[发明专利]一种多源光谱融合便携式水质分析仪

说明书

技术领域

本发明属于资源环境技术领域，用于水质指标的快速检测，特别是指一种多源光谱融合便携式水质分析仪。

背景技术

综合有机指标(如TOC、COD、BOD、DOM、DOC、PAHs和高锰酸盐指数)是衡量水质污染程度的重要国定指标。

传统的化学分析方法历史悠久，技术成熟、分析精度高，结果可靠。但其分析周期长、二次污染、需要专业分析人员操作等缺点，使得这种方法在野外或者没有专业分析人员等情况下无法使用，更会造成环境的二次污染。

基于光谱分析的水质综合有机指标分析方法具有无化学试剂污染、分析速度快、分析装置易维护等显著优点，近年来得到快速的发展。现有这类方法主要是基于紫外/可见(UV/Vis)吸收光谱或荧光激发光谱。

紫外吸收光谱用于估计TOC、COD等有机物综合参数已有很多研究成果，并已有便携式分析装置进入市场。2005年中国颁布了紫外吸收水质自动在线监测仪技术要求(HJ/T 191-2005)，指出在水质监测中吸光度与COD或高锰酸盐指数具有相关性时，可将UV吸收光谱吸光度折算成COD或高锰酸盐指数，为该类光学分析方法在水质分析中的应用铺平了道路。但事实上，由于无机悬浮物对UV/Vis光源有较强的吸收率，对吸收光谱干扰很大；如采用过滤分离，又会同时去除有悬浮物，无法监测真实污染情况；此外，UV吸收分光光度法对比吸光系数极低的有机物分析误差较大，只适用于组分变化不大的水样对象。这些缺点阻碍基于UV吸收光谱的水质分析仪表在大规模环境监测系统中的广泛应用。

荧光分析法包括同步荧光法、三维荧光法、导数荧光法、时间分辨荧光法、相分辨荧光法、荧光动力学法等，其中表现突出的是三维激发-发射荧光法，能完整地描述物质的荧光特征，被称作荧光物质的光谱指纹技术。2004年美国学者利用三维荧光对美国新泽西洲地表径流的溶解性有机碳进行监测，效果优于单波长UV吸光度法[6]。2003年始中国学者也相继展开荧光法用于水质分析的研究，分析水中有机物有腐殖酸，溶解有机物，叶绿素-a。荧光分析法的缺点是易受环境影响，荧光本身存在淬灭、自吸收、内滤光等不稳定因素，直接测量的荧光光谱数据中除荧光信息外还包含了水本身的光谱信息(比如拉曼光谱)，及其它一些干扰和噪声信息。

本发明基于上述研究，研制了一种具有创新原理的多源光谱融合便携式水质分析仪，实现了紫外可见(UV/Vis)光谱分析和荧光、拉曼等发射光谱分析合二为一，优势互补，提高了分析精度。可满足日常和突发环境污染监测工作中的现场快速分析需求，特别适用于无法设置专门水质监测网点或边远地区情况下的水质检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种多源光谱融合便携式水质分析仪。

多源光谱融合便携式水质分析仪包括光学系统和检测控制系统。光学系统包括氘卤灯、第一凹面镜、第一滤光片、第一凸透镜、第一光纤、第二凸透镜、样品池、第三凸透镜、第一狭缝、第二滤光片、第二凹面镜、第一光栅、线阵CCD、集成激光器、第二光纤、第三光纤、第四凸透镜、第二狭缝、第三滤光片、第三凹面镜、第二光栅、第四凹面镜、面阵CCD。氘卤灯发出的紫外可见光由第一凹面镜反射变为平行光，平行光由第一滤光片滤波后经第一凸透镜聚焦送入第一光纤，由第二凸透镜变为平行光照射到样品池，透射光在与入射光成180°方向处由第三凸透镜接收聚焦送入光纤，到达第一狭缝，经第二滤光片后由第二凹面镜转为平行光后照射到第一光栅上分光，最后由线阵CCD接收检测；由集成激光器发出的激光经第二光纤和第三光纤对接，之后由第四凸透镜转化为平行光后送入样品池照射样本，在与入射光成360°方向上，样本的荧光、拉曼散射等发射光经第四凸透镜聚焦后到第三光纤送到第二狭缝，经第三滤光片滤波后，被第三凹面镜反射到第二光栅上分光，最后经第四凹面镜反射到面阵CCD上接收检测。

所述的集成激光器内部模块关系为：波长为532nm的固体激光器与激光-光纤耦合器连接；波长为405、635、650、660、690、785、808、830nm的8个半导体激光器输出光纤与激光-光纤耦合器的输出光纤捆扎在一起，使用同一个保护套管，与SM905母口连接；9个激光器的电源和信号线与电气接口相连接。

所述的监测控制系统内部模块连接关系为：嵌入式系统分别与LCD显示屏、电源模块、激光驱动器、发射光谱检测器、透射光谱检测器、操作键盘相连接；电源模块分别与锂聚合物电池、氘卤灯光源、激光驱动器、嵌入式系统连接；氘卤灯光源通过适配器与透射光谱检测器连接；激光驱动器与集成激光器连接。