一种以单个uv-led为光源的紫外荧光三信号水质传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及环境监测和水处理领域，具体涉及一种以单个UV-LED为光源的紫 外荧光三信号水质传感器。
【背景技术】
[0002] 溶解性有机物的组成和性质，对强化混凝、膜过滤、高级氧化、吸附与离子交换等 工艺的处理效果均具有重要影响。溶解性有机物，特别是蛋白类和腐殖质类物质，是氯化消 毒工艺中消毒副产物的重要前驱体，因此在水处理过程中，溶解性有机物是重要的监测对 象。
[0003] 现有的水处理工艺，通常以设定的参数进行程序化地运行。由于水质存在波动，各 种水处理工艺的运行参数难以根据实际情况及时做出调整，存在药剂、能源和材料的过度 消耗或不足的问题。近年来，物联网、云计算和工业4.0等概念正在改变着人们的生活和生 产方式，而传感器是实现这些概念的重要前端环节之一。现有的水处理工艺迫切需要一种 灵敏、快速、高效、经济、简易的在线有机物监测装置，为现有水处理工艺和装备地自动化控 制通过传感器提供负反馈信号。
[0004] 目前对水体中溶解性有机物进行监测分析的常用方法与指标主要包括:化学需氧 量（chemicaloxygendemand，C0D)、总有机碳（totalorganiccarbon，T0C)、紫外光谱、焚 光光谱。与COD和TOC方法相比，光谱法无需化学试剂，且快速、灵敏、方便，更适合为水处理 系统的自动化控制提供在线负反馈信号。
[0005] 目前一些特定波长的紫外吸收值，如254nm(简称UV254)，已列入美国环境保护局 水与废水检测标准方法(EPASM5910B)，作为反映水体中有机物相对浓度和芳香性的替代 性指标而被广泛运用。之所以选用254nm波长，是因为早期紫外光谱仪采用低压汞灯为光 源，其中一条主射线在254nm附近。目前采用紫外光谱法的溶解性有机物在线监测产品和专 利主要采用UV254吸光度指标（比如专利文献一一一种投入式紫外吸收在线分析仪，申请 号：201110106617.8)，其光源普遍采用寿命较长的脉冲氙灯，但仍存在体积大、能耗高、需 要分光和散热构造等问题。
[0006] 相对于氙灯，深紫外LED具有单色性好、体积小、能耗低和发光效率高等优点。目前 商业化比较成熟的深紫外LED有265 ±5nm，280 ±5nm和310 ±5nm等系列波段。基于现有理论 与技术，随着LED波长越低，其芯片需要掺杂更多的铝元素，成品率、发光效率和使用寿命也 随之降低，同时产热量急剧升高。选用254nm附近的LED作为光源同样会存在效率、寿命、散 热和价格问题。
[0007] 由于水体中蛋白类和腐殖质类物质所固有的荧光特性，近年来三维荧光光谱 (excitationemissionmatrix，EEM)在对各类水体中溶解性有机物的表征方面得到广泛 运用。根据三维荧光光谱，合理选择荧光光谱指标，即激发波长与发射波长参数，是实现荧 光法在线应用的关键。关于三维荧光光谱中荧光峰的解释，传统观点错误地认为不同激发/ 发射波长的荧光峰来自于不同的物质。我们前期的研究表明激发波长不同而发射波长相同 的荧光峰反映相同的物质，因此对于发射波长相同的荧光峰只需要选择一个激发波长即 可。通常情况下，根据发射波长的位置，可以区分蛋白类物质和腐殖质类物质。我们前期的 发明中，提出了一种以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（申请号201410502662.9)，但为实现探测蛋白类和腐殖质类荧光，需要采用两个不同的 LED作为光源，而光源的不统一，往往会造成检测的不必要的误差。 【实用新型内容】
[0008] 1.要解决的技术问题
[0009]针对现有技术中存在的针对水质检测中紫外吸收分析设备往往体积较大而不方 便携带、成本高和多光源存在不必要误差的问题，本实用新型提供了一种以单个υν-LED为 光源的紫外荧光三信号水质传感器。它综合利用紫外的普适性和荧光法的选择性和灵敏 性，可以实现对水体中溶解性有机物总体浓度变化的监测，同时可以反映蛋白类或腐殖质 类等荧光组分浓度的变化，为水处理提供一种灵敏、快速、高效、经济、简易但信息丰富的在 线监测装置。
[0010] 2.技术方案
[0011]本申请发明人经过长期研究发现UV280与UV254均反映相同的溶解性有机物，只是UV280的吸光度值相对较弱，并对江苏省16个县级以上地区饮用水源地以及德国卡尔斯鲁 厄地区莱茵河的调研结果表明，地表水中UV280/UV254二者比值约为0.75,因此可以通过增 加光程和后续信号处理电路两种方式提高UV280灵敏度。结合LED和光电二极管的性能，选 用UV280替代UV254指标具有可行性和经济性。此外，UV280还可作为蛋白类荧光的激发光 源。本申请发明人在近期实验过程发现，280±15nm的紫外光可以同时激发蛋白类和腐殖质 类物质产生荧光。虽然280nm波长附近的紫外光不是腐殖质荧光的最佳激发波长，但是由于 带通滤光片的透过率和光电二极管的响应在410~480nm可见光波段均较高，仍可以足够灵 敏地探测腐殖质类荧光信号。
[0012]为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：
[0013] 一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器，包括光路部分和信号控 制处理部分，光路部分包括UV-LED、样品池、紫外探测器、荧光探测器A和荧光探测器B;信号 控制处理部分包括电源模块、信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C、模数转换器和微处 理器;UV-LED为1个，其中：打开电源后，微处理器输出开关指令给UV-LED驱动电路，控制UV-LED按设定周期点亮或熄灭，所发出的紫外光经过样品池内水样吸收后，产生的荧光和未被 吸收的紫外光分成三路进行探测:一路经荧光探测器A检测、二路经荧光探测器B检测、三路 经紫外探测器产生电信号，再分别经信号放大器A、信号放大器B、信号放大器C进行放大处 理，全部经模数转换器进行模数转换成数字信号后，输送入微处理器处理。
[0014] 优选地，信号控制处理部分还包括介于电源模块和UV-LED之间的LED驱动电路以 及和微处理器通过导线和数据线连接的显示屏、存储器、控制键盘、无线通讯装置;微处理 器将数字信号储存到存储器，或者经数据线/无线通讯装置传输通过上位机接口输出到上 位机中，显示屏实时显示数字信号，并通过控制键盘或上位机对整个传感器进行控制和参 数输入。
[0015]优选地，所属的电源模块由锂电池作为内置电源，经DC-DC升压转换模块为信号控 制处理部分供电，并通过恒流源电路对光路部分中的UV-LED进行供电。
[0016] 优选地，荧光探测器A包括光电二极管和带通滤光片A，荧光探测器B包括光电二极 管和带通滤光片B;带通滤光片A波长为330~360nm，用于蛋白类荧光的监测；带通滤光片B 波长为410~480nm，用于腐殖质类荧光的监测;检测时，水样中荧光团受激所发出的荧光分 别经过带通滤光片A和带通滤光片B照射到光电二极管上产生电信号。
[0017]优选地，恒流源电路以连续或间断方式工作，实现以设置的采集频率对水质进行 监测。
[0018] 优选地，υν-LED灯光源为中心波长为280 ±15nm范围的深紫外LED灯。
[0019]优选地，紫外探测器采用紫外强化响应的光电二极管，荧光探测器采用蓝光强化 响应的光电二极管。
[0020] 优选地，样品池的水样以虹吸、蠕动栗以及水样自身的流速或压力实现样品采集， 进行在线监测或选用比色皿取样进行便携式人工取样测定。
[0021]优选地，υν-LED发光角小于30度，以避免斜射，样品池或比色皿为石英透光材质。 [0022]一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器的应用，至少能够应用于 水质在线监测、饮用水中消毒副产物生成势的预测、臭氧高级氧化工艺中微污染物的降解 程度预测。
[0023] 3.有益效果
[0024]相比于最接近的现有技术，本实用新型的有