CN220019343U - 一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统。传感系统由紫外光源、光衰减器、多模光纤、螺旋形特氟龙管和微型光谱仪组成。螺旋形特氟龙管内填充待测地下水样，形成液体光纤结构，紫外LED光源发出紫外光束经多模输入光纤入射到螺旋形特氟龙管内，并被限制在螺旋形特氟龙管内传输，紫外光被待测水样中的硝酸盐部分吸收，剩余的光被多模输出光纤微球端面接收后传输至微型光谱仪，得到待测样品的紫外吸收光谱，对比硝酸盐浓度与吸光度的关系模型测得地下水样中的硝酸盐浓度。本实用新型应用了螺旋形波导管结构，使液体可以自动流动，同时减小了信号传输损耗，具有灵敏度高，测量方便等优势。
Description
技术领域
本实用新型专利涉及紫外吸收光谱检测技术和光纤传感技术，涉及一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统。
背景技术
目前国家标准中，地下水中硝酸盐的测定采用的是紫外分光光度法，利用硝酸根离子在220nm波长处的吸收而测定硝酸盐氮。但鉴于水中有机物的干扰，紫外分光光度法多用于硝酸盐含量高、有机物含量低的地表水测定，且使用紫外分光光度计测量地下水硝酸盐需先进行采样处理，不能做的实时检测。近年来大多采用紫外吸收全光谱法测定硝酸盐，也就是在多个特征波长处测量硝酸盐吸光度，再通过朗伯-比尔定律换算出硝酸盐浓度。所以，通过紫外吸收全光谱法测定硝酸盐是一种快速、精确、可靠的技术。目前的一些基于紫外吸收光谱法的硝酸盐浓度检测装置，其紫外光在传输过程经过样品池会有很多的传输损耗，加大测量误差。
除国标方法外，地下水中硝酸盐的光学分析方法主要有麝香草酚(百里酚)、酚二磺酸法分光光度法、镉柱还原法、气相分子吸收光谱法等。其中麝香草酚(百里酚)、酚二磺酸法分光光度法需要用到化学试剂，对地下水会有一定的污染，不适合实时检测硝酸盐浓度；镉柱还原法还原柱的制备较复杂，耗时长。气相分子吸收光谱法需要将硝酸盐还原分解成NO，该过程不适合对流动性水源的硝酸盐浓度实时检测。
发明内容
针对上述的不足之处，本实用新型提供了一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特点在于应用紫外光源并配合光衰减器，使系统的光源输入更加灵活；应用螺旋形特氟龙管为样品流通管，可以实现液体样品的自动流动，且螺旋形特氟龙管弯曲损耗小，减小了紫外光的传输损耗；将输出光纤的接收端做成微球结构，提高光接收率，最终获得一种使用寿命长、灵敏度高、操作简单，可实时检测的地下水硝酸盐检测系统。
为实现以上目的，本实用新型所采取的技术方案是：设计一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，包括紫外LED光源、多模输入光纤、光衰减器、螺旋形特氟龙管、多模输出光纤、微型光谱仪、液体样品流入孔、液体样品流出孔；所述的多模输入光纤和多模输出光纤与螺旋形特氟龙管相连，螺旋形特氟龙管侧壁设有液体样品流入孔和液体样品流出孔用于待测液体样品的流入流出。
本实用新型所述的紫外LED光源为紫外发光二极管(UVC-LED)，发光波段在200-310nm。
本实用新型所述的多模输入光纤用作将紫外光传进螺旋形特氟龙管的通道，多模输出光纤端面为微球端，多模输出光纤用作将光信号传出螺旋形特氟龙管的通道，多模光纤纤芯直径105μm，包层直径125μm，为芯层羟基含量高的多模光纤，多模输出光纤右端为微球端，光纤微球由放电法制成，微球直径200μm。
本实用新型所述的螺旋形特氟龙管用作传感系统的样品通道，内径为229μm，外径为408μm，折射率为1.29，螺旋形内径为20cm，螺旋区域由上到下长20cm，缠绕3圈，其两端分别与多模输入光纤和多模输出光纤以熔融塌陷的方法封闭性连接，液体样品流入孔位于多模输入光纤与螺旋形特氟龙管熔接点旁2mm，液体样品流出孔位于多模输出光纤与螺旋形特氟龙管熔接点旁2mm，利用激光加工系统在特氟龙管侧面烧蚀获得，孔的直径均为225μm。
本实用新型的有益效果是：第一，以特氟龙管作为样品流通池代替传统的样品池，增加了紫外光在待测样品中的传输长度，且特氟龙管的折射率低于水，减小了紫外光在传输过程中的传输损耗，提高了硝酸盐检测系统的灵敏度；第二，特氟龙材料具有表面能极低的特点，其中流动的水样阻力小、无残留，可实现重复利用，极大降低了检测成本；帮助待测水样自由流动。第三，将特氟龙管做成自上而下的螺旋形结构，液体样品在势能作用下实现自动流动，可以将装置放入待测水样中，实现系统的实时检测，具有检测成本低、操作便捷、检测速度快等优势；第四，光纤采用芯层羟基含量高的多模光纤，更有利于紫外光的传输，且多模输出光纤端面设计为微球端，增强了光信号，提高了检测灵敏度，可获得较低的检测限。
附图说明
图1为硝酸盐传感系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明进一步详细描述。
参见附图1，这是一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，包括紫外光源(1)、多模输入光纤(2)、光衰减器(3)、螺旋形特氟龙管(4)、多模输出光纤(5)、微型光谱仪(6)、液体样品流入孔(7)、液体样品流出孔(8)；检测过程中，待测地下水样由液体样品流入孔(7)流入并充满螺旋形特氟龙管(4)形成液体光纤结构，紫外光源(1)发出的光由多模输入光纤(2)传输经过光衰减器(3)入射到螺旋形特氟龙管(4)内，被螺旋形特氟龙管(4)内的含硝酸盐的地下水样吸收，剩余的光经由多模输出光纤(5)的微球端面接收后传输至微型光谱仪(6)，得到待测样品的紫外吸收光谱，对比硝酸盐浓度与吸光度的关系模型得到硝酸盐浓度。
参见附图1，本实用新型提供的基于一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统的搭建方法，包括：紫外光源(1)与多模输入光纤(2)采用标准SMA905接口连接；多模输入光纤(2)和光衰减器(3)采用标准SMA905接口连接；多模输入光纤(2)和多模输出光纤(5)与螺旋形特氟龙管(4)的左侧和右侧分别密闭连接，液体样品流入孔(7)和液体样品流出孔(8)采用激光烧蚀的方法在螺旋形特氟龙管(4)侧面加工获得；多模输出光纤(5)与微型光谱仪(6)采用标准SMA905接口连接，最后得到液体光纤结构的硝酸盐传感系统。
本实用新型提供的基于一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统中硝酸盐浓度与吸光度相关模型的建模方法：通过实验测试了多组含不同浓度硝酸盐的溶液(6mg/L-20mg/L)，采集了他们的紫外吸收光谱，从中选取了特征波长处的吸光度，经校准后，把吸光度值与实验计算得到的硝酸盐浓度做线性拟合，采用偏最小二乘法和多元线性回归由计算机计算得到了吸光度与硝酸盐浓度的线性拟合关系。
实验中用到的仪器设备有：紫外光源(工作波长范围200-310nm)；光谱仪(探测波长范围200～1100nm波段，分辨率不小于0.5nm)；液体光纤传感装置。实验配置标准水样所用的试剂为：硝酸钾分析纯按比例混合后配置的溶液。配置标准水样用水都是去离子水，按硝酸盐浓度配置标准溶液。
Claims (7)
1.一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于该传感系统包括紫外光源(1)、多模输入光纤(2)、光衰减器(3)、螺旋形特氟龙管(4)、多模输出光纤(5)、微型光谱仪(6)、液体样品流入孔(7)和液体样品流出孔(8)；其中紫外光源(1)与多模输入光纤(2)采用标准SMA905接口连接，多模输入光纤(2)和光衰减器(3)采用标准SMA905接口连接，多模输入光纤(2)与螺旋形特氟龙管(4)的右侧密闭连接，多模输出光纤(5)与螺旋形特氟龙管(4)的左侧密闭连接，多模输出光纤(5)与微型光谱仪(6)采用标准SMA905接口连接；待测地下水样由液体样品流入孔(7)流入并充满螺旋形特氟龙管(4)，紫外光源(1)发出的光由多模输入光纤(2)传输至光衰减器(3)再经多模输入光纤(2)传输入射到螺旋形特氟龙管(4)内，被螺旋形特氟龙管(4)内的含硝酸盐的地下水样吸收，剩余的光经由多模输出光纤(5)微球端接收后传输至微型光谱仪(6)，得到待测样品的紫外吸收光谱，对比硝酸盐浓度与吸光度的关系模型得到硝酸盐浓度。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于：所述的紫外光源(1)是带有光纤输出端的光源，发光波段在200-310nm。
3.根据权利要求1所述的一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于：所述的多模输入光纤(2)和多模输出光纤(5)纤芯直径105μm，包层直径125μm，为芯层羟基含量高的多模光纤，多模输出光纤(5)右端为微球端，光纤微球由放电法制成，微球直径200μm。
4.根据权利要求1所述的一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于：所述的光衰减器(3)为连续可变型光衰减器，衰减量为0-65dB。
5.根据权利要求1所述的一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于：所述的螺旋形特氟龙管(4)内径为229μm，外径为408μm，折射率为1.29，以螺旋形由上向下缠绕，螺旋形区域由上到下为20cm，缠绕3圈，螺旋内径为20cm，其两端分别与多模输入光纤(2)和多模输出光纤(5)以熔融塌陷的方法封闭性连接。
6.根据权利要求1所述的一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于：所述的微型光谱仪(6)工作波段包括200～310nm波段，分辨率不小于0.5nm。
7.根据权利要求1所述的一种螺旋形波导管的地下水硝酸盐传感系统，其特征在于：所述的液体样品流入孔(7)位于多模输入光纤(2)与螺旋形特氟龙管(4)熔接点旁2mm，液体样品流出孔(8)位于多模输出光纤(5)与螺旋形特氟龙管(4)熔接点旁2mm，利用激光加工系统在特氟龙管侧面烧蚀获得，孔的直径均为225μm。
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