專利名稱：基于雙探測器的水體葉綠素濃度在線檢測方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水體熒光色素濃度的在線檢測技術(shù)，特別涉及一種基于熒光檢測的葉綠素濃度監(jiān)測裝置和方法。
背景技術(shù)：
目前，世界各地海洋、湖泊、河流、水庫等各個水域水質(zhì)污染日益嚴重，水質(zhì)監(jiān)測，特別是水質(zhì)的實時原位監(jiān)測越來越受到人們的重視。實時監(jiān)測可以掌握水質(zhì)變化動態(tài)，預測水質(zhì)變化，及時防范大范圍污染，特別是當水體中某一種藻類大量繁殖時，將會發(fā)生水華、赤潮，因此對浮游植物的實時在線監(jiān)測可有針對性地預防、預警水華、赤潮等的大規(guī)模發(fā)生。
天然水體中不同藻類含有不同的特征色素，但幾乎所有藻類都含有葉綠素a，葉綠素a的濃度通常用來估計浮游植物的生產(chǎn)量和生產(chǎn)力。在激勵光的照射下，不同色素均能發(fā)射特有的熒光光譜，且熒光強度同色素濃度成一定的比例關(guān)系。因此，常用熒光法檢測色素濃度和對不同藻類進行分類，并且，熒光法也可以實現(xiàn)在線監(jiān)測。熒光法測量水體葉綠素濃度的基本原理是根據(jù)朗伯-比爾定律推導出的熒光強度與葉綠素濃度的關(guān)系。其表達式為If= (J)fI0 (l-l(TEcl)(I)其中，If為熒光強度，為量子熒光效率，ε為熒光分子的摩爾吸收系數(shù),c為溶液中熒光物質(zhì)的濃度，I為光程。展開公式(I)中指數(shù)項，
Γ π r , L, , (2.3scl)2 (2.3scl)3 ( 0 ^Iy = Φ/Iq 2.3εοΙ---1......... ( 2 )
2!3!當溶液很稀，被吸收的總激發(fā)光能不超過5%，S卩ε Cl彡O. 05時，上式中括號內(nèi)第二項以后項可忽略，即If = 2. 3(j5fIQ ε cl(3)即當被測物質(zhì)、入射光強、光程確定后，熒光強度同溶液濃度成線性關(guān)系。目前在線測量水體葉綠素濃度的專利和產(chǎn)品中，激發(fā)光源有單個或多個激光或超高亮二極管等，而熒光探測均采用一個探測器，利用探測器探測的熒光強度測定水體中葉綠素的含量。但是，單探測器監(jiān)測方法有其不足的地方，容易受以下幾方面因素影響(I)入射光強波動，朗伯-比爾定律的前提條件就是要求入射光是穩(wěn)定的單色平行光，若公式(2)中的、發(fā)生波動，必然引起If波動，導致濃度C波動。(2)溫度，溫度變化不影響光子輻射過程，但分子的擴散、活化、分子內(nèi)部能量轉(zhuǎn)化將隨溫度的升高而增強，溫度升高，葉綠素的熒光量子效率Φf和熒光強度減小，反之增大。(3)溶劑，同一種熒光物質(zhì)在不同溶劑中的光譜位置和強度都會發(fā)生變化。(4)散射光、探測窗口潔凈度等，水體和顆粒物對熒光的散射，以及探測窗口受渾濁水體的污染等，均會影響熒光強度的探測值大小
發(fā)明內(nèi)容
(一)所解決的技術(shù)問題(I)構(gòu)建基于雙探測器的水體葉綠素濃度在線、快速、準確、低成本的監(jiān)測裝置；(2)建立基于上述裝置的濃度監(jiān)測模型，著重解決由于入射光強波動、溫度變化、長期使用等引起的測量誤差。( 二)具體的解決方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種雙探測器熒光強度比的水體葉綠素濃度檢測方法和原位監(jiān)測裝置。本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有熒光法檢測浮游植物色素濃度技術(shù)中存在的不足，提供一種單光源、雙探測器的熒光強度比的色素濃度檢測方法和原位在線監(jiān)測裝置。該方法根據(jù)朗伯-比爾定律推導出色素濃度同兩個探測器熒光強度比之間的比例關(guān)系，一定程度上減小了由于入射光小幅波動、溫度變化、散射光和探測窗口污染等對濃度測量值的影響，·并擴大了測量的線性范圍。本發(fā)明提供一種快速、原位水體葉綠素濃度測量裝置，主要包括激發(fā)光單元、接收熒光單元、信號處理單元、窗口清潔裝置、防水密閉空腔、環(huán)境光防護罩等。所述激發(fā)光單元位于防水密閉空腔內(nèi)，主要包括單色超高亮二極管、窄帶發(fā)射濾光片、準直透鏡、發(fā)射窗口。所述接收熒光單元位于防水密閉空腔內(nèi)，主要包括兩個光電探測器、窄帶接收濾光片、接收窗口。所述信號處理單元主要包括模擬信號處理電路、微控制器、電源電路、存儲傳輸電路等，所述模擬信號處理電路同兩個光電探測器連接，主要包括對兩路微弱信號的濾波、對數(shù)放大等，再由微控制器進行處理后存儲或傳輸。所述窗口清潔裝置主要包括清潔刷和直流電機，所述清潔刷由直流電機帶動，可對發(fā)射窗口、接收窗口進行清潔，直流電機由所述微處理器控制，可實現(xiàn)自動或手動清潔窗口 ；所述清潔刷在熒光探測時由直流電機帶動旋轉(zhuǎn)至不影響激發(fā)光、熒光光路的位置。所述激發(fā)光源、發(fā)射濾光片、準直透鏡產(chǎn)生的平行光束，同接收單元包含的接收濾光片、兩個光電探測器成90°垂直放置；所述兩個光電探測器放置間距為定值。所述環(huán)境光防護罩通過螺紋連接到防水密閉空腔，可方便取下進行手動清潔，并且在環(huán)境光防護罩上有若干通孔使內(nèi)外水體能夠自由流動。本發(fā)明還提供一種利用上述裝置對水體葉綠素濃度測量的建模方法，該方法包括以下步驟和特點SI，兩探測器平行放置，間距d，探測器Tl探測范圍是從Xl到xl+Ι的區(qū)域，探測器T2探測范圍是x2到x2+l區(qū)域，入射光I0, xl、xl+1、x2、x2+l處的透射光強分別是110、
111、I20、工21。S2，根據(jù)朗伯-比爾定律，I11 = I10KTc1，I21 = I20KTc1，I20 = I10KTcdS3，探測器Tl和T2探測到的熒光，分別為Ifl = Ic1 Φ fIltl (1_10_ε el)，If2 = k2 CjifI20(l_l(TEcl) = k2<j5fI10l(TEcd(l-l(rEcl)為水體葉綠素突光效率，k2分別為探測器T1、T2比例常數(shù)。
IflS4,將兩探測器探測到熒光相比，_ K 數(shù)學變換得 23klgJ^即水
If2'C = —d ’
體葉綠素濃度同Tl，T2探測熒光強度比的對數(shù)成正比。S5，同傳統(tǒng)單探測器相比，雙探測器可減小入射光隨時間波動帶來的測量誤差。單探測器時，If = 2.3 Φ山eel，若入射光Itj隨時間變化表示為I (t)，假如濃度C不變，則If
也隨Ιω變化而變化，而一般假定入射光是不變的，導致認為c出現(xiàn)了變化。雙探測器時，
Inh—、 、
T^2 ~ 從/101o-w(i_i(r￡c,)_ U2Wscd ’，肖^ 7X身寸如如力μ刺勺■ °S6，同傳統(tǒng)單探測器相比，雙探測器可消除溫度變化帶來的測量誤差。單探測器時，If = 2. 3ΦΓΙ0 ε Cl，溫度變化導致熒光效率Φ 變化，而一般認為Φ 是不變的，導致測
In k^fL J\-\QT￡cl)h
量值c出現(xiàn)誤差。雙探測器時，J1 =無C二 (1一10-’ =，可減小溫度變化帶來 的測量誤差。S7，同傳統(tǒng)單探測器相比，雙探測器可減小散射光和探測窗口污染帶來的測量誤差。假定溶液渾濁和探測窗口污染影響系數(shù)為w(t)，單探測器時，If = ZJWwCj5fIciecI,濃度C會隨溶液渾濁和探測器窗口潔凈度變化，而長期、在線監(jiān)測時，ff(t)不易給出，導致測量值C出現(xiàn)誤差。雙探測器時，由于兩個探測窗口距離較近，可認為二者W(t)相同，則In 研,#10 (I-I(Td)L
Jl = , w J 7二= TT^，觸棚衍麵口揺貝清π織棘
If2 k2W(t)9fh^ (I-10 ) ^210差。S8，雙探測器擴大了測量線性范圍，當葉綠素濃度逐漸增大時，公式(2)中
中括號的第二項不能忽略，即熒光強度與濃度之間不再符合線性關(guān)系，雙探測器時，
Ifi
/,, = ^Z10Q-IQ-^) - Icl ,消除了(卜 1(r’ 頂，數(shù)學奪拖后，23klgJ^ 濃
If2 k^fIlolO-^(i-io-￡d) k2io-￡cdc = ^-d，
度同兩探測器熒光強度比的對數(shù)成正比，同單探測器相比，擴大了線性范圍。S9，雙探測器輸出的信號同信號處理電路連接，采用對數(shù)放大電路，有很高的共模抑制比，抑制了電路部分溫漂，可提高檢測靈敏度。


圖I雙探測器熒光監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2雙探測器熒光分析圖；圖3是利用本發(fā)明實施例的雙探測器相對熒光強度Τ1、Τ2及其比值的對數(shù)B同葉綠素濃度間的關(guān)系曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本實施例的一種快速、原位水體葉綠素測量裝置，主要包括激發(fā)光單元100、接收熒光單元200、信號處理單元300、窗口清潔裝置400、防水密閉空腔500、環(huán)境光防護罩600等。所述激發(fā)光單元100位于防水密閉空腔500內(nèi)，主要包括單色超高亮二極管101、窄帶發(fā)射濾光片102、準直透鏡103、發(fā)射窗口 104，所述超高亮二極管101為波長430nm超高亮藍光二極管，所述窄帶發(fā)射濾光片102中心波長430nm，半峰值帶寬8nm。所述接收熒光單元200位于防水密閉空腔500內(nèi)，主要包括兩個光電探測器201a和201b、窄帶接收濾光片202a和202b、接收窗口 203a和203b，所述窄帶接收濾光片202a和202b中心波長680nm，半峰值帶寬10nm。所述信號處理單元300主要包括模擬信號處理電路301、微控制器302、電源電路303、存儲傳輸電路304等，所述模擬信號處理電路301同兩個光電探測器201a和201b連接，主要包括對兩路微弱信號的濾波、對數(shù)放大等，再由微控制器302進行處理后存儲或傳輸。所述窗口清潔裝置400主要包括清潔刷401和直流電機402，所述清潔刷401同直流電機402連接，可對發(fā)射窗口 104、接收窗口 203a和203b進行清潔，直流電機402由所述微處理器302控制，可實現(xiàn)自動或手動清潔窗口 ；所述清潔刷401在熒光探測時由直流電機402帶動旋轉(zhuǎn)至不影響激發(fā)光、熒光光路的位置。所述光源101、發(fā)射濾光片102、準直透鏡103產(chǎn)生的平行光束，同接收單元200包含的接收濾光片202a和202b、兩個光電探測器201a和201b成90°垂直放置；所述兩個光電探測器201a和201b放置間距為定值。所述環(huán)境光防護罩600通過螺紋連接到防水密閉空腔500，可方便取下進行手動清潔，并且在環(huán)境光防護罩上有若干通孔使內(nèi)外水體能夠自由流動。本實施例利用上述裝置對水體葉綠素濃度測量提供了建模方法，該方法包括以下步驟和特點SI，兩探測器平行放置，間距d，探測器Tl探測范圍是從xl到xl+Ι的區(qū)域，探測器T2探測范圍是x2到x2+l區(qū)域，入射光I0, xl、xl+1、x2、x2+l處的透射光強分別是110、
111、I20、工21。S2，根據(jù)朗伯-比爾定律，I11 = I10KTc1，I21 = I20KTc1，I20 = I10KTcdS3，探測器Tl和T2探測到的熒光，分別為Ifl = Ic1 Φ fIltl (1_10_εε1)，If2 = k2 CjifI20(l_l(TEcl) = k2<j5fI10l(TEcd(l-l(rEcl)為水體葉綠素突光效率，k2分別為探測器Tl、T2比例常數(shù)。

S4，將兩探測器探測到熒光相比
權(quán)利要求
1.一種基于雙探測器熒光強度比的水體葉綠素濃度原位監(jiān)測裝置，包括激發(fā)光單元、接收熒光單元、信號處理單元、窗口清潔裝置、防水密閉空腔、環(huán)境光防護罩；其特征在于:接收熒光單元為兩個間距為d平行放置的光電探測器Tl、T2，且垂直于激發(fā)光的平行光束；信號處理單元，用于對激發(fā)光信號和接收到的兩路熒光信號進行處理。
2.如權(quán)利要求I所述的信號處理單元，其特征在于對兩路熒光信號采用對數(shù)放大器。
3.一種基于雙探測器熒光強度比的水體葉綠素濃度檢測方法，其特征在于，包括以下步驟SI，激發(fā)光單元產(chǎn)生特定波長的平行光束；S2，兩探測器T1、T2分別探測到熒光強度；S3，信號處理電路對兩路熒光信號進行處理，得到水體葉綠濃度同Tl、Τ2熒光強度對數(shù)比的比例關(guān)系。
4.如權(quán)利要求3所述的分析方法，其特征在于，步驟S2中，探測器Tl探測范圍是從 xl到xl+1的區(qū)域，探測器T2探測范圍是x2到x2+l區(qū)域,入射光10, xl、xl+1、x2、x2+l 處的透射光強分別是11(1、In、I20> I21，探測器Tl和T2探測到的熒光強度，分別為
5.如權(quán)利要求3所述的分析方法，其特征在于，步驟S3中，將兩探測器探測到熒光相比，
6.如權(quán)利要求3所述的分析方法，其特征在于，若入射光Io隨時間變化表示為Ιω，單探測器時，If = 2. 3 ΦΑ ε Cl,隨Im變化而變化；雙探測器時，
7.如權(quán)利要求3所述的分析方法，其特征在于，若水體溫度變化導致熒光效率Ctf變化，Kry*，可減小溫度變化帶來酬量誤差。
8.如權(quán)利要求3所述的分析方法，其特征在于，若溶液渾濁和探測窗口污染影響系數(shù)為W(t)，單探測器時，If = 2. 3W(t) Cj5fItl ε cl，濃度c會隨溶液渾濁和探測器窗口潔凈度變化， 而長期、在線監(jiān)測時，W(t)不易給出，導致測量值c出現(xiàn)誤差；雙探測器時，由于兩個探測窗□距離較近，可認為
9.如權(quán)利要求3和5所述的分析方法，其特征在于，兩路熒光信號比，消除了(I-I(Td) 項，同單探測器相比，擴大了濃度測量的線性范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙探測器熒光強度比的水體葉綠素濃度檢測方法和原位監(jiān)測裝置，激發(fā)光單元發(fā)射特定波長的平行光束，在平行光束垂直方向、間距為d的兩個光電探測器探測熒光信號；基于朗伯-比爾定律，建立兩路熒光信號強度比同水體葉綠素濃度之間的比例關(guān)系模型；監(jiān)測裝置還包括信號處理、窗口清潔、防水密閉空腔和環(huán)境防護罩等單元。本發(fā)明具有能夠減小由于入射光波動、溫度變化、散射光和探測窗口污染等的影響，擴大了測量的線性范圍。
文檔編號G01N21/64GK102928390SQ201210364088
公開日2013年2月13日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者李道亮, 曾立華, 位耀光, 王聰, 陳英義 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學