本發(fā)明涉及水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紫外可見吸收光譜和熒光光譜的水質(zhì)監(jiān)測探頭及方法。

背景技術(shù)：

目前使用的水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測用單探頭無波長校準，導致光譜測量易出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，進而引起水質(zhì)參數(shù)測量結(jié)果不穩(wěn)定，有漂移現(xiàn)象。同時，它所使用的光譜儀分辨率低，不利于水質(zhì)參數(shù)分析，另外，目前使用的探頭基于吸收光譜測量，對于低濃度測量場合誤差大。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于紫外可見吸收光譜和熒光光譜的水質(zhì)監(jiān)測探頭及方法，該探頭能顯著提高水質(zhì)監(jiān)測的精度。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所設(shè)計的基于紫外可見吸收光譜和熒光光譜的水質(zhì)監(jiān)測探頭，它包括閃爍燈、第一凸透鏡、第一水質(zhì)監(jiān)測窗口、第二水質(zhì)監(jiān)測窗口、熒光激發(fā)用多波長激光光源、第三水質(zhì)監(jiān)測窗口、斬光器、凸透鏡、紫外可見光纖光譜測量器、控制器信號處理器、閃爍燈控制器、熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器、步進電機，其中，所述控制器信號處理器的閃爍燈控制指令輸出端連接閃爍燈控制器的信號輸入端，閃爍燈控制器的控制信號輸出端連接閃爍燈的控制信號輸入端，控制器信號處理器的熒光激發(fā)用多波長激光光源控制指令輸出端連接熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器的信號輸入端，熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器的控制信號輸出端連接熒光激發(fā)用多波長激光光源的控制信號輸入端，閃爍燈發(fā)出的光信號對應第一凸透鏡的光信號輸入端，第一凸透鏡輸出兩路平行光束，第一凸透鏡輸出的第一路光速能透過第一水質(zhì)監(jiān)測窗口照射到待測水樣上發(fā)生吸收、散射后透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口透射至斬光器，第一凸透鏡輸出的第二路光速為參考光路，參考光路直接透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來的兩束光調(diào)制，被調(diào)制的光束，經(jīng)凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，控制器信號處理器的光譜信號采集端連接紫外可見光纖光譜測量器的光譜測量信息輸出端。

一種利用上述水質(zhì)監(jiān)測探頭的水質(zhì)紫外可見連續(xù)吸收光譜測量方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1：控制器信號處理器發(fā)出閃爍燈控制指令給閃爍燈控制器，閃爍燈控制器控制閃爍燈以預設(shè)的頻率和預設(shè)閃爍間隔發(fā)出紫外可見光；

步驟2：閃爍燈發(fā)出的紫外可見光經(jīng)第一凸透鏡匯聚后轉(zhuǎn)換為第一平行光束，第一凸透鏡輸出的第一路光速透過第一水質(zhì)監(jiān)測窗口照射到待測水樣上發(fā)生吸收、散射后透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口透射至斬光器，第一凸透鏡輸出的第二路光速為參考光路，參考光路直接透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來的兩束光調(diào)制；

步驟3：被調(diào)制的光束，經(jīng)凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器對輸入的被調(diào)制光束進行光譜測量，控制器信號處理器實現(xiàn)光譜信號的采集。

一種利用上述水質(zhì)監(jiān)測探頭的激發(fā)熒光光譜測量方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟101：控制器信號處理器發(fā)出熒光激發(fā)用多波長激光光源控制指令給熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器，熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器控制熒光激發(fā)用多波長激光光源發(fā)出預設(shè)頻率和間隔的激光，該間隔為上次發(fā)光與本次發(fā)光之間的時間間隔；

步驟102：上述熒光激發(fā)用多波長激光光源發(fā)出的激光透過第三水質(zhì)監(jiān)測窗口照射在待測水樣上，激發(fā)產(chǎn)生熒光；

步驟103：步驟102激發(fā)產(chǎn)生熒光透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來熒光按發(fā)光的頻率進行調(diào)制；

步驟104：被調(diào)制的熒光，經(jīng)凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器對輸入的被調(diào)制光束進行光譜測量，控制器信號處理器實現(xiàn)光譜信號的采集。

一種利用上述水質(zhì)監(jiān)測探頭的波長校正用多波長激光光譜測量方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1001：控制器信號處理器發(fā)出波長校正用多波長激光光源控制指令給波長校正用多波長激光光源控制器，波長校正用多波長激光光源控制器控制波長校正用多波長激光光源發(fā)出預設(shè)頻率和預設(shè)閃爍間隔的波長校正用多波長激光；

步驟1002：上述波長校正用多波長激光經(jīng)第一凸透鏡匯聚后轉(zhuǎn)換為第二平行光束，第二平行光束透過第一水質(zhì)監(jiān)測窗口照射到待測水樣上發(fā)生吸收、散射后透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口透射至斬光器，斬光器在步進電機的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來的波長校正用多波長激光按發(fā)光頻率進行調(diào)制；

步驟1003：被調(diào)制的波長校正用多波長激光，經(jīng)凸透鏡匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器對輸入的被調(diào)制光束進行光譜測量，控制器信號處理器實現(xiàn)光譜信號的采集，并根據(jù)其響應光譜，確定對應探測單元位置，進而實現(xiàn)校正。

本發(fā)明提供一種具有波長自校正功能的、雙光路結(jié)構(gòu)的基于紫外可見吸收光譜及熒光光譜組合的水質(zhì)多參數(shù)在線實時監(jiān)測用單探頭。

直接紫外-可見連續(xù)光譜作為一種相對新穎的檢測手段實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測，具有無需化學試劑、無二次污染、分析速度快、實時在線、成本低、可實現(xiàn)多參數(shù)測量等優(yōu)點。

本發(fā)明利用連續(xù)的紫外可見光譜區(qū)對水樣進行掃描，獲得連續(xù)的水質(zhì)中的吸光度信息，通過波長校正、小波包去噪、多元散射校正、主成分分析等多元化的分析手段獲取水質(zhì)中的cod、bod5、toc、no3-n、no2-n、色度、濁度、葉綠素a等水質(zhì)參數(shù)，通過計算得出各數(shù)據(jù)中所包含的水體特質(zhì)信息，并根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立光譜數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)兩者之間的校正模型，以此模型為工具實現(xiàn)水質(zhì)參數(shù)分析。連續(xù)紫外可見光譜檢測法由于加入水質(zhì)連續(xù)可見光吸光度，通過全光譜信息大幅度降低水質(zhì)參數(shù)建模解算時的其它因素干擾，能有效減小散射干擾，通過算法對采集到的光譜信息進行預處理減少濁度對水質(zhì)參數(shù)的影響。

本發(fā)明中測量光束光譜包含被測水樣對測量光束的吸收信息以及光源強度的影響，而參考光束光譜僅受光源強度的影響，測量光束光譜與參考光束光譜結(jié)合可消除光源強度對水質(zhì)測量的影響。水樣對光譜的吸收服從朗伯比爾定律。紫外可見光譜檢測法是利用連續(xù)的紫外可見光譜區(qū)對水樣進行掃描，從而獲得連續(xù)的水質(zhì)中的吸光度信息，再利用信息融合技術(shù)對水質(zhì)參數(shù)進行解算。

同時，物體經(jīng)過較短波長的光照，把能量儲存起來，然后緩慢放出較長波長的光，放出的這種光就叫熒光。如果把熒光的能量與波長關(guān)系圖作出來，那么這個關(guān)系圖就是熒光光譜。高強度激光能夠使吸收物質(zhì)中相當數(shù)量的分子提升到激發(fā)量子態(tài)。因此極大地提高了熒光光譜的靈敏度。以激光為光源的熒光光譜適用于超低濃度樣品的檢測，比用普通光源得到的最高靈敏度有明顯提高。熒光法是根據(jù)水中存在的大多數(shù)有機物能發(fā)生熒光的特點，通過熒光光譜的分析來測定水質(zhì)有機物綜合指標。

另外，波長校正用多波長激光光譜用來對紫外可見光纖光譜測量模塊進行波長校正，以消除環(huán)境因素所造成的影響。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為朗伯比爾定律的檢測原理圖；

圖3為紫外可見連續(xù)光譜的水樣吸收圖；

圖3中，化學需氧量cod(chemicaloxygendemand)是以化學方法測量水樣中需要被氧化的還原性物質(zhì)的量。bod(biochemicaloxygendemand的簡寫)：生化需氧量或生化耗氧量(一般指五日生化學需氧量)，表示水中有機物等需氧污染物質(zhì)含量的一個綜合指標。totalorganiccarbon(toc)：在900℃高溫下，以鉑作催化劑，使水樣氧化燃燒，測定氣體中co2的增量，從而確定水樣中總的含碳量，表示水樣中有機物總量的綜合指標。由于toc的測定采用高溫燃燒，因此能將有機物全部氧化，它比bod或cod更能直接表示有機物的總量。因此常被用來評價水體中有機物污染的程度。

其中，1—閃爍燈、2—波長校正用多波長激光光源、3—第一凸透鏡、4—第一水質(zhì)監(jiān)測窗口、5—待測水樣、6—第二水質(zhì)監(jiān)測窗口、7—參考光路、8—熒光激發(fā)用多波長激光光源、9—第三水質(zhì)監(jiān)測窗口、10—斬光器、11—步進電機、12—凸透鏡、13—紫外可見光纖光譜測量器、14—控制器信號處理器、15—閃爍燈控制器、16—熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器、17—步進電機控制器、18—波長校正用多波長激光光源控制器。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明：

一種基于紫外可見吸收光譜和熒光光譜的水質(zhì)監(jiān)測探頭，如圖1所示，它包括閃爍燈1、第一凸透鏡3、第一水質(zhì)監(jiān)測窗口4、第二水質(zhì)監(jiān)測窗口6、熒光激發(fā)用多波長激光光源8、第三水質(zhì)監(jiān)測窗口9、斬光器10、凸透鏡12、紫外可見光纖光譜測量器13、控制器信號處理器14、閃爍燈控制器15、熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器16、步進電機11，其中，所述控制器信號處理器14的閃爍燈控制指令輸出端連接閃爍燈控制器15的信號輸入端，閃爍燈控制器15的控制信號輸出端連接閃爍燈1的控制信號輸入端，控制器信號處理器14的熒光激發(fā)用多波長激光光源控制指令輸出端連接熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器16的信號輸入端，熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器16的控制信號輸出端連接熒光激發(fā)用多波長激光光源8的控制信號輸入端，閃爍燈1發(fā)出的光信號對應第一凸透鏡3的光信號輸入端，第一凸透鏡3輸出兩路平行光束，第一凸透鏡3輸出的第一路光速能透過第一水質(zhì)監(jiān)測窗口4照射到待測水樣5上發(fā)生吸收、散射后透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口6透射至斬光器10，第一凸透鏡3輸出的第二路光速為參考光路7，參考光路7直接透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來的兩束光調(diào)制，被調(diào)制的光束，經(jīng)凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，控制器信號處理器14的光譜信號采集端連接紫外可見光纖光譜測量器13的光譜測量信息輸出端。所示控制器信號處理器14實現(xiàn)光譜測量結(jié)果與水質(zhì)測量參數(shù)之間的映射。

上述技術(shù)方案中，它還包括控制步進電機11工作的步進電機控制器17，所述控制器信號處理器14的步進電機控制指令輸出端連接步進電機控制器17的信號輸入端，步進電機控制器17的控制信號輸出端連接步進電機11的控制信號輸入端。

上述技術(shù)方案中，它還包括波長校正用多波長激光光源2和波長校正用多波長激光光源控制器18，所述控制器信號處理器14的波長校正用多波長激光光源控制指令輸出端連接波長校正用多波長激光光源控制器18的信號輸入端，波長校正用多波長激光光源控制器18的控制信號輸出端連接波長校正用多波長激光光源2的控制信號輸入端，波長校正用多波長激光光源2發(fā)出的激光信號對應第一凸透鏡3的光信號輸入端。

上述技術(shù)方案中，所述閃爍燈1為閃爍氙燈。閃爍氙燈用于發(fā)出紫外可見光。

本發(fā)明在工作過程中，在控制器信號處理器14的控制下保證紫外可見光纖光譜測量器13測得的光譜是測量光束光譜、參考光束光譜、熒光光譜、波長校正用多波長激光光譜之一，不相互重合。

本發(fā)明采用測量分辨率小于1nm的在線水質(zhì)分析光譜。

一種利用上述水質(zhì)監(jiān)測探頭的水質(zhì)紫外可見連續(xù)吸收光譜測量方法，它包括如下步驟：

步驟1：控制器信號處理器14發(fā)出閃爍燈控制指令給閃爍燈控制器15，閃爍燈控制器15控制閃爍燈1以預設(shè)的頻率(0.00167～0.067hz)和預設(shè)閃爍間隔(調(diào)整范圍15秒至10分鐘)發(fā)出紫外可見光；

步驟2：閃爍燈1發(fā)出的紫外可見光經(jīng)第一凸透鏡3匯聚后轉(zhuǎn)換為第一平行光束，第一凸透鏡3輸出的第一路光速透過第一水質(zhì)監(jiān)測窗口4照射到待測水樣5上發(fā)生吸收、散射后透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口6透射至斬光器10，第一凸透鏡3輸出的第二路光速為參考光路7，參考光路7直接透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來的兩束光調(diào)制；

步驟3：被調(diào)制的光束，經(jīng)凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器13對輸入的被調(diào)制光束(紫外可見連續(xù)吸收光譜)進行光譜測量，控制器信號處理器14實現(xiàn)光譜信號的采集(即得到吸收光譜，通過對吸收光譜的處理得到對應的水質(zhì)參數(shù))。

一種利用上述水質(zhì)監(jiān)測探頭的激發(fā)熒光光譜測量方法，它包括如下步驟：

步驟101：控制器信號處理器14發(fā)出熒光激發(fā)用多波長激光光源控制指令給熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器16，熒光激發(fā)用多波長激光光源控制器16控制熒光激發(fā)用多波長激光光源8發(fā)出預設(shè)頻率(0.00167～0.067hz)和間隔(間隔為上次發(fā)光與本次發(fā)光之間的時間間隔，調(diào)整范圍15秒至10分鐘)的激光；

步驟102：上述熒光激發(fā)用多波長激光光源8發(fā)出的激光透過第三水質(zhì)監(jiān)測窗口9照射在待測水樣5上，激發(fā)產(chǎn)生熒光；

步驟103：步驟102激發(fā)產(chǎn)生熒光透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口6透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來熒光按發(fā)光的頻率進行調(diào)制；

步驟104：被調(diào)制的熒光，經(jīng)凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器13對輸入的被調(diào)制光束進行光譜測量，控制器信號處理器14實現(xiàn)光譜信號的采集。

上述技術(shù)方案中，熒光法是根據(jù)水中存在的大多數(shù)有機物能發(fā)生熒光的特點，通過熒光光譜的分析來測定水質(zhì)有機物綜合指標。

一種利用上述水質(zhì)監(jiān)測探頭的波長校正用多波長激光光譜測量方法，其特征在于，它包括如下步驟：

步驟1001：控制器信號處理器14發(fā)出波長校正用多波長激光光源控制指令給波長校正用多波長激光光源控制器18，波長校正用多波長激光光源控制器18控制波長校正用多波長激光光源2發(fā)出預設(shè)頻率(0.00167～0.067hz)和預設(shè)閃爍間隔(調(diào)整范圍15秒至10分鐘)的波長校正用多波長激光；

步驟1002：上述波長校正用多波長激光經(jīng)第一凸透鏡3匯聚后轉(zhuǎn)換為第二平行光束，第二平行光束透過第一水質(zhì)監(jiān)測窗口4照射到待測水樣5上發(fā)生吸收、散射后透過第二水質(zhì)監(jiān)測窗口6透射至斬光器10，斬光器10在步進電機11的帶動下轉(zhuǎn)動并將透射過來的波長校正用多波長激光按發(fā)光頻率進行調(diào)制；

步驟1003：被調(diào)制的波長校正用多波長激光，經(jīng)凸透鏡12匯聚照射到紫外可見光纖光譜測量器13的光纖入口處，紫外可見光纖光譜測量器13對輸入的被調(diào)制光束進行光譜測量，控制器信號處理器14實現(xiàn)光譜信號的采集，并根據(jù)其響應光譜，確定對應探測單元(即選用的幾個波長在那些探測單元響應)，進而實現(xiàn)校正。

本發(fā)明采用紫外可見光譜法水質(zhì)檢測直接對水樣的吸收光譜進行檢測、分析，相比于其它在線檢測方式，具有無需化學試劑、無二次污染、不需樣品預處理、檢測系統(tǒng)相對簡單、測量周期短等優(yōu)點。

水樣對光譜的吸收依據(jù)朗伯比爾定律，檢測原理如圖2所示

吸光度

式中：io為入射光強度，i為入射光通過待測水樣后的透射光強度；a為水樣的吸光度；c為待測水樣濃度；d為光程，即光學窗口長度；k為光被吸收的比例系數(shù)；t為透射比，即透射光強度與入射光強度之比。

吸光度測量重要的前提條件是物質(zhì)能夠吸收紫外—可見光。當濃度采用摩爾濃度時，k為摩爾吸收系數(shù)；它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長λ有關(guān)。當一束平行單色光垂直通過某一均勻非散射的吸光物質(zhì)時,其吸光度a與吸光物質(zhì)的濃度c及吸收層厚度d成正比。

紫外可見連續(xù)光譜的水樣吸收如圖3：

紫外可見光譜檢測法是利用連續(xù)的紫外可見光譜區(qū)對水樣進行掃描，從而獲得連續(xù)的水質(zhì)中的吸光度信息，通過全光譜信息大幅度降低水質(zhì)參數(shù)建模解算時的其它因素干擾，有效減小散射干擾；通過算法對采集到的光譜信息進行預處理減少濁度對水質(zhì)參數(shù)的影響；再利用信息融合技術(shù)對水質(zhì)參數(shù)進行解算減小參數(shù)之間的互相影響使參數(shù)精度達到更高要求。根據(jù)以上數(shù)據(jù)建立光譜數(shù)據(jù)和水質(zhì)參數(shù)兩者之間的校正模型，以此模型為工具具體分析水質(zhì)參數(shù)。

本說明書未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。