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CN106932373B - 海水总有机碳光学原位传感器 - Google Patents

海水总有机碳光学原位传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种海水总有机碳光学原位传感器，它包括光源模块、参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块和信号驱动与处理模块，光源模块为TOC探测提供单色紫外光，参考光探测模块实现对参考光、海水散射光和反射荧光的探测，信号驱动与处理模块为光源模块提供驱动信号，并对探测模块得到的信号进行处理；由衍射光栅和电子倍增CCD得到海水三维荧光光谱，并通过背景光信息和浊度信息对实现传感器进行自补偿，完成TOC的准确测量。本发明不用添加化学试剂，便于集成，可实现高精度的海水TOC原位检测。

Description

海水总有机碳光学原位传感器
技术领域
本发明涉及一种检测装置，特别是一种TOC浓度检测装置。
背景技术
总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)表征水体中所含有机物质的总和，是水体被有机物质污染程度的重要指标。目前，TOC测量已经广泛地应用到江河、湖泊以及海洋监测等方面，TOC测量已经成为世界上水体质量控制的主要检测手段。2003年国家四部委在新颁布的排污费用征收标准管理办法中，已经把TOC正式列入水污染物污染当量值表。
目前海水TOC的检测方法主要包括以下两类：第一类为实验室经典检测方法。主要有高温催化燃烧氧化-非色散红外探测(NDIR)、湿法氧化(过硫酸盐)-非色散红外探测等，这些方法的主要问题是测试方法复杂，使用化学试剂会造成二次污染，测量时间长、速度慢等，且这些方法仅能在实验室完成。第二类为岸基或船载在线检测方法，主要有光谱法、电阻法、电导法、臭氧氧化法、超声空化声致发光法等，然而船载在线检测技术受出海次数的限制，岸基在线检测技术仅能应对海边或入海口的情况。这些方法都难以满足海洋调查全方位、立体化、不间断的监测需要。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种不用添加化学试剂、能够自动测定和数据处理、可实现TOC的在线原位检测、且测量精度较高的海水总有机碳光学原位传感器。
本发明包括光源模块、参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块和信号驱动与处理模块。其中，所述光源模块包括LED阵列和线性可调滤光阵列，LED阵列为发光装置，LED阵列输出端连接线性可调滤光阵列，线性可调滤光阵列将LED阵列输出的光过滤为可调单色紫外光；
所述的参考光检测模块包括分光镜和光探测器一，分光镜位于在上述可调单色光源出射的光路上，分光镜的镜面与光源出射方向呈45°角，反射率为10～30％；分光镜将可调单色紫外光分为两束相互垂直的光，一束作为探测光，一束作为参考光，光探测器一位于参考光光路上，并与光源出射方向呈90°角，探测信号用于背景参考光补偿；
所述的样品池及散射光检测模块包括二元透反射镜、准直器一、样品池、准直器二和光探测器二，其中二元透反射镜位于上述分光镜之后，镜面与光线照射方向呈45°角，在二元透反射镜一侧的反射光光路上依次设有准直器一和样品池，准直器一在二元透反射镜和样品池之间的位置以保证可调单色紫外光汇聚于样品池内；准直器二和光探测器二位于样品池外入射光路侧面位置，光探测器二与准直器二的准直光路对齐，光探测器二探测信号用于浊度补偿；
所述的反射荧光检测模块包括准直器三、衍射光栅和电子倍增CCD，其中准直器三和衍射光栅位于上述二元透反射镜的另一侧，用于收集从样品池反射回的荧光，衍射光栅将经过准直器三的反射荧光展开成按波长排列的光谱，电子倍增CCD位于衍射光栅色散后形成的光谱位置处，将荧光光谱的光信号转变成电信号；
所述的参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块的输出电信号通过信号线连接到信号驱动与处理模块，信号驱动与处理模块是以FPGA+DSP为数据处理核心实现光源驱动、各检测模块数据处理、信号补偿等功能。
本发明的工作过程：LED阵列发出的光经线性可调滤波阵列输出可调单色紫外光，再经分光镜得到探测光和参考光；参考光用于消除背景光干扰，探测光经二元透反射镜后转向进入样品池照射在被测海水中，产生透射光、反射荧光和散射光；反射荧光经衍射光栅后形成按波长排列的光谱由电子倍增CCD变成电信号，收集不同激发波长产生的荧光可形成三维荧光光谱，该光谱与参考背景光信息、光浊度信息通过信号驱动与处理系统实现TOC传感器的内部自补偿，完成TOC测量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、基于光谱方法检测，不用添加化学试剂；
2、设备小巧、集成度高，可实现原位在线测量；
3、三维荧光光谱信息与参考背景光、浊度信息联用，有效提升检测精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意简图。
图中：1-LED阵列、2-线性可调滤光阵列、3-分光镜、4-二元透反射镜、5-准直器一、6-样品池、7-准直器二、8-准直器三、9-衍射光栅、10-电子倍增CCD、11-光探测器一、12-光探测器二、13-信号驱动与处理模块、14-探测光，15-参考光。
具体实施方式
在图1所示的海水总有机碳光学原位传感器示意图中，光源模块中的LED阵列1为发光装置，LED阵列输出端连接线性可调滤光阵列2，线性可调滤光阵列将LED阵列输出的光过滤为可调单色紫外光；参考光检测模块中的分光镜3位于在上述可调单色紫外光源出射的光路上，分光镜的镜面与光源出射方向呈45°角，反射率为10～30％，分光镜将可调单色紫外光分为两束相互垂直的光，一束作为探测14，一束作为参考光15，光探测器一12位于参考光光路上，并与光源出射方向呈90°角，探测信号用于背景参考光补偿；样品池及散射光检测模块中的二元透反射镜4位于上述分光镜之后，镜面与光线照射方向呈45°角，在二元透反射镜一侧的反射光光路上依次设有准直器一5和样品池6，准直器一在二元透反射镜和样品池之间的位置以保证可调单色紫外光汇聚于样品池内；准直器二7和光探测器二12位于样品池外入射光路侧面位置，光探测器二与准直器二的准直光路对齐，光探测器二探测信号用于浊度补偿；反射荧光检测模块中的准直器三8和衍射光栅9位于上述二元透反射镜的另一侧，用于收集从样品池反射回的荧光，衍射光栅将经过准直器三的反射荧光展开成按波长排列的光谱，电子倍增CCD10位于衍射光栅色散后形成的光谱位置处，将荧光光谱的光信号转变成电信号；所述的参考光检测模块、样品池及散射光检测模块、反射荧光检测模块的输出电信号通过信号线连接到信号驱动与处理模块13，信号驱动与处理模块是以FPGA+DSP为数据处理核心实现光源驱动、各检测模块数据处理、信号补偿等功能。

Claims (6)

1.一种海水总有机碳光学原位传感器，其特征在于，包括：
光源模块，用于发射单色紫外光；
参考光检测模块，包括分光镜，所述分光镜位于所述单色紫外光出射的光路上，用于将所述单色紫外光分为探测光和参考光，其中，所述探测光和所述参考光相互垂直；
样品池及散射光检测模块，包括二元透反射镜、准直器一、准直器二、样品池和光探测器二，其中，所述二元透反射镜将所述探测光反射至所述准直器一，所述准直器一用于将所述探测光汇聚于所述样品池内，所述探测光经过所述样品池和所述准直器二后到达所述光探测器二，所述光探测器二产生的信号用于浊度补偿；
反射荧光检测模块，与所述样品池及散射光检测模块连接，用于收集从所述样品池反射回的荧光，并将所述荧光的光谱的光信号转换为电信号；
信号驱动与处理模块与所述光源模块、所述参考光检测模块、所述样品池及散射光检测模块以及所述反射荧光检测模块连接，用于驱动所述光源模块、所述参考光检测模块、所述样品池及散射光检测模块以及所述反射荧光检测模块，并进行数据处理以及信号补偿。
2.根据权利要求1所述的海水总有机碳光学原位传感器，其特征在于，所述光源模块包括LED阵列和线性可调滤光阵列，所述LED阵列为发光装置，所述LED阵列输出端连接所述线性可调滤光阵列，所述线性可调滤光阵列将所述LED阵列输出的光过滤为可调单色紫外光。
3.根据权利要求2所述的海水总有机碳光学原位传感器，其特征在于，所述参考光检测模块还包括光探测器一，所述分光镜位于所述LED阵列出射的光路上，所述分光镜的镜面与经过所述线性可调滤光阵列的光的出射方向呈45°角，所述分光镜的镜面反射率为10～30％；所述光探测器一位于所述参考光的光路上，并与所述光源模块发出的光的出射方向呈90°角，用于探测信号和背景参考光补偿。
4.根据权利要求3所述的海水总有机碳光学原位传感器，其特征在于，所述二元透反射镜位于所述分光镜之后，所述二元透反射镜的镜面与光传输方向呈45°角，在所述二元透反射镜一侧的反射光光路上依次设有所述准直器一和所述样品池，所述准直器一在所述二元透反射镜和所述样品池之间，以保证所述可调单色紫外光汇聚于所述样品池内；所述准直器二和所述光探测器二位于所述样品池外入射光路侧面位置，所述光探测器二与所述准直器二的准直光路对齐。
5.根据权利要求4所述的海水总有机碳光学原位传感器，其特征在于，所述反射荧光检测模块包括准直器三、衍射光栅和电子倍增CCD，其中，所述准直器三和所述衍射光栅位于所述二元透反射镜的另一侧，用于收集从所述样品池反射回的荧光，所述衍射光栅将经过所述准直器三的反射荧光展开成按波长排列的光谱，所述电子倍增CCD位于所述衍射光栅色散后形成的光谱位置处，将荧光光谱的光信号转变成电信号。
6.根据权利要求1所述的海水总有机碳光学原位传感器，其特征在于，所述参考光检测模块、所述样品池及散射光检测模块、所述反射荧光检测模块的输出电信号通过信号线连接到所述信号驱动与处理模块。
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