一种荧光光谱水质监测装置及其监测方法

本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种荧光光谱水质监测装置及其监测方法。

背景技术：

随着我国经济持续增长，综合国力大为增强，对污染治理、环境保护也越加重视，这使得环境准入变得更严格，对环境的监测和执法提出了更高的要求。与此同时，中国污水年排放量增速加剧，因而环保水务企业节能降耗的需求越来越强烈，在保证排放达标的同时，应避免药剂过量投加，同时节省运营成本。这两方面都对水质快捷、准确的实时监测有着巨大的需求。

目前主流的水质监测主要是基于电化学方法，因其相对简单，发展时间长，技术也相对完善，但其中作为关键部件的电极直接接触到水样，易被成分复杂的污水样品污染导致长期运行的稳定性不佳。另外针对不同的污染物需要不同的探头，也增加了硬件方面的成本。

相比之下，光谱方法可以获得较为丰富的样品中物质的组成及结构信息，同时不同于色谱和电化学方法，其无需和样品直接接触，长期运行更稳定，维护更容易。但是，传统光谱设备往往受限于本身的尺寸和重量，且汞灯/氙灯等光源寿命较短，难以应用到需要实时监控、在线反馈水样信息的场景中。

现有的光谱仪设备，小型便携化荧光光谱仪多采用单波长光源，导致所得数据信息量太少，不利于深度分析。而大型台式光谱仪虽然数据全面而精准，功能多样，却由于其复杂的结构致使之难以小型化，且价格往往高昂。

因此，如何提供一种荧光光谱水质监测装置，以实现在保证数据可靠性的前提下，将装置小型化、便携化、功能多样化，同时压缩成本，并延长设备光源的使用寿命，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种荧光光谱水质监测装置，以实现在保证数据可靠性的前提下，将装置小型化、便携化、功能多样化，同时压缩成本，并延长设备光源的使用寿命。本发明的另一目的在于提供一种荧光光谱水质监测方法。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种荧光光谱水质监测装置，包括比色皿支架、驱动装置、印刷电路板、多颗且波长不同的led、光谱检测器和控制装置，其中，

所述led设置在所述印刷电路板上，所述印刷电路板与所述驱动装置相连接，所述驱动装置驱动所述印刷电路板移动使得任一所述led可对准所述比色皿支架上的通光孔，

所述比色皿支架与所述光谱检测器连接，

所述光谱检测器、所述印刷电路板和所述驱动装置均与所述控制装置连接并受其信号控制。

优选的，上述驱动装置包括电机和旋转轴，

所述印刷电路板为环形或者圆形，所述led呈环形设置在所述印刷电路板上，

所述旋转轴与所述电机的输出轴连接，所述旋转轴与所述印刷电路板的圆心连接，

所述电机驱动所述印刷电路板转动使得任一所述led可对准所述比色皿支架上的通光孔。

优选的，上述驱动装置包括电机和齿轮，

所述印刷电路板为环形或者圆形，所述led呈环形设置在所述印刷电路板上，所述印刷电路板的侧壁上设置有齿条，所述齿条围绕所述印刷电路板呈环形设置，

所述齿轮与所述电机的输出轴连接，所述齿轮与所述齿条啮合，

所述电机驱动所述印刷电路板转动使得任一所述led可对准所述比色皿支架上的通光孔。

优选的，上述电机为双出轴，所述印刷电路板为两个且分别设置在所述比色皿支架的两侧。

优选的，上述电机设置有旋转电位器和霍尔传感器。

优选的，上述驱动装置包括电机和滑轨，

所述印刷电路板为矩形，所述led呈直线设置在所述印刷电路板上，所述印刷电路板滑动的设置在所述滑轨上，

所述印刷电路板的侧边设置有直线齿条，所述电机的输出轴上设置有齿轮，所述齿轮与所述直线齿条啮合，

所述电机驱动所述印刷电路板直线移动使得任一所述led可对准所述比色皿支架上的通光孔。

优选的，上述的荧光光谱水质监测装置还包括反射镜装置，所述反射镜装置包括反射镜面组和外壳，所述反射镜面组固定在所述外壳内，所述反射镜装置插入所述比色皿支架使得所述led的发射光反射进入所述比色皿支架的侧面通光孔用于测量吸收值。

优选的，上述反射镜装置与所述比色皿支架可拆卸连接。

优选的，上述反射镜装置的通光口设置有聚光透镜和/或所述比色皿支架的通光口设置有聚光透镜。

优选的，上述印刷电路板上印有每颗所述led的控制线路，从所述印刷电路板的插座或所述印刷电路板上预留焊盘通过弹性绝缘导线连接至所述控制装置进行控制。

本发明还提供一种荧光光谱水质监测方法，基于上述任意一项所述的荧光光谱水质监测装置，包括：

步骤1)判断是否需要初始化参数，如果判定为否，则进入步骤2)；

步骤2)依次选取一led，调用校准参数，将所述控制装置的数控可调降压模块的输出电压调整至该led对应的额定电压；

步骤3)所述驱动装置驱动所述印刷电路板移动使得某一led对准所述比色皿支架上的通光孔；

步骤4)接通电流使该某一led亮起；

步骤5)所述光谱检测器于校准的曝光时间内采集荧光数据；

步骤6)判断是否扫描完成所有led，如果是，则在所述控制装置的数据存储模块中将所述荧光数据发送至终端机，所述终端机处理后得到光谱结果，如果否，则切换下一led，重复所述步骤1至所述步骤5。

优选的，上述控制装置的led电流驱动模块由晶体管电流驱动阵列和光耦固态开关组成，分别用以控制高功率紫外led和可见光led的亮暗。

优选的，上述步骤1)中，判断是否需要初始化参数，如果判定为是，则进入步骤7)；

步骤7)利用所述控制装置的数控可调降压模块、电压测量模块构成反馈回路，以遍历法确定每个所述led的额定电压经模数转换后对应的数字电压值；

步骤8)依次测得不同所述led在不同角度的吸收或散射光强，根据寻峰算法依次寻找每个所述led对应的最佳入射角度，在优化最佳入射角度精度时使用递归法逐次缩小角度范围和角度旋转梯度；

步骤9)根据每个所述led光谱最大峰值确认归一化系数，以此校准各所述led曝光时间；

步骤10)存储各所述led的数字电压值、最佳入射角度和曝光时间三项校准参数，初始化完成，返回所述步骤1)。

本发明提供的荧光光谱水质监测装置，包括比色皿支架、驱动装置、印刷电路板、多颗且波长不同的led、光谱检测器和控制装置，其中，

所述led设置在所述印刷电路板上，所述印刷电路板与所述驱动装置相连接，所述驱动装置驱动所述印刷电路板移动使得任一所述led可对准所述比色皿支架上的通光孔，

所述比色皿支架与所述光谱检测器连接，所述光谱检测器、所述印刷电路板和所述驱动装置均与所述控制装置连接并受其信号控制。

本发明提供的荧光光谱水质监测装置，使用印刷电路板搭载多颗且波长不同的led，提高了装置的运行效率和数据的丰富度；结构简单，结合系统板仅需要一个驱动装置驱动系统运行，成本远低于大型光谱仪；相当于现有小型便携化光谱仪，但是能提供多波长光谱信息；可搭配可拆卸镜面配件，增加系统功能和用途。从而实现在保证数据可靠性的前提下，将装置小型化、便携化、功能多样化，同时压缩成本，并延长了设备光源的使用寿命，使光谱方法可被应用于水质在线监测及水体污染物的溯源等场景中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置的第一种具体实施方式的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反射镜装置与比色皿支架的爆炸结构示意图；

图3为本发明实施例提供的荧光光谱水质监测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置的第三种具体实施方式的结构示意图。

上图1-4中：

印刷电路板1、led11、滑轨12、反射镜装置2、反射镜面组21、外壳22、聚光透镜23、比色皿3、比色皿支架4、聚光透镜41、光纤5、光谱检测器6、电机7、电机支架8。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图4，图1为本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置的第一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明实施例提供的反射镜装置与比色皿支架的爆炸结构示意图；图3为本发明实施例提供的荧光光谱水质监测方法的流程示意图；图4为本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置的第三种具体实施方式的结构示意图。

本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置，包括比色皿支架4、驱动装置、印刷电路板1、多颗且波长不同的led11、光谱检测器6和控制装置，其中，

led11设置在印刷电路板1上，印刷电路板1与驱动装置相连接，驱动装置驱动印刷电路板1移动使得任一led11可对准比色皿支架4上的通光孔，

比色皿支架4与光谱检测器6连接，光谱检测器6、印刷电路板1和驱动装置均与控制装置连接并受其信号控制，具体的，光谱检测器6、印刷电路板1和驱动装置均通过导线和控制装置连接，控制装置本身是含有各种电路元件和集成芯片的电路板，负责控制三者有序运行。

本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置，使用印刷电路板1搭载多颗且波长不同的led灯珠，提高了装置的运行效率和数据的丰富度；结构简单，结合系统板仅需要一个驱动装置驱动系统运行，成本远低于大型光谱仪；相当于现有小型便携化光谱仪，但是能提供多波长光谱信息；可搭配可拆卸镜面配件即反射镜面组21，增加系统功能和用途。从而实现在保证数据可靠性的前提下，将装置小型化、便携化、功能多样化，同时压缩成本，并延长了设备光源的使用寿命，使光谱方法可被应用于水质在线监测及水体污染物的溯源等场景中。

在具体实施时，驱动装置驱动印刷电路板1移动使得任一led11可对准比色皿支架上的通光孔有多种具体实施方式，本实施例提供三种具体实施方式。

在第一种具体实施方式中，如图1所示：

驱动装置包括电机7和旋转轴，

印刷电路板1为环形或者圆形，led11呈环形设置在印刷电路板1上，

旋转轴与电机7的输出轴连接，旋转轴与印刷电路板1的圆心连接，

电机7驱动印刷电路板1转动使得任一led11可对准比色皿支架4上的通光孔。

在第二种具体实施方式中：

驱动装置包括电机7和齿轮，

印刷电路板1为环形或者圆形，led11呈环形设置在印刷电路板1上，印刷电路板1的侧壁上设置有齿条，齿条围绕印刷电路板1呈环形设置，

齿轮与电机7的输出轴连接，齿轮与齿条啮合，

电机7驱动印刷电路板1转动使得任一led11可对准比色皿支架4上的通光孔。

为了进一步优化上述方案，电机7为双出轴，如图1所示，印刷电路板1为两个且分别设置在比色皿支架4的两侧。电机7设置有旋转电位器和霍尔传感器。

其中，当印刷电路板1为圆盘时，可以是通过其上打的孔和法兰联轴器的孔以螺丝进行固定，联轴器同时套在电机的输出转轴上，以此连接印刷电路板1和电机7。并且，印刷电路板1、法兰联轴器和电机的输出转轴的几何对称中心都重合，三者为同轴设置。

在第三种具体实施方式中：

驱动装置包括电机7和滑轨12，如图4所示，

印刷电路板1为矩形，led11呈直线设置在印刷电路板1上，印刷电路板1滑动的设置在滑轨12上，

印刷电路板1的侧边设置有直线齿条，电机的输出轴上设置有齿轮，齿轮与直线齿条啮合，

电机7驱动印刷电路板1直线移动使得任一led11可对准比色皿支架4上的通光孔。

其中，滑轨12用来固定矩形印刷电路板1，约束其仅在水平方向移动，电机的输出轴上的齿轮啮合印刷电路板1侧边上的直线齿条用来驱动矩形的印刷电路板1进行水平移动。

为了进一步优化上述方案，上述的荧光光谱水质监测装置还包括反射镜装置2，如图2所示，反射镜装置2包括反射镜面组21和外壳22，反射镜面组21固定在外壳22内，反射镜装置2插入比色皿支架4使得led11的发射光反射进入比色皿支架4的侧面通光孔用于测量吸收值。

具体的，反射镜装置2与比色皿支架4可拆卸连接。反射镜装置2的通光口设置有聚光透镜23和/或比色皿支架4的通光口设置有聚光透镜41。

为了进一步优化上述方案，印刷电路板1上印有每颗led11的控制线路，从印刷电路板1的插座或印刷电路板1上预留焊盘通过弹性绝缘导线连接至控制装置进行控制。

本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置，是一种基于led11的多灯荧光及吸收测试系统及装置，包括：金属基印刷电路板1(pcb)上根据需求搭载多颗波长各不相同的led11；电机7固定在比色皿支架4附近，印刷电路板1与电机7通过转轴、联轴器或齿轮、滑轨12等连接，电机7可使印刷电路板1上任一led11对准比色皿支架4上的通光孔；比色皿支架4通过光纤连接光谱检测器6，光谱检测器6将采集到的光谱数据发送至系统控制芯片，即控制装置；控制装置的电路板集成了控制芯片和各类模块，包括数控可调降压模块、电压测量模块、稳压降压模块、led电流驱动模块、电机驱动模块、存储模块和电平转换模块等，控制芯片和各类模块在上传程序后，可以实现各led11对应电机转动角度、led11曝光时长的自动优化，并在获得优化参数后作为出厂设置，于后续独立运行时进行调用，可控制装置自动初始化及独立运行，实现了原始数据的采集、存储和向终端的反馈。

另外，本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置还搭配了可拆卸的反射镜配件，即反射镜装置2，可对各led波长下的吸收值进行测量。利用该系统获得的数据，经专用算法处理，可得到三维荧光光谱、紫外—可见光谱等多种光谱结果。

其中，金属基印刷电路板1上根据需求搭载多颗波长各不相同的led11，led11波长可根据目标检测物的荧光特征峰和吸收波长选定，同时印刷电路板1可从电机转轴或滑轨12上拆装，方便更换不同的led11组合的印刷电路板1。并且，印刷电路板1上印有每颗led11的控制线路，从印刷电路板1插座或预留焊盘，由弹性绝缘导线连接至系统板进行控制。

其中，印刷电路板1与电机7通过转轴、联轴器或齿轮、滑轨等连接，采用转轴连接单一印刷电路板圆环、双出轴连接平行同轴印刷电路板双圆环或齿轮啮合带齿条状印刷电路板等印刷电路板1样式和电机7驱动方式。

其中，反射镜装置2为可拆卸的反射镜配件，包括反射镜面组21和配件外壳，反射镜面组21固定于外壳22后从侧面插入比色皿支架4，反射镜面组21可将led11发射的大部分光反射进入比色皿支架4侧面通光孔，以便测量吸收值。具体的，反射镜面组2的通光口可以选择性加装的聚光透镜23，比色皿支架4的通光口可以选择性加装的聚光透镜41。

本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置，其专用算法包括对散射峰进行加权拟合进行瑞利散射扣除、依据吸收值进行内滤效应扣除、一维/二维高斯平滑去除噪声以及对所建立的标准样品数据库进行检索等。

本发明实施例还提供一种荧光光谱水质监测方法，基于上述任意一项所述的荧光光谱水质监测装置，包括：

步骤1)判断是否需要初始化参数，如果判定为否，则进入步骤2)；

步骤2)依次选取一led11，调用校准参数，将控制装置的数控可调降压模块的输出电压调整至该led11对应的额定电压；

步骤3)驱动装置驱动印刷电路板1移动使得某一led11对准比色皿支架4上的通光孔；

步骤4)接通电流使该某一led11亮起；

步骤5)光谱检测器6于校准的曝光时间内采集荧光数据；

步骤6)判断是否扫描完成所有led11，如果是，则在控制装置的数据存储模块中将荧光数据发送至终端机，终端机处理后得到光谱结果，如果否，则切换下一led11，重复步骤1至步骤5。

其中，控制装置的led电流驱动模块由晶体管电流驱动阵列和光耦固态开关组成，分别用以控制高功率紫外led和可见光led的亮暗。

为了进一步优化上述方案，步骤1)中，判断是否需要初始化参数，如果判定为是，则进入步骤7)；

步骤7)利用控制装置的数控可调降压模块、电压测量模块构成反馈回路，以遍历法确定每个led11的额定电压经模数转换后对应的数字电压值；

步骤8)依次测得不同led11在不同角度的吸收或散射光强，根据寻峰算法依次寻找每个led11对应的最佳入射角度，在优化最佳入射角度精度时可使用递归法逐次缩小角度范围和角度旋转梯度；

步骤9)根据每个led11光谱最大峰值确认归一化系数，以此校准各led11曝光时间；

步骤10)存储各led11的数字电压值、最佳入射角度和曝光时间三项校准参数，初始化完成，返回步骤1)。

本发明实施例提供的荧光光谱水质监测方法，在实际操作时，可以是以下第一具体实施例：

采用两张印刷电路板1对称分布的布局方式，适用于需要采集较多激发波长的情景，也可使用搭载不同led11的单张印刷电路板1进行拆装替换的方式满足要求。

如图1所示，本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置，包括搭载多颗不同波长led11的金属基圆环印刷电路板1。两张印刷电路板1同轴固定于双出轴步进电机7转轴上，电机7固定于电机支架8。

比色皿支架4与电机7相对位置应满足转动步进电机7可使led11对准比色皿支架4上的通光孔。

比色皿支架4的出光口以光纤5连接光谱检测器6。

如图2所示，反射镜装置2由反射镜面组21和外壳22构成，可与比色皿支架4进行选择性插接，用于测量比色皿3中样品吸收值。在反射镜面组21和比色皿支架4通光口，可以选择性加装方形聚光透镜22和圆形聚光透镜41，以提升led11入射光的准直性。

该系统还搭载了控制系统电路板，集成了必要的芯片和模块，包括控制微芯片、数控可调降压模块、电压测量模块、稳压降压模块、led电流驱动模块、电机驱动模块、存储模块和电平转换模块等组件，可使用电池或市电进行作为电源。

如图3所示，系统开始运行时，本发明实施例提供的荧光光谱水质监测方法，先判断是否需要初始化参数，如果是，则：

s1)利用数控可调降压模块、电压测量模块构成反馈回路，以遍历法确定每个led11额定电压经模数转换后对应的数字电压值；

s2)依次测得不同led11在不同角度的吸收或散射光强，根据寻峰算法依次寻找每个led11对应的最佳入射角度，在优化最佳入射角度精度时可使用递归法逐次缩小角度范围和角度旋转梯度可有效提高效率；

s3)根据每个led11光谱最大峰值确认归一化系数，以此校准各led11曝光时间；

s4)存储各led11的数字电压值、最佳入射角度和曝光时间三项校准参数，初始化完成；

如果不需要初始化参数，则：

k1)依次选取一led11，调用校准参数，将数控可调降压模块输出电压调整至该led11对应的额定电压；

k2)电机驱动模块含有旋转电位器和霍尔传感器，分别用以反馈旋转角度和旋转圈数，以此控制电机7转动印刷电路板1至一定角度，使其上某一led11对准比色皿支架4上的通光孔；

k3)led电流驱动模块主要由晶体管电流驱动阵列和光耦固态开关组成，分别用以控制高功率紫外led和可见光led的亮暗，当led11旋转至对应角度后，立即接通该路电流使led11亮起；

k4)对于固定扫描次数，光谱检测器6于校准的曝光时间内采集荧光数据，将之发送至微程序控制器；

k5)判断是否扫描完成所有led11，如果是，则在数据存储模块中将数据写入sd卡并通过有线或蓝牙/wifi等无线通信方法发送至终端机，依据特定算法作后处理得到三维荧光谱图等光谱结果，如果否，则切换下一led11，重复k1～k5过程。

测量时对向led11因为同轴角度一致，可以在k3和k4步骤中依次亮起并测试，避免重复旋转，以提高系统载体运行效率。

如需测量某一波长下的吸收，可加装反射镜装置2，控制旋转对应led11对准反射镜面组21的通光口，点亮led11并利用光谱检测器6获得吸收值。

根据以上装置和方法，经测试和后续数据处理得到的三维荧光谱与样品标准谱图在峰形和峰位置上一致。据此可以由标准三维荧光谱图库方便地迁移建立该测试系统对应的谱图库，录入设备后实现样品的快速在线分析。

本发明实施例提供的荧光光谱水质监测装置，在实际操作时，还可以是以下第二具体实施例：

其整体结构及测试方法和第一具体实施例基本相同。

其区别点在于所使用的印刷电路板1为条状矩形且底部带齿，背面连接水平滑轨12。电机7通过旋转转轴上与印刷电路板1底部齿条咬合的齿轮即可控制印刷电路板1水平滑动。led11已被固定在通光口等高位置，通过滑动印刷电路板1，可依次使不同led11对准通光口进行测试。

第二具体实施例中展示的印刷电路板结构适用于仅需少量激发波长和led光源的场景。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。