一種光譜法水體環(huán)境在線測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，控制器的輸出端與光源、探測器相連；光源模塊發(fā)出的連續(xù)脈沖光經(jīng)Y型光纖一分為二，分別作為測量光源和參考光源；參考光源經(jīng)參考光纖連接參考探測器，參考探測器把參考光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為參考電信號導(dǎo)入到控制器；測量光源進(jìn)入到反射探頭內(nèi)，反射探頭發(fā)出的檢測光透射進(jìn)流通池后，再照射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射的反向反射光再透射過流通池返回到反射探頭內(nèi)經(jīng)過接收光纖進(jìn)入到探測器，探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換后輸送到控制器。本發(fā)明有益效果：采用同一種光源，可以有效消除光源老化等波動帶來的影響，具有更好的光學(xué)穩(wěn)定性；將紫外-可見波段的光作為整體光譜考慮，具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性。
【專利說明】一種光譜法水體環(huán)境在線測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及測控【技術(shù)領(lǐng)域】，具體說是一種測量裝置，更具體說是一種便攜式、低功耗的光譜在線測量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，生態(tài)系統(tǒng)正承受著巨大壓力，各類水體環(huán)境(江、河、湖、海)也遭受到了嚴(yán)重的破環(huán)。水體環(huán)境監(jiān)測的核心內(nèi)容是監(jiān)測與分析水體的質(zhì)量狀況及其變化規(guī)律，為國家和各級政府開發(fā)、利用、管理與保護(hù)水資源提供科學(xué)依據(jù)。只有對待測的水質(zhì)狀況進(jìn)行持續(xù)、自動、原位(in-situ)、在線(on-line)監(jiān)測，并對數(shù)據(jù)同步傳輸、存儲，才能使監(jiān)測數(shù)據(jù)具有客觀性、科學(xué)性，才能為各級環(huán)保部門的監(jiān)督、管理與決策、污染治理等提供準(zhǔn)確依據(jù)。
[0003]近幾年來，發(fā)達(dá)國家已展開應(yīng)用光學(xué)方法檢測水體污染物含量的水質(zhì)分析技術(shù)及儀器研究，基于光譜分析的水質(zhì)多參數(shù)原位在線監(jiān)測技術(shù)已成為國際熱點技術(shù)。目前的水體有機(jī)物(如COD等)、營養(yǎng)鹽(硝酸鹽、亞硝酸鹽等)的監(jiān)測方法主要依靠化學(xué)試劑法、這些技術(shù)和方法難以滿足復(fù)雜條件下(高濁度、多干擾)的高精度原位、在線監(jiān)測需求。以COD為例，目前經(jīng)典方法是高錳酸鹽指數(shù)法(CODMn)和重鉻酸鉀回流法(CODCr)。此類分析方法不僅對現(xiàn)場操作人員的健康構(gòu)成威脅，如果廢液直接排放到環(huán)境當(dāng)中，還會造成非常嚴(yán)重的二次污染。針對硝酸鹽、銨鹽的測量，也有采用離子選擇電極的方式進(jìn)行的，此種方法可以避免化學(xué)試劑法的步驟繁瑣等缺點，但是由于海洋水體高鹽度的特性，此類電極法的應(yīng)用也受到了一定的限制。中國專利申請?zhí)枮?00510038331.5公開了一種光譜法非接觸C0D/D0C水質(zhì)在線監(jiān)測方法及裝置，光路中依次設(shè)有低壓汞燈光源，調(diào)制盤，紫外濾光片和可見濾光片，分束片、光電倍增管。利用光束穿過自由落體水流，測量穿過水流后可見光和紫外光的吸光度，并通過可見光和紫外光吸光度的差值反演出水中COD的值。該專利采用光源“通過45°分束片分成兩路光束，其中一路作為參考光路反射折向90°方向，通過反射鏡，分束片到光電倍增管；另一路作為測量光路透射后經(jīng)調(diào)制盤，通過勻速穩(wěn)定的待測水簾，透過分束片被光電倍增管接收”，這種結(jié)構(gòu)由于采用分束片分光，光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，其主要缺點有二:一、多個光學(xué)元件，在震動情況下對光學(xué)系統(tǒng)影響較大；二、采用調(diào)制盤、倍增管等元件，體積較大，難以實現(xiàn)原位監(jiān)測。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述方法的缺點，實現(xiàn)水體參量(硝酸鹽、濁度、C0D)的實時、在線測量，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光譜吸收技術(shù)，無需化學(xué)試劑，幾乎不用維護(hù)，且不易受到外界干擾性能優(yōu)異，使用方便的光學(xué)法探頭式在線測量裝置，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]一種光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，包括防護(hù)腔體，所述防護(hù)腔體內(nèi)設(shè)置控制器、光源、探測器、參考探測器、反射探頭、連接各部分的一體化光纖，所述防護(hù)腔體前端連接流通池，流通池一端安裝有石英濾光片，另一端安裝有反射鏡；所述控制器的輸出端與光源、探測器相連；所述光源模塊發(fā)出的連續(xù)脈沖光經(jīng)Y型光纖一分為二，分別作為測量光源和參考光源；參考光源經(jīng)參考光纖連接參考探測器，參考探測器把參考光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為參考電信號導(dǎo)入到控制器；測量光源進(jìn)入到反射探頭內(nèi)，反射探頭發(fā)出的檢測光透射進(jìn)流通池后，再照射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射的反向反射光再透射過流通池返回到反射探頭內(nèi)經(jīng)過接收光纖進(jìn)入到探測器，探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換后輸送到控制器。
[0006]所述光源采用紫外-可見波段的連續(xù)光源，采用氙燈作為光源。
[0007]為減小體積，保證震動時光路的穩(wěn)定性，實現(xiàn)原位監(jiān)測，所述測量光源模塊、參考光源模塊、光譜采集模塊通過一體化設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu)單元連接成一體。
[0008]所述反射探頭為接收光纖和5根發(fā)射光纖在反射探頭內(nèi)合為一束而集成的，所述接收光纖位于中心，5根發(fā)射光纖環(huán)繞接收光纖。
[0009]所述流通池中間開孔，一端通過螺紋與防護(hù)腔體相連，另一端為鍍鋁紫外增強(qiáng)反射鏡。
[0010]采用電池供電模式。
[0011]本發(fā)明具有以下的特點和有益效果:
[0012]1.探測機(jī)理采用光學(xué)方法進(jìn)行探測，不需要化學(xué)試劑，幾乎不用維護(hù)，簡便實用，系統(tǒng)帶有蓄電池，可以手持式操作，現(xiàn)場觀測測量結(jié)果，也可以通過遠(yuǎn)程通訊接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)自動采集與傳輸，適用于長期無人值守監(jiān)測；
[0013]2、本發(fā)明裝置的光學(xué)傳輸部分將發(fā)射單元和接收單元設(shè)計成一體化光纖結(jié)構(gòu)，并采用同一種光源，通過光纖分配，一路光纖作為參考，另一路作為檢測，可以有效消除光源老化等波動帶來的影響，具有更好的光學(xué)穩(wěn)定性；此外，采用本發(fā)明的光纖結(jié)構(gòu)，具有很好屏蔽作用，保證光傳輸過程中的穩(wěn)定性。
[0014]3.本發(fā)明的計算方法是將紫外-可見波段的光作為整體光譜考慮，基于人工智能算法進(jìn)行濃度計算，可以有效消除不同成分帶來的交叉干擾，具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性。
[0015]4、整個設(shè)備用不銹鋼腔體密封，結(jié)構(gòu)緊湊、耐壓，具有良好的電磁屏蔽性能，抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，可以滿足電磁環(huán)境復(fù)雜的場合應(yīng)用；采用光纖作為分光元件，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證惡劣條件下具有更好的光學(xué)可靠性和穩(wěn)定性，且易于集成為一體化探頭，易于實現(xiàn)原位監(jiān)測。
[0016]5、本發(fā)明基于光譜測量及分析技術(shù)進(jìn)行水體生物、化學(xué)參量的監(jiān)測，可以滿足不同深度環(huán)境監(jiān)測要素的自動、在線測量，可以廣泛應(yīng)用于水廠、污水處理廠、電廠的環(huán)境監(jiān)測，也可以用于養(yǎng)殖業(yè)水體環(huán)境污染物的自動監(jiān)控，生產(chǎn)成本低廉、生產(chǎn)工藝簡單，市場應(yīng)用前景好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明實施例光學(xué)系統(tǒng)示意圖；
[0018]圖2為一體化光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明實施例外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為防護(hù)腔體內(nèi)部元件排列示意圖；
[0021]其中I為光源，2為探測器，3為參考探測器，4為發(fā)射光纖，5為接收光纖，6為參考光纖，7為控制器，8為電源，9為反射鏡，10為反射探頭，11為防護(hù)腔體，12流通池。

【具體實施方式】
[0022]如圖1、圖4所示，本發(fā)明為一種探頭式光譜法水質(zhì)參量測量系統(tǒng)，光源1、探測器
2、參考探測器3、發(fā)射光纖4、接受光纖5、參考光纖6、控制器7、電源8等密封在防護(hù)腔體11內(nèi)。防護(hù)腔體11為高強(qiáng)度不銹鋼材質(zhì)，整體成圓柱型，圓柱體中心軸線處安放一片不銹鋼底板，底板把腔體一分為二，分上下兩層，下層前部安置控制器7，后部放置電源8，二者用導(dǎo)線相連接。上層前部放置探測器2，上層中部放置光源1，上層后部放置參考探測器3。光源I經(jīng)發(fā)射光纖4分成的參考光纖6與參考探測器3連接，參考探測器3用導(dǎo)線與控制器7連接。光源I還經(jīng)發(fā)射光纖4與位于防護(hù)腔體后部底座軸心處的控制器反射探頭10連接，控制器反射探頭10前為一體化不銹鋼材質(zhì)的流通池12及反射鏡9，控制器反射探頭10經(jīng)接收光纖5與探測器2相連，探測器2與控制器7用導(dǎo)線相連接。上述除了流通池12和反射鏡9，所有裝置均用螺絲固定在防護(hù)腔體11內(nèi)的不銹鋼底板上。
[0023]如圖2所示，所述裝置內(nèi)包含一個一體化設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu)測量單元。前述的測量光源模塊、參考光源模塊、光譜采集模塊通過一體化設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu)單元連接到一塊；發(fā)射光纖4為一束光纖,可以為2根或多根,在光纖進(jìn)入反射探頭10之前一分為二，一束分開作為參考光纖6進(jìn)入到參考探測器3 ;另一束作為檢測光纖進(jìn)入到反射探頭10內(nèi)。反射探頭10的發(fā)出的檢測光照射到反射鏡9上，經(jīng)過光學(xué)流通池12返回到反射探頭10內(nèi)。光學(xué)信號在流通池12內(nèi)經(jīng)過衰減，進(jìn)入到反射探頭10形成檢測信號，檢測信號的后端是接收光纖5，信號經(jīng)過接收光纖5進(jìn)入到探測器2，進(jìn)過光電信號轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到控制器7。
[0024]所述密封腔內(nèi)的電源模塊8為了實現(xiàn)自容式工作，采用電池供電模式，保證了野外數(shù)據(jù)采集的需要。供電電池8位于控制器7的下方。圖3是自容式密封結(jié)構(gòu)圖。
[0025]所述光源采用紫外-可見波段的連續(xù)光源，采用氙燈作為光源，光源輸出接口為SMA905接口，方便與光纖的耦合。
[0026]所述流通池中間開孔，一端通過螺紋與防護(hù)腔體14相連，另一端為反射鏡9，反射鏡9為紫外石英反射反射鏡，采用的是thorlab公司生產(chǎn)的紫外增強(qiáng)鋁反射鏡。反射鏡9和流通池12與反射探頭10通過螺紋鏈接，為一體化不銹鋼結(jié)構(gòu)，中間有密封圈13密封，密封圈13與防護(hù)腔體11緊密連接。
[0027]本發(fā)明在進(jìn)行水體水質(zhì)測量時，為了防止生物附著對光學(xué)流通池12的污染，增加了防護(hù)帽14，防護(hù)帽14為不銹鋼結(jié)構(gòu)，外附銅網(wǎng)，帶有螺紋結(jié)構(gòu)與防護(hù)腔體11相連，既能保證待測水樣的流通，又能方便拆卸。
[0028]如圖2所不,發(fā)射光纖4為6跟芯徑400um的光纖束,一分為二后，一根作為參考光纖6，內(nèi)徑400um，另外5根進(jìn)入到控制器反射探頭10。接收光纖5為芯徑為600um的石英光纖；接收光纖5和上述的5根發(fā)射光纖在控制器反射探頭10內(nèi)合為一束，集成為一個不銹鋼反射探頭；光信號傳輸光纖材質(zhì)為深紫外石英光纖，數(shù)值孔徑N.A = 0.22。
[0029]本發(fā)明的控制器包括控制電路板、電源等，控制器的輸出端與光源模塊、光譜采集模塊、參考信號采集模塊相連，實現(xiàn)對光源及數(shù)據(jù)的采集，控制電路板是系統(tǒng)的核心，由單片機(jī)、工控板及附屬配件等組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、信號的放大，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。單片機(jī)可采用STM32系列單片機(jī)。
[0030]所述探測器2包括光譜采集模塊、參考信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊，光譜采集模塊包括后向反射探頭、光譜模塊等，參考信號采集模塊包括光電二極管及其放大電路組成，光電二極管可以采用Silcon公司PC10-2型號；數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)存儲功能單元、擴(kuò)展功能單元；光譜采集模塊、參考信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊均可采用研華3363工控板。
[0031]探測器2接收探測到的光學(xué)信號，采用凹面光柵與線陣CCD結(jié)合，獲取吸收光譜，C⑶為日本濱松的線陣CXD。
[0032]本發(fā)明對接收范圍為200_600nm的寬光譜進(jìn)行綜合分析，通過吸收光譜獲取多個波長的吸收系數(shù)，經(jīng)過系列預(yù)處理，提取其光譜特征，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立光譜吸光度與水質(zhì)參數(shù)的分析模型，建立吸光度與水質(zhì)參數(shù)的非線性映射關(guān)系，利用大量的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)反演，從而建立光譜數(shù)據(jù)與水質(zhì)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，最后得到被監(jiān)測水質(zhì)參數(shù)的濃度值。
[0033]本發(fā)明的工作過程如下:
[0034]首先在準(zhǔn)備測量時，根據(jù)所要測量的水體參量的濃度值的預(yù)計大小，適當(dāng)調(diào)整流通池的光程長度，被測水體參量的濃度值越大，流通池的光程長度越小，兩者呈線性關(guān)系。測量時將流通池浸入被測水體中，至少使流通池全部被水體淹沒，整套裝置可全部浸入到被測水體里，測量深水區(qū)的水質(zhì)參量。操作控制器7使氙燈光源模塊工作，發(fā)射出連續(xù)脈沖光，光束經(jīng)發(fā)射光纖傳導(dǎo)，發(fā)射光纖進(jìn)入反射探頭10之前一分為二，一束分開作為參考光纖6進(jìn)入到參考探測器3 ;參考探測器3把參考光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為參考電信號導(dǎo)入到控制器7，得到參考光譜信息。另一束作為檢測光纖進(jìn)入到控制器反射探頭10內(nèi)?？刂破鞣瓷涮筋^10發(fā)出的檢測光透射進(jìn)光學(xué)流通池12后，再照射到反射鏡9上，經(jīng)反射鏡反射的反向反射光再透射過光學(xué)流通池12返回到反射探頭10內(nèi)。光學(xué)信號在流通池12內(nèi)經(jīng)過衰減，進(jìn)入到反射探頭10形成檢測信號，檢測信號的后端是接收光纖5，信號經(jīng)過接收光纖5進(jìn)入到探測器2，進(jìn)過光電信號轉(zhuǎn)換，進(jìn)入到控制器7，得到檢測光譜信息。對接收到的200-600nm范圍的參考光譜信息和檢測光譜信息提取其光譜特征，經(jīng)過預(yù)處理后，再利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的光譜吸光度與水質(zhì)參數(shù)的分析模型進(jìn)行分析計算，得到被監(jiān)測水體參量的濃度值。
[0035]本發(fā)明裝置采用光學(xué)方法進(jìn)行探測，光學(xué)傳輸部分設(shè)計為一體化光纖結(jié)構(gòu)，可以有效消除光源老化等波動帶來的影響，不需要化學(xué)試劑，無污染，幾乎不用維護(hù)，簡便實用，可以手持式操作，現(xiàn)場觀測測量結(jié)果，也可以通過遠(yuǎn)程通訊接口，實施數(shù)據(jù)自動采集與傳輸，可以滿足不同深度環(huán)境監(jiān)測要素的自動、在線測量，適用于長期無人值守監(jiān)測，該發(fā)明還具有成本低廉、生產(chǎn)工藝簡單，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1.一種光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，包括防護(hù)腔體，其特征在于:所述防護(hù)腔體內(nèi)設(shè)置控制器、光源、探測器、參考探測器、反射探頭、連接各部分的一體化光纖，所述防護(hù)腔體前端連接流通池，流通池一端安裝有石英濾光片，另一端安裝有反射鏡；所述控制器的輸出端與光源、探測器相連；所述光源模塊發(fā)出的連續(xù)脈沖光經(jīng)Y型光纖一分為二，分別作為測量光源和參考光源；參考光源經(jīng)參考光纖連接參考探測器，參考探測器把參考光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為參考電信號導(dǎo)入到控制器；測量光源進(jìn)入到反射探頭內(nèi)，反射探頭發(fā)出的檢測光透射進(jìn)流通池后，再照射到反射鏡上，經(jīng)反射鏡反射的反向反射光再透射過流通池返回到反射探頭內(nèi)經(jīng)過接收光纖進(jìn)入到探測器，探測器進(jìn)行光電信號轉(zhuǎn)換后輸送到控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，其特征在于:所述光源采用紫外-可見波段的連續(xù)光源，采用氙燈作為光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，其特征在于:所述測量光源模塊、參考光源模塊、光譜采集模塊通過一體化設(shè)計的光纖結(jié)構(gòu)單元連接成一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，其特征在于:所述反射探頭為接收光纖和5根發(fā)射光纖在反射探頭內(nèi)合為一束而集成的,所述接收光纖位于中心,5根發(fā)射光纖環(huán)繞接收光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，其特征在于:所述流通池中間開孔，一端通過螺紋與防護(hù)腔體相連，另一端為鍍鋁紫外增強(qiáng)反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜法水體環(huán)境在線測量裝置，其特征在于:采用電池供電模式。
【文檔編號】G01N21/01GK104165853SQ201410437769
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】馮巍巍, 馬正, 蔡宗岐 申請人:煙臺東潤儀表有限公司, 中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所