的上方，光谱收集装置设置于支撑杆2上；光谱收集装置用于收集光谱数据，光谱收集装置与数据处理模块相连，将光谱数据实时发送给数据处理模块，数据处理模块与显示模块相连，将数据处理模块处理的结果通过显示模块呈现出来。基于水面之上的光谱水质检测法，相对于传统的化学法或电化学法，光谱水质检测法检测效率高，无需使用化学试剂制样，无需大量人员现场采样，可以快速对大面积水域1水质进行检测或连续检测。

光谱收集装置包括探头4和用于存放光谱仪和汞氩灯光源的恒温箱3，探头4固定设置于支撑杆2位于水域1上方的一端，恒温箱3设置于支撑杆2靠近岸边的一端。汞氩灯工作中会产生大量的辐射热，使工作环境温度升高而带来以下弊端：根据维恩位移定律，温度升高使吸收光谱波长发生偏移，导致特征波长处吸光度值测量产生误差，影响水质监测的准确度；持续高温的工作环境降低汞氩灯的使用寿命。故光谱仪和汞氩灯的工作环境应是恒温的。

如图2所示，探头4包括准直镜43、壳体、转轮42、步进电机41。壳体固定连接在支撑杆2上，转轮42设置于壳体的内部，转轮42与步进电机41的输出轴相连，即步进电机41可带动转轮42相对于壳体旋转。转轮42内固定设置反射镜421，且与转轮42的中心位置成45°角，反射镜421单面镀膜；转轮42上相对于反射镜421的位置设置单光路通道422，即光源从转轮42上的单光路通道422射入且与反射镜421成45°夹角，经反射镜421的反射，使光源平行进入准直镜43。准直镜43的一端通过光纤与光谱仪连接，准直镜43吸收后的光源再通过光纤进入光谱仪。基于水面之上的光谱水质检测法，相对于探头4至于水中的光谱水质检测法，探头4的结构相对简单，放置于水中的探头4会受水中环境的影响，需设置清洁设备来清洁探头4，而本实用新型中探头4是置于水面之上，不受水域1环境的影响。

本实用新型的壳体是多边形壳体，壳体的边框上设置多个探测窗口，步进电机41可带动转轮42相对于壳体旋转，转轮42上的单光路通道422与壳体上的探测窗口对应，光源经过壳体上的探测窗口、转轮42上的单光路通道422射入反射镜421，经反射镜421的反射，使光源平行进入准直镜43，准直镜43再通过光纤连接至光谱仪。探测窗口包括太阳光探测窗口、反射光探测窗口53、标定光源探测窗口55、暗室光源探测窗口54。具体的，如图3所示，本实用新型实施例中的壳体是八边形，壳体的边框上设置8个探测窗口，每相邻的两个探测窗口的中心线夹角为45°；步进电机41带动转轮42以45°为一步前进，步进电机41每旋转一步光谱仪采集一组光谱数据。壳体以竖直朝上的位置设置成0°，以顺时针的方向为正，分别在壳体外侧0°的位置设置第一太阳光探测窗口51，在壳体外侧±45°的位置设置第二太阳光探测窗口52，用于接收太阳光；在壳体外侧±135°、180°的位置设置反射光探测窗口53，用于接收太阳光基于水面反射后的反射光；在壳体﹣90°的位置设置标定光源探测窗口55，用于接收标定光源，对光谱仪的波长的校准标定；在壳体上+90°的位置上设置暗室光源探测窗口54，用于接收暗室光源进行暗室矫正，提高信噪比。第一太阳光探测窗口51、第二太阳光探测窗口52和反射光探测光视窗设置开孔，第一太阳光探测窗口51的开孔用余弦矫正器进行封装，第二太阳光探测窗口52和反射光探测窗口53的开孔用K9光学玻璃进行封装。

在壳体上﹣90°位置的内部安装斜面镀膜直角棱镜56，将保温箱内部的汞氩灯光源通过光纤、准直器57经直角棱镜56反射后进入转轮42上的单光路通道422，经反射镜421放射后平行进入准直镜43至光谱仪。汞氩灯光源主要用于光谱仪的波长的校准标定，壳体上+90°位置的为暗室，用于暗室矫正，提高信噪比。

工作时，步进电机41带动转轮42以45°为一步在空间360°方向上进行8个角度位置的切换，每旋转一步，转轮42上的单光路通道422与外壳上的探测窗口对应，光源经过壳体上的探测窗口、转轮42上的单光路通道422射入反射镜421，经反射镜421的反射，使光源平行进入准直镜43，准直镜43再通过光纤连接至光谱仪，通过上述光路结构可以实现单台光谱仪采集8种光谱数据，各数据之间使用相同的积分时间，可以短时间内获取8种不同光谱数据。当单光路通道422对准壳体上第一太阳光探测窗口51时，光谱仪可以收集太阳光余弦矫正器DN值；当单光路通道422对准第二太阳光探测窗口52时，光谱仪可以收集±45°夹角太阳光DN值；当单光路通道422对准反射光探测窗口53时，光谱仪可以收集180°、±135°夹角水面反射光谱DN值；当单光路通道422对准标定光源探测窗口55时，光谱仪收集汞氩灯校准光源DN值；当单光路通道422暗室光源探测窗口54时，光谱仪收集暗室光谱的DN值；将光谱仪采集到的以上8种光谱数据通过无线网络上传至数据处理模块，对采集到的光谱数据出现进行进一步的处理，获得可信度高的水体反射率曲线，通过对水体反射率曲线进行分析后就可获得当前位置水体不同水质指标的参数如：COD、BOD、氨氮、TP等。再将所得到的水质指标结果显示到终端上。通过多台设备的布置可以实现多点位水质情况同时监控的目的，每台设备的编号均可在地图进行实时配准显示，方便使用人员对大范围内的水体水质进行监控。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：包括支撑杆、光谱收集装置、数据处理模块和显示模块；所述支撑杆的一端固定在所探测水域的岸边地面上，所述支撑杆的另一端延伸至水域且在水域的上方；所述光谱收集装置设置于支撑杆上，所述光谱收集装置用于收集光谱数据，所述光谱收集装置与数据处理模块相连，将光谱数据实时发送给数据处理模块；所述显示模块与数据处理模块相连，将所述数据处理模块处理的结果通过显示模块呈现出来；所述光谱收集装置包括用于采集光谱数据的探头和用于存放光谱仪和标定光源的恒温；所述探头固定设置于支撑杆位于水域上方的一端，所述恒温箱设置于支撑杆靠近岸边的一端。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述探头包括准直镜、壳体、转轮、步进电机；所述准直镜通过光纤与所述光谱仪连接，所述转轮设置于所述壳体的内部，所述转轮与所述步进电机的输出轴相连，所述步进电机带动所述转轮相对于壳体旋转；所述转轮内固定设置反射镜；所述转轮上设置单光路通道，所述壳体上设置若干个探测窗口，所述步进电机带动所述转轮旋转至所述单光路通道与所述探测窗口对应，光源经所述探测窗口、所述单光路通道射至反射镜，经反射镜的反射，使光源平行进入所述准直镜再通过光纤进入光谱仪；所述步进电机带动转轮旋转可以实现所述光谱仪采集多种光谱数据。

3.根据权利要求2所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述壳体为多边形，所述探测窗口设置于壳体的边框上，所述探测窗口包括用于探测太阳光的太阳光探测窗口、用于探测基于太阳光水面反射出的光的反射光探测窗口、用于光谱仪波长校准的标定光源探测窗口、用于暗室矫正的暗室光源探测窗口。

4.根据权利要求3所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述太阳光探测窗口包括第一太阳光探测窗口，第二太阳光探测窗口，所述第一太阳光探测窗口位于所述壳体竖直向上的位置。

5.根据权利要求4所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述第一太阳光探测窗口、所述第二太阳光探测窗口和所述反射光探测光视窗设置开孔，所述第一太阳光探测窗口的开孔用余弦矫正器进行封装，所述第二太阳光探测窗口和所述反射光探测窗口的开孔用K9光学玻璃进行封装。

6.根据权利要求3所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述壳体为八边形，每相邻的两个所述探测窗口的中心线夹角为45°；所述步进电机带动所述转轮以45°为一步前进，所述步进电机每旋转一步所述光谱仪采集一组光谱数据。

7.根据权利要求3所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述壳体内设置直角棱镜，所述直角棱镜相对于标定光源视窗设置，所述标定光源发射的光源通过光纤、准直器经直角棱镜反射进入单光路通道至光谱仪。

8.根据权利要求1所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述标定光源是汞氩灯光源。

9.根据权利要求2所述的一种基于太阳光反射光谱分析的多参数全自动水质分析仪，其特征在于：所述反射镜与所述转轮的中心位置成45°角，即光源从所述转轮上的单光路通道射入且与反射镜成45°夹角。

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