一种水下微痕量化学物质的探测识别装置的制作方法

本发明涉及一种用于探测识别水下微痕量化学物质的装置，属于水下化学物探测技术领域。

背景技术

随着人类对海洋的探索逐步深入，水下爆炸物(例如被遗弃的水下未爆弹药、水雷等)、化学毒剂等水下危险化学物对人类的生命安全及生活环境构成了严重威胁。由于水下环境的复杂性、隐蔽性，使得危险化学物的探测和清除有一定的难度。目前，水下的探测识别一般采用声、磁、光等探测方法，这些方法都属于物理方法，通过对目标的外形、材质等进行目标的探测和识别，常需要依赖人的经验，探测识别虚警率较高，无法确定其是否含有相应的化学物质，自主识别能力不足。

根据相关研究，这些危险化学物所含的化学物质(例如水下爆炸物所含的炸药成分等)都不可避免地通过渗透和泄漏扩散到外部环境中，因此除了传统的物理探测识别方法，还可以使用化学探测方法进行水下危险化学物的探测识别。由于所渗出的化学物质的量极少，因此需要利用微痕量检测技术来实现水中微痕量危险化学物质的探测和识别。目前常用的微痕量化学检测技术主要有离子迁移谱法、荧光分析法、电化学法、表面声波法以及表面等离子体波共振(spr)等几类方法。其中，离子迁移谱法与基于spr的检测技术相比，灵敏度较低，且存在选择性不高以及由于采用放射性物质做离子化源而造成环境污染的问题；荧光分析法与基于spr的检测方法相比，灵敏度相当，但须对待测分子进行专门荧光标记，检测目标可扩展性差；电化学法具有选择性好、功耗低的优点，但相比其它方法检测灵敏度较低；表面声波法与基于spr的检测方法相比，选择性相当，但检测灵敏度偏低。综合国外微痕量水下检测技术的发展来看，荧光分析与表面等离子体波共振两种检测方法灵敏度高，综合性能较优，是目前水下高灵敏度探测研究采用的两种主要方法。由于是针对具体的化学物质进行探测，所以化学探测方法比物理探测方法能更准确地确定所探测对象是什么，因此针对水下危险物的探测识别，化学探测方法是传统物理探测方法外很有潜力的一种方法，可以为水下感知增加新的手段，提高自主识别能力。

在气体环境中，已有一些针对有害气体以及危险目标物的化学探测装置或化学传感器，例如二氧化硫传感器、爆炸物探测装置等，在实际中也有了一定的应用。但目前针对水下危险化学物的化学探测装置或化学传感器还比较少，比较常见的是少数用于原位检测的化学传感器，主要针对海洋化学物质成分的探测，目的也是对海洋环境进行分析研究。然而，目前的这些化学传感器或探测装置一般只针对单一化学物质，即每一种探测装置或传感器只能检测一种化学物质，探测不同的化学物质则需要使用不同的化学传感器和化学探测装置，扩展性不足。

技术实现要素：

针对目前水下危险化学物质的探测装置探测对象单一以及缺少用于水下危险化学物质微痕量检测的装置的问题，本发明的目的在于提供一种水下微痕量化学物质的探测识别装置，该装置主要是通过传感芯片自动更换组件自动转换及更换传感芯片，从而实现多种化学物质、长时间的在线实时自主水下检测；而且该装置通过样品预处理以及过滤层的反冲自清洗功能，保证采集的水样质量，进而确保检测的高效性以及准确性；并且结合辅助探测器件，大大提高了探测识别效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种水下微痕量化学物质探测识别装置，所述装置包括壳体ⅰ、采样组件、检测池、蠕动泵ⅰ、传感芯片自动更换组件、光电组件、双向螺纹导轨、电机ⅰ以及控制模块；

所述壳体ⅰ的前部加工有进样口以利于对目标化学物质的探测，后部加工有出样口以防检测完排出的液体被进样口重复采集吸入；其后部还加工有电源及数据接口，通过线缆可以连接外部的电源及实时信息显示设备，方便对探测识别信息进行查看，或者与水下平台连接为其提供危险化学物目标相关信息以供自主识别；

检测池的上部敞开不封闭；

采样组件、检测池、蠕动泵ⅰ、传感芯片自动更换组件、光电组件、双向螺纹导轨、电机ⅰ以及控制模块均安装在壳体ⅰ内部；采样组件通过耐蚀管路ⅰ分别与进样口、出样口连接，采样组件通过耐蚀管路ⅱ与检测池连接；检测池、蠕动泵ⅰ以及出样口之间通过耐蚀管路ⅱ按顺序依次连接；双向螺纹导轨与电机ⅰ的驱动端固定连接，双向螺纹导轨的一端安装光电组件，另一端安装检测池，光电组件和检测池随双向螺纹导轨的转动可以相向运动，从而靠近或者分开；传感芯片自动更换组件安装在检测池与光电组件之间，且传感芯片自动更换组件分别与光电组件、检测池密封连接；采样组件、蠕动泵ⅰ、传感芯片自动更换组件、光电组件以及电机ⅰ均与控制模块电气连接，且通过电源及数据接口均与外部的电源电气连接。

所述采样组件包括预处理池、搅拌桨、超声设备ⅰ和蠕动泵ⅱ；其中，预处理池为封闭的腔体，搅拌桨安装在预处理池内部，超声设备ⅰ安装在预处理池外部，由于大多数微痕量化学物质在水中分布不均匀，为了提高检测性能和效率，则对采集的样品进行搅拌和超声处理以得到目标化学物质分布均匀的样品；预处理池通过耐蚀管路ⅰ分别与进样口、出样口连接，蠕动泵ⅱ安装在预处理池与出样口之间的耐蚀管路ⅰ上，预处理池通过耐蚀管路ⅱ与检测池连接；搅拌桨、超声设备ⅰ和蠕动泵ⅱ均与控制模块以及外部的电源电气连接。

所述传感芯片自动更换组件包括转盘、传感芯片和电机ⅱ；其中，转盘上加工有两个以上卡孔，每个卡孔安装一个传感芯片，传感芯片上有敏感膜的一端与检测池的非封闭端密封连接，传感芯片上无敏感膜的一端与光电组件密封连接，转盘与电机ⅱ的驱动端固定连接，电机ⅱ分别与控制模块以及外部的电源电气连接。

所述光电组件包括壳体ⅱ、光源、偏振片、聚光透镜ⅰ、聚焦透镜ⅰ、棱镜、聚光透镜ⅱ、聚焦透镜ⅱ和光敏器件；其中，壳体ⅱ是两端开放的圆筒结构，偏振片、聚光透镜ⅰ、聚焦透镜ⅰ、棱镜、聚光透镜ⅱ、聚焦透镜ⅱ和光敏器件按顺序依次安装在壳体ⅱ内部，且棱镜穿过壳体ⅱ后与传感芯片自动更换组件相密封连接，光源在离偏振片较近的壳体ⅱ一端的外部，使光源产生的光经过偏振片、聚光透镜ⅰ、聚焦透镜ⅰ后入射到棱镜，并经过棱镜的反射后光经过聚光透镜ⅱ、聚焦透镜ⅱ后被光敏器件接收；光源和光敏器件均与控制模块以及外部的电源电气连接。

所述耐蚀管路ⅱ的直径不大于耐蚀管路ⅰ的直径的1/3，一般耐蚀管路ⅱ的直径为2mm～5mm。

由于微痕量危险化学物在水中分布不均匀，为提高采样概率，进样口采用广角进样口；另外，为防止有较大杂物被吸入堵塞进样口，在进样口处设置一层以上不同孔径的网状结构过滤层，由壳体ⅰ外部至内部，过滤层的孔径逐渐减小；同时，在进样口处设置超声设备ⅱ，超声设备ⅱ分别与控制模块以及外部的电源电气连接，结合蠕动泵ⅱ反转，使过滤层具备反冲自清洗能力，使过滤一段时间后沉积在过滤层上的杂质可以自动清除。

所述装置还包括流速流向传感器、声传感器、磁传感器以及光探测器等辅助探测器件，该辅助探测器件安装在壳体ⅰ内部，而且该辅助探测器件分别与控制模块以及外部的电源电气连接；其中，根据流速流向传感器获得的流速流向数据，可以对目标化学物质在水中的分布与扩散进行分析预测，以判断目标化学物质所在方位；声传感器通过主动声探测，可针对疑似危险化学物目标的外形进行大概的距离和方位探测；磁传感器可以对使用金属壳体的疑似危险化学物目标进行大概方位的探测；光探测器通过得到可见光图像，通过外形对疑似目标进行探测；声、磁和光这几种探测器件，主要是针对水下目标危险化学物的外形及物理特征进行探测，由于无法对危险化学物的内部物质进行探测，因此所探测到的对象均为疑似目标，可以用来辅助化学探测，提高探测识别效率。

为了方便蛙人及水下平台携带，还可以在壳体ⅰ的外表面设置把手。

有益效果：

(1)本发明所述装置中的传感芯片自动更换组件能够自动更换传感芯片，从而实现对多种化学物质的在线实时自主水下检测，有效弥补了目前水下化学探测传感器探测目标单一的缺点；而且还可以大大延长工作时间长。

(2)针对微痕量化学物在水中不均匀分布的性质，首先通过广角进样口，提高采样概率；再通过预处理池对采集的水样进行搅拌和超声处理使待测化学物在水样中均匀分布，有效提高了检测性能，能够保证检测高效顺利完成。

(3)为防止水中较大杂物被吸入堵塞进样口，在进样口处设置多层孔径不同的过滤层；而且结合超声设备以及蠕动泵，使过滤层具备反冲自清洗能力，从而保证其过滤性能以及所采集水样的质量，确保检测性能。

(4)结合辅助探测器件，可以根据获知的流速流向对目标化学物在水中的分布与扩散进行分析预测，以判断目标所在方位；其它的声、磁、光等探测传感器可以为系统提供目标化学物的物理特征信息，与所述装置对目标化学物检测得到的化学特征信息相互配合，能够更好地准确对疑似目标进行检测识别，极大提高了探测识别效率，进而可以有效提高对水下目标的探测能力。

本发明所述装置弥补了目前在水下危险化学物实时探测识别方面设备的欠缺，特别对水下的爆炸物以及化学毒剂等危险化学物，通过采用化学探测的方法，弥补传统物理探测方法识别性能上的不足，特异性强；同时，配合辅助探测器件，能够实现对目标化学物的高灵敏度探测识别，极大提高了探测识别效率，并能够作为模块搭载到水下机器人等水下平台，也能够便捷地由蛙人携带。

附图说明

图1为实施例中所述装置的结构示意图。

图2为实施例中所述预处理池的结构示意图。

图3为实施例中所述光电组件的结构示意图。

图4为实施例中所述传感芯片自动更换组件的结构示意图。

图5为实施例中所述检测池的结构示意图。

图6为实施例中所述光电组件、传感芯片自动更换组件以及检测池的装配关系示意图。

图中，1-把手，2-辅助探测器件，3-控制模块，4-壳体ⅰ，5-进样口，6-过滤层，7-超声设备ⅱ，8-耐蚀管路ⅰ，9-预处理池，10-检测池，11-传感芯片自动更换组件，12-光电组件，13-蠕动泵ⅱ，14-出样口，15-电源及数据接口，16-预处理池进样口，17-搅拌桨，18-预处理池出样口，19-超声设备ⅰ，20-耐蚀管路ⅱ，21-光源，22-偏振片，23-聚光透镜ⅰ，24-聚焦透镜ⅰ，25-棱镜，26-聚光透镜ⅱ，27-聚焦透镜ⅱ，28-光敏器件，29-传感芯片，30-密封圈，31-壳体ⅱ，32-微流通道，33-双向螺纹导轨，34-电机ⅰ，35-电机ⅱ，36-转盘，37-蠕动泵ⅰ、38-检测样出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种水下微痕量化学物质探测识别装置包括把手1、辅助探测器件2、壳体ⅰ4、过滤层6、超声设备ⅱ7、采样组件、检测池10、蠕动泵ⅰ37、传感芯片自动更换组件11、光电组件12、密封圈30、双向螺纹导轨33、电机ⅰ34以及控制模块3；

辅助探测器件2包括流速流向传感器、声传感器、磁传感器以及光探测器等；上述的声传感器、磁传感器以及光探测器，主要是通过声、磁、光的物理手段对水下疑似目标的外形及物理特征进行探测，由于无法对疑似目标化学物的内部物质进行探测，因此所探测到的对象均为疑似目标；根据流速流向传感器获得的流速流向数据，可以对目标化学物质在水中的分布与扩散进行分析预测，从而判断目标化学物质所在方位，有利于尽快探测到目标源头，所以根据实际需要可以选择安装一种或者一种以上辅助探测器件2，以提高探测识别能力和效率；

壳体ⅰ4具有一定的密封以及耐压性，其前部加工有进样口5以利于对目标化学物质的探测，其后部加工有出样口14以防检测完排出的液体被进样口5重复采集吸入；其后部还加工有电源及数据接口15，通过线缆可以连接外部的电源及实时信息显示设备，方便对探测识别信息进行查看，或者与水下平台连接为其提供危险化学物目标相关信息以供自主识别；另外，由于微痕量化学物质在水中分布不均匀，为提高采样概率，进样口5可以采用广角进样口；

过滤层6为网状结构，由壳体ⅰ4外部至内部，设置一层以上过滤层6，且过滤层6的孔径逐渐减小；

采样组件包括预处理池9、搅拌桨17、超声设备ⅰ19和蠕动泵ⅱ13；如图2所示，预处理池9为封闭的腔体，其腔体上加工有预处理池进样口16、预处理池出样口18以及检测样出口38；搅拌桨17安装在预处理池9内部，超声设备ⅰ19安装在预处理池9外部，采集的水样在预处理池9中经过搅拌和超声处理后，可以使目标化学物质在水样中均匀分布，提高检测性能和效率；

如图4所示，传感芯片自动更换组件11包括转盘36、传感芯片29和电机ⅱ35；其中，转盘36上加工有两个以上卡孔，每个卡孔安装一个传感芯片29，转盘36与电机ⅱ35的驱动端固定连接；

如图3所示，光电组件12包括壳体ⅱ31、光源21、偏振片22、聚光透镜ⅰ23、聚焦透镜ⅰ24、棱镜25、聚光透镜ⅱ26、聚焦透镜ⅱ27和光敏器件28；其中，壳体ⅱ31是两端开放的圆筒结构，其圆周面上加工有棱镜25安装孔，偏振片22、聚光透镜ⅰ23、聚焦透镜ⅰ24、棱镜25、聚光透镜ⅱ26、聚焦透镜ⅱ27和光敏器件28按顺序依次安装在壳体ⅱ31内部，棱镜25放置在安装孔中，棱镜25的一部分在壳体ⅱ31内部，一部分在壳体ⅱ31外部，光源21在离偏振片22较近的壳体ⅱ31一端的外部，使光源21产生的光经过偏振片22、聚光透镜ⅰ23、聚焦透镜ⅰ24后入射到棱镜25，并经过棱镜25的反射后光经过聚光透镜ⅱ26、聚焦透镜ⅱ27后被光敏器件28接收；

如图5所示，检测池10的上部敞开不封闭，其上部端面加工有密封槽，其底部加工有微流通道32；

双向螺纹导轨33的两端加工有螺纹相反的螺纹；

辅助探测器件2、采样组件、检测池10、蠕动泵ⅰ37、传感芯片自动更换组件11、光电组件12、双向螺纹导轨33、电机ⅰ34以及控制模块3均安装在壳体ⅰ4内部，且辅助探测器件2和采样组件中的预处理池9安装在壳体ⅰ4的前部以利于对目标化学物质的探测；把手1安装在壳体ⅰ4的外圆周面上，方便蛙人或水下平台携带；进样过滤层6和超声设备ⅱ7安装在进样口5处，过滤水中杂质以防止水中较大杂物吸入堵塞进样口5，而且超声设备ⅱ7结合蠕动泵ⅱ13反转，可以使过滤层6具有反冲自清洗能力以保证其过滤性能；进样口5通过耐蚀管路ⅰ8与预处理池进样口16连接，预处理池出样口18、蠕动泵ⅱ13以及出样口14之间通过耐蚀管路ⅰ8按顺序依次连接，预处理池9的检测样出口38通过耐蚀管路ⅱ20与检测池10中的微流通道32连接；密封圈30安装在检测池10的密封槽中，检测池10、蠕动泵ⅰ37以及出样口14之间通过耐蚀管路ⅱ20按顺序依次连接；双向螺纹导轨33与电机ⅰ34的驱动端固定连接，双向螺纹导轨33的一端安装光电组件12，另一端安装检测池10，光电组件12和检测池10随双向螺纹导轨33的转动可以相向运动，从而靠近或者分开；传感芯片自动更换组件11安装在检测池10与光电组件12之间，传感芯片自动更换组件11中的一个传感芯片29的敏感膜端与密封圈30紧密接触，该传感芯片29的无敏感膜端与位于壳体ⅱ31外部的棱镜15端面紧密接触，如图6所示；辅助探测器件2、超声设备ⅱ7、蠕动泵ⅱ13、蠕动泵ⅰ37、搅拌桨17、超声设备ⅰ19、光源21、光敏器件28、电机ⅰ34以及电机ⅱ35均与控制模块3电气连接，并通过电源及数据接口均与外部的电源电气连接，控制模块3对上述各部件的工作状态进行控制，外部的电源为上述各部件供电；其中，耐蚀管路ⅱ20的直径不大于耐蚀管路ⅰ8的直径的1/3。

工作原理：在蠕动泵ⅱ13的作用下，水样通过进样口5进入预处理池9中，在预处理池9中经过搅拌和超声处理后，再在蠕动泵ⅰ37的作用下，通过耐蚀管路ⅱ20以及检测池10底部的微流通道32进入检测池10中；检测池10中的水样与传感芯片29接触后，如果水样中含有目标化学物质，那么目标化学物质就能被传感芯片29中的敏感膜所吸附，而吸附目标化学物质后的敏感膜的物理化学性质发生变化(敏感膜可以采用分子印迹膜，分子印迹技术通过模拟自然界中存在的类似酶与底物、抗体与抗原等自然识别系统的分子识别作用，制备具有对特定目标分子具有特异选择性的聚合物，达到识别特定分子的目的)，由于棱镜25与传感芯片29相接触，从而会影响光在棱镜25上的反射情况，本申请中的光电组件12采用的是spr检测技术，则最终会影响光敏器件28检测后所得到的spr共振曲线，从而实现对目标化学物质的检测识别。

另外，传感芯片自动更换组件11上可以安装多种传感芯片29，传感芯片29的种类与待检测的化学物质种类相同，而且同一种传感芯片29的个数可以为两个及以上；如果一种传感芯片29在传感芯片自动更换组件11上安装两个以上时，同一种传感芯片29中的一个传感芯片29使用一定时间后，如果该传感芯片29使用效果变差，便可以自动更换成同种传感芯片29中的另一个传感芯片29；在更换时，电机ⅰ34驱动双向螺纹导轨33转动使光电组件12和检测池10分开，然后电机ⅱ35带动转盘36转动，使转盘36上的另一个传感芯片29转到光电组件12和检测池10中间，然后电机ⅰ34驱动双向螺纹导轨33转动使光电组件12和检测池10靠近，与新更换的传感芯片29结合在一起，这样可以继续进行检测，从而延长了所述装置的探测使用时间；所述装置针对不同化学物质进行检测时，一种传感芯片29完成一种化学物质的检测后，则自动更换成另一种传感芯片29以对另外一种化学物质进行检测，通过自动更换位于光电组件12和检测池10之间的传感芯片29种类从而达到探测多种化学物质的目的。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。