專利名稱：一種浸入式光纖熒光浮游植物測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型專利涉及檢測(cè)設(shè)備，具體說(shuō)是一種浮游植物在線測(cè)量裝置。 技術(shù)背景伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的海洋環(huán)境水體水質(zhì)也遭受到了嚴(yán)重的破壞， 水體富營(yíng)養(yǎng)化逐年加重，給生態(tài)環(huán)境和人民健康帶來(lái)了危害，嚴(yán)重影響了海洋資源的可持 續(xù)發(fā)展利用。浮游植物的含量是影響水質(zhì)的重要因素，因此，監(jiān)測(cè)海洋水體中的微藻特別是 浮游植物藻類的濃度變化情況，對(duì)掌握日益嚴(yán)重的“赤潮” “水華”現(xiàn)象的形成機(jī)制，及時(shí)了 解和掌握海洋水體的水質(zhì)動(dòng)態(tài)，為相關(guān)部門提供有效的預(yù)報(bào)/預(yù)警信息具有重要意義。目 前，尤為缺少對(duì)大面積水域中的藻類種類、濃度的時(shí)間和空間變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn) 確預(yù)報(bào)的監(jiān)測(cè)技術(shù)。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)深海海洋環(huán)境探測(cè)、傳感技術(shù)總體也是落后的， 缺乏價(jià)格合理、可分析參數(shù)全面精確的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的傳感分析儀器，這種局面嚴(yán)重制約 了對(duì)近海海洋和深海海域水環(huán)境的探測(cè)。目前對(duì)浮游植物濃度的分類檢測(cè)只能在實(shí)驗(yàn)室利用高效液相色譜法(HPLC)或者 顯微計(jì)數(shù)法的困境，需要進(jìn)行樣品取樣，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，步驟的煩瑣，成本高，難以滿 足了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、快速的要求。浸入式光纖熒光浮游植物在線測(cè)量技術(shù)與裝置避免了上述方法的缺點(diǎn)，可以快 速、實(shí)時(shí)了解浮游植物的時(shí)空分布特點(diǎn)與規(guī)律，提高環(huán)境部門對(duì)水體浮游植物的監(jiān)測(cè)技術(shù) 水平，為有效預(yù)防大面積水體“赤潮”、“藍(lán)藻”等海洋水體污染提供有力的技術(shù)支撐
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水下部分不需要電子元 件的高可靠性浸入式浮游植物在線測(cè)量系統(tǒng)。利用浮游植物濃度反演算法浮游植物中的 主要成分是葉綠素，葉綠素在激光激發(fā)下會(huì)發(fā)出熒光，探測(cè)的熒光信號(hào)與激發(fā)激光波長(zhǎng)、接 收波長(zhǎng)以及葉綠素濃度有關(guān)；在一定濃度范圍內(nèi)，葉綠素濃度與熒光強(qiáng)度存在線性關(guān)系。利 用葉綠素產(chǎn)生的熒光信號(hào)，可反映浮游植物的濃度。具體方案如下—種浸入式光纖熒光浮游植物測(cè)量系統(tǒng)，包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集 與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器1、傳導(dǎo)光纖3 ；所述熒光接收單元包括水下模塊4、探測(cè)光纖2、濾光片10、光電轉(zhuǎn)換模塊6 ；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計(jì)算機(jī)9、數(shù)據(jù)采集模塊8、門控信號(hào)模塊7 ；其中計(jì)算機(jī)9為上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)的采集處理顯示存儲(chǔ)及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；激光器1為激光光源，在上位機(jī)計(jì)算機(jī)9控制下發(fā)出脈沖激光，激光通過(guò)傳導(dǎo)光纖 3傳輸?shù)剿履K4 ；[0014]水下模塊4中由傳導(dǎo)光纖3傳導(dǎo)來(lái)的激光用來(lái)激發(fā)水體中的浮游植物發(fā)出熒光， 在光學(xué)積分體中經(jīng)過(guò)多次反射，進(jìn)入到探測(cè)光纖2，完成對(duì)熒光信號(hào)的快速采集，經(jīng)過(guò)光纖 2傳輸至濾光片10 ；濾光片10用來(lái)濾掉雜散信號(hào)；光電轉(zhuǎn)換模塊6用來(lái)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集模塊8用來(lái)采集數(shù)據(jù)；門控模塊8用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集模塊8、計(jì)算機(jī)9的采集與處理。為取得更好的技術(shù)效果，所述光電轉(zhuǎn)換模塊6為光電倍增管，所述數(shù)據(jù)采集與控 制單元還包括高壓控制模塊5，所述高壓控制模塊5通過(guò)倍增管的門控信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整電 壓，實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)整。所述水下模塊包括4基體400、吊環(huán)401、頂部模塊402、頂部螺栓403、頂部螺栓 404、探測(cè)光纖2、傳導(dǎo)光纖3、石英玻璃407、底部螺栓408、底部螺栓409、配重塊.410、光學(xué) 積分體411 ；所述吊環(huán)401設(shè)置在頂部模塊402上部，所述頂部模塊402通過(guò)頂部模塊402、 頂部螺栓403固定在水下模塊的基體400上部，所述配重塊.410通過(guò)底部螺栓408、底部螺 栓409固定在基體400下部，在基體400的中間部分設(shè)置橫向的孔413與貫通基體400上 下端面的通孔414交叉，在孔413的底部設(shè)置光學(xué)積分體411，在孔的上部設(shè)置探測(cè)光纖2、 傳導(dǎo)光纖3、石英玻璃407。所述激發(fā)光源1所發(fā)射的激光的中心波長(zhǎng)優(yōu)選為532nm，接收波長(zhǎng)為685nm ；本實(shí)用新型也可選其它激發(fā)光源，例如中心波長(zhǎng)355nm等。所述濾光片10優(yōu)先采用中心波長(zhǎng)為685nm的窄帶濾光片。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1、水下信號(hào)的傳輸采用光纖，水下部分無(wú)電子元器件，可靠性高；2、采用浸入式結(jié)構(gòu)，可以測(cè)量不同深度的浮游植物濃度測(cè)量；3、激發(fā)光源為激光光源，保證了激發(fā)能量，提高了信噪比；4、采樣中使用時(shí)間選通門控技術(shù)，選擇適當(dāng)?shù)拈T控時(shí)間可以有效獲取海水浮游植 物的熒光信號(hào)，極大降低背景信號(hào)的干擾，提高信噪比。實(shí)用新型效果在線式浮游植物現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，采用激光作為激發(fā)光源，采用光纖作為水下信號(hào) 傳輸手段，可以實(shí)現(xiàn)不同深度浮游植物的濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。靈敏度高、可靠性高，可以為環(huán)境 監(jiān)測(cè)進(jìn)行水體浮游植物監(jiān)測(cè)提供有力的技術(shù)參考。

圖1是本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是水下浸入模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是測(cè)量系統(tǒng)的工作流程框圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器1、傳導(dǎo)光纖3 ；
4[0036]所述熒光接收單元包括水下浸入模塊4、探測(cè)光纖2、濾光片10、光電轉(zhuǎn)換模塊6 ；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計(jì)算機(jī)9、數(shù)據(jù)采集模塊8、門控信號(hào)模塊7 ；其中計(jì)算機(jī)9為上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)的采集處理顯示存儲(chǔ)及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；激光器1為激光光源，在上位機(jī)計(jì)算機(jī)9控制下發(fā)出脈沖激光，激光通過(guò)傳導(dǎo)光纖 3傳輸?shù)剿履K4 ；水下模塊4中由傳導(dǎo)光纖3傳導(dǎo)來(lái)的激光用來(lái)激發(fā)水體中的浮游植物發(fā)出熒光， 在光學(xué)積分體中經(jīng)過(guò)多次反射，進(jìn)入到探測(cè)光纖2，完成對(duì)熒光信號(hào)的快速采集，經(jīng)過(guò)光纖 2傳輸至濾光片10 ；濾光片10用來(lái)濾掉雜散信號(hào)；光電轉(zhuǎn)換模塊6用來(lái)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可采用光電倍增管或光電池，本實(shí) 用新型采用的是濱松光電倍增管(型號(hào)CR131)；數(shù)據(jù)采集模塊8用來(lái)采集數(shù)據(jù)，采用的是數(shù)據(jù)采集卡，本實(shí)用新型采用的是研華 ISA總線采集卡(型號(hào)PCL-711S)。門控模塊7用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集模塊8、計(jì)算機(jī)9的采集與處理；當(dāng)計(jì)算機(jī)控制激光 器發(fā)出脈沖激光后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間延遲(10個(gè)ms)，發(fā)出門控信號(hào)，采集模塊8與計(jì)算機(jī)9開(kāi) 始信號(hào)采集，完成對(duì)熒光信號(hào)的高速采樣。所述光電轉(zhuǎn)換模塊6為光電倍增管，所述數(shù)據(jù)采集與控制單元還包括高壓控制模 塊5，所述高壓控制模塊根據(jù)采集信號(hào)大小，自動(dòng)調(diào)整電壓，實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)探測(cè)信號(hào) 較弱時(shí)，輸出電壓值較小，不利于采樣量化，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)光電轉(zhuǎn)換模塊6輸出信號(hào)， 通過(guò)高壓控制模塊5來(lái)調(diào)整來(lái)增大高壓輸出，提高信號(hào)電壓輸出。反之，當(dāng)探測(cè)信號(hào)較弱 時(shí)，輸出信號(hào)信號(hào)太大，倍增管容易飽和，則通過(guò)高壓控制模塊5來(lái)調(diào)整來(lái)降低高壓輸出， 保護(hù)倍增管。如圖2所示，水下模塊包括4基體400、吊環(huán)401、頂部模塊402、頂部螺栓403、頂 部螺栓404、石英玻璃407、底部螺栓408、底部螺栓409、配重塊.410、光學(xué)積分體411 ；所述 吊環(huán)401設(shè)置在頂部模塊402上部，所述頂部模塊402通過(guò)頂部模塊402、頂部螺栓403固 定在水下模塊的基體400上部，所述配重塊.410通過(guò)底部螺栓408、底部螺栓409固定在 基體400下部，在基體400的中間部分設(shè)置橫向的孔413與貫通基體400上下端面的通孔 414交叉，在孔413的底部設(shè)置光學(xué)積分體411，在孔的上部設(shè)置探測(cè)光纖2、傳導(dǎo)光纖3、石 英玻璃407。激發(fā)光源1所發(fā)射的激光的中心波長(zhǎng)為532nm，接收波長(zhǎng)為685nm。也可選其它激 發(fā)光源，例如中心波長(zhǎng)355nm等濾光片10采用中心波長(zhǎng)為685nm的窄帶濾光片。如圖3所示，本實(shí)用新型的原理是首先儀器進(jìn)行初始化，完成系統(tǒng)自檢。一路信 號(hào)為采集信號(hào)，在計(jì)算機(jī)控制下，激光器發(fā)成脈沖激光，經(jīng)過(guò)傳導(dǎo)光纖進(jìn)入水下模塊。激光 與水體中的浮游植物相互作用發(fā)出熒光，熒光在光學(xué)積分體中經(jīng)過(guò)多次反射，進(jìn)入到探測(cè) 光纖，熒光信號(hào)經(jīng)過(guò)濾光片，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊完成光電轉(zhuǎn)換，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊完成 對(duì)熒光信號(hào)的快速采集。另一路信號(hào)為門控信號(hào)，在激光輸出之后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲 (10ms)，發(fā)出門控信號(hào)，啟動(dòng)采集卡工作，使用高速采樣技術(shù)完成對(duì)信號(hào)的捕捉。本系統(tǒng)的另外一個(gè)特征是增益的自動(dòng)調(diào)整，當(dāng)測(cè)量信號(hào)過(guò)低或過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)倍增管的高壓 控制模塊，自動(dòng)調(diào)整電壓，實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)整。
權(quán)利要求一種浸入式光纖熒光浮游植物測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器(1)、傳導(dǎo)光纖(3)；所述熒光接收單元包括水下模塊(4)、探測(cè)光纖(2)、濾光片(10)、光電轉(zhuǎn)換模塊(6)；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計(jì)算機(jī)(9)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)、門控信號(hào)模塊(7)；其中計(jì)算機(jī)(9)為上位機(jī)，用于數(shù)據(jù)的采集處理顯示存儲(chǔ)及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制；激光器(1)為激光光源，在上位機(jī)計(jì)算機(jī)(9)控制下發(fā)出脈沖激光，激光通過(guò)傳導(dǎo)光纖(3)傳輸?shù)剿履K(4)；水下模塊(4)中由傳導(dǎo)光纖(3)傳導(dǎo)來(lái)的激光用來(lái)激發(fā)水體中的浮游植物發(fā)出熒光，在光學(xué)積分體中經(jīng)過(guò)多次反射，進(jìn)入到探測(cè)光纖(2)，完成對(duì)熒光信號(hào)的快速采集，經(jīng)過(guò)光纖(2)傳輸至濾光片(10)；濾光片(10)用來(lái)濾掉雜散信號(hào)；光電轉(zhuǎn)換模塊(6)用來(lái)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集模塊(8)用來(lái)采集數(shù)據(jù)；門控模塊(8)用來(lái)控制數(shù)據(jù)采集模塊(8)、計(jì)算機(jī)(9)的采集與處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換模塊(6)為光電倍增 管，所述數(shù)據(jù)采集與控制單元還包括高壓控制模塊(5)，所述高壓控制模塊(5)通過(guò)倍增管 的門控信號(hào)，自動(dòng)調(diào)整電壓，實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述水下模塊包括(4)基體(400)、 吊環(huán)(401)、頂部模塊(402)、頂部螺栓(403)、頂部螺栓(404)、石英玻璃(407)、底部螺栓 (408)、底部螺栓(409)、配重塊.(410)、光學(xué)積分體(411)；所述吊環(huán)(401)設(shè)置在頂部模 塊(402)上部，所述頂部模塊(402)通過(guò)頂部模塊(402)、頂部螺栓(403)固定在水下模塊 的基體(400)上部，所述配重塊.(410)通過(guò)底部螺栓(408)、底部螺栓(409)固定在基體 (400)下部，在基體(400)的中間部分設(shè)置橫向的孔(413)與貫通基體(400)上下端面的通 孔(414)交叉，在孔(413)的底部設(shè)置光學(xué)積分體(411)，在孔的上部設(shè)置探測(cè)光纖(2)、傳 導(dǎo)光纖(3)、石英玻璃(407)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于激發(fā)光源(1)所發(fā)射的激光的中心 波長(zhǎng)為532nm，接收波長(zhǎng)為685nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于激發(fā)光源(1)所發(fā)射的激光的中心 波長(zhǎng)為355nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述濾光片(10)采用中心波長(zhǎng)為 685nm的窄帶濾光片。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種浸入式光纖熒光浮游植物測(cè)量系統(tǒng)，包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器(1)、傳導(dǎo)光纖(3)；所述熒光接收單元包括水下浸入模塊(4)、探測(cè)光纖(2)、濾光片(10)、光電轉(zhuǎn)換模塊(6)；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計(jì)算機(jī)(9)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)、門控信號(hào)模塊(7)；整個(gè)系統(tǒng)分為水下和水上兩部分。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈敏度高、具有極強(qiáng)的抗電磁干擾能力且維護(hù)方便。可以完成不同深度下水體浮游植物的在線測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)浮游植物含量的立體測(cè)量，可以廣泛應(yīng)用于浮游植物濃度的快速、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/64GK201555806SQ200920297638
公開(kāi)日2010年8月18日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者馮巍巍, 劉東艷, 薛欽昭, 陳令新, 陳玲 申請(qǐng)人:煙臺(tái)海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究所