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制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Device and method of intermittent in-situ detection for complex water body based on Spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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。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。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。
技术实现思路
本专利技术针对现有人工取样+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。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术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；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。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。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。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。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；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。进一步地，上述前段安装套筒的前端为防撞设计。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。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：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进行计算可反演得到待测水内杂质的浓度结果。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术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。2、本专利技术采用电刷组件，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。附图说明图1为实施例的结构示意图；图2为中段密封套筒处的结构示意图；图3为中段密封套筒处的俯视图；附图标记如下：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。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，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。在本专利技术的描述中，需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：于涛，胡炳樑，张兆会，张周锋，刘宏，刘嘉诚，王雪霁，雷会平，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61