一种宽光谱多参数水质监测系统的制作方法

本发明涉及一种水质监测系统，具体的说，涉及了一种宽光谱多参数水质监测系统。

背景技术：

水是生命之源，水质的优劣不仅与工农业生产安全与人类健康密切相关，而且水质优劣的评判、预测与检测依赖于水质检测技术。传统的水质检测设备可以对水质参数进行检测，但一般只对单一参数进行测量，时效性差，不仅不利于数据的整合，还增加了检测成本。

近年来，作为光谱分析的水质检测技术之一的紫外-可见光吸收光谱法，它不仅摒弃了化学分析和电化学分析及色谱分析等水质检测技术水样预处理繁杂、测量周期长、需要化学试剂多的缺点，还具有检测速度快、成本低和可以实现在线、原位测量等优点。然而，这种测量技术被国外所垄断，产品价格昂贵。国内研发的水质分析样机，则具有检测水质参数单一、光源和光路以及光电转换部分稳定性、重复性差的问题。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、实用性强、检测质量可靠的宽光谱多参数水质监测系统。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种宽光谱多参数水质监测系统，包括系统控制装置、宽光谱光源、光路探测装置、电学测量装置、数据处理和显示装置；

所述宽光谱光源的出射光经由所述光路探测装置中的待测水体入射至所述电学测量装置，形成测试光路；

所述宽光谱光源的出射光经由所述光路探测装置中的标准水体入射至所述电学测量装置，形成参考光路；

所述电学测量装置，用于将所述测试光路和所述参考光路转换为测试电信号和参考电信号；

所述数据处理和显示装置，根据所述测试电信号和所述参考电信号获得待测水体中的待测参数以及待测参数的浓度，并显示出来；

所述系统控制装置分别控制连接所述宽光谱光源、所述电学测量装置以及所述数据处理和显示装置。

基于上述，所述光路探测装置包括发射接收单元、反应单元和反射单元；

所述发射接收单元包括分光器和光接收器；

所述反应单元包括内装有待测水体的样本池和内装有标准水体的参比池，所述样本池和所述参比池的两端均设置透光窗口；

所述反射单元包括分别对应所述样本池一端透光窗口和所述参比池一端透光窗口设置的反射装置；

所述宽光谱光源的出射光经由所述分光器后分为两路出射光；

一路出射光进入所述样本池反应后，由所述反射装置反射回所述样本池反应，再由所述光接收器的一入射端接收形成测量光路；

另一路出射光进入所述参比池反应后，由所述反射装置反射回所述参比池反应，再由所述光接收器另一入射端接收形成参考光路。

基于上述，所述发射接收单元还包括对应所述分光器两出射端设置的第一准直透镜和第三准直透镜，以及对应所述光接收器两入射端设置的第三准直透镜和第四准直透镜。

基于上述，所述分光器为y型光纤；

所述光接收器包括第一入射光纤和第二入射光纤、光路切换开关和出射光纤，所述光路切换开关控制所述第一入射光纤和所述第二入射光纤交替与所述出射光纤连接，将所述测试光路或所述参考光路交替与所述电学测量装置接通。

基于上述，所述反射装置包括测试光路反射装置和参考光路反射装置，所述测试光路反射装置包括对应设置的第一全反射镜与第二全反射镜，所述参考光路反射装置包括对应设置的第三全反射镜以及第四全反射镜。

基于上述，所述样本池和所述参比池内均设置有光电二极管探测器。

基于上述，所述电学测量装置包括现场可编程门阵列fpga、光电探测器、驱动电路、缓冲器、a/d转换电路和ram存储芯片，

所述现场可编程门阵列fpga用于生成驱动电路的时序信号以及生成ram存储芯片的读写控制信号；

所述驱动电路在所述时序信号的作用下驱动所述光电探测器将所述测试光路和所述参考光路转换为测试电信号和参考电信号；

所述缓冲器用于将所述测试电信号、所述参考电信号进行阻抗匹配及信号调理，以转换成所述a/d转换电路的适用信号；

所述a/d转换电路将所述测试电信号和所述参考电信号转换为数字信号存储在所述ram存储芯片中。

基于上述，所述宽光谱光源包括与所述系统控制装置连接的脉冲氙灯。

基于上述，还包括用于定位所述宽光谱多参数水质监测系统的地理位置的定位模块。

基于上述，还包括数据传输模块，所述数据传输模块用于将所述宽光谱多参数水质监测系统的地理位置、待测水体中的待测参数以及待测参数的浓度发送至云服务器。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著地进步，具体的说，本发明采用朗伯-比尔定律直接测量水质参数，检测速度快，不需要化学试剂，能够避免对水质的二次污染，同时采用宽光谱复合光源为入射光，通过检测与待测水体中物质发生相互作用的散射信号及透射信号可实现同时测量多个水质参数，实现全面、实时、快速及精确测量水质总体质量情况及各项参数变化情况。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的光路探测装置的结构示意图。

图3是本发明的电学测量装置的原理框图。

其中，1.宽光谱光源；2.y型光纤；3.第一入射光纤；4.第二入射光纤；5.第一准直透镜；6.第二准直透镜；7.第三准直透镜；8.第四准直透镜；9.透光窗口；10.样品池；11.参比池；12.第一全反射镜；13.第二全反射镜；14.第三全反射镜；15.第四全反射镜；16.出射光纤；17.光路切换开关；18.光电二极管探测器。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

待测水体中含有各种污染物，而不同的污染物对于光的吸收程度和散射程度各不相同，参见朗伯-比尔定律：

其中，a为吸光度，i0为入射光强度，i为透射光强度，t为透射率，ε为摩尔吸光系数，其对某一化合物在一定波长下是一个常数，可以衡量被测物质对光的吸收程度，b为吸收光程，c为吸光物质的浓度。由于不同浓度的污染参数对应不同的散射信号及透射信号，因而可以通过散射信号及透射信号的信号强度对污染参数进行定量分析，通过获取的不同信号与水质成分之间的特定关系设定不同算法，换算出待测水体中各项污染参数的浓度，而无需依赖化学反应。

根据上述原理，如图1所示，本发明提供了一种宽光谱多参数水质监测系统，包括系统控制装置、宽光谱光源1、光路探测装置、电学测量装置、数据处理和显示装置。

具体的，所述宽光谱光源1包括与所述系统控制装置连接的脉冲氙灯，优选的，所述脉冲氙灯为hamamatsu公司的l13651-01光源模块；所述宽光谱光源还包括外围电路，所述外围电路包括直流电压为11-28v的电源，直流电压为4.5-5.5v的脉冲触发信号以及直流电压为3.2-4.8v的参考电压。所述外围电路与所述系统控制装置连接，在所述系统控制装置的控制下驱动所述脉冲氙灯发出出射光，所述出射光的频段包括紫外光、可见光和红外光，所述出射光的波长为185-2000nm。

所述系统控制装置分别控制连接所述宽光谱光源、所述电学测量装置以及所述数据处理和显示装置；具体的，所述系统控制装置，使用微控制单元mcu产生光源脉冲驱动信号、测量控制信号、数据显示信号以及处理控制信号，分别用于驱动所述宽光谱光源1发射出射光、控制所述电学测量装置的测量以及控制所述数据处理和显示装置的处理和显示，优选的，所述微控制单元mcu的芯片型号为stm32f103vet6。由于不同物质吸收光谱的特征波长不一样，所用的光谱越宽，也就意味着可以有更多的波长，对应着更多的待测物质。

本发明的测量流程为：所述宽光谱光源1的出射光通过所述光路探测装置中的待测水体转换为测试光路入射至所述电学测量装置；所述宽光谱光源的出射光通过所述光路探测装置中的标准水体转换为参考光路入射至所述电学测量装置；所述电学测量装置将所述测试光路和所述参考光路转换为测试电信号和参考电信号；所述数据处理和显示装置，根据所述测试电信号和所述参考电信号获得待测水体中的待测参数以及待测参数的浓度，并显示出来。

具体的，以参考电信号作为补偿修正数据，根据所述测试电信号和所述参考电信号的区别得出待测水体中的参数种类和浓度。这是由于待测水体中含有多种待测参数，而不同待测参数的特征波长不一样，对于光的吸收程度和散射程度也各不相同，反映在电信号上就是不同待测参数所对应的测试电信号会相对于所述参考电信号发生不同程度的变化，从而根据发生变化的测试电信号即可确定待测参数的种类；然后根据所述测试电信号的信号强度相对于所述参考电信号的衰减程度确定所述待测参数的浓度。

具体的，如图2所示，所述光路探测装置包括发射接收单元、反应单元和反射单元；所述发射接收单元包括分光器和光接收器；所述反应单元包括内装有待测水体的样本池10和内装有标准水体的参比池11，所述样本池10和所述参比池11的两端均设置透光窗口9；所述反射单元包括分别对应所述样本池10一端透光窗口9和所述参比池11一端透光窗口9设置的反射装置；

所述宽光谱光源的出射光经由所述分光器后分为两路出射光；一路出射光进入所述样本池10反应后，由所述反射装置反射回所述样本池10反应，再由所述光接收器的一入射端接收形成测量光路；另一路出射光进入所述参比池11反应后，由所述反射装置反射回所述参比池11反应，再由所述光接收器另一入射端接收形成参考光路。

优选的，所述发射接收单元还包括对应所述分光器两出射端设置的第一准直透镜5和第三准直透镜7，以及对应所述光接收器两入射端设置的第二准直透镜6和第四准直透镜8。

具体的，所述分光器为y型光纤2；所述光接收器包括第一入射光纤3和第二入射光纤4、光路切换开关17和出射光纤16，所述光路切换开关17控制所述第一入射光纤3和所述第二入射光纤4交替与所述出射光纤16连接，将所述测试光路或所述参考光路交替与所述电学测量装置接通。

具体的，所述反射装置包括测试光路反射装置和参考光路反射装置，所述测试光路反射装置包括对应设置的第一全反射镜12与第二全反射镜13，所述参考光路反射装置包括对应设置的第三全反射镜14以及第四全反射镜15。

更进一步的，所述样本池10和所述参比池11内均设置有光电二极管探测器，所述光电二极管探测器18用于测量垂直于所述测量光路或所述参考光路的散射光并发送给所述电学测量装置。

具体的，如图3所示，所述电学测量装置包括现场可编程门阵列fpga、光电探测器、驱动电路、缓冲器、a/d转换电路和ram存储芯片，

所述现场可编程门阵列fpga用于生成驱动电路的时序信号以及生成ram存储芯片的读写控制信号，优选的，所述fpga芯片型号是ep2c8q208c8n；

所述驱动电路在所述时序信号的作用下驱动所述光电探测器将所述测试光路和所述参考光路转换为测试电信号和参考电信号；优选的，所述驱动电路芯片是74hc541；

所述光电探测器采用hamamatsu公司的s11639-01型互补cmos型探测器，所述互补cmos型探测器只需要输入clk时钟信号、st脉冲开始信号和配置相关的电源即可，其输出的clk_trig信号可用于控制adc采样；

所述缓冲器用于将所述测试电信号、所述参考电信号进行阻抗匹配及信号调理，以转换成所述a/d转换电路的适用信号；

所述a/d转换电路将所述测试电信号和所述参考电信号转换为数字信号存储在所述ram存储芯片中；

优选的，所述缓冲器电路芯片型号是lt1818；所述a/d转换电路芯片型号是ad9235，采用12位并行输出，最高采样速率为20mhz，转换误差为±0.4lsb，采用3v单电源供电；所述ram芯片的型号是is61lv3216l，存取时间为10-20ns，存储空间512k，是cmos型静态ram，工作时的典型功耗为130mw，待机时的功耗则只有150μw。

具体的，所述宽光谱多参数水质监测系统还包括定位模块和数据传输模块，所述定位模块用于定位所述宽光谱多参数水质监测系统的地理位置，所述数据传输模块用于将所述宽光谱多参数水质监测系统的地理位置、待测水体中的待测参数以及待测参数的浓度发送至云服务器，以供用户远程操作。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。