一种基于光纤耦合紫外光源的水质cod检测器及其预测模型优化系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于光纤耦合紫外光源的水质C0D检测器及其预测模型优化系 统，所述的检测器可用于水体中水质C0D检测和分析，属于传感器领域。
【背景技术】
[0002] 化学需氧量（ChemicalOxygenDemand，C0D)是以化学方法测量水样中有机物被 强氧化剂氧化时所消耗之氧的相当量，用以表示水中有机物量的多寡，它反映了水中受还 原性物质污染的程度。根据我国水质检测技术要求，C0D是目前衡量水质状况的最重要指 标之一，也是水质监测中的必测项目。随着2015年《实行最严格水资源管理制度考核工作 实施方案》的印发，全面完成了 2013年度实行最严格水资源管理制度考核工作，C0D排放量 得到了有效控制，但其较大的排放量仍不容忽视，有关C0D检测技术的原理和技术的研发 依旧是现代水质检测研究的重要部分。
[0003] 目前国内水质化学需氧量的检测依旧是依据采用GB11914-89《重铬酸盐法水质化 学需氧量的测定》方法测量.其测量需要采样后进行化学滴定，基于物质之间的反应间接获 取待测物的含量，检测过程繁琐复杂，同时也会造成二次污染。近些年，国内外多基于纯物 理的光学检测方法进行了大量的研究，并通过一些实际的实验验证证实可行。由于不需要 化学试剂而不会产生二次污染，又具有检测速度快和重复检测的特点，适合实时在线检测。 根据物质吸收光谱的不同来检测有机污染的技术早已问世，紫外吸光度也被有些国家作为 有机污染检测的综合指标。
[0004] 本发明在已报道的技术的基础上设计了一款光纤耦合紫外LED光源，拟选用中心 波长为307nm的中波紫外线波段高功率LED作为光源，由水体中各成分的吸收光谱不同的 原理来测定水中C0D的含量，又加入预测模型优化算法从而有望开发出便捷、高效、精度高 的C0D检测系统，并通过与现有标准方法所测C0D值进行比对和校准，得到完整的数据比对 体系，以进行水中C0D含量的检测，从而构建本次发明。本发明所提供的检测器检测时可少 量取样便获得较高的测量准确度，同时分析过程需时较短。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种基于光纤耦合紫外LED的水质C0D检测器及其预测模 型优化系统，提供的检测器用于自然水体中C0D的检测，其预测模型优化系统则提供了快 捷准确的运算体系，构成的高便捷度、高精确度的检测系统具有很好的推广价值。
[0006] 本发明的检测器部分的基本原理是朗伯-比尔定律，是指当一束平行单色光通过 均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。水 体中的大部分有机物在紫外区域内具有吸收特性，存在共辄双键、苯环等共辄体系的化合 物在紫外波段具有吸收，如苯系物、吡啶、苯酚类等。虽然此方法无法测出所有的有机物，但 却能检测到一些化学滴定法无法测得的笨系物等，是一种比较客观全面的水中有机物检测 法。
[0007] 本发明所提供的一种紫外吸收水质COD检测器主要由激发光源及信号发射模块 和检测池和接收模块等组成，其中激发光源及信号发射模块（一），包括紫外LED电路驱动 板，304nm带通滤光片，信号光纤；检测池（二），包括304nm带通滤光片，10mmX10mm的石 英比色皿，反射镜，反射镜；接收模块（三），包括304nm带通滤光片和接收光纤。其中激发 光源及信号发射模块（一）和接收模块（三）在不锈钢外壳内，检测池（二）的304nm带 通滤光片和两片反射镜也在不锈钢外壳内，比色皿为可拆卸设计，可将其卸下后装入样本 在装回原位。
[0008] 具体各部件阐述如下：
[0009] 紫外LED驱动电路：
[0010]LED需要采用恒流源驱动，系统采用12V直流电源供电，通过LM7806进行电压调 节。恒流输出通过MHL7136来实现。MHL7136是一款LED线性降压恒流集成电路，它的输 入电压在2. 7~18V，可以提供10mA~1A之间可调的输出电流。LED的正负极分别接在 MHL7136的VDD端和LED端。紫外LED购自美国SETI公司，型号为LED-BL-305。
[0011] 反光镜：
[0012] 比色皿的两侧后方加入紫外高反射率的反光镜以反射所激发出的荧光，增强输出 焚光的强度。
[0013] 不锈钢防水外壳：
[0014] 检测器的（一）、（三）模块和（二）模块的部分内容以不锈钢外壳进行封装，各 模块之间以具有SMA接口的光纤进行连接，并在不锈钢的接口处加以防水胶封，确保仪器 的安全和准确率。
[0015] 本发明所述的预测模型对传统的算法进行优化，提出一种基于粒子群算法联合最 小二乘支持向量（PS0_LSSVM)预测水质C0D模型的优化方法，进而通过引入PCA算法对模 型输入光谱数据进行降维预处理以提高模型的收敛速度。克服了LSSVM模型的精度较低、 泛化能力和稳健性较差等缺点。
[0016] 4)本发明所述的水质C0D检测器由于采用紫外LED作为光源，光源强度稳定，可以 多次测量，抗干扰能力强，使用寿命长，适应能力强，具有很广阔的前景。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例的基于光纤耦合紫外LED检测器总体结构示意图，图中示例 说明如下：
[0018] 1.紫外LED电路驱动板 2. 304nm带通滤光片 3.信号光纤
[0019] 4. 304nm带通滤光片 5. l(tomX10謹的石英比色皿 6.反射镜
[0020] 7.反射镜 8. 304nm带通滤光片 9.接收光纤
[0021] 图2为本发明实施例的紫外LED驱动电路图
[0022] 图3为PS0_LSSVM算法流程示意图
[0023]图4为实际测得数据和预测模型的曲线
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图进一步阐述本发明的实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅局 限于实施例。
[0025] 实施例1 :
[0026] 本发明所提供的基于光纤耦合紫外LED的水质C0D检测器的结构如图1所示。所 述的基于光纤耦合紫外LED的水质C0D检测器主要由所述的激发光源及信号发射模块单元 包括：紫外LED电路驱动板1，304nm带通滤光片2,信号光纤3 ;检测池模块包括：304nm带 通滤光片4,10mmX10mm的石英比色皿5,反射镜6,反射镜7 ;接收模块包括透镜8,接收光 纤9;信号光纤3和接收光纤9成90°夹角；激发光源和信号发射模块以及接收模块的全部 部件和检测池的部分封装在不锈钢外壳内，各模块之间由带有SMA接头的光纤连接；将待 测样本置入检测池模块的比色皿中，接通电源后，信号光纤耦合激发光源并进入比色皿，接 收光纤收集经水中有机物吸收后的紫外光，传导经过304nm带通滤光片进入光谱仪，传输 到计算机中。
[0027] 实施例2 :
[0028] 1)对模型PCA降维处理
[0029] 光谱仪为OceanOptics公司的USB4000微型光纤光谱仪，每条光谱数据点为1204 个。在得到数据后，首先，对获得的光谱数据进行去噪、浊度校正处理；然后，采用PCA算法 对构成的输入样本矩阵进行冗余信息剔除。PCA分析的具体步骤如图3所示：
[0030] 对于给定的样本集（x^ ，（x2,y2)，（X；?，yJ，......，（χη，yn)，XieRn为n维输入 向量，yi为一维输出向量，n为样本数，LSSVM构造如下最小化目标函数及其约束条件：
[0031] (1)
[0032] 式⑴中，ωeRn，为权向量，〇/为ω的转置；γ为正规化参数；ek为误差变量； Φ(xk)是将输入向量映射到高维特征空间的函数；J(?，e)为Lagrange函数；beR，为偏 置参数.相应的Lagrange