基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置及方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110887799 A(43)申请公布日 2020.03.17

(21)申请号 201911182863.4(22)申请日 2019.11.27

(71)申请人 中国科学院西安光学精密机械研究

所

地址 710119 陕西省西安市高新区新型工

业园信息大道17号(72)发明人 于涛　胡炳樑　张兆会　张周锋　

刘宏　刘嘉诚　王雪霁　雷会平　(74)专利代理机构 西安智邦专利商标代理有限

公司 61211

代理人 唐沛(51)Int.Cl.

G01N 21/31(2006.01)G01N 21/33(2006.01)G01N 21/3577(2014.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图2页

()发明名称

基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置及方法(57)摘要

本发明涉及一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置及方法,实现了水下连续精细宽光谱的原位获取，同时该结构简单，紧凑，密封性强，具有小型化、低功耗、便携式等优点。该装置包括壳体、光源、第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组、第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组、同步电路板、光谱模块以及上位机；光源安装在壳体前端内部，光源发出的光束依次通过第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组对待测水容置槽内的待测水进行探测后再经由CN 110887799 A第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组输送至安装在壳体后端内的光谱模块；光谱模块获取光谱信号后进行处理上传至上位机。

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1.一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：包括壳体、光源、第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组、第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组、同步电路板、光谱模块以及上位机；

壳体中部区域内设有相互平行的四块竖直隔板，四块竖直隔板将中部区域分割成三个相互隔离的第一区域，第二区域以及第三区域；其中，第二区域内为与外部连通的待测水容置槽；

第一区域内水平安装有第三准直镜组，第三区域内水平安装有第四准直镜组；位于中间的两块竖直隔板上分别设置有玻璃窗口；第三准直镜组、玻璃窗口以及第四准直镜组保持同轴；

光源安装在壳体前端内部，光源发出的光束依次通过第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组对待测水容置槽内的待测水进行探测后再经由第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组输送至安装在壳体后端内的光谱模块；光谱模块将探测光的光谱信号获取后进行数字化处理上传至上位机；同步电路板分别与光源与光谱模块连接，控制两者逻辑时序同步。

2.根据权利要求1所述的基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：还包括待测水光路清洗机构；所述待测水光路清洗机构包括驱动电机以及电刷组件；驱动电机固定在待测水容置槽外部的壳体外壁上；驱动电机的输出轴上安装电刷组件；电刷组件包括上部连杆以及与上部连杆连接的两个下部刷头；其中，一个下部刷头与靠近第二准直镜组的竖直隔板接触，另一个下部刷头与靠近第四准直镜组的竖直隔板接触。

3.根据权利要求2所述的基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：还包括滤网，滤网安装在所述待测水容置槽的槽口，且滤网上开设有供电刷组件摆动的弧形缺口。

4.根据权利要求3所述的基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：还包括水密接头；光谱模块通过水密接头与所述上位机实现通讯。

5.根据权利要求4所述的基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：所述壳体包括依次螺纹连接的前段密封套筒、中段密封套筒以及后段密封套筒；

所述光源、第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器位于前段安装套筒内；所述第三准直镜组、第四准直镜组均位于中段密封套筒内；所述第二光纤、第五准直镜组、光谱模块均位于后段密封套筒内。

6.根据权利要求5所述的基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：所述前段安装套筒的前端为防撞设计。

7.根据权利要求6所述的基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，其特征在于：所述光源输出的光为紫外光或可见光或近红外光；光源输出的光波长范围是165nm～2200nm。

8.一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的装置，通过以下步骤实现探测：

步骤1：获取标准水环境下的光谱测试曲线的吸光度值A1；将探测装置置于标准水的环境中，光源发出的连续宽谱光依次经过第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组后通过待测水容置槽内的外部标准水，再经

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并将该值存于上位机中；

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由第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组后进入光谱模块、光谱模块获取光谱信号上传至上位机得到标准水对应光谱测试曲线的吸光度值

步骤2：获取实际待测水环境下的光谱测试曲线的吸光度值

将探测装置置于实际待测水环境中，光源发出的连续宽谱光依次经过第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组后通过待测水容置槽内的实际待测水，再经由第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组后进入光谱模块、光谱模块获取光谱信号上传至上位机得到标准水对应光谱测试曲线的吸光度值

步骤3：计算实际环境下待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值

具体公式为：

步骤4：上位机基于朗伯比尔定律对待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值算可反演得到待测水内杂质的浓度结果。

进行计

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基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置及方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置及方法。背景技术

[0002]20世纪80年代以来，对于水质监测具有决定影响的两大技术为光谱分析技术和化学计量技术。

[0003]若进行细分，可分为化学分析技术、原子光谱技术、色谱分离技术、电化学分析技术、生物传感技术和分子光谱技术；其中，前三者的水质分析仪存在体积大、采样,测试周期长、成本高等问题。

[0004]基于电化学分析技术和生物传感技术的水质分析仪虽然便携，但存在使用寿命短，维护成本高等问题。

[0005]光谱分析技术是水环境监测中应用最广泛的技术，而基于直接紫外-可见-近红外光谱分析的水质监测是利用有机物及部分无机物吸收紫外光的特性建立紫外吸光度和水质参数浓度的相关模型来获得重要的水质参数，具有无需试剂、实时在线、体积小、成本低、多参数检测等优点，在对地表水、生活饮用水、工业污水(处理后)、海水等水体的在线监测中具有显著优势，已成为水质监测仪器的重要发展方向。[0006]目前对水质的监测主要是针对地表水、生活饮用水、工业污水(处理后)、海水等展开的相关技术研究，但基本上采用了人工取样+实验室化学分析的方法，存在监测频次低、数据分散、非同步、离线等缺点。[0007]岸边机柜式的在线监测仪器采用抽水+多单传感器集成测量的方式，系统较为机械复杂，由于化学成份与温度、压力等关系很大，这种非原位测量的准确性也会受到质疑。发明内容

[0008]本发明针对现有人工取样+实验室化学分析方式存在监测频次低、数据分散、非同步、离线等缺陷，岸边机柜在线监测仪器的抽水+多单传感器集成系统结构复杂，测量方式准确性差的问题，提出了一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置及方法。[0009]本发明的具体技术方案是：

[0010]本发明提供了一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置，包括壳体、光源、第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组、第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组、同步电路板、光谱模块以及上位机；[0011]壳体中部区域内设有相互平行的四块竖直隔板，四块竖直隔板将中部区域分割成三个相互隔离的第一区域，第二区域以及第三区域；其中，第二区域内为与外部连通的待测水容置槽；

[0012]第一区域内水平安装有第三准直镜组，第三区域内水平安装有第四准直镜组；位于中间的两块竖直隔板上分别设置有玻璃窗口；第三准直镜组、玻璃窗口以及第四准直镜组保持同轴；

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光源安装在壳体前端内部，光源发出的光束依次通过第一准直镜组、第一光纤、第

二准直镜组、衰减器、第三准直镜组对待测水容置槽内的待测水进行探测后再经由第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组输送至安装在壳体后端内的光谱模块；光谱模块将探测光的光谱信号获取后进行数字化处理上传至上位机；同步电路板分别与光源与光谱模块连接，控制两者逻辑时序同步。[0014]进一步地，为了减小水下杂质沉积在玻璃窗口上，从而影响探测准确性的问题，上述装置还包括待测水光路清洗机构；所述待测水光路清洗机构包括驱动电机以及电刷组件；驱动电机固定在待测水容置槽外部的壳体外壁上；驱动电机的输出轴上安装电刷组件；电刷组件包括上部连杆以及与上部连杆连接的两个下部刷头；其中，一个下部刷头与靠近第二准直镜组的竖直隔板接触，另一个下部刷头与靠近第四准直镜组的竖直隔板接触。[0015]进一步地，为了避免或减少较大颗粒的杂质进入待测水容置槽内，影响监测准确性的问题，上述装置还包括滤网，滤网安装在所述待测水容置槽的槽口，且滤网上开设有供电刷组件摆动的弧形缺口。[0016]进一步地，上述装置还包括水密接头；光谱模块通过水密接头与所述上位机实现通讯。

[0017]进一步地，上述壳体包括依次螺纹连接的前段密封套筒、中段密封套筒以及后段密封套筒；

[0018]所述光源、第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器位于前段安装套筒内；[0019]所述第三准直镜组、第四准直镜组均位于中段密封套筒内；[0020]所述第二光纤、第五准直镜组、光谱模块均位于后段密封套筒内。[0021]进一步地，上述前段安装套筒的前端为防撞设计。[0022]进一步地，上述光源输出的光为紫外光或可见光或近红外光；光源输出的光波长范围是165nm～2200nm。

[0023]基于上述装置的结构描述，现对该装置进行探测的方法进行介绍，具体步骤如下：

[0024][0025]

步骤1：获取标准水环境下的光谱测试曲线的吸光度值

将探测装置置于标准水的环境中，光源发出的连续宽谱光依次经过第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组后通过待测水容置槽内的外部标准水，再经由第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组后进入光谱模块、光谱模块获取光谱信号上传至上位机得到标准水对应光谱测试曲线的吸光度值

[0026][0027]

并将该值存于上位机中；

步骤2：获取实际待测水环境下的光谱测试曲线的吸光度值

将探测装置置于实际待测水环境中，光源发出的连续宽谱光依次经过第一准直镜组、第一光纤、第二准直镜组、衰减器、第三准直镜组后通过待测水容置槽内的实际待测水，再经由第四准直镜组、第二光纤、第五准直镜组后进入光谱模块、光谱模块获取光谱信号上传至上位机得到标准水对应光谱测试曲线的吸光度值

[0028]

步骤3：计算实际环境下待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值具体公式为：

[0029]步骤4：上位机基于朗伯比尔定律对待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值

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进

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行计算可反演得到待测水内杂质的浓度结果。[0030]本发明的有益效果是：[0031]1、本发明提供的原位探测装置解决了传统化学法人工取样和柜式抽水等非原位测量带来的监测频次低、非同步、离线离散等缺点，实现了水下连续精细宽光谱的原位获取，突破了传统单光谱单一组份分析的缺点，同时该结构简单，紧凑，密封性强，解决了传统多参数水体组份分析仪器的缺点，实现了小型化、低功耗、便携式等优点。[0032]2、本发明采用电刷组件，使探测光路具备了自清洁能力，降低了恶劣环境下对探测结果准确性的影响。

附图说明

[0033]图1为实施例的结构示意图；

[0034]图2为中段密封套筒处的结构示意图；[0035]图3为中段密封套筒处的俯视图；[0036]附图标记如下：[0037]1-壳体、2-光源、3-第一准直镜组、4-第一光纤、5-第二准直镜组、6-衰减器、7-第三准直镜组、8-第四准直镜组、9-第二光纤、10-第五准直镜组、11-同步电路板、12-光谱模块、13-竖直隔板、14-第一区域、15-第二区域、16-第三区域、17-待测水容置槽、18-玻璃窗口、19-水密接头、20-前段密封套筒、21-中段密封套筒、22-后段密封套筒、23-驱动电机、24-电刷组件、25-上部连杆、26-下部刷头、27-滤网、28-弧形缺口。具体实施方式

[0038]下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0039]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0040]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0041]实施例

[0042]如图1和图2所示，本实施例提供了一种基于光谱法对复杂水体进行间歇式原位探测的装置的具体结构包括：包括壳体1、光源2、第一准直镜组3、第一光纤4、第二准直镜组5、衰减器6、第三准直镜组7、第四准直镜组8、第二光纤9、第五准直镜组10、同步电路板11、光谱模块12以及上位机(图中未示出)；[0043]上述各零件的作用在于：

[0044]壳体1是实现整体部组件的固定及防护；[0045]光源2是实现基准宽谱光信号的输入，该光源的输出光刻为紫外光-可见光-近红

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光外；光源的输出光的波长取值范围为165nm～2200nm；[0046]第一准直镜组3是实现光源的光信号准直输出；[0047]第一光纤4的作用是实现光源与衰减器之间的光传输；[0048]第二准直镜组5是实现衰减器中光的准直；[0049]衰减器6是实现光强的强弱调节；

[0050]第三准直镜组7是实现调节后光强的准直输出；[0051]第四准直镜组8是实现通过待测水后光的准直输出；[0052]第二光纤9是实现经过水体吸收后光强的传输；[0053]第五准直镜组10是实现水体吸收后光束的准直；

[00]光谱模块12是实现吸收光的光谱信号获取及数字化输出，其光谱获取原理可以为交叉色散、干涉、分离色散等方式，典型光谱测量范围是：185nm～1100nm；[0055]同步电路板11是实现光源与光谱模块的触发信号同步。[0056]各零件之间的位置及连接关系具体如下：

[0057]壳体1中部区域内设有相互平行的四块竖直隔板13，四块竖直隔板13将中部区域分割成三个相互隔离的第一区域14，第二区域15以及第三区域16；其中，第二区域15为与外部连通的待测水容置槽17；[0058]第一区域14内水平安装有第三准直镜组7，第三区域16内水平安装有第四准直镜组8；位于中间的两块竖直隔板13上分别设置有玻璃窗口18；第三准直镜组7、玻璃窗口18以及第四准直镜组8保持同轴；

[0059]光源2安装在壳体1前端内部，光源2发出的光束依次通过第一准直镜组3、第一光纤4、第二准直镜组5、衰减器6、第三准直镜组7对待测水容置槽17内的待测水进行探测后再经由第四准直镜组8、第二光纤9、第五准直镜组10输送至安装在壳体1后端内的光谱模块12；光谱模块12将探测光的光谱信号获取后进行数字化处理上传至上位机(此处的上传方式可选择为无线和有线传输两种，当进行有线传输时，该装置还包括水密接头19；光谱模块11通过水密接头23与所述上位机实现通讯)；同步电路板分别与光源与光谱模块连接，控制两者逻辑时序同步。

[0060]为了方便加工以及零件装配，本实施例中壳体包括依次螺纹连接的前段密封套筒20、中段密封套筒1以及后段密封套筒22；[0061]光源2、第一准直镜组3、第一光纤4、第二准直镜组5、衰减器6位于前段安装套筒20内；第三准直镜组7、第四准直镜组8均位于中段密封套筒21内；第二光纤9、第五准直镜组10、同步电路板11、光谱模块12均位于后段密封套筒22内。[0062]上述实施例还做出了以下优化设计：[0063]1、为了减小水下杂质沉积在玻璃窗口上，从而影响探测准确性，上述装置还包括待测水光路清洗机构；如图2和3所示，待测水光路清洗机构包括驱动电机23以及电刷组件24；驱动电机23固定在待测水容置槽17外部的壳体1外壁上；驱动电机23的输出轴上安装电刷组件24；电刷组件24包括上部连杆25以及与上部连杆25连接的两个下部刷头26；其中，一个下部刷头26与靠近第三准直镜组7的竖直隔板接触，另一个下部刷头26与靠近第四准直镜组8的竖直隔板接触。通过驱动电机23往复旋转，带动下部刷头26摆动，从而对玻璃窗口18处进行清洁。

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2、为了避免或减少较大颗粒的杂质进入待测水容置槽内，影响监测准确性的问

题，上述装置还包括滤网27，如图2和图3所示，滤网27安装在所述待测水容置槽17的槽口上，且滤网27上开设有供电刷组件摆动的弧形缺口28。[0065]3、前段安装套筒的前端为防撞设计，作用是当装置放入水中时减少冲击。[0066]本实施例的工作原理：[0067]1、将探测装置置于标准水的环境中，光源2发出的连续宽谱光依次经过第一准直镜组3、第一光纤4、第二准直镜组5、衰减器6、第三准直镜组7后通过待测水容置槽17内的外部标准水，再经由第四准直镜组8、第二光纤9、第五准直镜组10后进入光谱模块12、光谱模块12获取光谱信号上传至上位机得到标准水对应光谱测试曲线的吸光度值

并将该值存

于上位机中；在该步骤中由于标准水对应光谱测试曲线的吸光度值以存入上位机中，因此，只有初次使用时进行该步骤，其余使用过程可直接进行第2步；[0068]2、再将探测装置置于实际待测水环境中，光源2发出的连续宽谱光依次经过第一准直镜组3、第一光纤4、第二准直镜组5、衰减器6、第三准直镜组7后通过待测水容置槽18内的实际待测水，再经由第四准直镜组8、第二光纤9、第五准直镜组10后进入光谱模块12、光谱模块12获取光谱信号上传至上位机得到标准水对应光谱测试曲线的吸光度值

[0069]

3、计算实际环境下待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值具体公式为：

[0070]4、上位机基于朗伯比尔定律对待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值进行计

算可反演得到待测水内杂质的浓度结果。

[0071]通过得到的浓度结果可实现待测水中浊度、色度、硝氮、氨氮、亚硝氮、化学耗氧量COD、总有机碳TOC、2nm吸光系数、苯类、酚类、烃类有机物等的分析。[0072]最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

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