基于光栅薄膜分光的在线光谱水质检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种水质检测技术领域，特别涉及一种基于光栅薄膜分光的在线光谱水质检测装置。

背景技术：

水质在线监测是实现水环境保护、饮用水安全保障与报警、污水处理和污染物排放控制、水资源管理等方面的重要基础和有效手段。近年来，随着对水质监测实时性和监测频率要求的逐步提高，传统实验室手动分析已很难满足监测需求，使得光谱在线监测系统得到了快速发展。近年来越来越多的仪器仪表厂家加入进来。

常见的光谱水质检测有紫外可见光谱法检测，不同的化合物有不同的吸收光谱，含有苯环或耦合双键的有机物以及特定无机物在紫外-可见波段有较强的吸收峰。结合主成分分析、偏最小二乘和神经网络等算法，来分析水样的特征吸收，进而可以对水样所含组分进行定性与定量分析。目前基于紫外-可见光纤光谱仪的水质检测系统主要用于监测水体硝酸盐、化学需氧量COD、生化需氧量 BOD、总悬浮物TSS、总有机碳TOC和浊度等参数，该系统经常作为一种标准测量方法的替代方案。需要注意的是，基于紫外-可见光纤光谱仪的光谱测量模块不能满足所有水质参数测量需求，一般被用作一个子模块，和其他水质测量模块协同工作。

目前使用的紫外可见光谱法水质检测成本过高，一般都是环境监测部门使用。市场上缺乏的是成本较低且检测效果直接，使用方便的光谱水质在线检测设备。一般来说，对于生活饮用水来说，人们只关心这水是否还能作为生活使用，所以目前的检测设备中一些检测参数并不是人们关心的。对于普通消费者来说，只需要对比检测结果与合格饮用水的结果就行了。基于此，可以利用可见光光谱对合格的饮用水进行光谱检测并保存在数据库里，在线检测时只需要对比实时检测的水质光谱与合格饮用水的光谱就可以满足日常检测需求，差值超过阈值即可报警，但对于如何实现和解决上述技术问题，仍是本领域需要研究的课题。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型要解决的问题是，提出了一种直观指示、使用便捷、可实现在线检测的基于光栅薄膜分光的在线光谱水质检测装置，以解决现有技术存在的技术问题。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种以下的基于光栅薄膜分光的在线光谱水质检测装置，包括白光光源、透明光学平板、光栅薄膜、光电二极管阵列、信号处理电路和中央控制器，所述白光光源发出白光入射到不会改变其光线传播方向和光谱信息的透明光学平板，并经所述透明光学平板入射到所述光栅薄膜，所述光栅薄膜将白光分光形成彩色的光谱带，所述彩色的光谱带入射至待检测水，并从待检测水射出后为相应的光电二极管阵列所检测，所述光电二极管阵列探测到光强变化信号，并将其转化为光电信号传输给所述信号处理电路，所述信号处理电路对所述光电信号进行处理，得到表征光谱信号的数字信号，所述中央控制器接收所述数字信号并对其进行计算处理，得到形成实时检测的光谱信息，将其与标准水质的光谱信息进行对比，以判断待检测水的水质状况。

作为可选，所述透明光学平板由全光波段通光率大于90％的石英玻璃制成。

作为可选，所述待检测水的入射面与光栅薄膜之间设有第一透明玻璃薄片，所述待检测水的出射面与所述光电二极管阵列之间设有第二透明玻璃薄片。

作为可选，所述光电二极管阵7由多个光电二极管组成，响应时间为10us，响应波长范围为400nm-800nm；每个光电二极管对应探测30nm-80nm的彩色光谱范围的光强变化。

作为可选，所述在线光谱水质检测装置还包括蜂鸣器和显示屏，所述中央处理器驱动显示屏显示水质检测的结果，在待检测水的水质低于标准水质时，所述中央处理器发出信号触发蜂鸣器报警。

作为可选，所述白光光源为卤钨灯泡。

采用本实用新型，与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型是基于两种检测结果直接进行差值抽样对比来判定水质状况的原理，结合合格饮用水的水质分析光谱选择十个对应的光谱信号值作为标准，利用该装置实时在线检测水质光谱与合格水质(作为标准水质)的光谱进行多次差值对比，然后判定十个差值的均方根误差与设定阈值的差值，实现水质是否合格的在线检测，并能直观显示和报警，使用便捷。

附图说明

图1为本实用新型基于光栅薄膜分光的在线光谱水质检测装置的结构示意图。

图中所示：1、白光光源，2、透明光学平板，3、光栅薄膜，4、第一透明玻璃薄片，5、待检测水，6、第二透明玻璃薄片，7、光电二极管阵列，8、信号处理电路，9、中央控制器，10、蜂鸣器，11、显示屏。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行详细描述，但本实用新型并不仅仅限于这些实施例。本实用新型涵盖任何在本实用新型的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本实用新型有彻底的了解，在以下本实用新型优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本实用新型。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本实用新型。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

参考图1所示，示意了本实用新型基于光栅薄膜分光的在线光谱水质检测装置的一种实现方式，包括白光光源1、透明光学平板2、光栅薄膜3、光电二极管阵列7、信号处理电路8和中央控制器9，所述白光光源1发出白光入射到不会改变其光线传播方向和光谱信息的透明光学平板2，并经所述透明光学平板2入射到所述光栅薄膜3，所述光栅薄膜3将白光分光形成彩色的光谱带，所述彩色的光谱带入射至待检测水，并从待检测水射出后为相应的光电二极管阵列7 所检测，所述光电二极管阵列7探测到光强变化信号，并将其转化为光电信号传输给所述信号处理电路8，所述信号处理电路8对所述光电信号进行处理，得到表征光谱信号的数字信号，所述中央控制器9接收所述数字信号并对其进行计算处理，得到形成实时检测的光谱信息，将其与标准水质的光谱信息进行对比，以判断待检测水的水质状况。

所述透明光学平板2由全光波段通光率大于90％的石英玻璃制成。

所述待检测水的入射面与光栅薄膜3之间设有第一透明玻璃薄片4，所述待检测水的出射面与所述光电二极管阵列7之间设有第二透明玻璃薄片6。

所述光电二极管阵列7由多个光电二极管组成，响应时间为10us，响应波长范围为400nm-800nm；每个光电二极管对应探测30nm-80nm的彩色光谱范围的光强变化。

所述在线光谱水质检测装置还包括蜂鸣器和显示屏，所述中央处理器9驱动显示屏11显示水质检测的结果，在待检测水的水质低于标准水质时，所述中央处理器发出信号触发蜂鸣器10报警。

所述白光光源1为卤钨灯泡。

白光光源1为小型的卤钨灯泡，功率为20W，使用寿命超过10000小时，发热量较小，容易更换。白光光源1发出白光入射到全光波段通光率大于90％的石英玻璃制成的透明光学平板2不会改变其光线传播方向和光谱信息。白光继续进入光栅薄膜3后由于薄膜上的特殊设计的光栅结构，白光将会被分光形成彩色的光谱带，并且该彩色光谱分光均匀，波长分辨率可以达到10nm左右，虽然分辨率不如光学玻璃光栅，但是在本实用新型中用作对比合格水质光谱与不合格水质光谱已经足够。光栅薄膜3是根据分光要求经过严格设计光栅薄膜模板印制而成，可以将白光分光成与光电二极管阵列探测面尺寸一致的彩色光谱。第一透明玻璃薄片4和第二透明玻璃薄片6均是耐腐蚀、耐氧化的透明玻璃制作而成，为防止水中污染物进入光栅薄膜，影响分光性能，同时防止水渗入各结构部件影响检测性能甚至毁坏装置，并不影响彩色光谱进入光电二极管阵列 7。光电二极管阵列7由十个普通光电二极管组成，响应时间为10us，响应波长范围为400nm-800nm。每个光电二极管对应探测30nm-80nm的彩色光谱范围的光强变化。光电二极管阵列7探测的光强变化信号经信号处理电路8处理之后得到高低电平信号0、1(作为一种实现方式)，然后传输进入中央控制器9经过算法处理形成实时检测的光谱信息，并且在中央控制器9中将实时检测的光谱信息与原本存入的合格水质的光谱信息进行对比，进行均方根差值与设定阈值的对比，也就是将两个值进行相减运算，阈值设置为归一化的1、5两个值，对应实时检测水质的优、中、差三个等级。若相减结果小于等于1，则水质为优，可以正常饮用；若相减结果大于1且小于等于5，则检测水质为中，尚可饮用，但建议消费者换水使用；若相减结果大于5，则水质为差，不可饮用。与此同时，由中央控制器9驱动控制显示屏11，显示屏11为LCD液晶显示屏，其对应显示“水质为优，可以正常饮用”；“水质为中，尚可饮用，但建议换水使用”；和“水质为差，不可饮用”。若检测结果是水质为差，由中央控制器9控制触发蜂鸣器10发出蜂鸣报警。

本实用新型具有制作工艺简单、结构简洁、体积小、可靠性高、灵活性强、应用范围广、可实现实时在线水质检测，可用于饮用水检测、养殖用水检测、可安装在自来水龙头、饮水机出水管等特点。

所述透明玻璃薄片是一种具有抗腐蚀抗氧化的特殊材料玻璃片，作用是防止水进入光栅薄膜之前的部件和光电二极管阵列之后的部件影响甚至破坏性能，同时防止水中的污染物渗入到光栅薄膜影响其分光性能。

虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的具体实施方式对本实用新型的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本实用新型的最优选实施例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。