专利名称：一种水域浓度场的多通道荧光测试系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种水域浓度场的多通道荧光测试系统和方法，是一种利用总线技术或通信网络技术对大面积水域示踪剂浓度场进行光、电子检测的测试系统和方法。
背景技术：
在大面积浓度场中测试某种物质的浓度在现代的水域环境保护研究中越来越重要。例如某河流流域的某个位置上出现可能的污染源，如何判断这个污染源对下游流域的污染影响，需要对所影响河段进行污染物水动力稀释的浓度场的了解。研究手段可以采取在物理模型的河段模型中设置测试系统的方式；也可以在自然水域中用测试系统进行原型观测的方式。
例如，目前核电厂环境污染预报研究中，要求其物理模型试验能模拟随核电厂温排水一起排放的低放射性液体流出物在水域中所形成的浓度场。试验中采用某种示踪剂来模拟所排放的低放射性流出物在水域流场中的水动力稀释过程。为获得模拟浓度场，需要能采集水流中该示踪剂浓度的仪器设备(测试系统)。由于模型模拟水域的面积十分庞大， 待测浓度场的面积不少于上千平方米。要获得其浓度场，必须使用探头群采集离散点位上的浓度，再数据合成为大面积的浓度场。如果在自然水域中设置测试系统，水域的面积更为广大，可据需要增多探头数量。
荧光检测的原理在化工及医药行业的检测仪器中均有应用，但多为用激光诱导荧光物质产生的荧光，且均为单探头式检测仪器。在水环境科研中，曾出现过用某一定波长的激光片光源诱导水中荧光物质发出荧光的浓度场检测装置，但该装置检测场的面积难于超过lm2。对大于数百平方米的水域面积绝无可能。激光光源十分昂贵，在大面积浓度场的检测中很难应用。
基于以上原因，在大面积流场中检测浓度场，面临着如何采集、储存和处理浓度场数据的问题。发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种水域浓度场的多通道荧光测试系统和方法。所述的系统和方法系采用基于单色光诱导荧光检测浓度(LIF)原理的探头，以获取离散点的浓度参数。经计算机总线或通信网络技术，将数百个测点连接起来。通过计算机总线或通讯网络将采集的数据输送到中央测控计算机中，处理离散的数据后形成完整的浓度场。
本发明的目的是这样实现的一种水域浓度场的多通道荧光测试系统，包括在水域中投放的示踪剂，设置在水域中各个探测点由多个探头组成的探头群，所述的探头通过屏蔽线缆与采集箱连接，所述的采集箱通过计算机总线或通信网络与安装有采集和标定软件的中央测控计算机连接，所述的探头包括激发所述示踪剂产生荧光的LED管，接收所述荧光的光电池。
一种使用上述系统进行水域浓度场的多通道荧光测试的方法，所述方法的步骤如下投放示踪剂的步骤用于在被测水域中选定的投放点，投放预设浓度的示踪剂；示踪剂流经探头的步骤用于携带示踪剂的水流流经各个探头的测量区；检测水流中示踪剂的步骤用于流经测量区的含示踪剂的水流被LED管照射，激发产生荧光，探头中的光电池将所述荧光转换为模拟量电流信号传输至采集箱，经由采集箱的 I/V和A/D转换，变为数字电压参数；传输的步骤用于采集箱将数字电压参数经过计算机总线或通信网络传输至中央控制计算机；循环采集数据的步骤用于中央测控计算机循环扫描各个探头，采集储存各个探头的数字电压参数；计算示踪剂浓度的步骤用于中央测控计算机依据各探头配置文件中的“浓度一电压” 线性方程的特性参数，由各探头所测量的数字电压参数计算出各探头所测量的示踪剂浓度值；以下两个步骤平行运行显示的步骤用于在中央测控计算机的显示屏上，显示所测水域及其测点布置模拟图的界面，在各探头位置上显示当前各探头所测量的示踪剂浓度值和以灰度直观表示的示踪剂浓度值符号；储存的步骤一个循环采集后，将当次采集的各探头所测的示踪剂浓度值存储，并填写在数据表格中。
一种上述测试系统的标定探头的方法，所述方法的步骤如下，本步骤所述的方法是对单个探头的标定配制标定溶液的步骤用于配制不少于10种不同浓度的示踪剂标定样本；获得系列模拟电压参数的步骤用于获得各个探头对不同浓度示踪剂标定样本所输出的系列模拟电压参数，即相对于一系列已知的浓度值，得到一系列电压参数值；绘制“浓度一电压”曲线图的步骤用于利用获取的一系列已知浓度值和对应的一系列电压参数值，绘制出“浓度一电压”曲线；获取“浓度一电压”线性方程的步骤用于根据“浓度一电压”曲线拟合出“浓度一电压”线性方程，进而获得“浓度一电压”线性方程的特性参数斜率K和节距a。
本发明产生的有益效果是本发明基于单色光诱导荧光检测浓度(LIF)的原理， 实现在大面积水域利用探头群对含示踪剂溶液的排污水所形成的浓度场的检测，并利用通信网络或计算机总线技术将设置在大面积水域的检测探头与中央测控计算机连接。通过中央测控计算机对大面积水域的示踪剂浓度进行采样、显示、分析，解决了大面积流场的浓度场测试问题。所述的探头使用价格低廉的LED管和光电池，采取了一系列排出环境光及环境无线干扰波噪声的措施，所获得的浓度参量准确。所述的系统结构简单，成本低廉，使用有限的科研经费，有效的解决了大面积浓度场的检测问题。该系统及方法填补了大型水域物理模型试验中有关污染物水动力稀释扩散浓度场检测领域的空白，对当今核电厂低放废水排放的环境影响研究，极具现实意义；此外，该系统及方法也是水域污染场现场观测的有效手段。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述测试系统的系统原理图； 图2是本发明的实施例二所述采集箱的结构示意图；图3是本发明的实施例三所述探头结构示意图； 图4是本发明的实施例三所述探头的光、电路原理图；图5是本发明的实施例四所述探头隔离帽的示意图，是图3中A位置的放大图。
具体实施方式
实施例一本实施例是一种水域浓度场的多通道荧光测试系统，如图1所示。本实施例包括在水域中投放的示踪剂，设置在水域中各个探测点由多个探头组成的探头群，所述的探头通过屏蔽线缆与采集箱连接，所述的采集箱通过计算机总线或通信网络与安装有采集和标定软件的中央测控计算机连接，所述的探头包括激发所述示踪剂产生荧光的LED管，接收所述荧光的光电池。图1所示系统是五个采集箱，每个采集箱连接三个探头的示意图。本实施例实际可以连接多达10个或更多采集箱，每个采集箱连接M个或更多的探头。
本实施例所述的水域包含两个不同的概念首先是大型水域物理模型试验的模拟水域；其次是实际江、河、湖、海的自然水域。所述的大型水域物理模型可以有效的模拟真实的自然水域水流情况。
本实施例所述的示踪剂是一种在水流中代表模拟排放物的化学试剂。利用这种化学试剂代替污染物投放在实际水域或模拟水域的上游，在下游设置检测装置检测这些示踪剂在下游水流中的浓度，然后根据检测浓度点位的坐标绘制出整个水域的浓度分布图。本实施例选择了荧光素钠作为示踪剂，除下述条件外，还因可以用蓝色LED管的光激发出荧光，并使用光电池拾取其发出的荧光。
示踪剂的选择是基于以下条件溶于水、对人体无害、温度系数小、对固壁无吸附性、用量极小，以致其水溶液不致影响温差(10°c)异重流分层特性。本实施例所选择的荧光素钠基本符合这些要求。
本实施例所述的探头基于LIF原理，是一种激发示踪剂荧光和拾取荧光的装置。 因此，探头包括两个最基本的部分发射部分和接收部分。
基于LIF原理的检测仪器，其发射部分通常使用激光光源或热光源，如钨灯泡；气体放电光源，汞灯泡等。由于本实施例有数百探头，首先不可能采用昂贵的激光器件；其次， 不可能采用体积较大的热光源等，以致使探头干扰水流运动。对激发光源的基本要求是发出与示踪剂激发光相符的特定窄带光谱的光，激光器最符合要求，但过于昂贵；LED管相对激光光源的相干性较差，但经济性能很好。特别是近几年新出现的超高亮度的LED管，单色性较好，又十分便宜，符合本实施例所述系统数百探头制造的要求。
接收部分的作用是接收示踪剂所发出的荧光。其基本要求是对被接受的荧光波段敏感，排除其他光的干扰，正确的拾取荧光。接收荧光的元件可以有多种选择，一般多使用光电倍增管、雪崩二极管等具有极大放大功能的昂贵器件，而光敏三极管、光敏二极管(光电池)等很少采用，且光电放大功效相比很弱，但价格低廉。是合适的选择。
由于环境中不乏与被激发的荧光同样波长的杂光存在，为使本实施例所述系统能在普通环境中使用，必须排除外界光的干扰。本实施例在光电池进光侧设置带通型滤光片， 仅允许荧光波段的光通过并滤除掉杂色光。
为使检测准确，本实施例在探头中设置了隔离帽，使光的照射和接收局限在一个固定体积的水流范围内，仅检测这块水体中的示踪剂浓度。具体方法是在距探头杆端面约 Icm处设置一圆锥形的隔离片，该片以3根支杆与探头杆端头的固定环连接，以构成探头端面下的约Icm3的测量体积。由于圆锥表面可以将激发光反射到探头端面以外，而不会进入接收光光纤束中，可减低激发光对荧光信号的干扰，尤其在接收回路滤光不完善时。
所述的采集箱提供LED管的供电电源、对光电池输出的模拟量电流信号进行I/V 转换和A/D转换，并送入通信网络或计算机总线传输至中央测控计算机。
为了排除环境光对荧光检测的干扰，以便本实施例所述系统可应用于普通光线环境中，必须采用调制与解调制电路，以便从繁杂的背景信号中提取并放大微弱的荧光讯号， 提高系统的抗干扰能力。具体方法是对LED管的供电电源进行频率调制，使LED管激发光以调制频率照射测量区内的含示踪剂水流。光电池输出的信号送到解调电路，经解调放大后成为与荧光电信号同频率的、相应于示踪剂浓度的电信号。如此便排除了所有外背景光噪声，保留了有用的荧光信息。
探头获取的示踪剂浓度的电信号需通过计算机总线或通信网络传输至中央测控计算机。大型水域物理模型中，可以直接使用计算机总线技术连接采集箱与中央测控计算机。例如使用传输距离较远的RS485工业数据总线，再经RS485—RS232转换器送入中央测控计算机。对江、河、湖、海等自然水域，则需要通过无线通信网络或Inter网与中央测控计算机连接。即在一个检测区所布置的探头阵，可以连接在一个或多个采集箱上，而采集箱通过路由器与公共的通讯网络连接，也可以与专用的通讯网络连接。不论是公共的通讯网络还是专用的通讯网络，都可以通过有线或无线的方式进行通讯和数据传输。在中央测控计算机一端，也连接一个路由器。中央测控计算机可以使用专用或通用的网络软件与采集箱进行通讯和数据交换。通讯网络的连接方式，可以在任何有网络的地方实现，完全不受地域的限制。
本实施例所述的中央测控计算机可以是普通的PC机，或服务器。其中安装了采集软件和标定软件。所述的采集软件是根据本发明实施例七、八、九所述的“多通道荧光浓度场测试方法”编制的。所述的测试方法使用本实施例所述的系统，实现了荧光浓度场的测试ο
所述的标定软件是根据本发明实施例十所述的“标定探头的方法”编制的。以确定各个探头的特性参数。
实施例二 本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于采集箱的细化，原理如图2所示。本实施例所述的采集箱中设有电源模块、通讯接口和多个采集模块，所述的采集模块含有与探头连接的I/V转换器，所述I/V转换器依次与八选一开关、A/D转换器以及通讯接口连接。
本实施例所述的采集箱是探头与中央测控计算机连接的关键中间环节。每个采集箱内可装有多个采集模块和一个电源模块，图2中是三个采集模块，实际实施中还可以安装更多的采集模块。电源模块为所连接的各个探头以及各个采集模块提供恒压电源。每个采集模块可以连接多个探头，图2示意为三个探头，实际使用中可以连接M个或更多探头。探头的输出电信号经I/V转换和A/D转换后送至通讯接口，并通过计算机总线或通讯网络将电信号传输至中央测控计算机。各个采集箱有自己的独立编号；每个采集模块有唯一的地址码；而每个探头在采机箱上的接口(端口)有唯一端口号，以便中央测控计算机寻址识别。
实施例三本实施例是实施例一、二的改进，是实施例一、二关于探头的细化，结构如图3所示。本实施例所述的探头包括盒体4，所述的盒体内安装LED管2和光电池9，并与信号电路板11 联接，信号电路板通过接头12与采集箱连接。所述光电池进光侧设有滤光片组8，所述的滤光片组前设有接收光光纤束7，所述的LED管出光侧设有激发光光纤束3，所述的接收光光纤束和激发光光纤束置于探头杆管5中，探头杆管端头与隔离帽6连接。所述的LED管与调制器和恒流源电连接，所述恒流源与采集箱的电源模块电连接；所述的光电池依次与交流放大器、解调器、直流放大器电连接，探头的输出与采集箱中的I/V转换器电连接。上述调制器、恒流源、交流放大器、解调器、直流放大器均包含在信号电路板11中。光电池通过线缆10与信号电路板连接，LED管通过线缆1与信号电路板连接。
本实施例的光、电原理图，如图4所示，其中虚线箭头线表示光路，实线箭头线表不电路。
为引导激发光和接收光，本实施例采用了单根直径仅几十μ m的光纤束。发、收光纤配成光纤对。激发光的发射光纤束一端与LED管耦合；荧光接收光纤束一端则与滤光片组耦合。众多的光纤对随机排列，穿进DlOmm的探头杆管内。将填充满光纤束的杆管端头精细磨平，保证出入光线垂直端面。探头杆端面与隔离片间隔约1cm，这是水流通过测量体的通道。
现代光纤技术使光在光纤中的传递损失很小，因此，可以认为，接收光在较短(约 30cm)光纤中的传播损失极小，对检测光信号的损失基本可予不计。
发射光与激发光之间存在着斯托克斯位移。荧光的波长总是大于激发光的波长。 本实施例的激发光中心光谱频率为488纳米，接收光的中心光谱频率为520纳米。
以LED为激发光光源，符合低成本的要求。选用带有散热片的大功率发光二极管 LED (3瓦)，针对荧光素钠示踪剂，必需选用蓝光(波长488纳米)型，型号GT_P03B3410340 。采用恒流源供电，接入大的限流电阻，减小LED的供电电流；并在LED的限流电阻上并连负温度系数的热敏电阻，补偿由于温度上升所引起的供电电流漂移，稳定LED供给电流。
采用光电池接收荧光信号，也是遵循低成本的原则。光电池选用型号BPW21R，紫蓝光电池(6X6mm)对荧光素钠溶液的发射荧光(520nm的黄绿光)敏感。使用两个滤光片 5IOnm (黄色)截止型滤光镜片和520nm士5nm (绿色)带通型滤光镜片。两滤光镜片叠加后， 仅510nm—525nm波长的光能传送到光电池上。
LED管的恒流源上设置了调制器，在光电池获取的信号的处理过程中设置了解调器。通过调制与解调制提高抗干扰能力，使本装置可应用于自然光或人造光源环境。
光电池获取的电信号信号先要经过交流放大，解调后再进行直流放大。放大后，以电流方式输出。
实施例四本实施例是实施例三的改进，是实施例三关于隔离帽的细化，如图5所示。本实施例所述的隔离帽设有固定于探头杆管末端的帽圈601，所述的帽圈按圆周均分固定三个隔离帽支杆602，支杆的另一端即与隔离片603固定，所述的隔离片为顶角100° 120°的圆锥面，所述的帽圈与隔离片之间为测量区604。
所述帽圈固定于探头杆管末端，其下边缘与探头杆管端面齐平。被测水流如图5 中B-B的方向流过测量区，从端面605出射的蓝光光柱照射测量区内的水体，并激发荧光素钠发出荧光。荧光信号被接收光光纤束传导到滤光片组及光电池。被检测的水体仅限于探头测量区内的水体。隔离片为尖顶对准探头杆端面中心的圆锥面，顶角100° 120°，表面黑色喷塑，以减少反光。激发光照射到隔离片表面，被反射出测量区，不会干扰荧光信号的接收，这对于滤光不佳的情况尤为重要。
实施例五本实施例是实施例四的改进，是实施例关于示踪剂的细化。本实施例所述的示踪剂是荧光素钠。
荧光素钠(C2tlHltlNA2O5),分子量376. 28，CAS号518_47_8。激发光中心波长 488nm (蓝光)；荧光中心波长520nm (黄绿光)。
试验用量氺0. 03PPM，经计算分析可知，所引起的温排水密度的改变仅相当于万分之几度的温度改变所引起的水密度变化，适合用于温差异重流中的示踪。
由于携该示踪剂的水流会流经不同温度(10°C温差范围内)的水体，因而要求示踪剂水溶液的温度系数很小，在上述温度变化范围内，荧光素钠溶液的浓度主要受水动力稀释，而与温度变化的相关度极低。
经实验认定一定低浓度范围内的荧光素钠水溶液的荧光强度与浓度呈线性关系，上述试验用量的选择符合这一原则要求。
实施例六本实施例是实施例五的改进，是实施例五细化。本实施例所述的LED管的发光波长为 488纳米的蓝光；所述的光电池对520纳米黄绿光敏感，所述的滤光片组可通过510— 525 纳米的光。
本实施例所选择的LED管、光电池、滤光片组的特性均符合检测作为示踪剂的荧光素钠的要求。
实施例七本实施例是一种使用实施例六所述系统进行水域浓度场的多通道荧光测试的方法。如实施例五所述，本实施例所使用的示踪剂为荧光素钠。
本实施例的基本原理是在水域上游或排水口处设置示踪剂的注入点，在待测浓度点位放置探头。各探头感知水中荧光素钠受激后发出的荧光，转换成电信号传输至中央测控计算机。计算机据电压信号 浓度的相关方程计算出对应浓度，并予显示和保存。本示踪剂仅可模拟污物在水体中的水动力稀释扩散所形成的浓度场，实际污物的其它特性， 如自衰减、与水中其它物质反应而致使的浓度改变，不能模拟。
本实施例所述方法的具体步骤如下示踪剂流经探头的步骤用于携带示踪剂的水流流经各个探头的测量区。不论是原型水域还是模型中，均将合适浓度的荧光素钠水溶液注入排放口，以原有的排放方式随同排水一起流入水域。排放方式一般有连续排放或间断排放。
检测水流中示踪剂的步骤用于流经测量区的含示踪剂的水流被LED管照射，激发产生荧光，探头中的光电池将所述荧光转换为模拟量电流信号传输至采集箱，经由采集箱的Ι/ν和A/D转换，变为数字电压信号。检测的关键环节是LED电源的频率调制、接受光信号的滤波、光电池检出信号后的解调放大等等，对极微弱荧光信号的检测是难度较大的技术，为保障检出信号的抗干扰和稳定性，电路设计参数必经反复计算和试验确定。
传输的步骤用于采集箱将数字电压参数经过计算机总线或通信网络传输至中央控制计算机。本步骤是将采集箱获取的电信号传输至中央测控计算机。其方式可以是计算机总线，即先使用工业总线标准RS485传输较长距离，再经转换器转换为RS232，与通用计算机接口对接。或采用通讯网络的方式，即通过连接路由器，使各个采集箱成为网络的一个节点。其传输的方式更加丰富，既可以使用专用的网络，也可以使用公共通讯网络。使用计算机总线技术进行传输，适用于在模型试验。由于RS485的传输距离上百米，即便是上千平方米的模型，使用RS485的数据总线也能很好的工作。通讯网络的传输方式，适用于实际江、河、湖、海的检测。
循环采集数据的步骤用于中央测控计算机循环扫描各个探头，采集储存各个探头的数字电压。中央测控计算机在5秒钟内对所有探头(数量可多达200个)进行扫描，获取各个探头输出的电压信号，计算出浓度并储存，完成一个采集循环。
计算示踪剂浓度的步骤用于中央测控计算机依据各探头配置文件中的“浓度一电压”线性方程的特性参数，由各探头所测量的数字电压参数计算出各探头所测量的示踪剂浓度值。“浓度一电压”线性方程的特性参数指的是线性方程的K (斜率)、a (节距)两个系数。
以下两个步骤平行运行显示的步骤用于在中央测控计算机的显示屏上，显示一张所测水域及其测点布置的模拟图，在各探头位置上可显示当前各探头所测量的示踪剂浓度值和以灰度直观表示的示踪剂浓度值符号。即本实施例的显示方式有两种一种是以数值显示，一种用灰度显示。
储存的步骤一个循环采集后，将当次采集的各探头所测的示踪剂浓度值存储，并填写在数据表格中。各次采集数据以Excel数据表格导出。
实施例八本实施例是实施例七的改进，是实施例七关于检测水流中示踪剂的步骤的细化。
本实施例的原理是高亮度蓝光LED发出的488nm波长的光线，经光导纤维从探头杆端面射出。在水流流过测量体时，488nm蓝光激发水流中的荧光素钠产生波长520nm的黄绿色荧光。荧光经光导纤维传送到滤光片组(510nm和520nm)，经窄带滤波后传至硅紫蓝光电池(6 X 6mm)，光电池的电信号输出至采集箱。
在一定浓度和一定光强下，荧光素钠溶液浓度与受激后产生的荧光光强成正比。 因此本实施例测得的光电池输出电信号与浓度一一对应。为得到流场中某点位上的浓度， 测量时应有一定的空间分辨率。鉴于水流中受激产生的荧光可能为一条光柱，为获得约Icm 高度荧光柱的测量体积，在探头杆端面下Icm处加一顶角约120°的圆锥面形隔离帽，以实现探头测量的定位功能。设置隔离帽，意在使其倾斜面反射激发光(蓝光)，使其不再进入接收光光纤，干扰测量(防止滤光片滤光效果不佳)。为防止环境光中蓝光和黄绿光对被检测信号的干扰，LED采用频率调制的方波脉冲恒流源供电，使本实施例在普通环境中使用不受影响。
由于本实施例所进行的测量是探测极微弱的荧光，对荧光信号的处理是对极微弱信号的处理，其难度较大。关键在于如何消除背景噪声，否则，极微弱的信号被噪声所淹没， 无法测得。本实施例利用发射光和接收光的调制、解调制，以及滤光片等方法去除杂色光的干扰。
本实施例所述的检测水流中示踪剂浓度的步骤包括以下子步骤对光源进行调制的子步骤用于对LED管供电的恒流源进行频率调制，使LED管按照调制的频率发光。因此，首先要选择好恰当的调制频率。
照射被测水体的子步骤用于LED管发出的光线通过光纤照射测量区中带有示踪剂的被测水体。
示踪剂被激发荧光的子步骤用于被测水体中示踪剂被照射光激发，发出荧光。
接收荧光的子步骤用于示踪剂发出的荧光通过光纤，并透过滤光片组滤除杂色光达到光电池，光电池产生模拟电流信号。
放大和解调制子步骤用于将光电池产生的模拟电流信号经I/V转换为模拟电压信号，经交流放大后解调制，除去杂色光的干扰，再进行直流电压放大。
数字化处理的子步骤用于将经直流电压放大后的模拟电压信号经A/D转换处理为适合计算机总线传输或通信网络传输的数字电信号。
实施例九本实施例是实施例八的改进，是实施例八关于调制频率的细化。本实施例所述的对LED 管的光源进行调制的子步骤中所述的调制频率为20_观赫兹。
20—28赫兹这个频率范围是经过数十种频率试验后确定的，频率范围可上自百K Hz，下至几Hz。历经数月有余的IK至数KHz选择范围(此为调制惯用的频率范围)的反复测试，仍不得善果。后突破习惯思维，将频率下降至IK以下，又经较长时间试验，终寻得较佳的M赫兹调制频率。此频率，有效地在繁杂的背景信号中，将高信噪比的微弱荧光电信号提出。
实施例十本实施例是一种实施例六所述测试系统的标定探头的方法。本实施例所述方法的目的是确定单探头的“浓度一电压”直线方程的K (斜率)、a (节距)两个系数。在实验室中对探头进行标定。在设定的浓度范围内，按基本均勻的浓度级差，制作的各级标定样本。
如使用10个标定样本，浓度范围是0. 001—0. 04每个标定样本的浓度级差为 0. 004，则十个标定样本为0. 001,0. 004,0. 008……0. 036,0. 04共九个级差。将探头分别放入每个标定样本，实测探头在不同标定样本中的电信号输出，绘制“浓度一电压”曲线，从其线性关系拟合出直线方程，获得K、a两个系数。
在示踪剂浓度较小情况下，“浓度一电压”呈线性关系。可据数据系列获得“浓度一电压”的线性方程。
本实施例所述方法的具体步骤如下，本步骤所述的方法是对一个探头的标定 配制标定溶液的步骤用于配制不少于10种不同浓度的示踪剂标定样本；获得系列模拟电压参数的步骤用于获得各个探头对不同浓度示踪剂标定样本所输出的系列模拟电压参数，即相对于一系列已知的浓度值，得到一系列电压参数值；绘制“浓度一电压”曲线图的步骤用于利用获取的一系列已知浓度值和对应的一系列电压参数值，绘制出“浓度一电压”曲线；获取“浓度一电压”线性方程的步骤用于根据“浓度一电压”曲线拟合“浓度一电压” 线性方程，拟合精度R不低于0. 99。进而获得“浓度一电压”线性方程的特性参数，即斜率 K和节距a。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如整个系统的连接方式、各个步骤的顺序关系等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
权利要求
1.一种水域浓度场的多通道荧光测试系统，其特征在于，包括在水域中投放的示踪剂，设置在水域中各个探测点由多个探头组成的探头群，所述的探头通过屏蔽线缆与采集箱连接，所述的采集箱通过计算机总线或通信网络与安装有采集和标定软件的中央测控计算机连接，所述的探头包括激发所述示踪剂产生荧光的LED管，接收所述荧光的光电池。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述的采集箱中设有一个电源模块和多个采集模块，所述的采集模块含有与探头连接的ΙΛ转换器，所述的I/V转换器依次与八选一开关、A/D转换器以及通讯接口连接。
3.根据权利要求1或2所述的测试系统，其特征在于，所述的探头包括盒体，所述的盒体内安装有所述LED管和所述光电池，所述光电池进光侧设有滤光片组，所述的滤光片组进光侧设有接收光光纤束，所述的LED管出光侧设有激发光光纤束，所述的接收光光纤束和激发光光纤束置于探头杆管中，探头杆管端头与隔离帽连接；所述的LED管与调制器和恒流源电连接，所述恒流源与采集箱的电源模块电连接；所述的光电池依次与交流放大器、解调器、直流放大器电连接，所述的直流放大器的输出与采集箱中的ΙΛ转换器电连接。
4.根据权利要求3所述的测试系统，其特征在于，所述的隔离帽设有固定于探头杆管一端的帽圈，所述的帽圈按圆周均分固定三个隔离帽支杆，各隔离帽支杆的另一端即与隔离片固定，所述的隔离片为顶角120°的黑色圆锥面，所述的帽圈与隔离片之间约Icm3空间为测量区。
5.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于，所述的示踪剂是荧光素钠。
6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述的LED管的发光中心波长为488 纳米的蓝光；所述的光电池对520纳米黄绿光敏感，所述的滤光片组可通过510—525纳米的光。
7.一种使用权利要求6所述系统进行水域浓度场的多通道荧光测试的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下投放示踪剂的步骤用于在被测水域中选定的投放点，投放预设浓度的示踪剂；示踪剂流经探头的步骤用于携带示踪剂的水流流经各个探头的测量区；检测水流中示踪剂的步骤用于流经测量区的含示踪剂的水流被LED管照射，激发产生荧光，探头中的光电池将所述荧光转换为模拟量电流信号传输至采集箱，经由采集箱的 I/V和A/D转换，变为数字电压参数；传输的步骤用于采集箱将数字电压参数经过计算机总线或通信网络传输至中央控制计算机；循环采集数据的步骤用于中央测控计算机循环扫描各个探头，采集储存各个探头的数字电压参数；计算示踪剂浓度的步骤用于中央测控计算机依据各探头配置文件中的“浓度一电压” 线性方程的特性参数，由各探头所测量的数字电压参数计算出各探头所测量的示踪剂浓度值；以下两个步骤平行运行显示的步骤用于在中央测控计算机的显示屏上，显示所测水域及其测点布置模拟图的界面，在各探头位置上显示当前各探头所测量的示踪剂浓度值和以灰度直观表示的示踪剂浓度值符号；储存的步骤一个循环采集后，将当次采集的各探头所测的示踪剂浓度值存储，并填写在数据表格中。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的检测水流中示踪剂的步骤中的子步骤如下对光源进行调制的子步骤用于对LED管供电的恒流源进行频率调制，使LED管发出调制频率的激发光；照射被测水体的子步骤用于LED管发出的光线通过光纤照射测量区中带有示踪剂的被测水体；示踪剂被激发发射荧光的子步骤用于被测水体中示踪剂被照射光激发，发出荧光；接收荧光的子步骤用于示踪剂发出的荧光通过光纤，并透过滤光片组滤除杂色光达到光电池，光电池产生模拟电流信号；放大和解调制子步骤用于将光电池产生的模拟电流信号经ΙΛ转换为模拟电压信号，经交流放大后解调制，除去杂色光的干扰，再进行直流电压放大；数字化处理的子步骤用于将经直流电压放大后的模拟电压信号经A/D转换处理为适合计算机总线传输或通信网络传输的数字电压信号。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的对LED管的光源进行调制的子步骤中所述的调制频率为20_观赫兹。
10.一种权利要求6所述测试系统的标定探头的方法，其特征在于，所述方法的步骤如下，本步骤所述的方法是对单个探头的标定配制标定溶液的步骤用于配制不少于10种不同浓度的示踪剂标定样本；获得系列模拟电压参数的步骤用于获得各个探头对不同浓度示踪剂标定样本所输出的系列模拟电压参数，即相对于一系列已知的浓度值，得到一系列电压参数值；绘制“浓度一电压”曲线图的步骤用于利用获取的一系列已知浓度值和对应的一系列电压参数值，绘制出“浓度一电压”曲线；获取“浓度一电压”线性方程的步骤用于根据“浓度一电压”曲线拟合出“浓度一电压”线性方程，进而获得方程的特征参数斜率K和节距a。
全文摘要
本发明涉及一种水域浓度场的多通道荧光测试系统和方法，采用示踪剂在特定的光源照射下产生荧光的原理(LIF)，该系统包括在水域中投放的示踪剂---荧光素钠，设置在水域中各个探测点的探头群，探头通过屏蔽线缆与采集箱连接，再通过计算机总线或通信网络与安装有采集和标定软件的中央测控计算机连接，对大面积水域排污中的示踪剂浓度进行采样、分析、显示。其重要部件探头包括照射带有所述示踪剂水流的LED管，接收水中被激发荧光的光电池。该发明填补了大型水域物理模型试验中污染物浓度场检测领域的空白，也是水域污染现场观测的有效手段。
文档编号G01N21/64GK102519927SQ20111040848
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者吴一红, 孙淑卿, 张强, 易建洲, 朱杰斌, 李昌垣, 李荣方, 杨楠, 樊宜, 熊丽萍, 许新发, 谭水位, 贺益英 申请人:中国水利水电科学研究院, 江西省水利科学研究院