基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置。它包括發(fā)光系統(tǒng)、光纖、監(jiān)測系統(tǒng)、光電效應系統(tǒng)、補償電路系統(tǒng)、電路、顯示器；兩個發(fā)光系統(tǒng)與監(jiān)測系統(tǒng)連接，監(jiān)測系統(tǒng)與光電效應系統(tǒng)連接，光電效應系統(tǒng)與補償電路系統(tǒng)連接，補償電路系統(tǒng)再與電腦顯示器連接；發(fā)光系統(tǒng)包括發(fā)光管和光耦合器，監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)射接收合一探頭、發(fā)射探頭、接收探頭，皆由固定裝置固定在管壁上，光電效應系統(tǒng)包括兩組順次相連的光耦合器、CCD圖像傳感器、放大器，補償電路系統(tǒng)包括兩個A/D轉換器分別與減法器連接。本發(fā)明適用于城市供水管道生物膜生長狀況的連續(xù)在線監(jiān)測，響應速度快，干擾少，環(huán)境因素造成的影響可補償，穩(wěn)定性好，準確率高。
【專利說明】基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著經(jīng)濟的發(fā)展及生活水平的提高，人們對水質安全的要求也日益提高。作為水質安全的一個重要方面，城市供水管網(wǎng)中生物穩(wěn)定性及安全性問題越來越受到人們的關注和重視。
[0003]給水管網(wǎng)是聯(lián)系水廠和用戶之間的紐帶。在飲用水經(jīng)給水管網(wǎng)運輸過程中，給水管網(wǎng)相當于一個巨大而復雜的反應器，微生物在管道內、管壁上生長、繁殖，會造成加速管道腐蝕和產(chǎn)生惡臭等問題，在一定條件下，附著在管壁的生物膜還會脫落進入水體，造成管網(wǎng)飲用水細菌指標超標，嚴重的，還會引起大范圍傳染性疾病的爆發(fā)。因此研究給水管網(wǎng)生物膜及其中的微生物生長對防止管網(wǎng)二次污染，保障飲用水安全具有重要意義。
[0004]目前，監(jiān)測研究供水管道生物膜生長脫落狀況常用的方法是培養(yǎng)一段時間后對生物膜進行采樣研究。這種方法一方面無法對生物膜的整個生長過程進行連續(xù)、系統(tǒng)的研究，另一方面，由于是破壞性試驗，也難以得到真實原位研究數(shù)據(jù)，而且采樣過程中也容易帶入人為干擾因素，影響研究結果。為解決以上問題，提出在供水管道上埋設光纖發(fā)射探頭和接收探頭來連續(xù)在線觀測供水管道生物膜生長，是一種新型手段。
[0005]然而，在以上基于光電效應的生物膜在線監(jiān)測裝置應用過程中，由于負責觀測的光纖探頭需要埋設在供水管道內部，在觀測供水管道生物膜生長的過程中，光纖探頭表面也生長了生物膜，對光信號強度產(chǎn)生影響。為此，提出了基于光電效應補償?shù)纳锬ぴ诰€監(jiān)測方法和裝置。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置及方法。
[0007]基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置包括發(fā)光系統(tǒng)、光纖、監(jiān)測系統(tǒng)、光電效應系統(tǒng)、補償電路系統(tǒng)、電路、顯示器；兩個發(fā)光系統(tǒng)通過光纖與監(jiān)測系統(tǒng)連接，監(jiān)測系統(tǒng)通過光纖與光電效應系統(tǒng)連接，光電效應系統(tǒng)通過電路與補償電路系統(tǒng)連接，補償電路系統(tǒng)再通過電路與電腦顯示器連接；發(fā)光系統(tǒng)包括發(fā)光管和光耦合器，監(jiān)測系統(tǒng)有三種光纖探頭，分別是發(fā)射接收合一探頭、發(fā)射探頭、接收探頭，皆由固定裝置固定在管壁上，光電效應系統(tǒng)包括兩組通過電路順次相連的光耦合器、CCD圖像傳感器、放大器，補償電路系統(tǒng)包括兩個A/D轉換器分別與減法器連接；一發(fā)光系統(tǒng)的光稱合器與發(fā)射接收合一探頭以及光電效應系統(tǒng)的一光耦合器連接，另一光系統(tǒng)的光耦合器與發(fā)射探頭連接，接收探頭與光電效應系統(tǒng)的另一光耦合器連接，光電效應系統(tǒng)一放大器與補償電路系統(tǒng)一 A/D轉換器連接，光電效應系統(tǒng)另一放大器與補償電路系統(tǒng)另一 A/D轉換器連接。
[0008]所述的發(fā)光管發(fā)射的是625nm紅光。所述的光纖為(XD圖像傳感器配套的海洋反射光纖。所述的發(fā)射接收合一探頭既能發(fā)射625nm的紅光又能接收其反射光。所述的發(fā)射探頭只能發(fā)射625nm的紅光而不能接收反射光。所述的接收探頭只能接收透射光。所述的發(fā)射接收合一探頭、發(fā)射探頭、接收探頭具有相同材質、相同直徑及相同埋設時間。
[0009]基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測方法:裝置開啟后，兩個發(fā)光管同時平行發(fā)出625nm的紅光，一束是監(jiān)測光，另一束是補償光，監(jiān)測光用于監(jiān)測生物膜的生長、脫落狀況，補償光用于補償環(huán)境因素變化造成的影響，監(jiān)測光經(jīng)光纖從發(fā)射接收合一探頭照射到管壁的生物膜上，形成的反射光再途經(jīng)該探頭、光纖傳送到光電效應系統(tǒng)，光信號轉變成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)放大器放大后再由A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，同時，補償光經(jīng)光纖從發(fā)射探頭直接照射到接收探頭上，接收探頭將接收的光信號通過光纖傳送到光電效應系統(tǒng)，光信號轉變成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)放大器放大后再由A/D轉換器轉換成數(shù)字信號，兩種數(shù)字信號再經(jīng)過減法器處理后統(tǒng)一成一種數(shù)字信號由顯示器輸出，得到真實的生物膜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)信號。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點有:1)對生物膜進行原位在線監(jiān)測，響應快、干擾少；2)能夠直觀地、連續(xù)地監(jiān)測生物膜的生長脫落過程；3)環(huán)境因素造成的影響可補償，穩(wěn)定性好、準確度聞。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置結構示意圖；
圖中:發(fā)光系統(tǒng)1、光纖2、監(jiān)測系統(tǒng)3、光電效應系統(tǒng)4、補償電路系統(tǒng)5、電路6、顯示器
7、發(fā)光管8、光耦合器9、固定裝置10、發(fā)射接收合一探頭11、發(fā)射探頭12、接收探頭13、(XD圖像傳感器14、放大器15、A/D轉換器16、減法器17。
【具體實施方式】
[0012]如圖1所示，基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置包括發(fā)光系統(tǒng)1、光纖2、監(jiān)測系統(tǒng)3、光電效應系統(tǒng)4、補償電路系統(tǒng)5、電路6、顯不器7 ;兩個發(fā)光系統(tǒng)1通過光纖2與監(jiān)測系統(tǒng)3連接，監(jiān)測系統(tǒng)3通過光纖2與光電效應系統(tǒng)4連接，光電效應系統(tǒng)4通過電路6與補償電路系統(tǒng)5連接，補償電路系統(tǒng)5再通過電路6與電腦顯示器7連接；發(fā)光系統(tǒng)1包括發(fā)光管8和光耦合器9，監(jiān)測系統(tǒng)3有三種光纖探頭，分別是發(fā)射接收合一探頭11、發(fā)射探頭12、接收探頭13，皆由固定裝置10固定在管壁上，光電效應系統(tǒng)4包括兩組通過電路6順次相連的光耦合器9、(XD圖像傳感器14、放大器15，補償電路系統(tǒng)5包括兩個A/D轉換器16分別與減法器17連接；一發(fā)光系統(tǒng)1的光稱合器9與發(fā)射接收合一探頭11以及光電效應系統(tǒng)4的一光耦合器9連接，另一光系統(tǒng)1的光耦合器9與發(fā)射探頭12連接，接收探頭13與光電效應系統(tǒng)4的另一光耦合器9連接，光電效應系統(tǒng)4 一放大器15與補償電路系統(tǒng)5 — A/D轉換器16連接，光電效應系統(tǒng)4另一放大器15與補償電路系統(tǒng)5另一 A/D轉換器16連接。
[0013]所述的發(fā)光管8發(fā)射的是625nm紅光。所述的光纖2為(XD圖像傳感器14配套的海洋反射光纖。所述的發(fā)射接收合一探頭11既能發(fā)射625nm的紅光又能接收其反射光。所述的發(fā)射探頭12只能發(fā)射625nm的紅光而不能接收反射光。所述的接收探頭13只能接收透射光。所述的發(fā)射接收合一探頭11、發(fā)射探頭12、接收探頭13具有相同材質、相同直徑及相同埋設時間。
[0014]基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測方法:裝置開啟后，兩個發(fā)光管8同時平行發(fā)出625nm的紅光，一束是監(jiān)測光，另一束是補償光，監(jiān)測光用于監(jiān)測生物膜的生長、脫落狀況，補償光用于補償環(huán)境因素變化造成的影響，監(jiān)測光經(jīng)光纖2從發(fā)射接收合一探頭11照射到管壁的生物膜上，形成的反射光再途經(jīng)該探頭、光纖2傳送到光電效應系統(tǒng)4，光信號轉變成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)放大器15放大后再由A/D轉換器16轉換成數(shù)字信號，同時，補償光經(jīng)光纖2從發(fā)射探頭12直接照射到接收探頭13上，接收探頭13將接收的光信號通過光纖2傳送到光電效應系統(tǒng)4，光信號轉變成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)放大器15放大后再由A/D轉換器16轉換成數(shù)字信號，兩種數(shù)字信號再經(jīng)過減法器17處理后統(tǒng)一成一種數(shù)字信號由顯示器輸出，得到真實的生物膜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)信號。
[0015]其中，在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測原理是光信號照射到管道生物膜表面會產(chǎn)生光信號強度損失，生物膜生長越厚，光信號損失越大，反之，越小。補償原理是發(fā)射探頭12、接收探頭13上生長生物膜和環(huán)境變化引起的光信號損失與發(fā)射接收合一探頭11上生長生物膜和環(huán)境變化引起的光信號損失相同，這里通過監(jiān)測發(fā)射探頭12、接收探頭13上生長生物膜和環(huán)境變化引起的光信號損失來確定發(fā)射接收合一探頭11上生長生物膜和環(huán)境變化引起的光信號損失量，并把這些光信號損失量加回光電效應系統(tǒng)4。
【權利要求】
1.一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于包括發(fā)光系統(tǒng)(I)、光纖(2)、監(jiān)測系統(tǒng)(3)、光電效應系統(tǒng)(4)、補償電路系統(tǒng)(5)、電路(6)、顯不器(7);兩個發(fā)光系統(tǒng)(I)通過光纖(2)與監(jiān)測系統(tǒng)(3)連接，監(jiān)測系統(tǒng)(3)通過光纖(2)與光電效應系統(tǒng)(4)連接，光電效應系統(tǒng)(4)通過電路(6)與補償電路系統(tǒng)(5)連接，補償電路系統(tǒng)(5)再通過電路(6)與電腦顯示器(7)連接；發(fā)光系統(tǒng)(I)包括發(fā)光管(8)和光耦合器(9)，監(jiān)測系統(tǒng)(3)有三種光纖探頭，分別是發(fā)射接收合一探頭(11)、發(fā)射探頭(12)、接收探頭(13)，皆由固定裝置(10)固定在管壁上，光電效應系統(tǒng)(4)包括兩組通過電路(6)順次相連的光耦合器(9)、CXD圖像傳感器(14)、放大器(15)，補償電路系統(tǒng)(5)包括兩個A/D轉換器(16)分別與減法器(17)連接；一發(fā)光系統(tǒng)(I)的光耦合器(9)與發(fā)射接收合一探頭(11)以及光電效應系統(tǒng)(4)的一光耦合器(9)連接，另一發(fā)光系統(tǒng)(I)的光耦合器(9)與發(fā)射探頭(12 )連接，接收探頭(13 )與光電效應系統(tǒng)(4)的另一光耦合器(9 )連接，光電效應系統(tǒng)(4)一放大器(15)與補償電路系統(tǒng)(5) — A/D轉換器(16)連接，光電效應系統(tǒng)(4)另一放大器(15)與補償電路系統(tǒng)(5)另一 A/D轉換器(16)連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的發(fā)光管(8)發(fā)射的是625nm紅光。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的光纖(2)為CXD圖像傳感器(14)配套的海洋反射光纖。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的發(fā)射接收合一探頭(11)既能發(fā)射625nm的紅光又能接收其反射光。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的發(fā)射探頭(12)只能發(fā)射625nm的紅光而不能接收反射光。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的接收探頭(13)只能接收透射光。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的發(fā)射接收合一探頭(11)、發(fā)射探頭(12)、接收探頭(13)具有相同材質、相同直徑及相同埋設時間。
8.一種使用如權利要求1所述裝置的基于光電效應的可補償?shù)墓┧艿郎锬ぴ诰€監(jiān)測方法，其特征在于:裝置開啟后，兩個發(fā)光管(8)同時平行發(fā)出625nm的紅光，一束是監(jiān)測光，另一束是補償光，監(jiān)測光用于監(jiān)測生物膜的生長、脫落狀況，補償光用于補償環(huán)境因素變化造成的影響，監(jiān)測光經(jīng)光纖(2)從發(fā)射接收合一探頭(11)照射到管壁的生物膜上，形成的反射光再途經(jīng)該探頭、光纖(2)傳送到光電效應系統(tǒng)(4)，光信號轉變成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)放大器(15 )放大后再由A/D轉換器(16 )轉換成數(shù)字信號，同時，補償光經(jīng)光纖(2)從發(fā)射探頭(12)直接照射到接收探頭(13)上，接收探頭(13)將接收的光信號通過光纖(2)傳送到光電效應系統(tǒng)(4)，光信號轉變成模擬電信號，模擬電信號經(jīng)放大器(15)放大后再由A/D轉換器(16)轉換成數(shù)字信號，兩種數(shù)字信號再經(jīng)過減法器(17)處理后統(tǒng)一成一種數(shù)字信號由顯示器輸出，得到真實的生物膜在線監(jiān)測數(shù)據(jù)信號。
【文檔編號】G01N21/84GK104280395SQ201410447673
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權日:2014年9月4日
【發(fā)明者】柳景青, 羅志逢, 裘尚德, 周曉燕, 何曉芳, 胡寶蘭, 鄔建敏, 樓莉萍 申請人:浙江大學, 紹興市水環(huán)境科學研究院有限公司