可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀及檢測方法
2023-05-24 09:35:46
專利名稱：可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀及檢測方法
技術領域：
本發明屬於廣譜分光光度液體微量元素檢測儀裝置領域，尤其是一種具有攜帶方便，廣譜檢測，便於在農村野外環境使用的可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀及控 制方法。用於實時水質參數的取樣監測和監測後的無線數據傳輸，將環境數據和GPS全球 定位系統的地標信號通過無線通訊方式傳輸給用戶端。
背景技術：
目前，水質參數的取樣監測為人工操作的液體比色法，存在的問題是監測結果需 要人工比色，對操作人員要求高，檢測結果因人而異，差異大，難以保證數據質量。第二個存 在的問題是監測結果的時間、地點要人工記錄，且無法獲得監測數據的經緯度、海拔高度數 據。第三個問題是監測結果不能實時無線傳輸給中心主控室。第四個問題是目前尚無廣譜 無線水質檢測便攜儀。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有攜帶方便，廣譜檢測，便於在農村野外環境使用的 可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀及檢測方法。本發明的技術方案是可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是由盒 體、系統主板、光電測試單元組成。系統主板設置在盒體內部，在盒體的外表面上設置有彩 色觸控螢幕，在盒體的頂部設置有天線，天線與系統主板連接，盒體的側部設置有手柄。所述 的光電測試單元設置在手柄內部，所述光電測試單元由光電測試主儀器模塊、光電測試單 元反射光模塊組成。光電測試主儀器模塊、光電測試單元反射光模塊通過調節螺栓連接。光 電測試主儀器模塊和光電測試單元反射光模塊之間設置有試管艙。所述的光電測試主儀器 模塊含有裝填光源艙及反射光譜檢測艙。裝填光源艙內設置有高強度白色廣譜LED光源模 塊，反射光譜檢測艙設置有三光譜段合成反射光譜檢測器。反射光譜檢測器端經過標準電 路接口與主板連接。手柄外表面上設置有按鍵式輸入按鈕，輸入按扭與系統主板連接，用以 控制操作，檢測結果的數據可以自動添加GPS信息，並由系統主板經過無線傳輸模塊實時 傳輸。所述系統主板由下列單元組成CPU模塊、RS232通訊模塊、RS232接口、LED功放模 塊、LED接口、GPIO接口、無線傳輸模塊接口、無線傳輸模塊、光譜檢測器接口、光譜檢測器 模塊、GPS定位模塊；其中，CPU模塊分別與RS232通訊模塊、LED功放模塊、GPIO接口、無線 傳輸模塊接口、光譜檢測器接口和GPS定位模塊相連。RS232通訊模塊與RS232接口連接， LED功放模塊與LED接口連接，光譜檢測器接口與光譜檢測器模塊連接，無線傳輸模塊接口 與無線傳輸模塊連接。反射光譜檢測器可以通過裝填式插入反射光譜檢測艙。當其到位固定後，其輸出 電流信號端經過標準電路接口與主板上的光譜檢測器模塊連接。主板上的光譜檢測器模塊 的主要功能為電流放大，然後經電流-電壓轉換，由主板上的標準電路接口與CPU的A/D輸入端相連。CPU的A/D轉換器對信號進行數字轉換。便攜儀箱體上設置的按鍵與主板的GPI0/INT(GPI0和INT功能時分復用)相連，用以操作便攜儀的工作和控制其界面顯示。在便攜儀箱體手柄的端部設置有外接數字接口，用於和筆記本電腦通訊以及掛帶 傳感器。所述光電測試單元設置有可充電電池。所述光電測試單元的光電測試主儀器模塊由固定件、調節螺栓固定孔、裝填式光 源艙及反射光譜檢測艙的合成艙組成。其中調節螺栓固定孔位於固定件的上下兩端，裝填 式光源艙及反射光譜檢測艙的合成艙位於固定件的中部。在合成艙的上部設置有可裝填光 源艙，在合成艙的下部設置有可裝填反射光譜檢測艙。所述光電測試單元反射光模塊由固定件、光學反射鏡組成，在固定件上設置有與 主儀器模塊調節螺栓相匹配的固定孔，在固定孔的中間設置有光學反射鏡。可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀的檢測方法，其特徵是包括下列步驟 當只有反射光譜檢測器B的輸出時，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第I波段的特徵 曲線B，由此根據特徵曲線B的數值I ( λ )，求解出光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢 測器B和G的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第II波段的特徵曲線B和G，由此 根據特徵曲線B和G的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢 測器B和G的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第II波段的特徵曲線B和G，由此 根據特徵曲線B和G的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢 測器G和R的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第III波段的特徵曲線G和R，由 此根據特徵曲線G和R的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜 檢測器R的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第IV波段的特徵曲線R，由此根據特 徵曲線R的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值，當光譜波段值確定後，根據選用的試劑， 由數位訊號算法自動算出相關物質。本發明的效果是可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測無線傳感儀基於嵌 入式系統控制的廣譜型傳感器，用於檢測總氮(Total Nitrogen)、硝酸鹽氮(Nitrate Nitrogen)、亞硝酸鹽氮(Nitrite Nitrogen)、pH、氨(NH3)等一系列參數，具有廣譜特點。本發明具有微電子、光電控制電路和嵌入式系統軟體，具有智能化特點，其光電系 統模塊含有高強白色LED光源，經過分光鏡反射，穿透試管中的被測液體和試劑混合溶液， 經由合成反射光譜檢測器的輸出，求解出光譜波段值；經由A/D轉換後的數位訊號處理技 術和模式識別算法，進行自動比色檢測出相關物質。可以取代常規的人工操作的液體比色 法。本儀器的GPS定位信號標籤後由無線模塊傳輸到主控室，檢驗結果也可以通過便 攜儀上的彩色LCD顯示屏加以顯示。該技術便於在野外環境使用獲取動態數據。該光電廣譜型無線傳感儀的光電測試單元含有裝填光源艙，便於裝填不同光譜特 性的高強度光源。反射光譜檢測艙便於裝填不同三光譜段合成反射光譜檢測器。從而便於 升級、維護和校正。該光電廣譜型無線傳感儀具有嵌入式軟體系統主板、彩色IXD顯示屏以及GPS定 位模塊和無線通訊單元，其功能包括操作界面的實現、模式識別算法的實現以及無線通訊功能的實現。含有檢測液體試管艙，支持插拔被測液體試管。便攜儀有可充電電池，用以支 持太陽能充電需要。外殼附有傳感器接口，可以單獨拆卸置換，以滿足特定的監測功能。該 便攜儀的管理由嵌入式軟體實現，具有攜帶方便，廣譜檢測的優點，便於在農村野外環境使用。下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
圖1為本發明結構示意圖；圖2是圖1中光電測試單元的結構示意圖；圖3為圖2中主儀器模塊的結構示意圖；圖4為圖3的側視圖；圖5為圖2中的光譜反射模塊的結構示意圖；圖6為圖1中光電測試單元的電路框圖；圖7為本發明檢測光譜特性示意圖。圖8為本發明檢測方法框圖。
具體實施例方式可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，用於實時水質參數的取樣監測和監測 後的無線數據傳輸。該便攜儀基於嵌入式系統控制的廣譜型傳感器，涵蓋400nm至IlOOnm 的光譜，用於檢測總氮(Total Nitrogen)、硝酸鹽氮(NitrateNitrogen)、亞硝酸鹽氮 (Nitrite Nitrogen)、pH、氨(NH3)等一系列參數。可以取代常規的人工操作的液體比色 法。本廣譜型無線便攜儀具有微電子控制電路和嵌入式系統軟體，具有智能化特點，其光電 系統模塊含有高強白色LED光源，經過分光鏡反射，穿透試管中的被測液體和試劑混合溶 液，經由合成反射光譜檢測器的輸出，求解出光譜波段值；經由A/D轉換後的數位訊號處理 技術和模式識別算法，進行自動比色檢測出相關物質。其檢驗結果與本儀器的GPS定位信 號標籤後由無線模塊傳輸到主控室，檢驗結果也可以通過便攜儀上的彩色LCD顯示屏加以 顯不。可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，由四大單元組成(1)光電測試單元， 該單元含有裝填光源及反射光譜檢測合成艙。裝填光源艙裝有高強度白色廣譜LED光源； 反射光譜檢測艙含三光譜段合成反射光譜檢測器；(2)嵌入式軟體系統主板、彩色LCD顯 示、以及GPS定位模塊和無線通訊單元。其功能包括操作界面的實現、模式識別算法的實 現，以及無線通訊功能的實現；(3)檢測液體試管艙，支持插拔被測液體試管；(4)便攜儀可 充電電池，用以支持太陽能充電需要。外殼並附有傳感器接口，可以單獨拆卸置換，以滿足 特定的監測功能。該便攜儀的管理由嵌入式軟體實現，具有攜帶方便，廣譜檢測，將存儲環 境數據和GPS全球定位系統的地標信號通過無線通訊方式傳輸給用戶端的特點。圖1中，可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀由以下七部分組成F1為便攜 儀的嵌入式系統主板的放置盒體；F2為無線通訊合成天線，支持GPS和無線傳感器的無線 通訊；F3為彩色觸控螢幕；F4為放置被測液體和混合試劑用的帶有可旋蓋子的透明無色試 管；F5為便攜儀的手持手柄部分，其內安排放置光電測試單元的主儀器模塊以及可充電電池；F6為按鍵式輸入按鈕；F7為外接數字接口，用於和筆記本電腦通訊以及掛帶傳感器。可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀使用時，將被測水體放到插拔式被測液 體試管中與相對應的試劑混合均勻後，然後插入到便攜儀中，開啟便攜儀進行測試。該儀器 中的光電系統模塊含有高強白色LED光源，經過分光鏡反射，穿透試管中的被測液體和試 劑混合溶液，經由合成反射光譜檢測器的輸出，求解出光譜波段值。經由A/D轉換後的數字 信號經過處理，由模式識別算法進行自動比色檢測出相關物質。其檢驗結果與本儀器的GPS 定位信號標籤後由無線模塊傳輸到主控室，檢驗結果也可以通過便攜儀上的彩色LCD顯示 屏加以顯示。圖2為可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀的光電測試單元。光電測試單元 的廣譜型傳感器涵蓋400nm至1 IOOnm的光譜範圍，配合試劑和數位訊號處理技術和模式識 別算法，可以用於檢測總氮(Total Nitrogen)、硝酸鹽氮(Nitrate Nitrogen)、亞硝酸鹽氮 (Nitrite Nitrogen)、pH、氨(NH3)等一系列參數。圖2中，A為光電測試單元的主儀器模塊；F4為柱狀透明玻璃試管，用以裝存被測 液體和試劑的混合溶液；C為調節螺栓，用以固定光電測試單元的主儀器模塊和調整反射 光到達反射光譜檢測艙聚焦點；D為光電測試單元反射光模塊。圖3、圖4為可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀光電測試單元的主儀器模 塊。A為光電測試單元的主儀器模塊，A2為調節螺栓的固定孔；A3為提供裝填光源艙及反 射光譜檢測艙的合成艙；A4為可裝填光源艙；A5為高強度白色廣譜LED光源；A6為可裝填 反射光譜檢測艙；A7為三光譜段合成反射光譜檢測器，C為調節螺栓。圖5為可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀光電測試單元的光譜反射模塊。 D為光譜反射模塊，D2為光譜反射模塊的光學反射鏡；D3為調節螺栓接口，用以固定光電測 試單元的主儀器模塊和調整反射光到達反射光譜檢測艙聚焦點，C為調節螺栓。圖6為本可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀嵌入式系統的主板的電路框 圖。在嵌入式系統軟體和微電子控制電路的控制下，光電系統模塊求解出光譜波段值；經由 A/D轉換後，進行數位訊號處理和模式識別算法處理，進行自動比色檢測出相關物質。嵌入式系統的主板由下列單元組成CPU模塊、RS232通訊模塊、RS232接口、LED 功放模塊、LED接口、GPIO接口、無線傳輸模塊接口、無線傳輸模塊、光譜檢測器接口、光譜 檢測器模塊、GPS定位模塊。其中，CPU模塊分別與RS232通訊模塊、LED功放模塊、GPIO接 口、無線傳輸模塊接口、光譜檢測器接口和GPS定位模塊相連，RS232通訊模塊與RS232接 口連接，LED功放模塊與LED接口連接，光譜檢測器接口與光譜檢測器模塊連接，無線傳輸 模塊接口與無線傳輸模塊連接。圖6中，CPU模塊為32比特RISC CPU模塊，該模塊含有ROM，RAM內存，光電測試 單元含有可裝填光源艙內含高強度白色廣譜LED光源；同時該單元含有可裝填反射光譜檢 測艙。該艙內為三光譜段合成反射光譜檢測器。該反射光譜檢測器可以通過裝填式插入反 射光譜檢測艙，當其到位固定後，其輸出電流信號端經過標準電路接口與主板上的光譜檢 測器模塊連接。主板上的光譜檢測器模塊的主要功能為電流放大，可採用如AMPC0N4-20電 流放大器，輸入電流為0-800nA，輸出為4-20mA，然後經過光譜檢測器模塊電流-電壓轉換， 經由主板上的標準電路接口與CPU的A/D輸入端相連。CPU的A/D轉換器對信號進行數字 轉換。光電測試單元同時含有LED光源，該光源為微小型高強power chip器件，功率1_5瓦，5500K，如可採用LXHL-MW1D等器件，其電流為350mA。圖7為可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀的檢測光譜特性示意圖。圖7為三光譜段合成反射光譜檢測器的光譜特徵曲線，整體的波段為[WlOTCT，Wuppct]。在此波段上， B特徵曲線為反射光譜檢測器藍光段的光譜特性，其峰值為BP，低端波段50%點為B_5(l%，高 端波段50%點為B+Sl%。G特徵曲線為反射光譜檢測器綠光段的光譜特性，其峰值為GP，低 端波段50%點為G_5(l%，高端波段50%點為G+5(i%。R特徵曲線為反射光譜檢測器紅光段的光 譜特性，其峰值為RP，低端波段50%點為R_5(l%，高端波段50%點為R+5(i%。在選擇三光譜段 合成反射光譜檢測器時，按照此光譜特性，即定義第I波段為B曲線低端頻段[B_5(I%，BP]，第 II波段為B曲線高端頻段[BP，B+50 J與G曲線低端頻段[G_5(i%，Gp]佔有共同頻段，第III 波段為G曲線高端頻段[Gp，G+5Q%]與R曲線低端頻段[R_5Q%，Rp]佔有共同頻段，第IV波段 為R曲線高端頻段[RP，R僅]。在以上光譜特性曲線設計原則的指導下，實現廣譜範圍上的光譜波段值的求解， 其算法如圖8所示。檢測時，當只有反射光譜檢測器B的輸出，由此判定檢測到的響應值 I ( λ )對應第I波段的特徵曲線B，由此根據特徵曲線B的數值I ( λ )，求解出光譜波段值； 當檢測時，只有反射光譜檢測器B和G的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第II波 段的特徵曲線B和G，由此根據特徵曲線B和G的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當 檢測時，只有反射光譜檢測器B和G的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第II波 段的特徵曲線B和G，由此根據特徵曲線B和G的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當 檢測時，只有反射光譜檢測器G和R的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第III波 段的特徵曲線G和R，由此根據特徵曲線G和R的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當 檢測時，只有反射光譜檢測器R的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第IV波段的 特徵曲線R，由此根據特徵曲線R的數值Ι(λ)，一一對應求解光譜波段值。當λ確定後， 結合選用的試劑，由數位訊號處理技術和模式識別算法，測出相關物質。
權利要求
可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是由盒體、系統主板、光電測試單元組成，系統主板設置在盒體內部，在盒體的外表面上設置有彩色觸控螢幕，在盒體的頂部設置有天線，天線與系統主板連接，盒體的側部設置有手柄，所述的光電測試單元設置在手柄內部。所述光電測試單元由光電測試主儀器模塊、光電測試單元反射光模塊組成。光電測試主儀器模塊、光電測試單元反射光模塊通過調節螺栓連接。光電測試主儀器模塊和光電測試單元反射光模塊之間設置有試管艙。所述的光電測試主儀器模塊含有裝填光源艙及反射光譜檢測艙。裝填光源艙內設置有高強度白色廣譜LED光源模塊。反射光譜檢測艙設置有三光譜段合成反射光譜檢測器。反射光譜檢測器端經過標準電路接口與主板連接。手柄外表面上設置有按鍵式輸入按鈕，輸入按扭與系統主板連接，用以控制操作。檢測結果的數據可以自動添加GPS信息，並由系統主板實時傳輸。
2.根據權利要求1所述的可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是所述系 統主板由下列單元組成CPU模塊、RS232通訊模塊、RS232接口、LED功放模塊、LED接口、 GPIO接口、無線傳輸模塊接口、無線傳輸模塊、光譜檢測器接口、光譜檢測器模塊、GPS定位 模塊；其中，CPU模塊分別與RS232通訊模塊、LED功放模塊、GPIO接口、無線傳輸模塊接口、 光譜檢測器接口和GPS定位模塊相連。RS232通訊模塊與RS232接口連接。LED功放模塊 與LED接口連接。光譜檢測器接口與光譜檢測器模塊連接。無線傳輸模塊接口與無線傳輸 模塊連接。
3.根據權利要求1或2所述的可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是在 手柄的端部設置有外接數字接口，用於和筆記本電腦通訊以及掛帶傳感器。
4.根據權利要求1所述的可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是所述光 電測試單元設置有可充電電池。
5.根據權利要求1所述的可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是所述光 電測試單元的光電測試主儀器模塊由固定件、調節螺栓固定孔、提供裝填光源艙及反射光 譜檢測艙的合成艙組成。調節螺栓固定孔位於固定件的上下兩端，提供裝填光源艙及反射 光譜檢測艙的合成艙位於固定件的中部。在合成艙的上部設置有可裝填光源艙，在合成艙 的下部設置有可裝填反射光譜檢測艙。
6.根據權利要求1所述的可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀，其特徵是所述光 電測試單元反射光模塊由固定件、光學反射鏡組成，在固定件上設置有與主儀器模塊調節 螺栓相匹配的固定孔，在固定孔的中間設置有光學反射鏡。
7.可攜式廣譜分光光度液體微量元素檢測儀的檢測方法，其特徵是包括下列步驟當 只有反射光譜檢測器B的輸出時，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第I波段的特徵曲 線B，由此根據特徵曲線B的數值I ( λ )，求解出光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢測 器B和G的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第II波段的特徵曲線B和G，由此根 據特徵曲線B和G的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢測 器B和G的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第11波段的特徵曲線B和G，由此根 據特徵曲線B和G的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢測 器G和R的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第III波段的特徵曲線G和R，由此 根據特徵曲線G和R的數值I ( λ )，一一對應求解光譜波段值；當檢測時，只有反射光譜檢 測器R的輸出，由此判定檢測到的響應值I ( λ )對應第IV波段的特徵曲線R，由此根據特徵曲線R的數值I (λ )，一一對應求解光譜波段值，當光譜波段值確定後，根據選用的試劑，由數位訊號算法自動算出相關物質。
全文摘要
一種攜帶方便，廣譜檢測，便於在農村野外環境使用的可攜式廣譜分光光度液體微量元素無線檢測儀。技術方案是其特徵是由盒體、系統主板、光電測試單元組成。盒體的側部設置有手柄，光電測試單元設置在手柄內部。光電測試單元由光電測試主儀器模塊、光電測試單元反射光模塊組成。光電測試主儀器模塊、光電測試單元反射光模塊通過調節螺栓連接。光電測試主儀器模塊和光電測試單元反射光模塊之間設置有試管艙。光電測試主儀器模塊含有裝填光源艙及反射光譜檢測艙。裝填光源艙內設置有高強度白色廣譜LED光源模塊，反射光譜檢測艙設置有三光譜段合成反射光譜檢測器。檢測結果的數據可以自動添加GPS信息，並由系統主板實時無線傳輸。本發明還公開了檢測儀的檢測方法。
文檔編號G01N21/78GK101806743SQ20101012805
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月16日 優先權日2010年3月16日
發明者徐立中, 李華 申請人:李華