判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，本发明专利技术装置集成了水路、电路、光路，采用小型光谱仪以及三棱镜分光模块，成本低、便于携带与维护；可在现场一次检测中同时得到离散三维荧光光谱和吸收光谱，利用吸光与荧光机理上的关联性增强特征峰。设定循环采样后，可实现无间断原位连续测量，得到的光谱数据涵盖了不同时间的水质异常信息及污染类别信息，通过本发明专利技术装置得到的数据能够用于快速判断是否污染和污染类别。通过边云协同的方式，可以不用将检测的底层数据上传到云端分析，计算资源可由多个检测装置分享，节省水质分析的网络流量，提升了处理速度和运行效率。和运行效率。和运行效率。

【技术实现步骤摘要】
判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置


[0001]本专利技术属于荧光/可见光吸收谱检测领域，尤其涉及一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置。

技术介绍

[0002]水质监测的核心内容是使用在线或离线的技术手段长期监测水体状况，存储相关的水质历史数据，分析研究水质的变化规律，为相关部门在应对水质应急灾害、开发利用水资源时提供相应的科学决策依据等。水质监测的数据获取方式有离线手段和在线手段两种，包括环境质量监测与污染源监督监测类型，数据因子主要为《GB5749
‑
2006生活饮用水卫生标准》、《CJ
‑
T206
‑
2005城市供水水质标准》、《GB3838
‑
2002地表水环境质量标准》中涉及的参数，这些监控参数切实提升了水质监管水平和水体质量。
[0003]然而，现有的水质监控系统还普遍存在如下一些局限性：
[0004]1)获取水质信息的手段以固定式自动监测站和实验室分析为主，检测周期长，检测手段复杂，只能掌控河道水质宏观的总体指标，对于动态变化的水质状况监测不足。
[0005]2)智能化水平不高，重数据监测、轻数据分析，大多数系统只进行水质参数的定量化检测，根据超标进行报警，未能充分挖掘大数据中的相对变化和隐含信息。
[0006]3)少数有及时预警报警功能的系统，只能检测出异常，并不能识别判断是何种异常，仍然需要采取水样进行实验室分析，延误了应急事故处理的时机。
[0007]为此，面对水环境治理方面的严峻形势和存在问题，迫切需要研究适用于水体智能异常检测和识别的方法和提高突发污染应急处理能力，解决水质立体化监测与分析、水质智能化分析、智能化云平台构建等问题，为水体治理与维护工作提供多个层面的支撑。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置。本专利技术搭建离散三维荧光/可见光吸收谱的检测硬件，并实现基于此硬件的水质污染判别方法；本专利技术装置操作简单，便于携带，且可以连续采样与检测，配合算法可以实现实时实地、连续快捷地水质污染检测。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，包括光谱采集模块、上位机。
[0010]光谱采集模块包括光源、分光模块、光谱检测模块、水泵。
[0011]分光模块包括三棱镜、光阑、流通池、透镜、步进电机。三棱镜连接步进电机。
[0012]光谱检测模块包括两台光谱仪。
[0013]水泵包括排空泵、冲洗泵、进样泵。排水泵接入空气，冲水泵接入纯水，进样泵接入样本。流通池上设有上下两个端口，下端同时连接三个水泵，上端为出水口。
[0014]光源经过透镜准直后，再依次经过三棱镜、光阑分光，然后通过透镜聚焦后得到的入射光垂直射入流通池，在光路透射方向得到吸收光谱，在垂直于光路透射方向得到荧光
光谱。通过步进电机控制三棱镜移动，从而改变入射光波长；不同的入射光波长，对应不同的吸收光谱和荧光光谱。样本的吸收光谱为不同入射光波长对应的吸收光谱的平均值；样品的荧光光谱为不同入射光波长对应的荧光光谱的向量拼接矩阵。
[0015]吸收光谱和荧光光谱分别输入一台光谱仪。
[0016]上位机与光谱采集模块的通信，包括控制步进电机改变三棱镜位置、控制水泵开闭时序、控制光谱仪的采样通道开闭。
[0017]进一步地，上位机与步进电机、水泵的通信具体为：上位机作为TCP客户端，发送i
‑
j
‑
T指令实现对应的控制。步进电机、水泵作为TCP服务器端，时刻等待上位机指令。i代表控制对象，包括步进电机、水泵；j代表当前控制对象的执行动作，步进电机的执行动作包括正转、反转，水泵的执行动作包括打开排空泵、冲洗泵、进样泵；T代表当前控制对象的执行动作的参数，针对步进电机，T是给到步进电机的脉冲数，p是转一圈对应的脉冲数，则步进电机转动圈数为T/p；针对水泵，T为水泵运行时间。
[0018]进一步地，包括：
[0019](1)波长标定：标定三棱镜不同位置与入射光波长的对应关系，得到步进电机的转动圈数与入射光波长的关系表。
[0020](2)暗背景检测：对空的流通池，在无光源环境下开启吸收光谱连接的光谱仪，测得吸收光谱暗环境数据α
d
。
[0021](3)纯水光谱检测：纯水检测设定波长为k组。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为α
w
(i)和β
w
(i)。打开光源，棱镜置于初始发射波长位置，流通池充满纯水，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得纯水的吸收光谱数据α
w
(1)和荧光光谱数据β
w
(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，排空流通池，棱镜复位至初始位置。
[0022](4)样本光谱检测：待测波长也为k组，与纯水检测设定波长相同。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为α
s
(i)和β
s
(i)。将流通池充满样本水样，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得吸收光谱数据α
s
(1)和荧光光谱数据β
s
(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，则检测结束，排空流通池。
[0023]进一步地，样本的吸收光谱A由下式求解：
[0024][0025]其中，
[0026]样本三维荧光光谱数据F由下式求解：
[0027]F＝B
s
‑
B
w
[0028]B
s
＝[β
s
(1),β
s
(2),
…
,β
s
(i)
…
,β
s
(k)][0029]B
w
＝[β
w
(1),β
w
(2),
…
,β
w
(i)
…
,β
w
(k)][0030]其中，B
s
、B
w
分别为样本、纯水在每个入射光波长i下的荧光光谱的向量拼接矩阵。
[0031]进一步地，上位机将光谱仪采集的光谱数据进行本地存储。上位机接入互联网，基于边缘计算接口实现数据采集存储及算法下发请求。上位机将光谱仪数据发送至边缘计算节点，水质污染定量定性算法在测量前已调试完成，并打包成镜像上传到云端节点。云计算
节点接受到算法下发请求后，通过调度将所需算法下发至边缘计算节点，依托边缘算力开展检测工作。检测结果由边缘节点通知上位机。
[0032]进一步地，光源采用卤素光源。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，包括光谱采集模块、上位机。光谱采集模块包括光源、分光模块、光谱检测模块、水泵。分光模块包括三棱镜、光阑、流通池、透镜、步进电机。三棱镜连接步进电机。光谱检测模块包括两台光谱仪。水泵包括排空泵、冲洗泵、进样泵。排水泵接入空气，冲水泵接入纯水，进样泵接入样本。流通池上设有上下两个端口，下端同时连接三个水泵，上端为出水口。光源经过透镜准直后，再依次经过三棱镜、光阑分光，然后通过透镜聚焦后得到的入射光垂直射入流通池，在光路透射方向得到吸收光谱，在垂直于光路透射方向得到荧光光谱。通过步进电机控制三棱镜移动，从而改变入射光波长；不同的入射光波长，对应不同的吸收光谱和荧光光谱。样本的吸收光谱为不同入射光波长对应的吸收光谱的平均值；样品的荧光光谱为不同入射光波长对应的荧光光谱的向量拼接矩阵。吸收光谱和荧光光谱分别输入一台光谱仪。上位机与光谱采集模块的通信，包括控制步进电机改变三棱镜位置、控制水泵开闭时序、控制光谱仪的采样通道开闭。2.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，上位机与步进电机、水泵的通信具体为：上位机作为TCP客户端，发送i
‑
j
‑
T指令实现对应的控制。步进电机、水泵作为TCP服务器端，时刻等待上位机指令。i代表控制对象，包括步进电机、水泵；j代表当前控制对象的执行动作，步进电机的执行动作包括正转、反转，水泵的执行动作包括打开排空泵、冲洗泵、进样泵；T代表当前控制对象的执行动作的参数，针对步进电机，T是给到步进电机的脉冲数，p是转一圈对应的脉冲数，则步进电机转动圈数为T/p；针对水泵，T为水泵运行时间。3.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，包括：(1)波长标定：标定三棱镜不同位置与入射光波长的对应关系，得到步进电机的转动圈数与入射光波长的关系表。(2)暗背景检测：对空的流通池，在无光源环境下开启吸收光谱连接的光谱仪，测得吸收光谱暗环境数据α
d
。(3)纯水光谱检测：纯水检测设定波长为k组。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为α
w
(i)和β
w
(i)。打开光源，棱镜置于初始发射波长位置，流通池充满纯水，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得纯水的吸收光谱数据α
w
(1)和荧光光谱数据β
w
(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯迪波，尹航，薛方家，夏戚宇，马志强，喻洁，黄平捷，曹云琦，张光新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：