一种以LED阵列为核心的多波长光测量模块的制作方法

一种以led阵列为核心的多波长光测量模块
技术领域
1.本实用新型涉及一种以led光源阵列为核心的多波长光谱测量模块，主要用于水质分析领域，对给、排水及环境水样进行分析。


背景技术：

2.高效的水质指标在线监测能力是确保环境给排水工艺领域正确地进行运行状态分析的前端保障。实时、稳定、标准化、高通量的水质参数收集对模型分析，工艺管理策略的制定起着至关重要的作用。
3.近年来，得益于大数据分析能力的开发，利用紫外-可见光全光谱对污染物进行特征吸收识别的指纹图谱技术得到了长足发展。此类技术主要依靠光学手段对水样进行分析，通过综合解析一个或多个特定波长吸光度对关键污染物指标(如化学需氧量、硝态氮、总氮、特征有机污染物等)进行定量。如broeke等人
1.基于s::can公司的传统uv检测技术，利用数据学习开发了多特征波长标定目标组分浓度的技术，将化学需氧量、硝态氮、亚硝态氮的测试准确度(加标拟合曲线r2计)从0.08～0.2提升至》0.9，同时对水中的苯系物、农残等物质进行了分析，证实通过多波长指纹图谱对复合型水质指标(如化学需氧量)进行标定具有可行性，并使得uv-vis技术在水质监测中得以推广应用。
4.[1]j.d.van broeke et.al,spectroscopy europe[j],2006,18(4):1-4。
[0005]
在上述相关技术应用中，较为广泛采用的光谱测量手段为氘灯+钨灯源或者闪烁氙灯源进行全谱扫描后抓取特定波长光的透射率，或通过步进电机控制光栅进行特定波长分光后读取目标波长光的透射率。当使用氘灯+钨灯源时，制约其设备寿命的核心问题在于氘灯的使用寿命及预热稳定性问题(为保证稳定性，需要光源点亮后稳定 15min左右，在连续在线测量场景中需要常开)，通常其使用寿命仅为5000-7000小时左右；当使用氙灯源时，频闪光源和全谱接收通常会对接收器产生的较高的技术需求，且天然带有一定的光源稳定性误差。
[0006]
目前，可见光led光源技术已相当成熟，深紫外led光源技术也于近年来获得了较大发展，相较于传统氘灯源或者汞紫外灯，led无须预热时间、不使用汞，具有环保、寿命长、节能、热损失较少等优点，也更利于设备整体的小型化。依托于小型深紫外led光源和可见光led光源，可以开发出覆盖紫外-可见光波段的多波长 led测量阵列，一定程度上替代传统氘灯+钨灯源耦合光栅的光测量模块或者使用氙灯+高效光接收器的模块。因此，存留的核心问题便在于，如何通过优化紫外-可见光 led光源阵列，使得模块得以高效集成多测量波长单元，并实现由上位软件的统一控制，以形成低成本、高集约度的小型化一体化光源模块，通过多波长耦合测量，实现对一些关键水质指标的定量分析。


技术实现要素：

[0007]
为适应多指标光谱分析定量需要，本实用新型的目的在于：通过构建一套使用多个特定波长led灯及接收器阵列的光测量模块，替代传统光源通过全谱扫描或使用光栅进
行特定波长分光获取吸光度数据的分析手段，实现对目标多波长的直读；并基于led无需预热，使用寿命长的特点，构建快速开启、测量、读数的控制模式，在与外部上位控制元件(如控制板卡、单片机或计算机)耦合时可以实现快速的吸光度测量。
[0008]
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
[0009]
一种以led光源阵列为核心的多波长光谱测量模块，其特征在于，包括三部分；
[0010]
主体承载件(a2)由40mm(w)
×
90mm(h)
×
30mm(d)的长方体亚克力材质材料加工而成，其顶部至底部在w
×
d平面以w方向中分线为对称轴开10mm(w)
×
90 mm(h)
×
5mm(d)的方孔，并且方孔边缘沿进深方向即d方向距离内部边缘＝10mm；
[0011]
在方孔以内的内部平面上，沿进深方向即d方向开6个的穿透圆孔至与方孔联通，6个的穿透圆孔深度均为10mm；6个的穿透圆孔的圆心均应位于w方向的中位线上，相邻的的穿透圆孔从上至下以15mm为间隔；
[0012]
与上述6个内部圆孔的中心轴对应，在方孔以外的外部平面上，沿进深方向即d 方向开6个的穿透圆孔至与方孔联通，此6个的穿透圆孔深度为15 mm，并且内部与外部穿透圆孔之间使用同一中心轴；
[0013]
过水石英皿(a1)插入至主体承载件(a2)的方孔中，水样自下而上进入并充满过水石英皿(a1)；
[0014]
6个不同波长的led光源(b2)按照下部长波、上部短波的顺序依次排列，并保持光路水平；这6个光源分别放置于6个的穿透圆孔，并且分别接入6 个供电线路，并统一引出至电源控制模块；
[0015]
使用6个相同的接收器及放大电路(c2)分别放置于6个的穿透圆孔中。
[0016]
进一步，使用254nm、273nm、285nm、317nm、345nm、455nm共6个不同波长的扁圆柱体led光源由上至下依次组装。
[0017]
进一步，使用6个滤光片分别放置于6个的穿透圆孔中。
[0018]
全文表示直径。
[0019]
本模块分为外、中、内三部分结构。其中，中间部分为过水石英皿组件，依照光程需要，在结构件中插入5mm或2mm光程的石英比色皿；外部为接收器组件，使用 6个独立的硅制宽谱接收器加滤光片接收透射光；内部为led光源组件，配置6个选定的特定波长的led灯，提供多波长光源。同时，模块内外配有led灯的电源控制模块，及接收器数据采集卡，用于信号传输和测量控制。
[0020]
模块与外部连接包括：
①
led灯及接收器放大电路通过电源线与12v电源控制模块相连；
②
接收器放大电路信号输出通过sma线缆与控制主板连接的数字采集卡相连；
③
过水石英皿前端通过取样管与取样头相连，置于取样水池中；后端通过取样管与采集模块缓冲腔相连。
[0021]
系统采用12v直流电模块供电，供给6组led灯及接收器放大电路。
[0022]
在上述过程中，当光测量模块中的电源控制模块上电，led灯便会点亮，持续产生6个波段的紫外-可见光。在隔板作用下，光路近似平行通过过水石英皿，产生透射和吸收，并由滤光片滤去测量波长之外的透射光。接收器持续由透射光激发产生光电信号，并经放大器放大后输出。
[0023]
与传统紫外-可见光测量模块相比，本实用新型的有益效果是：通过使用led灯阵列，可在短时内同步获取6个波段的紫外可见光吸收，测量周期缩短至秒一级，且避免了紫外/可见光波段切换时换灯等操作带来的时延；利用集成设计，将测量模块体积缩小至100
×
100mm，作为在线光学水质分析模块的组成部分，具备了现场化部署的条件。
附图说明
[0024]
图1是本光测量模块黑盒部分系统结构侧视剖面图。图中包含元件如下：a1.透水石英皿；a2.主体承载件；a3.内部结构圆孔，a4.外部结构圆孔，a4.外部结构圆孔，b1.光源集成底板；b2.led光源(如图示共6个)；c1.滤光片；c2.硅接收器及放大电路；c3.接收器集成底板及固定螺栓
[0025]
图2主体承载件三维结构示意图
[0026]
图3各部分同轴结构示意图
具体实施方式
[0027]
图1所示为光测量模块核心组件——测量黑盒的结构布置情况；整个模块采用立式布置(图1为沿w方向中位线的侧视剖面图)，按内部、中部、外部划分三部分结构(图1中右侧即b组原件所在方向定义为内部)。其中，亚力克材质的主体承载件 (a2)是黑盒部分的结构核心，其他元器件均通过结构插入或者固定螺栓固定在该承载件上。
[0028]
中部：主体承载件(a2)是本部分结构核心，由40mm(w)
×
90mm(h)
×
30mm(d) 的长方体亚克力材质材料加工而成，其顶部至底部(w
×
d平面)以w方向中分线为对称轴开10mm(w)
×
90mm(h)
×
5mm(d)穿透方孔，方孔边缘沿进深方向(d方向) 距离内部(图1中右侧)边缘＝10mm。在内部平面(图1中右侧的w
×
h平面)上，沿进深方向(d)开6个的穿透圆孔至与方孔联通(即圆孔深度应为10mm)；圆孔的圆心均应位于w方向的中分线上，由上至下以15mm为间隔。与上述6个内部圆孔的中心轴对应，在外部平面(图1中左侧的w
×
h平面)上，沿进深方向(d) 开6个的穿透圆孔至与方孔联通(此6个圆孔深度应为15mm)，确保内部与外部各6个穿透圆孔之间使用同一中心轴。图上标记一下尺寸，包括轴线
[0029]
水样会自下而上进入并充满过水石英皿(a1)，以确保过水石英皿(a1)中全部气体均被排出，防止产生的气泡干扰测量结果。
[0030]
内部：使用254nm、273nm、285nm、317nm、345nm、455nm共6个特定波长的扁圆柱体led光源(b2)，由上至下依次组装在光源集成底板(b1)上，应确保所有圆柱形led光源(b2)的圆心均排布在w方向中位线上，且相邻光源的圆心距为15mm，与主体承载件(a2)上的6个的结构孔位一一对应。6个特定波长的扁圆柱体led光源(b2)应首先在光学平台上组装至光源集成底板(b1)上，在w方向中分线上排布，按照下部长波、上部短波的顺序依次排列，并保持光路水平。两相邻led光源(b2)中心点之间的距离应为15mm，与主体承载件(a2)上的6个结构孔位向对应。主体承载件(a2)上的结构孔位是为了保证各光源出射光相对水平、且相邻出射光之间不致产生相互干扰而设计，因此相邻结构孔的圆心距与间隔段之间高度比满足《1:3，结构孔长度与直径之比满足》2:1；
[0031]
外部：由于紫外波段的led光源(b2)的出射光半峰宽较大(平均为5-10nm)，且选取
的几个紫外区led光源目标波长相对接近-(273nm和285nm相差12nm，两者输出峰存在重叠)，必须考虑使用与led光源(b2)波长一一对应的滤光片(c1) 进行屏蔽，滤光片(c1)需透射半峰宽应《2.5nm，以保证相邻硅接收器(c2)所能接收到的透射光波长不存在交叉。结构上应选择直径左右的圆形滤光片，并将透射面正对透射光固定于主体承载件(a2)上外部一侧的结构孔内。使用6个相同的宽谱(200-1100nm)响应的硅接收器及放大电路(c2)首先在光学平台上组装至接收器集成底板(c3)上，在w方向中分线上排布，保持光路水平，并与主体承载件(a2)上的结构孔位相对应。6个硅接收器及放大电路(c2)可共用供电线路，但需使用各自独立的sma线缆连接至数据采集卡以实现独立的数据收集；供电和信号线路均从黑盒的上部引出，实现水、电分离，以规避过水石英皿(a1) 接口因取样压力问题脱开导致的短路问题。
[0032]
整体光路上，每组led光源(b2)发出的光分别穿过各自对应的内部结构圆孔、以90
°
垂直入射透过过水石英皿(a1)后，穿过外部结构圆孔上的滤光片(c1)，到达硅接收器(c2)，主体承载件(a2)的结构保证各元器件均在同一光路中心轴上，且不会相互干扰。
[0033]
外部220v交流电源进入供电控制模块，经电源转换为12v直流电输出；其中， 6路独立输出与黑盒中的6个led光源(b2)相连为其供电，1路合并输出为6个硅接收器(c2)的放大电路供电；电源控制模块受控制主板命令控制，同时启动或停止7路输出。