激光光譜技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

來(lái)源：http://www.xfzhuw.com/ 作者：余氯檢測(cè)儀 時(shí)間：2019-07-08

　　摘要：為了能夠迅速精準(zhǔn)判斷水質(zhì)的成分，提出了利用激光光譜技術(shù)對(duì)水質(zhì)的檢測(cè)方法，此系統(tǒng)采用87C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，組建了共聚焦式檢測(cè)子系統(tǒng)，采集系統(tǒng)則用USB3.0協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通訊。通過(guò)對(duì)水體表面受激而產(chǎn)生的熒光信號(hào)進(jìn)行光譜分析，可以定量分析水質(zhì)成分。本實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)光源下進(jìn)行，忽略了背景光的影響，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明檢測(cè)到的熒光信號(hào)與水體受污染程度成良好的相關(guān)性，可以作為水體污染檢測(cè)的指標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：激光光譜技術(shù) 水質(zhì)監(jiān)測(cè) 光譜分析 DOM

　　1 引言

　　21世紀(jì)隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯，而水體的污染是其中的一個(gè)重要污染，但是傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)控方法需要實(shí)地采集水樣，工作效率低，實(shí)時(shí)性差，一旦水域面積過(guò)大就不好操作，無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。

　　本文采用激光光譜技術(shù)來(lái)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其主要采用的是激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)，向待測(cè)的水樣發(fā)射高強(qiáng)度的激光，激光能夠使水體中相當(dāng)數(shù)量的分子提升到激發(fā)量子態(tài)，故熒光光譜的靈敏度得到了提高，從而達(dá)到對(duì)大面積水域的實(shí)時(shí)快速的監(jiān)測(cè)，此外該技術(shù)還有非接觸和不需傳統(tǒng)試劑的優(yōu)點(diǎn)。

　　2 激光光譜技術(shù)原理

　　波譜特性是物質(zhì)本身的屬性和狀態(tài)，不同的物質(zhì)，其對(duì)應(yīng)的波譜特性唯一。本系統(tǒng)中采用激光誘導(dǎo)熒光的方法，使用激光器作為激發(fā)a光源使水體表面產(chǎn)生熒光，用光譜儀測(cè)量此能級(jí)所發(fā)射的熒光光譜來(lái)并可以從中獲得這個(gè)能級(jí)躍遷后的各終止分子能級(jí)信息。熒光強(qiáng)度的強(qiáng)弱與其分子結(jié)構(gòu)等參量緊密相關(guān)既熒光強(qiáng)度與物質(zhì)本身屬性有關(guān)，當(dāng)同一物質(zhì)在相同激發(fā)條件下激發(fā)的熒光其熒光強(qiáng)度與物質(zhì)濃度成正相關(guān)，故可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定量分析。

　　(1)本系統(tǒng)中主要進(jìn)行的是定量分析，用水體中溶解有機(jī)物(DOM)的濃度來(lái)判斷水體污染程度。而且已知DOM溶液的熒光強(qiáng)度和溶液吸收光能的程度以及物質(zhì)的熒光量子頻率有關(guān)。

　　(2)其中i主要由熒光物質(zhì)的量子效率決定，為一常數(shù);為入射光強(qiáng)度;為透色光強(qiáng)度;為吸收系數(shù);為樣品池厚度;為DOM濃度。根據(jù)朗伯―比爾定律有以下公式：

　　(3)當(dāng)DOM溶液濃度較低(2.303≤0.05)時(shí)，高階項(xiàng)級(jí)數(shù)可以省略不計(jì)，故式(3)可以化為：

　　(4)由式④我們可以看出在DOM稀溶液時(shí)(符合湖泊等現(xiàn)實(shí)情況)，當(dāng)i、、不變時(shí)，熒光強(qiáng)度與DOM在水中的濃度成線性關(guān)系。

　　3 激光光譜技術(shù)水質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)原理圖

　　系統(tǒng)的基本框圖如圖1所示。它利用了YAG激光器的三倍頻輸出355nm激光，然后利用主物鏡的光學(xué)特征將激光束聚集在待測(cè)DOM水樣表面的一個(gè)點(diǎn)或區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)的水樣會(huì)激發(fā)出熒光，熒光會(huì)經(jīng)主物鏡變成平行光，通過(guò)二色鏡后被聚攏到針孔處。通過(guò)濾光片濾除雜光，然后熒光信號(hào)會(huì)由光電探測(cè)器探測(cè)到模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)電子放大電路將模擬信號(hào)放大，由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的分析，從而得到此水樣的污染狀況。

　　3.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　(1)激光器。選擇激光器，主要要遵從以下條件：光源的功率和轉(zhuǎn)換效率;激發(fā)光的光譜所覆蓋的范圍;光源的穩(wěn)定性及可靠性等。本系統(tǒng)采用的是YAG激光器(3倍頻)。

　　(2)光電探測(cè)器。本系統(tǒng)最后采用的是光電倍增管，其內(nèi)部電路可以放大增益，可省略圖1中的電子放大電路部分，成本降低，靈敏度大幅提高。

　　(3)濾光片和光學(xué)透鏡。透鏡的數(shù)值孔徑越大，其采光效率越高。多波長(zhǎng)熒光檢測(cè)器用短通路剪切式濾光片或?qū)拵У墓馔◣V光片插在光源與流通池之間，作為激發(fā)濾光片限制最大激發(fā)波長(zhǎng)。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　配置腐殖酸濃度為O.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L、3.5mg/L、4.0mg/L的DOM水樣給一份，用本文所設(shè)計(jì)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)，然后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸一化后得到酸濃度的線性擬和和熒光強(qiáng)度如下圖2所示，從圖中我們可以看出其線性擬和的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖我們可以看出不同濃度的DOM其歸一化熒光強(qiáng)度不同，并且兩者成正比關(guān)系，為激光光譜技術(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)迅速的監(jiān)測(cè)大面積的水域的水質(zhì)污染狀況提供理論依據(jù)。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　介紹了利用激光誘導(dǎo)熒光基礎(chǔ)上的激光光譜技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)有效、快速、安全的對(duì)待測(cè)水域的監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)使無(wú)第二次污染，經(jīng)濟(jì)效益高，操作方便，尤其是對(duì)DOM低濃度的水域監(jiān)測(cè)的精度高，效果好，對(duì)現(xiàn)代環(huán)境保護(hù)中對(duì)水質(zhì)的實(shí)時(shí)保護(hù)提供了強(qiáng)有力的科學(xué)武器，而且可以推廣到大面積水域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

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