一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统的制作方法
【专利说明】一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统
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技术领域
[0002]本发明属于激光诊断和测量技术领域，具体涉及一种对水质的PH值、温度、氧化性及重金属进行快速分析的基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统。
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【背景技术】
[0004]水是人类在生活、生产中必不可少的物质，而饮用水的优质又与人类生命健康密切相关。随着经济的快速发展，一方面是水的大量使用，另一方面是很多未经处理的生活污水和工业废水引起的水质污染。水中的重金属对人的健康影响颇深，对其快速、准确地检测能有效提尚饮用水的安全。
[0005]激光诱导击穿光谱技术(LaserInduced Breakdown Spectroscopy, LIBS)是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术，该方法在测量过程中只需几微克即可，故可实现非破坏测量；无需样品预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析，使LIBS技术应用范围非常广泛；使用LIBS技术进行成份分析，整个过程只需十秒左右，实时性和快速性非常良好；LIBS技术可通过定标对物质中痕量进行定量分析，且检测限和精度完全满足应用需求。
[0006]与传统对水质检测的技术相比，LIBS有其不可比拟的优势，但是由于激光器、光谱仪体积的因素，导致检测仪不便于携带，制约了水质检测的方便性。另一方面，由于激光直接照射到靶样品后，激光诱导等离子体处于一种自由膨胀状态，等离子体柱形貌不规则。会造成等离子体的自吸效应，影响元素含量检测的精度。因为自吸效应是由于激光等离子体中心部位发射的光子向外传播时，被边缘低温区同种元素的低能态原子所吸收造成的，而且吸收主要发生在光谱线中心频率附近，使得谱线峰值强度降低。随着分析元素含量增大，谱线中心频率附近会出现“凹陷”，这种严重自吸现象称为自蚀(self-reversal)，共振线(灵敏谱线)尤为显著。另外，纳秒脉冲激光能使材料组分的化学键严重断裂，仅能探测到材料组分的原子或离子的L I B S光谱。而飞秒激光脉宽小，光强较高，作用在材料表面的热效应范围小，使材料快速电离，从而保持材料的分子结构，除探测到原子或离子的L I B S光谱外，还可看到材料组分的分子结构光谱。飞秒烧蚀使等离子体的寿命大大缩短，由于飞秒烧蚀是冷烧蚀过程，减少了烧蚀的体积，从而提高了 L I B S的谱线强度和信号光谱与背景光谱的比值。
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【发明内容】
[0008]针对上述问题及技术，本发明提供了一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，以解决现有技术存在的水质检测设备体积大、精度低、检测参量单一等问题。
[0009]本发明所采用的技术方案是:一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，其特征在于:包括激光器、光路整形装置、用于盛放样品水质的三维可调样品台、光纤光谱仪、数字脉冲延时器、嵌入式控制主板、用于检测水质PH值得PH探头、用于检测水质氧化性的ORP探头、用于检测水质温度的温度探头、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头、电源；所述的三维可调样品台、光纤光谱仪、数字脉冲延时器、用于检测水质PH值的PH探头、用于检测水质氧化性的ORP探头、用于检测水质温度的温度探头、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头、电源均分别与所述的嵌入式控制主板连接；所述的数字脉冲延时器与所述的激光器连接，用于控制激光器触发和光谱信号采集间的同步延迟时间；所述的激光器发射的激光经过所述的光路整形装置后，射到样品水质，使其产生等离子体，被等离子体激发的原子所发射的光谱由所述的光纤光谱仪获取，进而识别样品中元素的组成成分及含量；样品水质的PH值、氧化性、温度以及硬化度与矿化度的的测量均由所述的嵌入式控制主板分别通过PH探头、ORP探头、温度探头、电导电极探头测得。
[0010]作为优选，所述的激光器为脉宽150fs、波长800nm，单脉冲能量3uJ，重复频率250kHz的飞秒脉冲激光器。
[0011]作为优选，所述的光路整形装置包括第一反射平面镜片、第二反射平面镜片、第三反射平面镜片、第一石英透镜、球形反射镜、第二石英透镜、探头；所述的激光器输出的激光脉冲依次经过第一反射平面镜片、第二反射平面镜片、第三反射平面镜片后，由焦距为30mm的第一石英透镜聚焦到三维可调样品台，然后经直径50mm的球形反射镜反射，并由焦距为50mm的第二石英透镜聚焦到光纤耦合器的探头上，再通过光纤传输到所述的光纤光谱仪中，所述的光纤光谱仪处理得到的数据通过串口发送到所述的嵌入式控制主板。
[0012]作为优选，所述的三维可调样品台包括步进电机、平台。
[0013]作为优选，所述的光纤光谱仪为快触发型四通道光纤光谱仪，该光谱仪四个通道分别使用两块2400L/mm，一块600L/mm，以及一块1200L/mm的全息光栅，分别覆盖230-345nm，340_440nm，425_953nm，和 934_1082nm 光谱波段，其光谱分辨率分别为 0.08nm，
0.08nm,0.4nm 和 0.llnm。
[0014]作为优选，所述的检测系统还包括存储设备、GPRS模块和触摸显示屏，所述的存储设备、GPRS模块和触摸显示屏均分别与所述的嵌入式控制主板连接。
[0015]作为优选，所述的嵌入式控制主板采用搭载Linux操作系统的主芯片为S3C2440的控制板，用于对三维可调样品台、数字脉冲延时器的控制以及对光纤光谱仪发来数据进行分析、处理、显示和存储。
[0016]作为优选，所述的球形反射镜的反射面位于球体内部。
[0017]作为优选，所述的pH探头、ORP探头、温度探头、电导电极探头等间距放于水质检测槽中，水质检测槽放置在所述的三维可调样品台上。
[0018]作为优选，所述的水质检测槽底部设置有排水管。
[0019]国外相关产品价格高，还有兼容性差的问题。而本发明具有模块化设计、成本低、体积小、响应时间短的特点，能够大规模普及，因此可以很好的填补这个市场空白。
[0020]
【附图说明】
[0021]图1:本发明实施例的系统原理图；
图2:本发明实施例为检测水质PH值、氧化性、温度、硬化度与矿化度的装置示意图；
图3:本发明实施例的光路整形装置结构图；
图4:本发明实施例的系统工作流程图。
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【具体实施方式】
[0023]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024]请见图1、图2和图3，本发明提供的一种基于激光诱导击穿光谱的多参数便携式水质检测系统，包括激光器1、光路整形装置、用于盛放样品水质的三维可调样品台6、光纤光谱仪11、数字脉冲延时器、嵌入式控制主板12、用于检测水质PH值得PH探头13、用于检测水质氧化性的ORP探头14、用于检测水质温度的温度探头15、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头16、电源、存储设备、GPRS模块和触摸显示屏；三维可调样品台6、光纤光谱仪11、数字脉冲延时器、用于检测水质PH值的PH探头13、用于检测水质氧化性的ORP探头14、用于检测水质温度的温度探头15、用于检测水的硬化度与矿化度的电导电极探头16、电源、存储设备、GPRS模块和触摸显示屏均分别与嵌入式控制主板12连接；数字脉冲延时器与激光器I连接。
[0025]本实施例采用的激光器I为Sapphire再生放大激光器RegA 9000，Coherent，是脉宽150fs、波长800nm，单脉冲能量3uJ，重复频率250kHz的飞秒脉冲激光器。
[0026]本实施例采用的是DG645数字脉冲延时器，用于控制激光器I触发和光谱信号采集间的同步延迟时间。
[0027]本实施例的光纤光谱仪11采用AVANTES公司的AvaSpeC2048FT快触发型四通道光纤光谱仪，该光谱仪四个通道分别使用两块2400L/mm，一块600L/mm，以及一块1200L/mm的全息光栅，分别覆盖230-345nm，340_440nm，425_953nm，和934_1082nm光谱波段，其光谱分辨率分别为0.08nm，0.08nm，0.4nm和0.llnm。其具有热电内制冷功能，100 mm的焦距和
0.22的数值孔径组合可以使光谱仪在不增大自身体积的情况下达到分辨率与灵敏度的最佳平衡。
[0028]本实施例的光路整形装置包括第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4、第一石英透镜5、球形反射镜7、第二石英透镜8、探头9 ;激光器I输出的激光脉冲依次经过第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4后，由焦距为30mm的第一石英透镜5聚焦到三维可调样品台6，然后经直径50mm的球形反射镜7反射，并由焦距为50mm的第二石英透镜8聚焦到光纤耦合器的探头9上，再通过光纤10传输到光纤光谱仪11中，光纤光谱仪11处理得到的数据通过串口发送到嵌入式控制主板12。三维可调样品台6包括步进电机、平台。第一反射平面镜片2、第二反射平面镜片3、第三反射平面镜片4均以特定的角度固定在光路整形装置中，确保脉冲激光能通过光路反射照射到三维可调样品台6上的靶面上；球形反射镜7的反射面位于球体内部；三维可调样品台6由嵌入式控制主板12控制，以保证脉冲激光照射到待测水质的点位于球形反射镜的中心。
[0029]本实施例的嵌入式控制主板12采用三星公司