本實(shí)用新型屬于光學(xué)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光譜法的多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
水資源污染是當(dāng)今世界水環(huán)境面臨的最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一，如何及時(shí)、準(zhǔn)確、快速、全面的反映水體環(huán)境質(zhì)量和污染源的狀況，是制定切實(shí)可行的污染防治規(guī)劃和污染源狀況的前提和基礎(chǔ)。
目前，基于水質(zhì)探測(cè)有以下幾種方法：化學(xué)分析法、原子或者分子光譜法、色譜分離技術(shù)、電化學(xué)分析技術(shù)、生物傳感技術(shù)；
其中，基于化學(xué)法的水質(zhì)分析儀在水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)存在采樣測(cè)試周期長(zhǎng)、單參數(shù)測(cè)量、二次污染、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問(wèn)題；
基于原子或者分子光譜、色譜分離的水質(zhì)分析儀在水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)存在不能多參數(shù)同時(shí)分析、標(biāo)準(zhǔn)工作曲線線性范圍窄、復(fù)雜樣品分析時(shí)精度偏低等問(wèn)題；
基于電化學(xué)分析技術(shù)的水質(zhì)分析儀雖然便攜，但在水質(zhì)監(jiān)測(cè)時(shí)存在污染、耗能、處理費(fèi)用高等問(wèn)題。
生物傳感技術(shù)會(huì)出現(xiàn)識(shí)別元件與待測(cè)物質(zhì)發(fā)生不可逆化學(xué)反應(yīng)等情況，影響識(shí)別能力和靈敏度，另外小型化實(shí)現(xiàn)困難。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決背景技術(shù)中的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供了一種測(cè)試周期短、體積小、成本低并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、多參數(shù)的水質(zhì)測(cè)量的基于光譜法的多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置。
本實(shí)用新型的基本原理是：
基于光譜法的多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，是利用水體中污染元素的在不同波長(zhǎng)位置的吸收光譜曲線來(lái)判斷污染元素的成份和含量的方法。依據(jù)朗伯-比爾定律，通過(guò)污染元素光譜曲線“峰”和“谷”的位置來(lái)判斷污染物的成份、通過(guò)其幅值并結(jié)合定標(biāo)方法來(lái)判斷該污染元素的濃度，并以此實(shí)現(xiàn)多個(gè)水質(zhì)參數(shù)的定性定量檢測(cè)。對(duì)水體測(cè)量的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)基于高速ARM處理單元，進(jìn)行水體多種污染物光譜曲線的解混、實(shí)時(shí)重構(gòu)、再通過(guò)無(wú)線方式、有線方式、固態(tài)存儲(chǔ)等多種形式提供至用戶單元。
該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)水體的色度、濁度、化學(xué)需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)、硝酸鹽、氰離子、六價(jià)鉻、溴離子(Br-，bromide)，有色溶解有機(jī)物(CDOM)等多種物質(zhì)屬性和含量的監(jiān)測(cè)。
本實(shí)用新型的具體技術(shù)方案是：
本實(shí)用新型提供了一種基于光譜法的多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于：包括氙燈源、前置光路、光譜獲取單元、快速處理平臺(tái)以及輸出單元；
氙燈源出射光經(jīng)過(guò)前置光路后分為校正參考光路以及測(cè)量光路；校正參考光路通過(guò)待測(cè)水樣入射至光譜獲取單元；測(cè)量光路通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣入射至光譜獲取單元；校正參考光路以及測(cè)量光路經(jīng)過(guò)光譜獲取單元同步獲取后轉(zhuǎn)化成兩組光譜曲線數(shù)字信號(hào)后發(fā)送至快速處理單元；快速處理單元分別對(duì)兩組光譜曲線數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理后獲得待測(cè)水樣中存在的待測(cè)物質(zhì)及待測(cè)物質(zhì)的濃度后通過(guò)輸出單元輸出到本地或遠(yuǎn)程從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；
快速處理單元為基于ARM的水質(zhì)多參數(shù)智能處理平臺(tái)。
其中，光譜獲取單元包括第一準(zhǔn)直鏡、狹縫、第一反射鏡、光纖束、光柵、第二準(zhǔn)直鏡、探測(cè)器、第二反射鏡組成；
校正參考光路在經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后，經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直鏡、在第二準(zhǔn)直鏡的一次像面位置通過(guò)光纖束傳送至狹縫，再通過(guò)第一反射鏡反射至光柵，光柵對(duì)校正參考光路進(jìn)行色散后經(jīng)過(guò)第二反射鏡反射由探測(cè)器接收；
測(cè)量光路在經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后，經(jīng)第一準(zhǔn)直鏡、在第一準(zhǔn)直鏡的一次像面位置通過(guò)光纖束至狹縫，再通過(guò)第一反射鏡反射至光柵，光柵對(duì)待測(cè)水樣光路進(jìn)行色散后經(jīng)過(guò)第二反射鏡反射后由探測(cè)器接收。
上述氙燈源模塊發(fā)的出射光的譜段包括紫外光、可見(jiàn)光、近紅外光，光譜譜段為185nm～1100nm。
上述光柵為平面光柵、凹面光柵、凹面全息光柵或可調(diào)閃耀光柵。
上述探測(cè)器為硅光電管或面陣探測(cè)器。
其中，輸出單元為網(wǎng)絡(luò)傳輸線、無(wú)線傳輸或固態(tài)存儲(chǔ)。
具體來(lái)講，所述前置光路包括成像鏡和準(zhǔn)直鏡。
本實(shí)用新型中快速處理單元分別對(duì)兩組光譜曲線數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，其具體的處理過(guò)程包括以下步驟：
1)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)；標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)包括水里溶解的不同物質(zhì)，不同物質(zhì)的特征光譜，通過(guò)特征光譜的“反射峰”或者“吸收谷”確定物質(zhì)成份；通過(guò)每種物質(zhì)成份在特征光譜位置對(duì)應(yīng)的幅度值的大小確定物質(zhì)的濃度；
2)待測(cè)水樣中物質(zhì)的確定；
2.1)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣的光譜曲線數(shù)字信號(hào)獲取標(biāo)準(zhǔn)水樣的特征光譜A；
2.2)通過(guò)待測(cè)水樣的光譜曲線數(shù)字信號(hào)獲取待測(cè)水樣的特征光譜B；
2.3)標(biāo)準(zhǔn)水樣的特征光譜A和待測(cè)水樣的特征光譜B歸一化作差后獲得特征光譜C的“反射峰”或者“吸收谷”，查找標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，判斷待測(cè)水樣的物質(zhì)成份，若是待測(cè)水樣中只含單一物質(zhì)，則進(jìn)行步驟3)；若是待測(cè)水樣中含多種物質(zhì)，則進(jìn)行步驟4)；
3)待測(cè)水樣中只含單種物質(zhì)的濃度檢測(cè)：
3.1)依據(jù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)和吸光度公式計(jì)算出系數(shù)矩陣K,如下式：
式中：I1、I2、…In為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量光路多次經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后已知連續(xù)譜的幅度值，I0-1、I0-2、I0-n為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中校正參考光路經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后的已知的連續(xù)譜幅度值，C1、C2、…Cn為每個(gè)吸光度下的成份濃度，L是固定的光程差；
3.2)再依據(jù)朗伯-比爾定律的吸光度公式，計(jì)算校正參考光路第i次通過(guò)待測(cè)水樣后測(cè)量的濃度：
式中：Ii為經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后獲取的連續(xù)譜的幅度值，I0-i為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣的連續(xù)譜的幅度值，Ci為待測(cè)水樣中單一物質(zhì)濃度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待測(cè)樣本中物質(zhì)的濃度，如下式所示：
4)待測(cè)水樣中含多種物質(zhì)的濃度檢測(cè)：
4.1)依據(jù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)和吸光度公式計(jì)算出系數(shù)矩陣K,如下式：
式中：I1、I2、…In為數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量光路多次經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后已知的連續(xù)譜的幅度值，I0-1、I0-2、I0-n為數(shù)據(jù)庫(kù)中校正參考光路經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后連續(xù)譜的幅度值，Cnm為第m種物質(zhì)的第n種濃度濃度，L是固定的光程差；
4.2)再依據(jù)朗伯-比爾定律的吸光度公式，計(jì)算校正參考光路第i次通過(guò)待測(cè)水樣后測(cè)量的濃度：
Ii為經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后的幅度值，I0-i為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣的強(qiáng)度值，Ci為第i種成份及其濃度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待測(cè)濃度，如下式所示：
則C1、C2、…Ci、Cn分別為對(duì)應(yīng)的待測(cè)水樣中多種物質(zhì)的濃度。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于：
1、現(xiàn)有的化學(xué)法水質(zhì)測(cè)量只能測(cè)量單一水質(zhì)元素的成份和濃度，本發(fā)明具備多參數(shù)水質(zhì)成份和濃度獲取的能力。
2、現(xiàn)有的光學(xué)法水質(zhì)測(cè)量沒(méi)有同步測(cè)量的參考校正設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了同步測(cè)量的雙光束參比光路，具備系統(tǒng)誤差的主動(dòng)校正能力，長(zhǎng)期測(cè)量使用的精度非常高，尤其針對(duì)氙燈長(zhǎng)期使用光強(qiáng)衰減的校正。
3、本實(shí)用新型采用凹面全息光柵或者可調(diào)閃耀光柵，相比傳統(tǒng)方法，可在實(shí)現(xiàn)樣機(jī)小型化的同時(shí)，獲取高的信噪比和測(cè)量精度。
4、本實(shí)用新型對(duì)應(yīng)的儀器體積小、重量輕、無(wú)需試劑及預(yù)先采樣樣品、即插即用、快速響應(yīng)。
5、本實(shí)用新型不需添加任何化學(xué)溶液進(jìn)行測(cè)量，不會(huì)造成水體的二次污染，相比傳統(tǒng)的化學(xué)法有顯著優(yōu)點(diǎn)。
6、本實(shí)用新型具備對(duì)水質(zhì)多參數(shù)的實(shí)時(shí)在線處理分析能力，可以組網(wǎng)探測(cè)，相比傳統(tǒng)探測(cè)方式的單一探頭，非實(shí)時(shí)測(cè)量等具有明顯優(yōu)勢(shì)。
7、本實(shí)用新型采用多接口靈活輸出，相比傳統(tǒng)的單一接口，人工讀數(shù)等具備顯著優(yōu)勢(shì)。
附圖說(shuō)明
圖1為本實(shí)用新型光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記如下：
1-氙燈光源、2-前置光路、3-第一準(zhǔn)直鏡、4-狹縫、5-第一反射鏡、6-光纖束、7-光柵、8-第二準(zhǔn)直鏡、9-探測(cè)器、10-第二反射鏡、11-快速處理平臺(tái)、12-輸出單元。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型提供的光基于光譜法的多參數(shù)水質(zhì)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置包括氙燈光源1、2前置光路2、第一準(zhǔn)直鏡3、狹縫4、第一反射鏡5、光纖束6、光柵7、第二準(zhǔn)直鏡8、探測(cè)器9、第二反射鏡10、快速處理平臺(tái)11、輸出單元12。
本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式如下：
氙燈光源1(氙燈光源的譜段覆蓋：紫外光、可見(jiàn)光、近紅外光，光譜譜段為185nm～1100nm)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)前置光路2，分成兩束，第一束光(此束光為校正參考光路)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣，第二束光(此束光為測(cè)量光路)經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣，其中，第一束經(jīng)過(guò)第二準(zhǔn)直鏡8后，在第二準(zhǔn)直鏡8一次像面通過(guò)光纖束6將光信號(hào)傳送至狹縫4，再入射到第一反射鏡5經(jīng)過(guò)光柵7(光柵可選擇平面光柵、凹面光柵、凹面全息光柵、可調(diào)閃耀光柵等不同的光柵)的色散后經(jīng)第二反射鏡10反射至探測(cè)器9(探測(cè)器可選擇硅光電管、面陣探測(cè)器)。
第二束光經(jīng)過(guò)第一準(zhǔn)直鏡3后，在第一準(zhǔn)直鏡3一次像面通過(guò)光纖束6將光信號(hào)傳送至狹縫4，入射到第一反射鏡5經(jīng)第一反射鏡5反射后經(jīng)光柵7色散，再經(jīng)第二反射鏡10后至探測(cè)器9，這兩束光色散開(kāi)后分布在探測(cè)器的不同行像元上，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換，得到的光譜信息數(shù)字信號(hào)傳輸至快速處理平臺(tái)11(基于ARM的水質(zhì)多參數(shù)智能處理平臺(tái))，快速處理平臺(tái)11對(duì)兩束光轉(zhuǎn)換的電信號(hào)進(jìn)行暗電流去除、濾波、光譜數(shù)據(jù)提取、水質(zhì)多參數(shù)光譜解混等處理后獲得獲得待測(cè)水樣中存在的待測(cè)物質(zhì)及待測(cè)物質(zhì)的濃度，通過(guò)輸出單元12發(fā)出到本地或遠(yuǎn)程從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控；，輸出單元包含多種形式網(wǎng)絡(luò)傳輸線、有線方式、天線、固態(tài)存儲(chǔ)等。
其中，基于ARM的水質(zhì)多參數(shù)智能處理平臺(tái)是基于ARM芯片處理器的電路板卡，在這個(gè)芯片器件上，可以裝載linux和安卓系統(tǒng)，進(jìn)行算法處理。
具體的算法處理包括以下步驟：
快速處理單元分別對(duì)兩組光譜曲線數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，包括以下步驟：
步驟1)建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)；標(biāo)準(zhǔn)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)包括水里溶解的不同物質(zhì)，不同物質(zhì)的特征光譜，通過(guò)特征光譜的“反射峰”或者“吸收谷”確定物質(zhì)成份；通過(guò)每種物質(zhì)成份在特征光譜位置對(duì)應(yīng)的幅度值的大小確定物質(zhì)的濃度；
步驟2)待測(cè)水樣中物質(zhì)的確定；
步驟2.1)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣的光譜曲線數(shù)字信號(hào)獲取標(biāo)準(zhǔn)水樣的特征光譜A；
步驟2.2)通過(guò)待測(cè)水樣的光譜曲線數(shù)字信號(hào)獲取待測(cè)水樣的特征光譜B；
步驟2.3)標(biāo)準(zhǔn)水樣的特征光譜A和待測(cè)水樣的特征光譜B歸一化作差后獲得特征光譜C的“反射峰”或者“吸收谷”，查找標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，判斷待測(cè)水樣的物質(zhì)成份，若是待測(cè)水樣中只含單一物質(zhì)，則進(jìn)行步驟3)；若；若是待測(cè)水樣中含多種物質(zhì)，則進(jìn)行步驟4)；
步驟3)待測(cè)水樣中只含單種物質(zhì)的濃度檢測(cè)：
步驟3.1)依據(jù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)和吸光度公式計(jì)算出系數(shù)矩陣K,如下式：
式中：I1、I2、…In為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量光路多次經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后連續(xù)譜的幅度值，I0-1、I0-2、I0-n為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中校正參考光路經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后的連續(xù)譜的幅度值，C1、C2、…Cn為每個(gè)吸光度下的成份濃度，L是固定的光程差；
步驟3.2)再依據(jù)朗伯-比爾定律的吸光度公式，計(jì)算校正參考光路第i次通過(guò)待測(cè)水樣后測(cè)量的濃度：
式中：Ii為經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后獲取的幅度值，I0-i為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后獲取的幅度值，Ci為成份濃度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待測(cè)樣本中物質(zhì)的濃度，如下式所示：
步驟4)待測(cè)水樣中含多種物質(zhì)的濃度檢測(cè)：
步驟4.1)依據(jù)樣本數(shù)據(jù)庫(kù)和吸光度公式計(jì)算出系數(shù)矩陣K,如下式：
式中：I1、I2、…In為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中測(cè)量光路多次經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后連續(xù)譜的幅度值，I0-1、I0-2、I0-n為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)中校正參考光路經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后連續(xù)譜的幅度值，Cnm為第m種物質(zhì)的第n種濃度濃度，L是固定的光程差；
步驟4.2)再依據(jù)朗伯-比爾定律的吸光度公式，計(jì)算校正參考光路第i次通過(guò)待測(cè)水樣后測(cè)量的濃度：
Ii為經(jīng)過(guò)待測(cè)水樣后的獲取的幅度值，I0-i為經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)水樣后獲取的幅度值，Ci為第i種成份及其濃度，L是固定的光程差，代入求得的K值后可得待測(cè)濃度，如下式所示：
則C1、C2、…Ci、Cn分別為對(duì)應(yīng)的各組份的濃度。
需要補(bǔ)充說(shuō)明的一點(diǎn)是：標(biāo)準(zhǔn)水樣為不含有待測(cè)物質(zhì)成份的純凈的或者干凈透明的水體。