專利名稱：水質(zhì)監(jiān)測(cè)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水質(zhì)監(jiān)測(cè)的裝置及方法，尤其是適合于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)污水與自然水水質(zhì)色度的傳感器技術(shù)與方法，屬于環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水污染防治面臨的一個(gè)緊迫問題是如何實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)排污企業(yè)廢水是否達(dá)標(biāo)排放，對(duì)超標(biāo)排放廢水的事件、突發(fā)水資源被污染的事故進(jìn)行及時(shí)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，以便環(huán)保監(jiān)察部門能夠依法治水、及時(shí)控制和消除事故帶來的后果。之所以這樣認(rèn)為是因?yàn)橛行┡盼燮髽I(yè)出于自身經(jīng)濟(jì)利益的考慮，或責(zé)任心不強(qiáng)，雖然花費(fèi)巨資安裝了廢水處理設(shè)備，卻總是有意或無意不投入正常運(yùn)行，治污設(shè)備成了蒙騙和敷衍環(huán)境監(jiān)察部門的擺設(shè)。另外，水資源被污染的突發(fā)事故也時(shí)有發(fā)生。環(huán)境監(jiān)察部門并不缺少水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備和手段，缺的是無人職守、在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水質(zhì)，尤其是流水水質(zhì)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警技術(shù)。這種技術(shù)要求監(jiān)測(cè)的參數(shù)不一定很多，精度不一定很高，但要求能夠自動(dòng)判斷水質(zhì)(例如水的色度、渾濁度、PH值或化學(xué)需氧量COD值)是否發(fā)生異常變化，設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)容易、抗流水、天氣或其他現(xiàn)場(chǎng)因素干擾能力強(qiáng)、造價(jià)低廉。一旦它監(jiān)測(cè)到水質(zhì)發(fā)生異常變化就能自動(dòng)報(bào)警，方便環(huán)保監(jiān)察人員及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步取證檢測(cè)，并依法制止和處罰違法排放行為，或控制事故后果的蔓延。
清潔純凈的自然水是無色透明的，換句話說，有色或混濁的水是受污染或排污不達(dá)標(biāo)的水。在所有水污染中有機(jī)物的污染占很大比例，幾乎所有有機(jī)物在215-316nm一帶都有各自的吸收特征，利用紫外吸收光度計(jì)法，可以測(cè)試總有機(jī)物含量。因此色度、濁度和COD(化學(xué)需氧量)值是水質(zhì)監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)?，F(xiàn)有檢測(cè)水質(zhì)色度與濁度的方法主要有目視比色法和分光光度法(包括光譜測(cè)定法和紫外吸收光度法)。前者簡(jiǎn)單直觀，但誤差大，不適合自動(dòng)測(cè)量；后者可作定量和準(zhǔn)確的測(cè)量，而且測(cè)量水質(zhì)的參數(shù)多，可對(duì)污染物綜合性指標(biāo)和特殊水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，性能穩(wěn)定，已廣泛應(yīng)用于水質(zhì)在線檢測(cè)中(參見王安，謝宇，梁柱，“水中色度測(cè)定的研究”，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)，第16卷，第2期，2000年，第37頁)。但現(xiàn)有的分光光度法不適合用于遠(yuǎn)程水質(zhì)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，不適合監(jiān)測(cè)流水水質(zhì)，容易受天氣和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，設(shè)備較昂貴。另外，曾經(jīng)有一種基于有色光學(xué)玻璃濾光片與硅光電池組合而成的液體色敏傳感器的報(bào)道(參見陳家勝、季鑫源，“采用光纖傳導(dǎo)的液體色傳感器的設(shè)計(jì)”，傳感器技術(shù)，2002年第21卷第9期，第21頁；陳家勝，“采用光纖傳導(dǎo)的液體色測(cè)量裝置”，實(shí)用新型專利，ZL 02220059.2)。它采用脈沖氙燈照明、光纖束傳光和光電積分法進(jìn)行測(cè)量。由于脈沖氙燈的發(fā)光不穩(wěn)定，需要對(duì)脈沖氙燈的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。因此，該色敏傳感器采用了雙光路結(jié)構(gòu)。其一光路為測(cè)量光路，另一光路為監(jiān)測(cè)光路(參見陳家勝、季鑫源，“采用光纖傳導(dǎo)的液體色傳感器的設(shè)計(jì)”，傳感器技術(shù)，2002年第21卷第9期，第21頁；陳家勝，“采用光纖傳導(dǎo)的液體色測(cè)量裝置”實(shí)用新型專利，ZL 02220059.2)。這種傳感器能較準(zhǔn)確地測(cè)量色度，能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量，但所用色敏傳感器需要三個(gè)覆蓋光學(xué)濾光片的光電池，測(cè)量系統(tǒng)的光路較復(fù)雜、光源耗電大，抗液體擾動(dòng)和其他現(xiàn)場(chǎng)因素的干擾的能力差，若用到無人職守的現(xiàn)場(chǎng)作污水或自然水(尤其是流水)水質(zhì)的實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與報(bào)警有許多困難。

發(fā)明內(nèi)容
(1)發(fā)明目的提供一種監(jiān)測(cè)水質(zhì)的裝置及方法。它能監(jiān)測(cè)水質(zhì)色度(包括紫外吸光度)、濁度的變化，適合用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)因重金屬、染料及有機(jī)物等污染引起的水質(zhì)異常變化和報(bào)警。
(2)技術(shù)方案一種監(jiān)測(cè)水質(zhì)的裝置，其特征是它包含具有兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光源、帶信號(hào)輸入輸出光纖的光學(xué)探頭及可測(cè)量準(zhǔn)單色光中心波長(zhǎng)的半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器。光源發(fā)出的兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光經(jīng)由信號(hào)輸入光纖進(jìn)入光學(xué)探頭，經(jīng)過所要監(jiān)測(cè)的水后，光信號(hào)由光學(xué)探頭的輸出光纖引出，由半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。
兩個(gè)有特定峰值波長(zhǎng)的光源可以是兩個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管、兩個(gè)半導(dǎo)體激光二極管或一個(gè)紫外燈加兩個(gè)窄帶光學(xué)濾光片。若用發(fā)光二極管作光源，可以在發(fā)光二極管與光學(xué)探頭之間加或不加窄帶光學(xué)濾光片。
所述光學(xué)探頭如圖1或圖2所示。它包含腔體，光信號(hào)輸入、輸出光纖，光學(xué)透鏡，固定光纖、透鏡的支架，它還可以包含光學(xué)反射鏡，水能進(jìn)入所述探頭腔體內(nèi)，所述腔體能遮蔽外界雜散光。所述光學(xué)探頭構(gòu)成光學(xué)通路。即入射光經(jīng)由輸入光纖進(jìn)入探頭的腔體內(nèi)，經(jīng)過透鏡和被監(jiān)測(cè)的水后，透射光(如圖1所示)或反射光(如圖2所示)被耦合進(jìn)入光學(xué)探頭的輸出光纖，輸出光信號(hào)由半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。
所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器由兩個(gè)背靠背的半導(dǎo)體p-n結(jié)光電二極管組成，所述兩個(gè)p-n結(jié)沿與被探測(cè)光信號(hào)入射方向?qū)?zhǔn)排列(參見附圖3)。工作時(shí)所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管同時(shí)探測(cè)光信號(hào)。所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器可以具有p-n-p結(jié)構(gòu)(參見附圖3)，也可以具有n-p-n結(jié)構(gòu)，或由這二種基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成的其它變種結(jié)構(gòu)。制作所述光波長(zhǎng)探測(cè)器的半導(dǎo)體材料可以是硅、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦等半導(dǎo)體材料或與它們相關(guān)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料。
監(jiān)測(cè)水質(zhì)的方法是光學(xué)探頭放置在被監(jiān)測(cè)的水中或水管中，水進(jìn)入所述的探頭腔體內(nèi)。具有兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光通過光耦合器(例如二合一光纖耦合器)或一根傳光束，從光學(xué)探頭的輸入光纖進(jìn)入探頭，經(jīng)過被監(jiān)測(cè)的水后，透射光(如圖1所示)或反射光(如圖2所示)被光學(xué)探頭的信號(hào)輸出光纖引出，再由所述的半導(dǎo)體波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器工作時(shí)，所述的兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管同時(shí)探測(cè)光信號(hào)，所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管光電流之比用來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的色度(包括紫外吸光度)，所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管光電流的大小用來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的濁度。
一旦水質(zhì)的色度(包括紫外吸光度)發(fā)生改變，經(jīng)過被監(jiān)測(cè)水的光會(huì)發(fā)生選擇吸收，導(dǎo)致從光學(xué)探頭輸出的光信號(hào)的中心波長(zhǎng)發(fā)生改變?；蛘撸坏┧|(zhì)的濁度發(fā)生改變，經(jīng)過被監(jiān)測(cè)水的光的透射率會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致從光學(xué)探頭輸出的光信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生改變。光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)到信號(hào)光中心波長(zhǎng)或強(qiáng)度發(fā)生改變后，可通過控制電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
(3)有益效果這種水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置及方法適合應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)污水或自然水水質(zhì)的色度、濁度和COD值，抗流水、天氣或其他現(xiàn)場(chǎng)因素干擾的能力強(qiáng)、功耗低、運(yùn)行和維護(hù)容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。
四

圖1透射型光學(xué)探頭示意圖。1-輸入、輸出光纖，2-光學(xué)透鏡，3-固定支架，4-腔體。
圖2反射型光學(xué)探頭示意圖。1-輸入、輸出光纖，2-光學(xué)透鏡，3-固定支架，4-腔體，5-光學(xué)反射鏡。
圖3半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在實(shí)施時(shí)，光學(xué)探頭放置在被監(jiān)測(cè)的水中或水管中，被監(jiān)測(cè)的水能夠進(jìn)入光學(xué)探頭內(nèi)的光學(xué)通路里。兩個(gè)有特定峰值波長(zhǎng)的光源發(fā)出的光由光學(xué)探頭輸入光纖進(jìn)入探頭，經(jīng)過被監(jiān)測(cè)的水后，信號(hào)光由光學(xué)探頭的輸出光纖引出，再由半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。
所述兩個(gè)有特定峰值波長(zhǎng)的光源可以是兩個(gè)半導(dǎo)體發(fā)光二極管或兩個(gè)半導(dǎo)體激光二極管或一個(gè)紫外燈加兩個(gè)窄帶光學(xué)濾光片。若用發(fā)光二極管作光源，在發(fā)光二極管與光學(xué)探頭之間可以加也可以不加窄帶光學(xué)濾光片；兩路特定峰值波長(zhǎng)的光通過二合一光纖耦合器，從光學(xué)探頭的信號(hào)輸入光纖進(jìn)入探頭，經(jīng)過透鏡和被監(jiān)測(cè)的水后，透射光被透鏡收集并直接耦合進(jìn)入光學(xué)探頭的信號(hào)輸出光纖(如圖1所示)；或者兩路特定峰值波長(zhǎng)的光通過一根傳光束，從光學(xué)探頭的信號(hào)輸入光纖進(jìn)入探頭，經(jīng)過透鏡和被監(jiān)測(cè)的水后，被一個(gè)反射鏡反射，反射光被透鏡收集并耦合進(jìn)入光學(xué)探頭的信號(hào)輸出光纖(如圖2所示)；所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器由兩個(gè)背靠背的半導(dǎo)體p-n結(jié)光電二極管組成，所述兩個(gè)p-n結(jié)沿與被探測(cè)光信號(hào)入射方向?qū)?zhǔn)排列(參見附圖3)。工作時(shí)兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管同時(shí)探測(cè)和讀取光信號(hào)。所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器可以具有p-n-p結(jié)構(gòu)(參見附圖3)，或者具有n-p-n結(jié)構(gòu)，或由這二種基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成的其他變種結(jié)構(gòu)。制作所述光波長(zhǎng)探測(cè)器的半導(dǎo)體材料可以是硅、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦或與之相關(guān)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料。所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管光電流之比用來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的色度(包括紫外吸光度)，所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管光電流的大小用來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的濁度。
需要說明的是，上述實(shí)施例儀為說明本發(fā)明而非限制本發(fā)明的專利范圍，任何基于本發(fā)明的等同變換技術(shù)，均應(yīng)在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置，其特征是它包含具有兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光源、帶信號(hào)輸入輸出光纖的光學(xué)探頭及可測(cè)量準(zhǔn)單色光中心波長(zhǎng)的半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器。兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光源發(fā)出的光經(jīng)由光學(xué)探頭的輸入光纖進(jìn)入光學(xué)探頭，經(jīng)過所要監(jiān)測(cè)的水后，透射光信號(hào)由光學(xué)探頭的輸出光纖引出，由半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光源，其特征是兩個(gè)有特定峰值波長(zhǎng)的半導(dǎo)體發(fā)光二極管、兩個(gè)有特定峰值波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光二極管或一個(gè)紫外燈加兩個(gè)窄帶光學(xué)濾光片。
3.根據(jù)權(quán)力要求1所述帶信號(hào)輸入輸出光纖的光學(xué)探頭，其特征是它包含腔體，光信號(hào)輸入光纖、光信號(hào)輸出光纖，光學(xué)透鏡。它還可以包含光學(xué)反射鏡。水能進(jìn)入所述探頭腔體內(nèi)，所述腔體能遮蔽外界雜散光。
4.根據(jù)權(quán)力要求1和3所述帶信號(hào)輸入輸出光纖的光學(xué)探頭，其特征是它構(gòu)成一個(gè)光學(xué)通路，信號(hào)光經(jīng)由輸入光纖進(jìn)入探頭的腔體內(nèi)，經(jīng)過透鏡和被監(jiān)測(cè)的水后，透射光被另外的透鏡收集并分別直接耦合進(jìn)入光學(xué)探頭的輸出光纖；或者透射光被反射鏡反射，再由透鏡收集并耦合進(jìn)入光學(xué)探頭的信號(hào)輸出光纖。
5.根據(jù)權(quán)力要求1所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器，其特征是它由兩個(gè)背靠背的半導(dǎo)體p-n結(jié)光電二極管組成，所述兩個(gè)p-n結(jié)沿與被探測(cè)光信號(hào)入射方向?qū)?zhǔn)排列，所述兩個(gè)p-n結(jié)之間夾一導(dǎo)電層(稱為中間層)，所述兩個(gè)p-n結(jié)的外導(dǎo)電層制有電極、所述導(dǎo)電中間層也制有電極。
6.根據(jù)權(quán)力要求1和5所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器，其特征是具有p-n-p結(jié)構(gòu)，或者n-p-n結(jié)構(gòu)，或由所述p-n-p或n-p-n基本結(jié)構(gòu)組成的其它變種結(jié)構(gòu)，包括含有所述基本結(jié)構(gòu)或變種結(jié)構(gòu)的集成光電子線路。
7.根據(jù)權(quán)力要求1、5和6所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器，其特征是制作所述探測(cè)器的半導(dǎo)體材料為硅、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、磷化鋼或與它們相關(guān)的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料。
8.一種使用權(quán)利要求1所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)水質(zhì)的方法，其特征是如權(quán)力要求1、3和4所述的光學(xué)探頭放置在被監(jiān)測(cè)的水中或水管中，水進(jìn)入所述探頭腔體內(nèi)的光學(xué)通路里，由權(quán)力要求1和2所述具有兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光通過光耦合器從所述光學(xué)探頭的信號(hào)輸入光纖進(jìn)入探頭，經(jīng)過被監(jiān)測(cè)的水后，信號(hào)光由所述光學(xué)探頭的信號(hào)輸出光纖引出，再由如權(quán)力要求1、5、6和7所述的半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法，其特征是如權(quán)力要求1和8所述的半導(dǎo)體波長(zhǎng)探測(cè)器工作時(shí)，如權(quán)力要求5所述的兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管同時(shí)探測(cè)光信號(hào)，所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管光電流之比用來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的色度(包括紫外吸光度)，所述兩個(gè)p-n結(jié)光電二極管光電流的大小用來監(jiān)測(cè)水質(zhì)的濁度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種新型水質(zhì)監(jiān)測(cè)的裝置及方法。它由具有兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光源、帶信號(hào)輸入輸出光纖的光學(xué)探頭以及一個(gè)半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器組成。光學(xué)探頭放置在被監(jiān)測(cè)的水中或水管中。兩個(gè)特定峰值波長(zhǎng)的光通過光耦合器從光學(xué)探頭的信號(hào)輸入光纖進(jìn)入探頭，經(jīng)過被監(jiān)測(cè)的水，透射光被光學(xué)探頭的信號(hào)輸出光纖引出，再由所述半導(dǎo)體光波長(zhǎng)探測(cè)器檢測(cè)。所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)裝置及方法適合應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水質(zhì)色度(包括紫外吸光度)、濁度的變化，抗流水、天氣或其他現(xiàn)場(chǎng)因素干擾的能力強(qiáng)、功耗低、運(yùn)行和維護(hù)容易、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低。
文檔編號(hào)G01N21/33GK1677087SQ20041003075
公開日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2004年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者韓德俊 申請(qǐng)人:北京師范大學(xué)