基於紫外可見吸收光譜和螢光光譜的水質監測探頭及方法與流程

2023-06-10 15:01:11 2

本發明涉及水質監測設備技術領域，具體涉及一種基於紫外可見吸收光譜和螢光光譜的水質監測探頭及方法。

背景技術：

目前使用的水質多參數監測用單探頭無波長校準，導致光譜測量易出現漂移現象，進而引起水質參數測量結果不穩定，有漂移現象。同時，它所使用的光譜儀解析度低，不利於水質參數分析，另外，目前使用的探頭基於吸收光譜測量，對於低濃度測量場合誤差大。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於紫外可見吸收光譜和螢光光譜的水質監測探頭及方法，該探頭能顯著提高水質監測的精度。

為解決上述技術問題，本發明所設計的基於紫外可見吸收光譜和螢光光譜的水質監測探頭，它包括閃爍燈、第一凸透鏡、第一水質監測窗口、第二水質監測窗口、螢光激發用多波長雷射光源、第三水質監測窗口、斬光器、凸透鏡、紫外可見光纖光譜測量器、控制器信號處理器、閃爍燈控制器、螢光激發用多波長雷射光源控制器、步進電機，其中，所述控制器信號處理器的閃爍燈控制指令輸出端連接閃爍燈控制器的信號輸入端，閃爍燈控制器的控制信號輸出端連接閃爍燈的控制信號輸入端，控制器信號處理器的螢光激發用多波長雷射光源控制指令輸出端連接螢光激發用多波長雷射光源控制器的信號輸入端，螢光激發用多波長雷射光源控制器的控制信號輸出端連接螢光激發用多波長雷射光源的控制信號輸入端，閃爍燈發出的光信號對應第一凸透鏡的光信號輸入端，第一凸透鏡輸出兩路平行光束，第一凸透鏡輸出的第一路光速能透過第一水質監測窗口照射到待測水樣上發生吸收、散射後透過第二水質監測窗口透射至斬光器，第一凸透鏡輸出的第二路光速為參考光路，參考光路直接透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉動並將透射過來的兩束光調製，被調製的光束，經凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，控制器信號處理器的光譜信號採集端連接紫外可見光纖光譜測量器的光譜測量信息輸出端。

一種利用上述水質監測探頭的水質紫外可見連續吸收光譜測量方法，其特徵在於，它包括如下步驟：

步驟1：控制器信號處理器發出閃爍燈控制指令給閃爍燈控制器，閃爍燈控制器控制閃爍燈以預設的頻率和預設閃爍間隔發出紫外可見光；

步驟2：閃爍燈發出的紫外可見光經第一凸透鏡匯聚後轉換為第一平行光束，第一凸透鏡輸出的第一路光速透過第一水質監測窗口照射到待測水樣上發生吸收、散射後透過第二水質監測窗口透射至斬光器，第一凸透鏡輸出的第二路光速為參考光路，參考光路直接透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉動並將透射過來的兩束光調製；

步驟3：被調製的光束，經凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器對輸入的被調製光束進行光譜測量，控制器信號處理器實現光譜信號的採集。

一種利用上述水質監測探頭的激發螢光光譜測量方法，其特徵在於，它包括如下步驟：

步驟101：控制器信號處理器發出螢光激發用多波長雷射光源控制指令給螢光激發用多波長雷射光源控制器，螢光激發用多波長雷射光源控制器控制螢光激發用多波長雷射光源發出預設頻率和間隔的雷射，該間隔為上次發光與本次發光之間的時間間隔；

步驟102：上述螢光激發用多波長雷射光源發出的雷射透過第三水質監測窗口照射在待測水樣上，激發產生螢光；

步驟103：步驟102激發產生螢光透過第二水質監測窗口透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉動並將透射過來螢光按發光的頻率進行調製；

步驟104：被調製的螢光，經凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器對輸入的被調製光束進行光譜測量，控制器信號處理器實現光譜信號的採集。

一種利用上述水質監測探頭的波長校正用多波長雷射光譜測量方法，其特徵在於，它包括如下步驟：

步驟1001：控制器信號處理器發出波長校正用多波長雷射光源控制指令給波長校正用多波長雷射光源控制器，波長校正用多波長雷射光源控制器控制波長校正用多波長雷射光源發出預設頻率和預設閃爍間隔的波長校正用多波長雷射；

步驟1002：上述波長校正用多波長雷射經第一凸透鏡匯聚後轉換為第二平行光束，第二平行光束透過第一水質監測窗口照射到待測水樣上發生吸收、散射後透過第二水質監測窗口透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉動並將透射過來的波長校正用多波長雷射按發光頻率進行調製；

步驟1003：被調製的波長校正用多波長雷射，經凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器對輸入的被調製光束進行光譜測量，控制器信號處理器實現光譜信號的採集，並根據其響應光譜，確定對應探測單元位置，進而實現校正。

本發明提供一種具有波長自校正功能的、雙光路結構的基於紫外可見吸收光譜及螢光光譜組合的水質多參數在線實時監測用單探頭。

直接紫外-可見連續光譜作為一種相對新穎的檢測手段實現水質監測，具有無需化學試劑、無二次汙染、分析速度快、實時在線、成本低、可實現多參數測量等優點。

本發明利用連續的紫外可見光譜區對水樣進行掃描，獲得連續的水質中的吸光度信息，通過波長校正、小波包去噪、多元散射校正、主成分分析等多元化的分析手段獲取水質中的cod、bod5、toc、no3-n、no2-n、色度、濁度、葉綠素a等水質參數，通過計算得出各數據中所包含的水體特質信息，並根據以上數據建立光譜數據和水質參數兩者之間的校正模型，以此模型為工具實現水質參數分析。連續紫外可見光譜檢測法由於加入水質連續可見光吸光度，通過全光譜信息大幅度降低水質參數建模解算時的其它因素幹擾，能有效減小散射幹擾，通過算法對採集到的光譜信息進行預處理減少濁度對水質參數的影響。

本發明中測量光束光譜包含被測水樣對測量光束的吸收信息以及光源強度的影響，而參考光束光譜僅受光源強度的影響，測量光束光譜與參考光束光譜結合可消除光源強度對水質測量的影響。水樣對光譜的吸收服從朗伯比爾定律。紫外可見光譜檢測法是利用連續的紫外可見光譜區對水樣進行掃描，從而獲得連續的水質中的吸光度信息，再利用信息融合技術對水質參數進行解算。

同時，物體經過較短波長的光照，把能量儲存起來，然後緩慢放出較長波長的光，放出的這種光就叫螢光。如果把螢光的能量與波長關係圖作出來，那麼這個關係圖就是螢光光譜。高強度雷射能夠使吸收物質中相當數量的分子提升到激發量子態。因此極大地提高了螢光光譜的靈敏度。以雷射為光源的螢光光譜適用於超低濃度樣品的檢測，比用普通光源得到的最高靈敏度有明顯提高。螢光法是根據水中存在的大多數有機物能發生螢光的特點，通過螢光光譜的分析來測定水質有機物綜合指標。

另外，波長校正用多波長雷射光譜用來對紫外可見光纖光譜測量模塊進行波長校正，以消除環境因素所造成的影響。

附圖說明

圖1為本發明的結構框圖；

圖2為朗伯比爾定律的檢測原理圖；

圖3為紫外可見連續光譜的水樣吸收圖；

圖3中，化學需氧量cod(chemicaloxygendemand)是以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質的量。bod(biochemicaloxygendemand的簡寫)：生化需氧量或生化耗氧量(一般指五日生化學需氧量)，表示水中有機物等需氧汙染物質含量的一個綜合指標。totalorganiccarbon(toc)：在900℃高溫下，以鉑作催化劑，使水樣氧化燃燒，測定氣體中co2的增量，從而確定水樣中總的含碳量，表示水樣中有機物總量的綜合指標。由於toc的測定採用高溫燃燒，因此能將有機物全部氧化，它比bod或cod更能直接表示有機物的總量。因此常被用來評價水體中有機物汙染的程度。

其中，1—閃爍燈、2—波長校正用多波長雷射光源、3—第一凸透鏡、4—第一水質監測窗口、5—待測水樣、6—第二水質監測窗口、7—參考光路、8—螢光激發用多波長雷射光源、9—第三水質監測窗口、10—斬光器、11—步進電機、12—凸透鏡、13—紫外可見光纖光譜測量器、14—控制器信號處理器、15—閃爍燈控制器、16—螢光激發用多波長雷射光源控制器、17—步進電機控制器、18—波長校正用多波長雷射光源控制器。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明：

一種基於紫外可見吸收光譜和螢光光譜的水質監測探頭，如圖1所示，它包括閃爍燈1、第一凸透鏡3、第一水質監測窗口4、第二水質監測窗口6、螢光激發用多波長雷射光源8、第三水質監測窗口9、斬光器10、凸透鏡12、紫外可見光纖光譜測量器13、控制器信號處理器14、閃爍燈控制器15、螢光激發用多波長雷射光源控制器16、步進電機11，其中，所述控制器信號處理器14的閃爍燈控制指令輸出端連接閃爍燈控制器15的信號輸入端，閃爍燈控制器15的控制信號輸出端連接閃爍燈1的控制信號輸入端，控制器信號處理器14的螢光激發用多波長雷射光源控制指令輸出端連接螢光激發用多波長雷射光源控制器16的信號輸入端，螢光激發用多波長雷射光源控制器16的控制信號輸出端連接螢光激發用多波長雷射光源8的控制信號輸入端，閃爍燈1發出的光信號對應第一凸透鏡3的光信號輸入端，第一凸透鏡3輸出兩路平行光束，第一凸透鏡3輸出的第一路光速能透過第一水質監測窗口4照射到待測水樣5上發生吸收、散射後透過第二水質監測窗口6透射至斬光器10，第一凸透鏡3輸出的第二路光速為參考光路7，參考光路7直接透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉動並將透射過來的兩束光調製，被調製的光束，經凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，控制器信號處理器14的光譜信號採集端連接紫外可見光纖光譜測量器13的光譜測量信息輸出端。所示控制器信號處理器14實現光譜測量結果與水質測量參數之間的映射。

上述技術方案中，它還包括控制步進電機11工作的步進電機控制器17，所述控制器信號處理器14的步進電機控制指令輸出端連接步進電機控制器17的信號輸入端，步進電機控制器17的控制信號輸出端連接步進電機11的控制信號輸入端。

上述技術方案中，它還包括波長校正用多波長雷射光源2和波長校正用多波長雷射光源控制器18，所述控制器信號處理器14的波長校正用多波長雷射光源控制指令輸出端連接波長校正用多波長雷射光源控制器18的信號輸入端，波長校正用多波長雷射光源控制器18的控制信號輸出端連接波長校正用多波長雷射光源2的控制信號輸入端，波長校正用多波長雷射光源2發出的雷射信號對應第一凸透鏡3的光信號輸入端。

上述技術方案中，所述閃爍燈1為閃爍氙燈。閃爍氙燈用於發出紫外可見光。

本發明在工作過程中，在控制器信號處理器14的控制下保證紫外可見光纖光譜測量器13測得的光譜是測量光束光譜、參考光束光譜、螢光光譜、波長校正用多波長雷射光譜之一，不相互重合。

本發明採用測量解析度小於1nm的在線水質分析光譜。

一種利用上述水質監測探頭的水質紫外可見連續吸收光譜測量方法，它包括如下步驟：

步驟1：控制器信號處理器14發出閃爍燈控制指令給閃爍燈控制器15，閃爍燈控制器15控制閃爍燈1以預設的頻率(0.00167～0.067hz)和預設閃爍間隔(調整範圍15秒至10分鐘)發出紫外可見光；

步驟2：閃爍燈1發出的紫外可見光經第一凸透鏡3匯聚後轉換為第一平行光束，第一凸透鏡3輸出的第一路光速透過第一水質監測窗口4照射到待測水樣5上發生吸收、散射後透過第二水質監測窗口6透射至斬光器10，第一凸透鏡3輸出的第二路光速為參考光路7，參考光路7直接透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉動並將透射過來的兩束光調製；

步驟3：被調製的光束，經凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器13對輸入的被調製光束(紫外可見連續吸收光譜)進行光譜測量，控制器信號處理器14實現光譜信號的採集(即得到吸收光譜，通過對吸收光譜的處理得到對應的水質參數)。

一種利用上述水質監測探頭的激發螢光光譜測量方法，它包括如下步驟：

步驟101：控制器信號處理器14發出螢光激發用多波長雷射光源控制指令給螢光激發用多波長雷射光源控制器16，螢光激發用多波長雷射光源控制器16控制螢光激發用多波長雷射光源8發出預設頻率(0.00167～0.067hz)和間隔(間隔為上次發光與本次發光之間的時間間隔，調整範圍15秒至10分鐘)的雷射；

步驟102：上述螢光激發用多波長雷射光源8發出的雷射透過第三水質監測窗口9照射在待測水樣5上，激發產生螢光；

步驟103：步驟102激發產生螢光透過第二水質監測窗口6透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉動並將透射過來螢光按發光的頻率進行調製；

步驟104：被調製的螢光，經凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器13對輸入的被調製光束進行光譜測量，控制器信號處理器14實現光譜信號的採集。

上述技術方案中，螢光法是根據水中存在的大多數有機物能發生螢光的特點，通過螢光光譜的分析來測定水質有機物綜合指標。

一種利用上述水質監測探頭的波長校正用多波長雷射光譜測量方法，其特徵在於，它包括如下步驟：

步驟1001：控制器信號處理器14發出波長校正用多波長雷射光源控制指令給波長校正用多波長雷射光源控制器18，波長校正用多波長雷射光源控制器18控制波長校正用多波長雷射光源2發出預設頻率(0.00167～0.067hz)和預設閃爍間隔(調整範圍15秒至10分鐘)的波長校正用多波長雷射；

步驟1002：上述波長校正用多波長雷射經第一凸透鏡3匯聚後轉換為第二平行光束，第二平行光束透過第一水質監測窗口4照射到待測水樣5上發生吸收、散射後透過第二水質監測窗口6透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉動並將透射過來的波長校正用多波長雷射按發光頻率進行調製；

步驟1003：被調製的波長校正用多波長雷射，經凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器13對輸入的被調製光束進行光譜測量，控制器信號處理器14實現光譜信號的採集，並根據其響應光譜，確定對應探測單元(即選用的幾個波長在那些探測單元響應)，進而實現校正。

本發明採用紫外可見光譜法水質檢測直接對水樣的吸收光譜進行檢測、分析，相比於其它在線檢測方式，具有無需化學試劑、無二次汙染、不需樣品預處理、檢測系統相對簡單、測量周期短等優點。

水樣對光譜的吸收依據朗伯比爾定律，檢測原理如圖2所示

吸光度

式中：io為入射光強度，i為入射光通過待測水樣後的透射光強度；a為水樣的吸光度；c為待測水樣濃度；d為光程，即光學窗口長度；k為光被吸收的比例係數；t為透射比，即透射光強度與入射光強度之比。

吸光度測量重要的前提條件是物質能夠吸收紫外—可見光。當濃度採用摩爾濃度時，k為摩爾吸收係數；它與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關。當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質時,其吸光度a與吸光物質的濃度c及吸收層厚度d成正比。

紫外可見連續光譜的水樣吸收如圖3：

紫外可見光譜檢測法是利用連續的紫外可見光譜區對水樣進行掃描，從而獲得連續的水質中的吸光度信息，通過全光譜信息大幅度降低水質參數建模解算時的其它因素幹擾，有效減小散射幹擾；通過算法對採集到的光譜信息進行預處理減少濁度對水質參數的影響；再利用信息融合技術對水質參數進行解算減小參數之間的互相影響使參數精度達到更高要求。根據以上數據建立光譜數據和水質參數兩者之間的校正模型，以此模型為工具具體分析水質參數。

本說明書未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。