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复合封装LED光源及基于该光源的水质监测装置制造方法及图纸

技术编号:20910890 阅读:40 留言:0更新日期:2019-04-20 08:40
本发明专利技术属于在线水质监测领域,特别是一种复合封装LED光源及基于该光源的多参数水质监测装置。LED复合光源将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片封装在同一基底上。水质监测装置还包括紫外‑可见吸收探测光电二极管B,荧光探测光电二极管C,石英片A、B、C;LED复合光源封装的LED芯片交替发‑出不同波长的光,光照射到水体,发生吸收、散射以及产生荧光,产生的荧光被荧光探测光电二极管C探测;未经吸收和散射的光照射到紫外‑可见吸光度探测光电二极管B上。本申请将不同波段的LED芯片封装在同一基底上,可以同时测定硝酸根、浊度和色度指标以及反映溶解性有机物浓度水平,具有体积小、功耗低和快速灵敏等优点。

Composite Packaged LED Light Source and Water Quality Monitoring Device Based on the Light Source

The invention belongs to the field of online water quality monitoring, in particular to a composite encapsulated LED light source and a multi-parameter water quality monitoring device based on the light source. LED composite light source encapsulates 230 +10 nm deep ultraviolet LED chip, 275 +10 nm deep ultraviolet LED chip and 0-3 visible LED chips on the same substrate. Water quality monitoring devices also include ultraviolet-visible absorption detection photodiode B, fluorescence detection photodiode C, quartz A, B, C; LED chips encapsulated by LED composite light source alternately emit light of different wavelengths, which irradiates into water body, absorbs, scatters and generates fluorescence, and the fluorescence generated is detected by fluorescence detection photodiode C; light irradiated by non-absorbed and scattered light is detected by fluorescence detection photodiode C. Ultraviolet and visible absorbance detects photodiode B. This application encapsulates different bands of LED chips on the same substrate, which can simultaneously measure nitrate, turbidity and chroma indicators and reflect dissolved organic matter concentration level. It has the advantages of small size, low power consumption and fast sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
复合封装LED光源及基于该光源的水质监测装置
本专利技术属于环保领域的在线水质监测领域,特别是一种复合封装LED光源及基于该LED复合光源的多参数水质监测装置。
技术介绍
水质在线监测,是在线测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势,评价水质状况的过程。水质在线监测是防治水体污染和保障饮水安全的重要手段,为污水处理、河道与湖泊水环境治理以及饮用水净化效果提供重要的评价判断依据。水质在线监测指标众多,包括物理指标、化学指标和生物指标等。溶解性有机物(dissolvedorganicmatter,DOM)广泛存在于各类自然水体和污水中,主要包括大分子蛋白类、中等分子量的腐殖酸、富里酸以及其他小分子物质。在污水处理中,DOM是化学需氧量(Chemicaloxidedemand,COD)指标的主要贡献者,是形成河道黑臭水体的主要因素;在饮用水处理过程中,DOM可在氯化消毒工艺中生成具有致癌作用的消毒副产物;在末端管网中,DOM可为管道中微生物的生长提供碳源,造成生物污染。分析检测DOM浓度水平的方法主要包括化学法和光谱法。其中化学法主要包括化学需氧量测试和总有机碳测试,而光谱法主要包括紫外-可见吸光度法和荧光光谱法。化学法虽然在国家或行业标准中广泛采用,但其在线监测设备结构复杂,体积较大,价格高昂,测试周期长,需要化学试剂,存在二次化学污染,运维与废液处理费用高昂;而光谱法具有快速灵敏和无需化学试剂等优点。紫外吸光度法主要探测水中含有苯环等芳香性结构及其衍生物,水中的大分子蛋白类、腐殖酸、富里酸以及一些含有苯环的小分子化合物均可被紫外吸光度法所探测;溶解性有机物的荧光主要包括蛋白类荧光、腐殖质类荧光和叶绿素等色素类荧光。蛋白类荧光的发射波长范围为310-360nm;腐殖质类荧光的发射波长范围为400-500nm;叶绿素荧光的峰值波长为685nm左右。蛋白类荧光信号主要是探测水中含有苯酚或苯胺类结构的物质,包括大分子蛋白类、腐殖质、富里酸、色氨酸、酪氨酸以及一些含有苯酚或苯胺结构的小分子化合物;腐殖质类荧光主要探测水中的腐殖酸、富里酸以及萘酚类、萘胺类、奎宁类、喋呤类(荧光峰发射波长~450nm)等含有多环芳香性结构的物质。在一定程度上,紫外吸光度UV254、蛋白类荧光和腐殖质类荧光,可以反映水中溶解性有机物种类及其浓度水平。浊度指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度,它包括悬浮物对光的散射和溶质分子对光的吸收。浊度可以反映水中泥土、砂砾、浮游生物等悬浮物和胶体的含量,是人可以直接观察感受到的水质指标之一,也是目前水质监测领域的常规五参数之一(pH、温度、溶氧、电导率、浊度)。浊度的测试方法主要包括比浊法或散射光法,其中散射光法是目前在线浊度计的分析方法。受污水排放和农业大量施用化肥的影响,近年来水体富营养化日趋严重,氮和磷是造成水体富营养化的重要营养元素。在自然水体中,硝酸盐是含氮有机物氧化分解的最终产物,硝态氮(NO3-N)是氮元素在自然水体中的主要存在形式。硝态氮的测试方法有酚二磺酸光度法、紫外分光光度法、离子色谱法等。尽管目前已有酚二磺酸光度法在线监测设备,但由于酚二磺酸试剂不稳定,需要定期更换,同样限制了广泛应用。紫外分光光度法的原理是利用硝酸根在220nm处有紫外吸收而在275nm处无紫外吸收,自然水体中溶解性有机物在220nm和275nm处的吸光度之间的关系约为Abs220=2Abs275,通过计算Abs220-2Abs275来消除溶解性有机物对硝酸盐测定的干扰。综上所述,溶解性有机物、浊度和硝态氮的在线监测均可采用光谱法实现。奥地利S:CAN公司所开发的浸入式UV-Vis紫外可见吸收光谱探头,采用脉冲氙灯作为光源,可实现对190nm到720nm光谱范围内的吸光度探测。其监测水质的原理主要包括采用<240nm波长的紫外吸光度来测定硝态氮,采用250-370nm波长范围的紫外来测定溶解性有机物,采用380-750nm波长范围的可见光吸光度来测定浊度、色度等。然而该浸入式UV-Vis紫外可见吸收光谱探头所采用的氙灯为连续光谱,需要分光结构,也需要复杂的电源系统实现500V以上的脉冲电压,需要较高价格的光谱传感器,难以实现微型化。随着近年来智慧水务的快速发展,水环境监测行业迫切需求体积小、成本低、功耗低和易维护等水质传感器或监测设备,以实现广泛地布设监测点。在此背景下,光谱法在线监测DOM浓度水平逐渐得到水质行业认可,并在一系列“河长制”水质监测项目中广泛运用。发光二极管LED具有体积小、功耗低、成本低、单色性好、操作电压低、可高速频繁开关等优点。脉冲氙灯光源的重要优势在于可以发出<240nm的UVC紫外光,用于硝态氮的在线分析;而近年来,AlGaN基LED的最短波长可达到210nm,但发光效率较低;2017年美国制造出较为稳定的232nm最短波长的GaN基LED,发光效率得到显著提升,美国专利US20170254752A1公开了一种水质监测探头,采用229nm的LED作为光源,根据硝酸根在229nm的紫外吸光度用于检测水中的硝酸根浓度,然而自然水体中存在大量的自然有机物,自然有机物在229nm处同样存在强烈吸收,对实际水样中的硝酸根的检测造成严重干扰。中国专利技术专利CN201410502662.9,公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法,中国专利技术专利CN201510738667.6,公开了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用,上述两个申请案均采用了以单个紫外LED为光源,同时测定紫外吸光度值、蛋白类或腐殖质类荧光信号来实现对水中溶解性有机物浓度的监测。上述专利技术主要适用于市政水厂等饮用水或再生水等低浊度水中的溶解性有机物监测,而应用于野外的水质在线监测,仍存在如下问题需要克服:(1)水中浊度会对溶解性有机物的测试造成干扰,需要利用浊度进行数值校正和辅助判断;(2)硝酸根或硝态氮浓度是目前水质在线监测的重要指标之一,然而前期所申请专利中的水质监测装置无法实现;(3)无法反映水的颜色;(4)LED光源的强度随时间存在衰减,影响光谱信号的准确性。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种复合封装LED光源及基于该LED复合光源的水质监测装置。实现本专利技术目的的技术解决方案为:一种复合封装LED光源,包括230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片,将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片封装在同一基底上,采用共用阳极、独立阴极或共用阴极、独立阳极的封装方式引出接线引脚,分别连接各自的驱动电路,实现独立开关控制。进一步的,所述的可见光LED芯片选自465±10nm蓝光LED芯片、520±10nm绿光LED芯片和655±10nm红光LED芯片。所述的复合封装LED光源的波长组合包括以下几种:(1)230±10nm深紫外和275±10nm深紫外,(2)230±10nm深紫外、275±10nm深紫外和465±10nm蓝光,(3)230±10nm深紫外、275±10nm深紫外和520±10nm绿光,(4)230±10nm深紫外、本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种复合封装LED光源,其特征在于,包括230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片,将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片封装在同一基底上,采用共用阳极、独立阴极或共用阴极、独立阳极的封装方式引出接线引脚,分别连接各自的驱动电路,实现独立开关控制。

【技术特征摘要】
1.一种复合封装LED光源,其特征在于,包括230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片,将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0~3个可见光LED芯片封装在同一基底上,采用共用阳极、独立阴极或共用阴极、独立阳极的封装方式引出接线引脚,分别连接各自的驱动电路,实现独立开关控制。2.根据权利要求1所述的复合封装LED光源,其特征在于,所述的可见光LED芯片选自465±10nm蓝光LED芯片、520±10nm绿光LED芯片和655±10nm红光LED芯片。3.一种基于权利要求1-2任一项所述的复合封装LED光源的多参数水质监测装置,其特征在于,还包括紫外-可见吸收探测光电二极管B(12)、荧光探测光电二极管C(13)、石英片A(5)、石英片B(6)、石英片C(7)、带通滤光片(14);所述石英片A(5)、石英片B(6)和石英片C(7)构成U型槽Ⅰ,待测水样在U型槽Ⅰ中流通,其中所述石英片A(5)和石英片B(6)相对设置,构成U型槽Ⅰ的竖直部分,石英片C(7)水平设置,与石英片A(5)和石英片B(6)的底部连接,构成U型槽Ⅰ的底部;复合封装LED光源(9)所封装的LED芯片交替发出不同波长的紫外或可见光,光透过石英片A(5)照射到U型槽Ⅰ内的水体,发生吸收、散射以及产生荧光,其中所产生的荧光经过石英片C(7)和带通滤光片(14)被荧光探测光电二极管C(13)所探测,而蓝光遇到颗粒物和胶体所形成的散射光透过探测腐殖质类荧光的带通滤光片(14),被荧光探测光电二极管C(13)所探测;未经吸收和散射的光穿过水体、透过石英片B(6),照射到紫外-可见吸光度探测光电二极管B(12)上。4.根据权利要求3所述的多参数水质监测装置,其特征在于,还包括比例分光片(10)和参考光路光电二极管A(11),所述比例分光片(10)与复合封装LED光源(9)的轴线呈45°角设置,比例分光片(10)将复合封装LED光源(9)发出的光线分为两路,一路保持与原来相同的方向,另一路则与原有方向垂直,其中一路作为测量光路,一路作为参考光路,分光比例从10/90到90/10。5.根据权利要求4所述的多参数水质监测探装置,其特征在于,所述复合封装LED光源(9)的轴线与U型槽的轴线...

【专利技术属性】
技术研发人员:李文涛吴亚萍李爱民张光延李燕庄建军季闻翔江浩楠陈春鸣韩玉泽
申请(专利权)人:南京大学
类型:发明
国别省市:江苏,32

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