基于光谱法对复杂水体进行长时间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长时间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，并且该装置采用测试路和标准路进行实时对比探测，使得探测精度更高。该装置包括壳体、光源、第一准直镜组、一分二光纤、第二准直镜组、第三准直镜组、光路切换组件、第四准直镜组、第五准直镜组、二合一光纤、第六准直镜组、同步电路板、光谱模块以及上位机。

A device and method for long time in situ detection of complex water based on Spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
基于光谱法对复杂水体进行长时间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长时间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；由于水下应用对设备要求非常高，故用于水体组份的光谱法原位探测处于起步阶段，在对水体进行连续长时间业务化运行监测时,由于光源、探测器、处理电路等的热噪声使得水质测试结果产生漂移、测试系统的随机误差无也无法有效校正。
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+多单传感器集成测量方式准确性差的问题，以及现有原位探测的系统误差和随机误差影响大等缺点，提出了一种基基于光谱法对复杂水体进行长时间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长时间原位探测的装置，包括壳体、光源、第一准直镜组、一分二光纤、第二准直镜组、第三准直镜组、光路切换组件、第四准直镜组、第五准直镜组、二合一光纤、第六准直镜组、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；其中第二区域内设置有水平隔板，水平隔板将第二区域分割为相互隔离的标准水容置腔以及与外部连通的待测水容置槽；第一区域内与待测水容置槽对应位置水平安装有第二准直镜组，以及与标准水容置腔对应位置水平安装有第三准直镜组；第三区域内与待测水容置槽对应位置水平安装有第四准直镜组，以及与标准水容置腔对应位置水平安装有第五准直镜组；位于中间的两块竖直隔板上对应第二准直镜组、第四准直镜组的位置分别设置有第一玻璃窗口；位于中间的两块竖直隔板上对应第三准直镜组、第五准直镜组的位置分别设置有第二玻璃窗口；光路切换组件安装在第一区域或第三区域内，实现标准水容置腔和待测水容置槽内光路的切换；光源安装在壳体前端内部，光源发出的光束通过第一准直镜组以及一分二光纤后分为两个光束，其中一个光束通过第二准直镜组、第四准直镜组对待测水进行探测，另一光束通过第三准直镜组、第五准直镜组对标准水进行探测，两束探测光通过二合一光纤、第六准直镜组输送至安装在壳体后端内的光谱模块；光谱模块将两束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，上述光路切换组件包括电机及遮光板；电机水平安装在第二准直镜组和第三准直镜组之间或第四准直镜组和第五准直镜组之间，遮光板安装在电机输出轴上，通过电机输出轴旋转带动遮光板旋转，从而对第二准直镜组、第四准直镜组之间光路以及第三准直镜组、第五准直镜组之间光路进行切换。进一步地，该装置长时间置于水下应用时，为了减小水下杂质沉积在第一玻璃窗口上，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腔外部的壳体外壁上；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、一分二光纤位于前段安装套筒内；所述第二准直镜组、第三准直镜组、光路切换组件、第四准直镜组、第五准直镜组均位于中段密封套筒内；所述二合一光纤、第六准直镜组、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：获取探测装置的本底误差Δ；步骤1.1：将探测装置置于标准水的环境中，使用光路切换组件先遮住标准水容置舱所对应的一侧光路，光源发出的连续宽谱光，经过第一准直镜组、一分二光纤后、第二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、二合一光纤、第六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待测水光路一侧的标准水对应光谱测试曲线的吸光度值步骤1.2：再将光路切换组件进行切换遮住待测水容置槽所对应的一侧光路，光源发出的连续宽谱光，经过第一准直镜组、一分二光纤后、第三准直镜组后通过标准水容置槽内的标准水，再经由第五准直镜组、二合一光纤、第六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光路一侧的标准水对应光谱测试曲线的吸光度值步骤1.3：计算本底误差，具体公式为：步骤2：待测水内杂质对应光谱曲线的吸光度值步骤2.1：将探测装置置于实际待测水的环境中，使用光路切换组件先遮住标准水容置舱所对应的一侧光路，光源发出的连续宽谱光，经过第一准直镜组、一分二光纤后、第二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、二合一光纤、第六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实际环境下待测水一侧对应的光谱测试曲线的吸光度值步骤2.2：再将光路切换组件进行切换遮住待测水容置槽所对应的一侧光路，光源发出的连续宽谱光，经过第一准直镜组、一分二光纤后、第三准本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光谱法对复杂水体进行长时间原位探测的装置，其特征在于：包括壳体、光源、第一准直镜组、一分二光纤、第二准直镜组、第三准直镜组、光路切换组件、第四准直镜组、第五准直镜组、二合一光纤、第六准直镜组、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；其中第二区域内设置有水平隔板，水平隔板将第二区域分割为相互隔离的标准水容置腔以及与外部连通的待测水容置槽；/n第一区域内与待测水容置槽对应位置水平安装有第二准直镜组，以及与标准水容置腔对应位置水平安装有第三准直镜组；/n第三区域内与待测水容置槽对应位置水平安装有第四准直镜组，以及与标准水容置腔对应位置水平安装有第五准直镜组；/n位于中间的两块竖直隔板上对应第二准直镜组、第四准直镜组的位置分别设置有第一玻璃窗口；/n位于中间的两块竖直隔板上对应第三准直镜组、第五准直镜组的位置分别设置有第二玻璃窗口；/n光路切换组件安装在第一区域或第三区域内，实现标准水容置腔和待测水容置槽内光路的切换；/n光源安装在壳体前端内部，光源发出的光束通过第一准直镜组以及一分二光纤后分为两个光束，其中一个光束通过第二准直镜组、第四准直镜组对待测水进行探测，另一光束通过第三准直镜组、第五准直镜组对标准水进行探测，两束探测光通过二合一光纤、第六准直镜组输送至安装在壳体后端内的光谱模块；光谱模块将两束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长时间原位探测的装置，其特征在于：包括壳体、光源、第一准直镜组、一分二光纤、第二准直镜组、第三准直镜组、光路切换组件、第四准直镜组、第五准直镜组、二合一光纤、第六准直镜组、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；其中第二区域内设置有水平隔板，水平隔板将第二区域分割为相互隔离的标准水容置腔以及与外部连通的待测水容置槽；
第一区域内与待测水容置槽对应位置水平安装有第二准直镜组，以及与标准水容置腔对应位置水平安装有第三准直镜组；
第三区域内与待测水容置槽对应位置水平安装有第四准直镜组，以及与标准水容置腔对应位置水平安装有第五准直镜组；
位于中间的两块竖直隔板上对应第二准直镜组、第四准直镜组的位置分别设置有第一玻璃窗口；
位于中间的两块竖直隔板上对应第三准直镜组、第五准直镜组的位置分别设置有第二玻璃窗口；
光路切换组件安装在第一区域或第三区域内，实现标准水容置腔和待测水容置槽内光路的切换；
光源安装在壳体前端内部，光源发出的光束通过第一准直镜组以及一分二光纤后分为两个光束，其中一个光束通过第二准直镜组、第四准直镜组对待测水进行探测，另一光束通过第三准直镜组、第五准直镜组对标准水进行探测，两束探测光通过二合一光纤、第六准直镜组输送至安装在壳体后端内的光谱模块；光谱模块将两束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长时间原位探测的装置，其特征在于：所述光路切换组件包括电机及遮光板；电机水平安装在第二准直镜组和第三准直镜组之间或第四准直镜组和第五准直镜组之间，遮光板安装在电机输出轴上，通过电机输出轴旋转带动遮光板旋转，从而对第二准直镜组、第四准直镜组之间光路以及第三准直镜组、第五准直镜组之间光路进行切换。


3.根据权利要求1或2所述的基于光谱法对复杂水体进行长时间原位探测的装置，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腔外部的壳体外壁上；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。


4.根据权利要求3所述的基于光谱法对复杂水体进行长时间原位探测的装置，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。


5.根据权利要求4所述的基于光谱法对复杂水体进行长时间原位探测的装置，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。


6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：于涛，胡炳樑，张周锋，张兆会，刘宏，刘嘉诚，雷会平，王雪霁，
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