全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统的制作方法

本申请属于水质检测领域，尤其涉及一种全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统。

背景技术：

全光谱法对水质进行检测时，水样位于窗口之间。长时间使用后，窗口将会被污染，特别是对于野外使用的全光谱法水质传感器，该问题更为严重。当窗口被污染后，其上沉积的污染物、泥沙等将对浊度、cod等的测量产生很大影响，严重影响测量精度。通常情况下，需要定期对窗口进行清洗，以保证测量的精确性。目前尚缺乏能自动实现全光谱水质检测校准，扣除窗口污染带来的影响的方法，也缺乏窗口污染度的定量测量方式及清洗提醒。

现有相关专利如专利申请号为cn201010582703.1，申请日为20101210，名称为《一种利用超声波清洗光学窗口的装置》的发明专利，其技术方案为：本发明公开了一种利用超声波清洗光学窗口的装置，其包含一外壳，以及通过密封装置安装在该外壳内的超声波装置；所述的超声波装置包含依次通过电路连接的控制器、逆变器、超声波发生器和超声波换能器，所述的控制器和超声波发生器之间也通过电路连接；所述的光学窗口设置在以超声波换能器的振动表面为底面的柱形体范围内。

上述专利虽然对如何清洗光学窗口进行了改进，但是其只能被动的执行清洗动作，不能通过设备检测出窗口是否被污染，其污染程度如何、是否需要清洗等，也不能实现水质检测校准功能。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的上述问题，现在特别提出一种全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统。

为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：

全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统，其特征在于：包括水质检测装置和校准提醒装置，所述水质检测装置包括位于两端的宽谱光源和光谱仪，所述宽谱光源与光谱仪之间设置有第一窗口和第二窗口，所述宽谱光源出射的光依次穿过第一窗口和第二窗口；所述校准提醒系统包括位于两端的激光器和光电探测器，所述第一窗口和第二窗口位于所述激光器和光电探测器之间，所述激光器出射光束穿过第一窗口和第二窗口；所述激光器出射光束与宽谱光源出射的光的光程不同。

进一步地，位于水质检测装置内第一窗口和第二窗口的光程为l1；即宽谱光源出射的光的光程为l1。位于校准提醒装置内第一窗口和第二窗口的光程为l2；即激光器出射光束的光程为l2。且l2≠l1。

进一步地，水质检测装置内第一窗口和第二窗口与校准提醒装置内第一窗口和第二窗口为两组独立的窗口。即宽谱光源与光谱仪之间为一组第一窗口和第二窗口，激光器与光电探测器之间为另一组第一窗口和第二窗口。

由本系统可以测量得到窗口污染带来的光能量损失，可以根据需要设置相应的阈值，即当能量损失未超过该阈值时，通过检测结果对测量数据进行校准，当能量损失超过该阈值时，通过但不限于短信等方式发出清洗提醒。

激光辅助全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统的工作原理为：

步骤1，对系统进行校准，获取光电探测器及光谱仪响应度，计算其比值r；

步骤2，通过对已知吸光度的标样进行测量，获取系统的值b；b是为了方便根据公式定义的一个量；

步骤3，对待测水样，通过光电探测器和光谱仪的输出，计算水样在激光器对应波长处的吸光度α；

步骤4，通过计算所得该波长处的吸光度α，计算窗口带来的光损耗a，并将该值与设定的阈值进行比对，以确定是否需要提醒进行窗口清洗；这里的计算可采用微处理器自动计算。

步骤5，通过所得的光损耗a，利用光谱仪所得宽光谱数据，计算消除了窗口影响下的水质参数。

进一步地，所述步骤1具体为：

r为光电探测器和光谱仪对激光波长对应的光的响应度之比，仪器校准时获取。

进一步地，所述步骤2具体为：

激光器激光器出射光束依次通过第一窗口、待测水样，第二窗口后，入射到探测器的激光的功率为：

plaser_out=plaser*(1-a)²*exp(-α*l2)公式1

其中plaser为激光器出射光束功率，a为污染带来的光损耗比例，α为待测水对激光波长的吸光度，l2为校准提醒装置内的第一窗口到第二窗口之间的光程；其中a和α为未知量；

宽谱光源出射的光依次通过第一窗口、待测水样、第二窗口后，入射到光谱仪的宽谱光中与激光器出射光束同样波长的部分功率为：

plamp_out=plamp*(1-a)²*exp(-α*l1)公式2

激光器出射光束功率与宽谱光中与激光器出射光束同样波长的部分的功率之比通过公式1除以公式2得到，即：

plaser_out/plamp_out=[plaser*(1-a)²*exp(-α*l2)]/[plamp*(1-a)²*exp(-α*l1)]

=(plaser/plamp)*exp[-α*(l2-l1)]公式3

光电探测器与光谱仪在对应波长的输出信号之比为a，

a=r*plaser_out/plamp_out；

其中r为光电探测器和光谱仪对激光波长对应的光的响应度之比，将公式3左右两边同时乘以r，则

a=r*(plaser/plamp)*exp[-α*(l2-l1)]公式4

令b=r*(plaser/plamp)，则公式4可以写为

a=b*exp[-α*(l2-l1)]公式5

在该全光谱水质传感器进行校准时，可以采用已知吸光度α的水样进行测量，由于光程l1与l2都已知，a为测量输出，故可以精确获得该系统b的值。

进一步地，所述步骤3具体为：

对实际水样进行测量时，只需要测量a的变化，即可以计算出此时水样对该波长的吸光度，为：

α=(l2-l1)*ln(a/b)公式6

通过公式6可以看出，该计算不受窗口对光吸收的影响，仅与水样自身的吸光度相关。

进一步地，所述步骤4具体为：

由公式1可以知道，第一窗口和第二窗口（假设两个窗口带来的影响一致）的光损耗比例为：

公式7；

当水样的吸光度已知时，该值可以进行精确计算。

进一步地，所述步骤5具体为：

使用该传感器时，在每次测量水质的同时计算a值，并为a值设置阈值，当a值超过设定的阈值范围时，表明由窗口污染带来的信号衰减太大，提示进行窗口清洗；通过该光损耗比例，可以对光谱仪测量得到的宽谱光数据进行处理，获得在消除了窗口带来的损耗的影响下的水质参数。

所述校准提醒装置的提醒方式包括但不限于短信、警报等现有通知方式。

本申请的优点在于：

本申请通过引入辅助的激光，配合系统原有的宽谱光测量，对窗口表面的污染情况进行监测。当污染程度较轻时，可以根据监测结果，对基于宽谱光的水质检测结果数据进行修正，排除窗口污染带来的测量不准确，相当于对系统做了自动校准。当污染程度很大的时候，自动校准已经不能满足需求，就提醒需要进行窗口清洗。

附图说明

图1本申请系统示意图。

附图中：1-激光器，2-激光器出射光束，3-水中激光，4-入射到探测器的激光，5-光电探测器，6-宽谱光源，7-宽谱光源出射的光，8-水中宽谱光，9-入射到光谱仪的宽谱光，10-光谱仪，11-第一窗口，12-第二窗口。

具体实施方式

实施例1

全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统包括并排设置的水质检测装置和校准提醒装置，所述水质检测装置包括位于两端的宽谱光源和光谱仪，所述宽谱光源与光谱仪之间设置有第一窗口和第二窗口，所述宽谱光源出射的光依次穿过第一窗口和第二窗口；所述校准提醒系统包括位于两端的激光器和光电探测器，所述第一窗口和第二窗口位于所述激光器和光电探测器之间，所述激光器出射光束穿过第一窗口和第二窗口；所述激光器出射光束与宽谱光源出射的光的光程不同。

图1中所示激光器输出的激光器出射光束通过第一窗口后进入待测水样，光束为图中所示水中激光，再经过第二窗口，光束变为入射到探测器的激光，然后入射到光电探测器中。其中，第一窗口和第二窗口在污染的情况下会通过吸收和散射带来入射激光能量的损失，待测水样也会吸收光能量，其吸光度与水的污染情况有关。图中所示宽谱光源经过其含的光束整形部分整形后，输出平行的宽谱光源出射的光，经过第一窗口后入射到待测水样中变为水中宽谱光，在经过第二窗口后变为入射到光谱仪的宽谱光入射到光谱仪中。

实施例2

激光辅助全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统的工作原理为：

步骤1，对系统进行校准，获取光电探测器及光谱仪响应度，计算其比值r；

步骤2，通过对已知吸光度的标样进行测量，获取系统的值b；b是为了方便根据公式定义的一个量；

步骤3，对待测水样，通过光电探测器和光谱仪的输出，计算水样在激光器对应波长处的吸光度α；

步骤4，通过计算所得该波长处的吸光度α，计算窗口带来的光损耗a，并将该值与设定的阈值进行比对，以确定是否需要提醒进行窗口清洗；这里的计算可采用微处理器自动计算。

步骤5，通过所得的光损耗a，利用光谱仪所得宽光谱数据，计算消除了窗口影响下的水质参数。

实施例3

激光辅助全光谱水质检测自动校准及窗口清洗提醒系统的工作原理为：

步骤1，对系统进行校准，获取光电探测器及光谱仪响应度，计算其比值r；

步骤2，通过对已知吸光度的标样进行测量，获取系统的值b；b是为了方便根据公式定义的一个量；

步骤3，对待测水样，通过光电探测器和光谱仪的输出，计算水样在激光器对应波长处的吸光度α；

步骤4，通过计算所得该波长处的吸光度α，计算窗口带来的光损耗a，并将该值与设定的阈值进行比对，以确定是否需要提醒进行窗口清洗；这里的计算可采用微处理器自动计算。

步骤5，通过所得的光损耗a，利用光谱仪所得宽光谱数据，计算消除了窗口影响下的水质参数。

进一步地，所述步骤1具体为：

r为光电探测器和光谱仪对激光波长对应的光的响应度之比，仪器校准时获取。

进一步地，所述步骤2具体为：

激光器激光器出射光束依次通过第一窗口、待测水样，第二窗口后，入射到探测器的激光的功率为：

plaser_out=plaser*(1-a)²*exp(-α*l2)公式1

其中plaser为激光器出射光束功率，a为污染带来的光损耗比例，α为待测水对激光波长的吸光度，l2为校准提醒装置内的第一窗口到第二窗口之间的光程；其中a和α为未知量；

宽谱光源出射的光依次通过第一窗口、待测水样、第二窗口后，入射到光谱仪的宽谱光中与激光器出射光束同样波长的部分功率为：

plamp_out=plamp*(1-a)²*exp(-α*l1)公式2

激光器出射光束功率与宽谱光中与激光器出射光束同样波长的部分的功率之比通过公式1除以公式2得到，即：

plaser_out/plamp_out=[plaser*(1-a)²*exp(-α*l2)]/[plamp*(1-a)²*exp(-α*l1)]

=(plaser/plamp)*exp[-α*(l2-l1)]公式3

光电探测器与光谱仪在对应波长的输出信号之比为a，

a=r*plaser_out/plamp_out；

其中r为光电探测器和光谱仪对激光波长对应的光的响应度之比，将公式3左右两边同时乘以r，则

a=r*(plaser/plamp)*exp[-α*(l2-l1)]公式4

令b=r*(plaser/plamp)，则公式4可以写为

a=b*exp[-α*(l2-l1)]公式5

在该全光谱水质传感器进行校准时，可以采用已知吸光度α的水样进行测量，由于光程l1与l2都已知，a为测量输出，故可以精确获得该系统b的值。

进一步地，所述步骤3具体为：

对实际水样进行测量时，只需要测量a的变化，即可以计算出此时水样对该波长的吸光度，为：

α=(l2-l1)*ln(a/b)公式6

通过公式6可以看出，该计算不受窗口对光吸收的影响，仅与水样自身的吸光度相关。

进一步地，所述步骤4具体为：

由公式1可以知道，第一窗口和第二窗口（假设两个窗口带来的影响一致）的光损耗比例为：

公式7；

当水样的吸光度已知时，该值可以进行精确计算。

进一步地，所述步骤5具体为：

使用该传感器时，在每次测量水质的同时计算a值，并为a值设置阈值，当a值超过设定的阈值范围时，表明由窗口污染带来的信号衰减太大，提示进行窗口清洗；通过该光损耗比例，可以对光谱仪测量得到的宽谱光数据进行处理，获得在消除了窗口带来的损耗的影响下的水质参数。

所述校准提醒装置的提醒方式包括但不限于短信、警报等现有通知方式。

本申请的优点在于：

本申请通过引入辅助的激光，配合系统原有的宽谱光测量，对窗口表面的污染情况进行监测。当污染程度较轻时，可以根据监测结果，对基于宽谱光的水质检测结果数据进行修正，排除窗口污染带来的测量不准确，相当于对系统做了自动校准。当污染程度很大的时候，自动校准已经不能满足需求，就提醒需要进行窗口清洗。