本發(fā)明涉及一種海水葉綠素a含量的檢測裝置及其光學裝配底座。

背景技術(shù)：

隨著陸地資源的日趨緊張，在開發(fā)海洋資源帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，海洋生態(tài)環(huán)境問題也日趨嚴重，海洋水質(zhì)污染問題已經(jīng)成為全球面臨的重大問題之一。水體富營養(yǎng)化是水體污染的突出表現(xiàn)，葉綠素a濃度檢測是評價海洋水質(zhì)營養(yǎng)化和預測赤潮災害的最重要參數(shù)。目前，在線檢測海水葉綠素a濃度最有效的方法是熒光檢測法，即通過中心波長為470nm的LED激發(fā)浮游植物體內(nèi)葉綠素a發(fā)出熒光信號，然后通過測量熒光信號的方式間接跟蹤水體營養(yǎng)化程度的變化。但激發(fā)出的熒光信號為痕量信號，易受到環(huán)境光等背景光影響而淹沒在強噪聲背景下，國內(nèi)采用的傳統(tǒng)模擬、放大、濾波等檢測方法檢測該類信號已經(jīng)非常困難。

中國專利文獻CN 105548518 A公開了一種基于小型浮標的海洋水質(zhì)長期在線監(jiān)測裝置，包括浮標體、多參數(shù)水質(zhì)傳感器和采樣池，該浮標體上部設(shè)有氣象設(shè)備安裝塔架，水質(zhì)傳感器通過固定架安裝在采樣池上，且傳感器探頭位于采樣池內(nèi)部，采樣池通過固定架安裝在浮標體上部的氣象設(shè)備安裝塔架下；采樣池內(nèi)壁設(shè)有紫外燈，所述的紫外燈設(shè)置至少三組，每組間隔120°布置，每組均包含多個紫外燈，且每組紫外燈自上而下沿采樣池內(nèi)壁進行設(shè)置；且采樣池分別設(shè)有帶蠕動泵的進水管和帶電磁閥的排水管，所述蠕動泵的進水口與海水相通。測量時，通過蠕動泵抽取海水到測量池中，并使水質(zhì)儀探頭部分能夠完全浸沒在海水中，穩(wěn)定后，各紫外燈發(fā)光，激發(fā)浮游植物體內(nèi)葉綠素a發(fā)出熒光信號，然后水質(zhì)傳感器的接受器采集熒光信號進行測量。但是該監(jiān)測裝置中水質(zhì)傳感器和紫外燈是分別位于采樣池的上方和池壁上的，并且在水質(zhì)傳感器和紫外燈之間需存在高低落差，以容納作為監(jiān)測試樣的海水，所以該監(jiān)測裝置存在光路結(jié)構(gòu)過于分散和熒光采集效率低的問題，其中前者是因為水質(zhì)傳感器和紫光燈在采樣池內(nèi)的四散分布而引起的，這樣會使得監(jiān)測裝置的光路結(jié)構(gòu)布局不緊促，從而引起整個監(jiān)測裝置的電路布線在防水上需要付出較大的成本，整個監(jiān)測裝置的體積也將出現(xiàn)過大的問題，進一步增大制造、安裝和維護的成本；后者是因為從采樣池四周發(fā)出的光線受試樣的吸收，到達水質(zhì)傳感器下方的光照信號將極大的削弱，也就使得水質(zhì)傳感器正下方試樣的熒光信號強度將被削弱，從而引起熒光信號采集的效率降低的問題，而且受采樣池四周的池壁限制，水質(zhì)傳感器的視界范圍有限，也就使得水質(zhì)傳感器所能接受的熒光信號有限，進一步降低了對熒光信號的采集效率。另外，由于小型浮標體積小，距離海面比較近，約1米左右，也就使得該監(jiān)測裝置在測試時，需要將海水抽到海面上進行測量，使得海水離開原位，從而導致監(jiān)測的準確性降低，導致海水葉綠素a的含量判斷失誤。

除此之外，激發(fā)出的熒光信號為痕量信號，易受到環(huán)境光等背景光影響而淹沒在強噪聲背景下，性能不穩(wěn)定，這種光線在地表水是通常存在的，且傳統(tǒng)葉綠素檢測儀都需要遮光罩。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種海水原位葉綠素a含量的檢測裝置用光學裝配底座，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中監(jiān)測裝置的光路結(jié)構(gòu)分布過于松散，熒光收集效率差，不能用于原位長期檢測，穩(wěn)定性差等問題。另外，本發(fā)明還提供了一種基于上述光學裝配底座的海水葉綠素a含量的檢測裝置。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置用光學裝配底座的技術(shù)方案如下：

海水葉綠素a含量的檢測裝置用光學裝配底座，包括座體，座體上開設(shè)有用于容納熒光接收器件的接收通道和用于容納光源的發(fā)射通道，接收通道具有處于座體的底面且豎直朝下的接收口，發(fā)射通道具有處于座體底面且傾斜設(shè)置的發(fā)射口，發(fā)射口的傾斜方向是在自上而下的發(fā)光方向上逐漸由上向下向靠近接收口的方向傾斜。

發(fā)射口的傾斜角度為30°～45°。

發(fā)射口有兩個以上、并環(huán)繞接收口間隔分布。

各發(fā)射口在座體底面上的投影相對于接收口呈輻射狀。

接收通道和/或發(fā)射通道為中部窄兩端寬的喉狀通孔，喉狀通孔的兩端寬徑段上設(shè)有內(nèi)螺紋、中部窄徑段為供光源或熒光接收器件沿軸向滑動插入的光孔段。

本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置的技術(shù)方案如下：

海水葉綠素a含量的檢測裝置，包括殼體及其內(nèi)設(shè)置的檢測電路模塊，其特征在于，殼體的底部設(shè)置有激發(fā)光源和熒光接收器件，激發(fā)光源和熒光接收器件安裝在光學裝配底座上，光學裝配底座包括座體，座體上開設(shè)有用于容納熒光接收器件的接收通道和用于容納光源的發(fā)射通道，接收通道具有處于座體的底面且豎直朝下的接收口，發(fā)射通道具有處于座體底面且傾斜設(shè)置的發(fā)射口，發(fā)射口的傾斜方向是在自上而下的發(fā)光方向上逐漸由上向下向靠近接收口的方向傾斜。

發(fā)射口的傾斜角度為30°～45°。

發(fā)射口有兩個以上、并環(huán)繞接收口間隔分布，各發(fā)射口在座體底面上的投影相對于接收口呈輻射狀。

接收通道和/或發(fā)射通道為中部窄兩端寬的喉狀通孔，喉狀通孔的兩端寬徑段上設(shè)有內(nèi)螺紋、中部窄徑段為供光源或熒光接收器件沿軸向滑動插入的光孔段。

裝置主體的底部設(shè)置有罩設(shè)在發(fā)射口和接收口下方的濾光鏡頭，濾光鏡頭的下方設(shè)置有鏡頭刷，鏡頭刷通過豎向延伸的轉(zhuǎn)軸擺動裝配在裝置主體上，并且在轉(zhuǎn)軸上傳動連接有驅(qū)動電機。

所述發(fā)射口和接收口中各自安裝有窄帶濾光片，發(fā)射口中窄帶濾光片處于激發(fā)光源下方，接收口中窄帶濾光片處于熒光接收器件下方。

接收口中設(shè)置有處于窄帶濾光鏡片下方的透鏡。

光學裝配底座的下方設(shè)置有光學玻璃，光學玻璃的下方設(shè)置有鏡頭刷，鏡頭刷通過豎向延伸的轉(zhuǎn)軸擺動裝配在光學裝配底座上，并且在轉(zhuǎn)軸上傳動連接有處于殼體內(nèi)的驅(qū)動電機。

所述檢測電路模塊上還連接有從殼體下方伸出的溫度探頭。

本發(fā)明中激發(fā)光源和熒光接收器件集成在裝置本體底部的光學裝配底座上，光源在光學裝配底座上傾斜設(shè)置，以使光源的光線射出端正好朝向熒光接收器件的接收端的下方，這樣在使用時，光源正好能夠照射到熒光接收器件下方的海水，一方面省去了光源和熒光接收器件在上下方向的落差，實現(xiàn)了整個裝置的集成，解決了現(xiàn)有技術(shù)中監(jiān)測裝置的光路結(jié)構(gòu)分布過于松散的問題；另一方面，光源和熒光接收器件在水平方向齊平，這樣光源不會遮擋熒光接收器件的接收端的視界，也就使得熒光接收器件的視界范圍增大，從而使得熒光接收器件可接收的海水范圍增大，也就提高了熒光采集的效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的仰視圖；

圖3是圖1中鏡頭座的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖1中檢測裝置在去除端蓋和光學裝配底座后的仰視圖；

圖5是圖1中檢測裝置的立體外觀圖。

圖中：裝置主體1，光源2，光源前置干涉濾光鏡片3，熒光接收透鏡4，接收干涉濾光鏡片4，光學玻璃6，溫度探頭7，水密頭8，防觸柱、端蓋10，固定環(huán)11、殼體12、頂蓋13、光學裝配底座14，LED套筒15，透鏡套筒16，背緊螺母17，壓蓋18，安裝座19，電機座20，聯(lián)軸器21，觸片22，轉(zhuǎn)軸23，驅(qū)動電機24，鏡頭刷25，壓片26，固定片27，安裝板28，轉(zhuǎn)接環(huán)29。

具體實施方式

下文中將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置的實施例1：如圖1和圖2所示，該檢測裝置包括筒狀的裝置主體1，裝置主體1主要由筒狀的殼體12及其頂部固定的頂蓋13組成。殼體12的裝置主體1下端口上通過固定環(huán)11連接有有盤狀的光學裝配底座14，如圖3所示，光學裝配底座14包括圓盤形的座體，座體上開設(shè)有用于容納熒光接收器件的接收通道和用于容納光源的發(fā)射通道，接收通道具有處于座體的底面且豎直朝下的接收口，發(fā)射通道具有處于座體底面且傾斜設(shè)置的發(fā)射口，發(fā)射口的傾斜方向是在自上而下的發(fā)光方向上逐漸由上向下向靠近接收口的方向傾斜。發(fā)射口有多個、并環(huán)繞接收口間隔分布，各發(fā)射口在座體底面上的投影相對于接收口呈輻射狀。各個發(fā)射口的傾斜角度為30°。接收通道和發(fā)射通道為中部窄兩端寬的喉狀通孔，喉狀通孔的兩端寬徑段上設(shè)有內(nèi)螺紋、中部窄徑段為供光源或熒光接收器件沿軸向滑動插入的光孔段。

光源2分為兩種，一種是發(fā)射波長470nm的LED光源，其主要用于激發(fā)海水中葉綠素a；另一種發(fā)射波長880nm的LED光源，其主要用于檢測海水的濁度。各個光源2與發(fā)射通道一一對應(yīng)設(shè)置，但同種類型的光源2相對于接收通道徑向?qū)ΨQ設(shè)置，即同種光源2在光學裝配底座14上徑向?qū)ΨQ的成對分布。光源2滑動插裝在接收通道的光孔段中，光源2的發(fā)光端朝下，光源2的接線端頂裝有螺紋連接在發(fā)射通道的上孔段中的LED套筒15，以通過LED套筒15將光源2固定在發(fā)射通道中。發(fā)射通道的下孔段中設(shè)置有頂裝在光源2下方的光源前置干涉濾光片3，光源前置干涉濾光片3的下方頂裝有螺紋連接在發(fā)射通道的下孔段中的透鏡套筒16，以通過透鏡套筒16將光源前置干涉濾光片3固定在發(fā)射透鏡中。光源前置干涉濾光片3朝向光源2的一面為凸面，以使得從光源2發(fā)射出的光線經(jīng)光源前置干涉濾光片3折射后發(fā)散為平行光，以增大光源2的罩設(shè)范圍。470nm激發(fā)LED與800nm紅外激發(fā)LED濾光片均為大于或等于OD4干涉濾光片。

熒光接收器件為滑動插裝在接收通道的光孔段中的光電二極管，光電二極管的主要用于接收激發(fā)光路激發(fā)的海水微弱熒光信號。光電二極管的感光端朝下，光電二極管的接線端頂裝有螺紋連接在接收通道的上孔段中的背緊螺母17，背緊螺母17將光電二極管頂緊固定在接收通道中。接收通道的下孔段中嵌裝有罩設(shè)在光電二極管的感光端下方的接收干涉濾光鏡片4，接收干涉濾光鏡片4的下方設(shè)置有凸面朝下的熒光接收透鏡5，以使海水中葉綠素a激發(fā)出的熒光經(jīng)接收干涉濾光鏡片4折射后匯聚至光電二極管的感光端，增大光電二極管的感光端的接收范圍。

光學裝配底座14的底面為平面，接收口和發(fā)射口的開口均處于該平面上。光學裝配底座14的下方罩設(shè)有端蓋10，端蓋10的頂面上凸設(shè)有活動插裝在光學裝配底座14中的定位柱，端蓋10的邊緣通過連接螺釘固連在光學裝配底座14上。端蓋10的中心嵌裝有罩設(shè)在接收口和發(fā)射口的開口上的光學玻璃6光學玻璃6，該接收口和發(fā)射口的開口在光學裝配底座14底座所處的區(qū)域完全處于光學玻璃6的頂面內(nèi)，以使光學玻璃6在光源2和光電二極管下方形成屏蔽保護。

端蓋10的下方安裝有貼合在其底面上的鏡頭刷25，鏡頭刷25包括桿狀的擺臂，擺臂的一端為自由懸伸端，自由懸伸端的側(cè)面壓片26夾緊固定有片狀的刷體，以通過刷體的往復擺動對端蓋10的底面進行清刷，清除端蓋10底面沾附的微生物；擺臂的另一端連接有一豎直延伸的轉(zhuǎn)軸23，以使擺臂可圍繞該轉(zhuǎn)軸23進行自由懸伸端的擺動，轉(zhuǎn)軸23的下端呈四方形、并穿裝在擺臂的端部，并在轉(zhuǎn)軸23下端穿出的軸端上同軸連接有壓緊在擺臂底面上的連接螺釘，連接螺釘?shù)念^部將擺臂頂壓固定在轉(zhuǎn)軸23的下端。轉(zhuǎn)軸23的中部從端蓋10的一定位柱中穿過，并在中部的外周上嵌裝有與該定位柱上的穿孔滑動密封配合的密封圈。轉(zhuǎn)軸23的上端從光學裝配底座14的上方伸出，伸出的軸端自下而上依次連接有安裝座19、觸片22和聯(lián)軸器21，其中安裝座19固定在光學裝配底座14上，安裝座19上安裝有兩個各自位于觸片22的擺動極限位置的微動開關(guān)；觸片22的一端通過型面配合止轉(zhuǎn)套裝在轉(zhuǎn)軸23上，另一端自由懸伸而用于觸發(fā)微動開關(guān)；聯(lián)軸器21的一端連接轉(zhuǎn)軸23的軸端、另一端連接有驅(qū)動電機24，以使驅(qū)動電機24通過聯(lián)軸器21傳動連接在轉(zhuǎn)軸23上，并且該驅(qū)動電機24為處于裝置主體1內(nèi)的微電機，該驅(qū)動電機24通過電機座20固定在裝置主體1內(nèi)。驅(qū)動電機24和微動開關(guān)通過電路控制電連接。在驅(qū)動電機24的驅(qū)動下轉(zhuǎn)軸23帶動觸片22和鏡頭刷25擺動，在觸片22觸發(fā)微動開關(guān)后，驅(qū)動電機24的輸出扭矩換向，以使轉(zhuǎn)軸23帶動觸片22和鏡頭刷25反向擺動，實現(xiàn)對端蓋10的往返清刷作業(yè)。

端蓋10的下方還固定有處于邊緣位置的防觸柱9，防觸柱9有多個、并且環(huán)繞光學玻璃6均布，各個防觸柱9的下端面處于整個裝置的最低處，以防止裝置的其他部分觸底，對裝置起到保護的作用。

光學裝配底座14的上方固定有處于裝置主體1內(nèi)的壓蓋18，壓蓋18的上方通過L形的固定片27連接有處于裝置主體1內(nèi)的安裝板28，安裝板28上安裝有PCB電路板，安裝板28的上方連接有FPGA模塊，F(xiàn)PGA模塊的作用是采集并處理光電二極管所感應(yīng)到的熒光信號，即該FPGA模塊為殼體12內(nèi)的檢測電路模塊，該檢測電路模塊可以去除環(huán)境光的影響，這種光線在地表水通常是存在的。該檢測電路模塊上連接有從端蓋的下方伸出的溫度探頭7。

裝置主體1的殼體12上端口上螺紋連接有頂蓋13，頂蓋13的中心通過轉(zhuǎn)接環(huán)29連接有水密頭8，以實現(xiàn)原位分析檢測。

本實施例中檢測裝置除了進行葉綠素a的含量檢測外，還可以對檢測數(shù)據(jù)的受濁度和溫度的影響進行修整。檢測裝置通過測量海水濁度然后根據(jù)濁度值與葉綠素值經(jīng)過實驗建立數(shù)學模型進行矯正，其中濁度的測量方法與葉綠素一樣，也是發(fā)光LED照射海水，然后光電二極管接受，其中光電二極管與測量葉綠素的光電二極管是同一個，激發(fā)海水產(chǎn)生葉綠素a的熒光信號和測量海水濁度的光源2采用不同發(fā)射通道內(nèi)光源2。溫度矯正主要是在光學裝配底座14上設(shè)有一溫度傳感器柱，通過測量溫度建立溫度與葉綠素直接的數(shù)學模型。

測量的過程是先測葉綠素含量，然后再測量濁度，后測量溫度，根據(jù)濁度與溫度對測量值矯正后輸出葉綠素值。

具體的測量步驟是：第一步上電后，電刷刷動兩周后470nmLED激發(fā)光源2照射海水，光電二極管接受激發(fā)的熒光信號，作為葉綠素測量值，第二部，470nmLED激發(fā)光關(guān)閉，880nmLED激發(fā)光源2照射海水，光電二極管接受信號作為濁度測量值。第三步關(guān)閉880nmLED ，PCB讀取溫度傳感器溫度值，然后將溫度值，濁度值對葉綠素測量值進行修正后將溫度值，濁度值以及葉綠素a濃度值通過485協(xié)議輸出。

本實施例提供了一種海水原位葉綠素a含量檢測的裝置，解決了現(xiàn)有檢測方法靈敏度低，精度不高，受環(huán)境光影響，體積笨重，溫漂，零漂大等問題以及優(yōu)化光路裝置，能夠快速，穩(wěn)定，實時對海水葉綠素a含量進行檢測。適合海洋浮標，臺站等在線觀測平臺的長期連續(xù)掛載監(jiān)測。在光路設(shè)計上，采用光源2和檢測器呈30°夾角的布局，一方面提高光路緊湊度，另一方面提高熒光采集效率。濁度溫度校正主要是對水體溫度與濁度進行測量并通過建模對海水葉綠素a進行校正，減小測量誤差。窗口清潔電刷系統(tǒng)主要是防生物附著，驅(qū)動電機24與鏡頭刷25通過轉(zhuǎn)軸23連接，轉(zhuǎn)軸23與穿孔之間設(shè)置密封圈，驅(qū)動電機24通過固定臺兩側(cè)設(shè)置的微動開關(guān)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，清除附著于端窗上的微生物。因而，該檢測裝置的主要優(yōu)點是：1、結(jié)構(gòu)緊湊簡單，采用獨特光路設(shè)計以保證最大激發(fā)熒光效率；2、裝置自帶校正，清潔電刷，適合海洋浮標，臺站等海洋監(jiān)測系統(tǒng)的長期原位掛載實驗。

本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置的實施例2：本實施例與實施例1的區(qū)別在于光學裝配底座的光路結(jié)構(gòu)，即光學系統(tǒng)主要包括激發(fā)光路和接收光路，激發(fā)光路包括激發(fā)光源470nm的LED燈，在LED燈的前部設(shè)置有窄帶濾光片和透鏡（濾光片與透鏡距離通過仿真計算得出）。接收光路包括光電二極管（濾光片與透鏡距離通過仿真計算得出），在光電二極管的前部設(shè)置有窄帶濾光片與透鏡（濾光片與透鏡距離通過仿真計算得出），光電二極管的引腳與檢測電路板連接。LED燈與光電二極管呈45°角，目的一方面提高光路緊湊度，另一方面提高熒光采集效率。

本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置用光學裝配底座的實施例1：如圖3所示，光學裝配底座14包括圓盤形的座體，座體上開設(shè)有用于容納熒光接收器件的接收通道和用于容納光源的發(fā)射通道，接收通道具有處于座體的底面且豎直朝下的接收口，發(fā)射通道具有處于座體底面且傾斜設(shè)置的發(fā)射口，發(fā)射口的傾斜方向是在自上而下的發(fā)光方向上逐漸由上向下向靠近接收口的方向傾斜。發(fā)射口有多個、并環(huán)繞接收口間隔分布，各發(fā)射口在座體底面上的投影相對于接收口呈輻射狀。各個發(fā)射口的傾斜角度為30°。接收通道和發(fā)射通道為中部窄兩端寬的喉狀通孔，喉狀通孔的兩端寬徑段上設(shè)有內(nèi)螺紋、中部窄徑段為供光源或熒光接收器件沿軸向滑動插入的光孔段。

本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置用光學裝配底座的實施例2：如圖3所示，光學裝配底座14包括圓盤形的座體，座體上開設(shè)有用于容納熒光接收器件的接收通道和用于容納光源的發(fā)射通道，接收通道具有處于座體的底面且豎直朝下的接收口，發(fā)射通道具有處于座體底面且傾斜設(shè)置的發(fā)射口，發(fā)射口的傾斜方向是在自上而下的發(fā)光方向上逐漸由上向下向靠近接收口的方向傾斜。發(fā)射口有多個、并環(huán)繞接收口間隔分布，各發(fā)射口在座體底面上的投影相對于接收口呈輻射狀。各個發(fā)射口的傾斜角度為45°。接收通道和發(fā)射通道為中部窄兩端寬的喉狀通孔，喉狀通孔的兩端寬徑段上設(shè)有內(nèi)螺紋、中部窄徑段為供光源或熒光接收器件沿軸向滑動插入的光孔段。

本發(fā)明中海水葉綠素a含量的檢測裝置用光學裝配底座的其他實施例：發(fā)射口相對于接收口的傾斜角度也可以是30°～45°其他任意角度或者其他角度。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。