一种海水叶绿素a含量的检测装置及其光学装配底座的制作方法

本发明涉及一种海水叶绿素a含量的检测装置及其光学装配底座。

背景技术：

随着陆地资源的日趋紧张，在开发海洋资源带来巨大经济效益的同时，海洋生态环境问题也日趋严重，海洋水质污染问题已经成为全球面临的重大问题之一。水体富营养化是水体污染的突出表现，叶绿素a浓度检测是评价海洋水质营养化和预测赤潮灾害的最重要参数。目前，在线检测海水叶绿素a浓度最有效的方法是荧光检测法，即通过中心波长为470nm的LED激发浮游植物体内叶绿素a发出荧光信号，然后通过测量荧光信号的方式间接跟踪水体营养化程度的变化。但激发出的荧光信号为痕量信号，易受到环境光等背景光影响而淹没在强噪声背景下，国内采用的传统模拟、放大、滤波等检测方法检测该类信号已经非常困难。

中国专利文献CN 105548518 A公开了一种基于小型浮标的海洋水质长期在线监测装置，包括浮标体、多参数水质传感器和采样池，该浮标体上部设有气象设备安装塔架，水质传感器通过固定架安装在采样池上，且传感器探头位于采样池内部，采样池通过固定架安装在浮标体上部的气象设备安装塔架下；采样池内壁设有紫外灯，所述的紫外灯设置至少三组，每组间隔120°布置，每组均包含多个紫外灯，且每组紫外灯自上而下沿采样池内壁进行设置；且采样池分别设有带蠕动泵的进水管和带电磁阀的排水管，所述蠕动泵的进水口与海水相通。测量时，通过蠕动泵抽取海水到测量池中，并使水质仪探头部分能够完全浸没在海水中，稳定后，各紫外灯发光，激发浮游植物体内叶绿素a发出荧光信号，然后水质传感器的接受器采集荧光信号进行测量。但是该监测装置中水质传感器和紫外灯是分别位于采样池的上方和池壁上的，并且在水质传感器和紫外灯之间需存在高低落差，以容纳作为监测试样的海水，所以该监测装置存在光路结构过于分散和荧光采集效率低的问题，其中前者是因为水质传感器和紫光灯在采样池内的四散分布而引起的，这样会使得监测装置的光路结构布局不紧促，从而引起整个监测装置的电路布线在防水上需要付出较大的成本，整个监测装置的体积也将出现过大的问题，进一步增大制造、安装和维护的成本；后者是因为从采样池四周发出的光线受试样的吸收，到达水质传感器下方的光照信号将极大的削弱，也就使得水质传感器正下方试样的荧光信号强度将被削弱，从而引起荧光信号采集的效率降低的问题，而且受采样池四周的池壁限制，水质传感器的视界范围有限，也就使得水质传感器所能接受的荧光信号有限，进一步降低了对荧光信号的采集效率。另外，由于小型浮标体积小，距离海面比较近，约1米左右，也就使得该监测装置在测试时，需要将海水抽到海面上进行测量，使得海水离开原位，从而导致监测的准确性降低，导致海水叶绿素a的含量判断失误。

除此之外，激发出的荧光信号为痕量信号，易受到环境光等背景光影响而淹没在强噪声背景下，性能不稳定，这种光线在地表水是通常存在的，且传统叶绿素检测仪都需要遮光罩。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种海水原位叶绿素a含量的检测装置用光学装配底座，旨在解决现有技术中监测装置的光路结构分布过于松散，荧光收集效率差，不能用于原位长期检测，稳定性差等问题。另外，本发明还提供了一种基于上述光学装配底座的海水叶绿素a含量的检测装置。

为解决上述技术问题，本发明中海水叶绿素a含量的检测装置用光学装配底座的技术方案如下：

海水叶绿素a含量的检测装置用光学装配底座，包括座体，座体上开设有用于容纳荧光接收器件的接收通道和用于容纳光源的发射通道，接收通道具有处于座体的底面且竖直朝下的接收口，发射通道具有处于座体底面且倾斜设置的发射口，发射口的倾斜方向是在自上而下的发光方向上逐渐由上向下向靠近接收口的方向倾斜。

发射口的倾斜角度为30°～45°。

发射口有两个以上、并环绕接收口间隔分布。

各发射口在座体底面上的投影相对于接收口呈辐射状。

接收通道和/或发射通道为中部窄两端宽的喉状通孔，喉状通孔的两端宽径段上设有内螺纹、中部窄径段为供光源或荧光接收器件沿轴向滑动插入的光孔段。

本发明中海水叶绿素a含量的检测装置的技术方案如下：

海水叶绿素a含量的检测装置，包括壳体及其内设置的检测电路模块，其特征在于，壳体的底部设置有激发光源和荧光接收器件，激发光源和荧光接收器件安装在光学装配底座上，光学装配底座包括座体，座体上开设有用于容纳荧光接收器件的接收通道和用于容纳光源的发射通道，接收通道具有处于座体的底面且竖直朝下的接收口，发射通道具有处于座体底面且倾斜设置的发射口，发射口的倾斜方向是在自上而下的发光方向上逐渐由上向下向靠近接收口的方向倾斜。

发射口的倾斜角度为30°～45°。

发射口有两个以上、并环绕接收口间隔分布，各发射口在座体底面上的投影相对于接收口呈辐射状。

接收通道和/或发射通道为中部窄两端宽的喉状通孔，喉状通孔的两端宽径段上设有内螺纹、中部窄径段为供光源或荧光接收器件沿轴向滑动插入的光孔段。

装置主体的底部设置有罩设在发射口和接收口下方的滤光镜头，滤光镜头的下方设置有镜头刷，镜头刷通过竖向延伸的转轴摆动装配在装置主体上，并且在转轴上传动连接有驱动电机。

所述发射口和接收口中各自安装有窄带滤光片，发射口中窄带滤光片处于激发光源下方，接收口中窄带滤光片处于荧光接收器件下方。

接收口中设置有处于窄带滤光镜片下方的透镜。

光学装配底座的下方设置有光学玻璃，光学玻璃的下方设置有镜头刷，镜头刷通过竖向延伸的转轴摆动装配在光学装配底座上，并且在转轴上传动连接有处于壳体内的驱动电机。

所述检测电路模块上还连接有从壳体下方伸出的温度探头。

本发明中激发光源和荧光接收器件集成在装置本体底部的光学装配底座上，光源在光学装配底座上倾斜设置，以使光源的光线射出端正好朝向荧光接收器件的接收端的下方，这样在使用时，光源正好能够照射到荧光接收器件下方的海水，一方面省去了光源和荧光接收器件在上下方向的落差，实现了整个装置的集成，解决了现有技术中监测装置的光路结构分布过于松散的问题；另一方面，光源和荧光接收器件在水平方向齐平，这样光源不会遮挡荧光接收器件的接收端的视界，也就使得荧光接收器件的视界范围增大，从而使得荧光接收器件可接收的海水范围增大，也就提高了荧光采集的效率。

附图说明

图1是本发明中检测装置的结构示意图；

图2是图1的仰视图；

图3是图1中镜头座的立体结构示意图；

图4是图1中检测装置在去除端盖和光学装配底座后的仰视图；

图5是图1中检测装置的立体外观图。

图中：装置主体1，光源2，光源前置干涉滤光镜片3，荧光接收透镜4，接收干涉滤光镜片4，光学玻璃6，温度探头7，水密头8，防触柱、端盖10，固定环11、壳体12、顶盖13、光学装配底座14，LED套筒15，透镜套筒16，背紧螺母17，压盖18，安装座19，电机座20，联轴器21，触片22，转轴23，驱动电机24，镜头刷25，压片26，固定片27，安装板28，转接环29。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明中海水叶绿素a含量的检测装置的实施例1：如图1和图2所示，该检测装置包括筒状的装置主体1，装置主体1主要由筒状的壳体12及其顶部固定的顶盖13组成。壳体12的装置主体1下端口上通过固定环11连接有有盘状的光学装配底座14，如图3所示，光学装配底座14包括圆盘形的座体，座体上开设有用于容纳荧光接收器件的接收通道和用于容纳光源的发射通道，接收通道具有处于座体的底面且竖直朝下的接收口，发射通道具有处于座体底面且倾斜设置的发射口，发射口的倾斜方向是在自上而下的发光方向上逐渐由上向下向靠近接收口的方向倾斜。发射口有多个、并环绕接收口间隔分布，各发射口在座体底面上的投影相对于接收口呈辐射状。各个发射口的倾斜角度为30°。接收通道和发射通道为中部窄两端宽的喉状通孔，喉状通孔的两端宽径段上设有内螺纹、中部窄径段为供光源或荧光接收器件沿轴向滑动插入的光孔段。

光源2分为两种，一种是发射波长470nm的LED光源，其主要用于激发海水中叶绿素a；另一种发射波长880nm的LED光源，其主要用于检测海水的浊度。各个光源2与发射通道一一对应设置，但同种类型的光源2相对于接收通道径向对称设置，即同种光源2在光学装配底座14上径向对称的成对分布。光源2滑动插装在接收通道的光孔段中，光源2的发光端朝下，光源2的接线端顶装有螺纹连接在发射通道的上孔段中的LED套筒15，以通过LED套筒15将光源2固定在发射通道中。发射通道的下孔段中设置有顶装在光源2下方的光源前置干涉滤光片3，光源前置干涉滤光片3的下方顶装有螺纹连接在发射通道的下孔段中的透镜套筒16，以通过透镜套筒16将光源前置干涉滤光片3固定在发射透镜中。光源前置干涉滤光片3朝向光源2的一面为凸面，以使得从光源2发射出的光线经光源前置干涉滤光片3折射后发散为平行光，以增大光源2的罩设范围。470nm激发LED与800nm红外激发LED滤光片均为大于或等于OD4干涉滤光片。

荧光接收器件为滑动插装在接收通道的光孔段中的光电二极管，光电二极管的主要用于接收激发光路激发的海水微弱荧光信号。光电二极管的感光端朝下，光电二极管的接线端顶装有螺纹连接在接收通道的上孔段中的背紧螺母17，背紧螺母17将光电二极管顶紧固定在接收通道中。接收通道的下孔段中嵌装有罩设在光电二极管的感光端下方的接收干涉滤光镜片4，接收干涉滤光镜片4的下方设置有凸面朝下的荧光接收透镜5，以使海水中叶绿素a激发出的荧光经接收干涉滤光镜片4折射后汇聚至光电二极管的感光端，增大光电二极管的感光端的接收范围。

光学装配底座14的底面为平面，接收口和发射口的开口均处于该平面上。光学装配底座14的下方罩设有端盖10，端盖10的顶面上凸设有活动插装在光学装配底座14中的定位柱，端盖10的边缘通过连接螺钉固连在光学装配底座14上。端盖10的中心嵌装有罩设在接收口和发射口的开口上的光学玻璃6光学玻璃6，该接收口和发射口的开口在光学装配底座14底座所处的区域完全处于光学玻璃6的顶面内，以使光学玻璃6在光源2和光电二极管下方形成屏蔽保护。

端盖10的下方安装有贴合在其底面上的镜头刷25，镜头刷25包括杆状的摆臂，摆臂的一端为自由悬伸端，自由悬伸端的侧面压片26夹紧固定有片状的刷体，以通过刷体的往复摆动对端盖10的底面进行清刷，清除端盖10底面沾附的微生物；摆臂的另一端连接有一竖直延伸的转轴23，以使摆臂可围绕该转轴23进行自由悬伸端的摆动，转轴23的下端呈四方形、并穿装在摆臂的端部，并在转轴23下端穿出的轴端上同轴连接有压紧在摆臂底面上的连接螺钉，连接螺钉的头部将摆臂顶压固定在转轴23的下端。转轴23的中部从端盖10的一定位柱中穿过，并在中部的外周上嵌装有与该定位柱上的穿孔滑动密封配合的密封圈。转轴23的上端从光学装配底座14的上方伸出，伸出的轴端自下而上依次连接有安装座19、触片22和联轴器21，其中安装座19固定在光学装配底座14上，安装座19上安装有两个各自位于触片22的摆动极限位置的微动开关；触片22的一端通过型面配合止转套装在转轴23上，另一端自由悬伸而用于触发微动开关；联轴器21的一端连接转轴23的轴端、另一端连接有驱动电机24，以使驱动电机24通过联轴器21传动连接在转轴23上，并且该驱动电机24为处于装置主体1内的微电机，该驱动电机24通过电机座20固定在装置主体1内。驱动电机24和微动开关通过电路控制电连接。在驱动电机24的驱动下转轴23带动触片22和镜头刷25摆动，在触片22触发微动开关后，驱动电机24的输出扭矩换向，以使转轴23带动触片22和镜头刷25反向摆动，实现对端盖10的往返清刷作业。

端盖10的下方还固定有处于边缘位置的防触柱9，防触柱9有多个、并且环绕光学玻璃6均布，各个防触柱9的下端面处于整个装置的最低处，以防止装置的其他部分触底，对装置起到保护的作用。

光学装配底座14的上方固定有处于装置主体1内的压盖18，压盖18的上方通过L形的固定片27连接有处于装置主体1内的安装板28，安装板28上安装有PCB电路板，安装板28的上方连接有FPGA模块，FPGA模块的作用是采集并处理光电二极管所感应到的荧光信号，即该FPGA模块为壳体12内的检测电路模块，该检测电路模块可以去除环境光的影响，这种光线在地表水通常是存在的。该检测电路模块上连接有从端盖的下方伸出的温度探头7。

装置主体1的壳体12上端口上螺纹连接有顶盖13，顶盖13的中心通过转接环29连接有水密头8，以实现原位分析检测。

本实施例中检测装置除了进行叶绿素a的含量检测外，还可以对检测数据的受浊度和温度的影响进行修整。检测装置通过测量海水浊度然后根据浊度值与叶绿素值经过实验建立数学模型进行矫正，其中浊度的测量方法与叶绿素一样，也是发光LED照射海水，然后光电二极管接受，其中光电二极管与测量叶绿素的光电二极管是同一个，激发海水产生叶绿素a的荧光信号和测量海水浊度的光源2采用不同发射通道内光源2。温度矫正主要是在光学装配底座14上设有一温度传感器柱，通过测量温度建立温度与叶绿素直接的数学模型。

测量的过程是先测叶绿素含量，然后再测量浊度，后测量温度，根据浊度与温度对测量值矫正后输出叶绿素值。

具体的测量步骤是：第一步上电后，电刷刷动两周后470nmLED激发光源2照射海水，光电二极管接受激发的荧光信号，作为叶绿素测量值，第二部，470nmLED激发光关闭，880nmLED激发光源2照射海水，光电二极管接受信号作为浊度测量值。第三步关闭880nmLED ，PCB读取温度传感器温度值，然后将温度值，浊度值对叶绿素测量值进行修正后将温度值，浊度值以及叶绿素a浓度值通过485协议输出。

本实施例提供了一种海水原位叶绿素a含量检测的装置，解决了现有检测方法灵敏度低，精度不高，受环境光影响，体积笨重，温漂，零漂大等问题以及优化光路装置，能够快速，稳定，实时对海水叶绿素a含量进行检测。适合海洋浮标，台站等在线观测平台的长期连续挂载监测。在光路设计上，采用光源2和检测器呈30°夹角的布局，一方面提高光路紧凑度，另一方面提高荧光采集效率。浊度温度校正主要是对水体温度与浊度进行测量并通过建模对海水叶绿素a进行校正，减小测量误差。窗口清洁电刷系统主要是防生物附着，驱动电机24与镜头刷25通过转轴23连接，转轴23与穿孔之间设置密封圈，驱动电机24通过固定台两侧设置的微动开关实现正反转，清除附着于端窗上的微生物。因而，该检测装置的主要优点是：1、结构紧凑简单，采用独特光路设计以保证最大激发荧光效率；2、装置自带校正，清洁电刷，适合海洋浮标，台站等海洋监测系统的长期原位挂载实验。

本发明中海水叶绿素a含量的检测装置的实施例2：本实施例与实施例1的区别在于光学装配底座的光路结构，即光学系统主要包括激发光路和接收光路，激发光路包括激发光源470nm的LED灯，在LED灯的前部设置有窄带滤光片和透镜（滤光片与透镜距离通过仿真计算得出）。接收光路包括光电二极管（滤光片与透镜距离通过仿真计算得出），在光电二极管的前部设置有窄带滤光片与透镜（滤光片与透镜距离通过仿真计算得出），光电二极管的引脚与检测电路板连接。LED灯与光电二极管呈45°角，目的一方面提高光路紧凑度，另一方面提高荧光采集效率。

本发明中海水叶绿素a含量的检测装置用光学装配底座的实施例1：如图3所示，光学装配底座14包括圆盘形的座体，座体上开设有用于容纳荧光接收器件的接收通道和用于容纳光源的发射通道，接收通道具有处于座体的底面且竖直朝下的接收口，发射通道具有处于座体底面且倾斜设置的发射口，发射口的倾斜方向是在自上而下的发光方向上逐渐由上向下向靠近接收口的方向倾斜。发射口有多个、并环绕接收口间隔分布，各发射口在座体底面上的投影相对于接收口呈辐射状。各个发射口的倾斜角度为30°。接收通道和发射通道为中部窄两端宽的喉状通孔，喉状通孔的两端宽径段上设有内螺纹、中部窄径段为供光源或荧光接收器件沿轴向滑动插入的光孔段。

本发明中海水叶绿素a含量的检测装置用光学装配底座的实施例2：如图3所示，光学装配底座14包括圆盘形的座体，座体上开设有用于容纳荧光接收器件的接收通道和用于容纳光源的发射通道，接收通道具有处于座体的底面且竖直朝下的接收口，发射通道具有处于座体底面且倾斜设置的发射口，发射口的倾斜方向是在自上而下的发光方向上逐渐由上向下向靠近接收口的方向倾斜。发射口有多个、并环绕接收口间隔分布，各发射口在座体底面上的投影相对于接收口呈辐射状。各个发射口的倾斜角度为45°。接收通道和发射通道为中部窄两端宽的喉状通孔，喉状通孔的两端宽径段上设有内螺纹、中部窄径段为供光源或荧光接收器件沿轴向滑动插入的光孔段。

本发明中海水叶绿素a含量的检测装置用光学装配底座的其他实施例：发射口相对于接收口的倾斜角度也可以是30°～45°其他任意角度或者其他角度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。