一种实现变光程水质监测系统及方法与流程

本申请属于水质检测领域，尤其涉及一种实现变光程水质监测系统及方法。

背景技术：

采用紫外法和光谱法等光学方法对水质进行分析时，污染严重强的水对光吸收强，一般需要采用较短的光程以获得足够强的光信号；对于污染轻的水，需要采用长的光程以获得足够的光吸收。固定光程并不能完全满足水质监测需求。

传统处理方法采用机械式移动光路，可以实现多光程测量，但需要根据待测水样情况手动调整机械装置实现不同的光程，无法实现光程自动动态调整；另外的解决方式是通过采用具有不同光路的多光路设置，但是具有结构复杂、成本高的缺点。

现有专利如专利申请号为201611197723.0，申请日为2016.12.22，名称为用于水质监测的测量单元及测量系统的发明专利，其技术方案如下：本发明提供一种用于水质监测的测量单元及测量系统。该测量单元包括：由导热材料制成的基座及盖板，所述基座及盖板相互连接并共同围成支承腔体；用于容纳待测量样本的透光比色皿，其布置在所述支承腔体中，并与所述支承腔体的至少一个面贴合；以及至少两组光程测量组件，其靠近所述透光比色皿布置，并为待测量样本提供不同的测量光程。

上述专利采用并行光路的方式实现了两光路，并没有解决现有技术中的上述问题，存在成本高、结构复杂的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的上述问题，现在特别提出一种实现变光程水质监测系统及方法。

为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：

一种实现变光程水质监测系统，其特征在于：至少包括两个变反射率镜，两个变反射率镜之间为待测水样，两个变反射率镜之外的一侧设置有一个可变光阑，两个变反射率镜之外的另一侧设置有光源。光源可以选择现有的多种类型光源，如254nm紫外led或宽谱光源等。

光源位于与两个变反射率镜之外的一侧，且所述光源与临近的变反射率镜之间设置有准直透镜，其作用为将入射到变反射率镜的光准直为平行光；两个变反射率镜之外的另一侧设置有聚焦透镜和光强或/和光谱分析部分，所述聚焦透镜位于该侧的可变光阑和光学分析部分之间。这里提到的光强分析部分可以为探测器，光谱分析部分可以为现有技术中的带光纤输入的光谱分析仪等现有结构。

进一步的，所述变反射率镜上镀有反射率随位置改变的薄膜，相邻位置的反射率依次增大或者减小。

进一步的，变反射率镜相邻位置的反射率为连续式的增大、减小或者为阶梯式的增大、减小。

进一步的，位于变反射率镜中心为圆形膜，其余膜呈环状结构依次套在圆形膜外侧。圆形膜可以将反射率设置为接近零，也可以设置为其他数值的反射率。

一种实现变光程全光谱水质监测方法的流程如下：

a.打开光源，将可变光阑调小至只允许光通过变反射率镜的中间窗口部分，测量水样的光吸收；变反射率镜的中间窗口部分的反射率可以为变反射率镜上不同反射率中最低的部分，也可以为变反射率镜上不同反射率中最高的部分。

b.将可变光阑调大至让第二反射率窗口对应的光通过，测量水样的光吸收，该部分光吸收包括了中间反射率部分及第二反射率部分，通过第一组测试数据，反解仅有第二反射率部分存在时光吸收；第二反射率窗口指的是变反射率镜中间窗口外相邻的一圈反射率膜部分，其中第二反射率窗口的反射率也可以比中间窗口部分的反射率高，也可以比中间窗口部分的反射率低。上文提到的反解的具体方法属于现有技术，这里不再赘述。

c.结合不同反射率对应的等效光程和其对应的光吸收，计算水样吸收系数。

这里提到的等效光程指采用法布里-珀罗腔（f-p）计算方式进行；提到的吸收系数计算主要是指使用比尔-朗伯定律，根据实验所得数据进行计算，具体计算方式为现有技术，本领域技术人员均熟知如何计算。

可以根据实际水样的情况，动态的对光阑大小进行调节，以满足测量所需。

在步骤a之前，需要选择变反射率镜，所述选择变反射率镜的步骤为

a.选定所要实现的等效光程范围；

b.根据需要实现的等效光程大小，计算窗口所需镀膜实现的反射率；

c.根据反射率需求进行膜系设计；模式设计有标准方法，此处遵循一般工业方法及标准即可。

d.光学镀膜。

本申请的优点在于：

1、本申请对于同一种水样，可以通过不同的光程相互校验，提高测量精度，并且在一套设备的前提下实现了光路可调的效果。

2、本申请通过调整光阑大小，实现不同的等效光程，可以实现对污染度范围很大的水样的有效测量。

3、本申请的方法无需手动调整光路，且仅需要一条光路，具有调整简单，成本低等优点。光路中使用光阑进行调节，该光阑可选为电动光阑，调节精度高，调整速度快，可以实现连续可调。

附图说明

图1本申请光路原理图。

图2-图5为反射率变化示意图。其中r为变反射率镜的半径，r为反射率。

具体实施方式

实施例1

一种实现变光程水质监测系统至少包括两个变反射率镜，两个变反射率镜之间为待测水样，两个变反射率镜之外的一侧设置有一个可变光阑，两个变反射率镜之外的另一侧设置有光源。为了实现自动控制，可以选择电动可变光阑。光源可以选择现有的多种类型光源，如254nm紫外led或宽谱光源等。

光源位于与两个变反射率镜之外的一侧，且所述光源与临近的变反射率镜之间设置有准直透镜，其作用为将入射到变反射率镜的光准直为平行光；两个变反射率镜之外的另一侧设置有聚焦透镜和光强或/和光谱分析部分，所述聚焦透镜位于该侧的可变光阑和光学分析部分之间。这里提到的光强分析部分可以为探测器，光谱分析部分可以为现有技术中的带光纤输入的光谱分析仪等现有结构。

所述变反射率镜上镀有反射率随位置改变的薄膜，相邻位置的反射率依次增大或者减小。

变反射率镜相邻位置的反射率为连续式的增大、减小或者为阶梯式的增大、减小。

位于变反射率镜中心为圆形膜，其余膜呈环状结构依次套在圆形膜外侧。圆形膜可以将反射率设置为接近零，也可以设置为其他数值的反射率。

实施例2

一种实现变光程全光谱水质监测方法的流程如下：

a.打开光源，将可变光阑调小至只允许光通过变反射率镜的中间窗口部分，测量水样的光吸收；变反射率镜的中间窗口部分的反射率可以为变反射率镜上不同反射率中最低的部分，也可以为变反射率镜上不同反射率中最高的部分。

b.将可变光阑调大至让第二反射率窗口对应的光通过，测量水样的光吸收，该部分光吸收包括了中间反射率部分及第二反射率部分，通过第一组测试数据，反解仅有第二部分反射率部分存在时(对应长的有效光程)的光吸收；第二反射率窗口指的是变反射率镜中间窗口外相邻的一圈反射率膜部分，其中第二反射率窗口的反射率也可以比中间窗口部分的反射率高，也可以比中间窗口部分的反射率低。上文提到的反解的具体方法属于现有技术，这里不再赘述。

c.结合不同反射率对应的等效光程和其对应的光吸收，计算水样吸收系数。

这里提到的等效光程指采用法布里-珀罗腔（f-p）计算方式进行；提到的吸收系数计算主要是指使用比尔-朗伯定律，根据实验所得数据进行计算，具体计算方式为现有技术，本领域技术人员均熟知如何计算。

可以根据实际水样的情况，动态的对光阑大小进行调节，以满足测量所需。

在步骤a之前，需要选择变反射率镜，所述选择变反射率镜的步骤为

a.选定所要实现的光程范围；

b.根据需要实现的等效光程大小，计算窗口所需镀膜实现的反射率；

c.根据反射率需求进行膜系设计；模式设计有标准方法，此处遵循一般工业方法及标准即可。

d.光学镀膜。

本申请对于同一种水样，可以通过不同的光程相互校验，提高测量精度，并且在一套设备的前提下实现了光路可调的效果。本申请通过调整光阑大小，实现不同的等效光程，可以实现对污染度范围很大的水样的有效测量。本申请的方法无需手动调整光路，且仅需要一条光路，具有调整简单，成本低等优点。光路中使用光阑进行调节，该光阑可选为电动光阑，调节精度高，调整速度快，可以实现连续可调。

实施例3

一种实现变光程水质监测系统至少包括两个变反射率镜，两个变反射率镜之间为待测水样，两个变反射率镜之外的至少一侧设置有一个可变光阑，两个变反射率镜之外的另一侧设置有光源。为了方便，可以选择机械式可变光阑或电动。光源可以选择现有的多种类型光源，如254nm紫外led或宽谱光源等。

光源位于与两个变反射率镜之外的一侧，且所述光源与临近的变反射率镜之间设置有准直透镜，其作用为将入射到变反射率镜的光准直为平行光；两个变反射率镜之外的另一侧设置有聚焦透镜和光强或/和光谱分析部分，所述聚焦透镜位于该侧的可变光阑和光谱分析部分之间。这里提到的光强分析部分可以为探测器，光谱分析部分可以为现有技术中的带光纤输入的光谱分析仪等现有结构。

所述反射率随位置改变的薄膜，相邻膜的反射率依次增大或者减小。

变反射率镜相邻位置的反射率为连续式的增大、减小或者为阶梯式的增大、减小。

位于变反射率镜中心为圆形膜，其余膜呈环状结构依次套在圆形膜外侧。圆形膜可以将反射率设置为接近零，也可以设置为其他数值的反射率。

一种实现变光程全光谱水质监测方法的流程如下：

a.打开光源，将可变光阑调小至只允许光通过变反射率镜的中间窗口部分，测量水样的光吸收；变反射率镜的中间窗口部分的反射率可以为变反射率镜上不同反射率中最低的部分，也可以为变反射率镜上不同反射率中最高的部分。

b.将可变光阑调大至让第二反射率窗口对应的光通过，测量水样的光吸收，该部分光吸收包括了中间反射率部分及第二反射率部分，通过第一组测试数据，反解仅有第二部分反射率部分存在时(对应长的有效光程)的光吸收；第二反射率窗口指的是变反射率镜中间窗口外相邻的一圈反射率膜部分，其中第二反射率窗口的反射率也可以比中间窗口部分的反射率高，也可以比中间窗口部分的反射率低。上文提到的反解的具体方法属于现有技术，这里不再赘述。

c.结合不同反射率对应的等效光程和其对应的光吸收，计算水样吸收系数。

这里提到的等效光程指采用法布里-珀罗腔（f-p）计算方式进行；提到的吸收系数计算主要是指使用比尔-朗伯定律，根据实验所得数据进行计算，具体计算方式为现有技术，本领域技术人员均熟知如何计算。

可以根据实际水样的情况，动态的对光阑大小进行调节，以满足测量所需。

在步骤a之前，需要选择变反射率镜，所述选择变反射率镜的步骤为

a.选定所要实现的光程范围；

b.根据需要实现的等效光程大小，计算窗口所需镀膜实现的反射率；

c.根据反射率需求进行膜系设计；模式设计有标准方法，此处遵循一般工业方法及标准即可。

d.光学镀膜。

本申请对于同一种水样，可以通过不同的光程相互校验，提高测量精度，并且在一套设备的前提下实现了光路可调的效果。本申请通过调整光阑大小，实现不同的等效光程，可以实现对污染度范围很大的水样的有效测量。本申请的方法无需手动调整光路，且仅需要一条光路，具有调整简单，成本低等优点。光路中使用光阑进行调节，该光阑可选为电动光阑，调节精度高，调整速度快，可以实现连续可调。

经光源输出的宽谱光（主要为紫外-可见光）经准直透镜准直后变为平行光，该平行光经过变反射率镜后变为沿轴向光强分布不均匀的平行光，该平行光通过待测水样后再经过变反射率镜入射到可变光阑上。光经过可变光阑后再经聚焦透镜聚焦后进入光谱分析仪。

在本实施例中，具体实施时，光源可以为通过光纤输出的宽谱，具体为光纤输出的氙灯光源，准直透镜和聚焦透镜均为镀有宽带增透膜的透镜，变反射率镜为镀有渐变反射率的窗口，可变光阑为电动光阑，光谱分析部分是带光纤输入的光谱分析仪。

光学窗口镀有反射率随位置改变的膜，反射率的变化可以是连续的，也可以是根据需求选择数种不同阶梯变化的反射率，如下图所示为几种典型的设置。图2为反射率从中间到边沿连续增加，插图为镀膜后膜面示意图；图3为反射率从中间到边沿阶跃增加，插图为镀膜后膜面示意图。图4和图5分别为连续和阶跃变化的中间反射率高，边沿反射率低的镀膜方式。后续工作原理介绍采用图2和图3的方式，即采用反射率中间低的情况，反射率中间部分高的情况和工作原理类似。

如图1中所示，光源的光经准直后先通过窗口及待测水样，当两个窗口近似平行时，可以形成一个类法布里-珀罗（f-p）腔，不同波长的光的透过率除了受水样吸收影响外，还受到窗口反射率的影响，即光的输出相当于在第二个窗口处多光束干涉的结果。当反射率为零时，光仅通过水样一次。随着反射率的提高，实际上一部分光将在两个窗口间(即水样中)往复反射，等效增加了光程。反射率不同，等效光程长度不同。可以通过对窗口反射率的设计和镀膜，实现不同等效光程。在图3中的情况，对于每一个不同的反射率(图中的环)，其等效光程不同。当光通过窗口后，光斑不同位置处及对应不同的光程长度，该等效光程长度可以计算得到，也可以通过标定获取。只需要将光阑调整至相应大小，只允许中间部分的光通过，就可以实现不同的等效光程。

对图3中的镀膜情况，实际操作时可以将中心镀增透膜，即反射率接近零，若选用两个不同的反射率，第二环可以根据需要选取反射率，即可实现等效双光程，完成常规需要采用双光路才能实现的光路结构。