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            激光光譜技術的水質監測系統研究

            來源:http://www.madelainejordan.com/ 作者:余氯檢測儀 時間:2019-07-08

              摘要:為了能夠迅速精準判斷水質的成分,提出了利用激光光譜技術對水質的檢測方法,此系統采用87C52單片機作為系統的核心,組建了共聚焦式檢測子系統,采集系統則用USB3.0協議與上位機進行通訊。通過對水體表面受激而產生的熒光信號進行光譜分析,可以定量分析水質成分。本實驗在室內光源下進行,忽略了背景光的影響,得到的實驗數據較為準確。實驗結果表明檢測到的熒光信號與水體受污染程度成良好的相關性,可以作為水體污染檢測的指標。

              關鍵詞:激光光譜技術 水質監測 光譜分析 DOM

              1 引言

              21世紀隨著現代工業的高速發展,環境污染問題日益凸顯,而水體的污染是其中的一個重要污染,但是傳統的水質監控方法需要實地采集水樣,工作效率低,實時性差,一旦水域面積過大就不好操作,無法達到實時監測的目的。

              本文采用激光光譜技術來對水質進行監測,其主要采用的是激光誘導熒光技術,向待測的水樣發射高強度的激光,激光能夠使水體中相當數量的分子提升到激發量子態,故熒光光譜的靈敏度得到了提高,從而達到對大面積水域的實時快速的監測,此外該技術還有非接觸和不需傳統試劑的優點。

              2 激光光譜技術原理

              波譜特性是物質本身的屬性和狀態,不同的物質,其對應的波譜特性唯一。本系統中采用激光誘導熒光的方法,使用激光器作為激發a光源使水體表面產生熒光,用光譜儀測量此能級所發射的熒光光譜來并可以從中獲得這個能級躍遷后的各終止分子能級信息。熒光強度的強弱與其分子結構等參量緊密相關既熒光強度與物質本身屬性有關,當同一物質在相同激發條件下激發的熒光其熒光強度與物質濃度成正相關,故可以對物質進行定量分析。

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

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

              (3)當DOM溶液濃度較低(2.303≤0.05)時,高階項級數可以省略不計,故式(3)可以化為:

              (4)由式④我們可以看出在DOM稀溶液時(符合湖泊等現實情況),當i、、不變時,熒光強度與DOM在水中的濃度成線性關系。

              3 激光光譜技術水質探測系統

              3.1 系統原理圖

              系統的基本框圖如圖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特征將激光束聚集在待測DOM水樣表面的一個點或區域內,在該區域內的水樣會激發出熒光,熒光會經主物鏡變成平行光,通過二色鏡后被聚攏到針孔處。通過濾光片濾除雜光,然后熒光信號會由光電探測器探測到模擬信號,經過電子放大電路將模擬信號放大,由A/D轉換為數字信號,再由PC機完成數據的分析,從而得到此水樣的污染狀況。

              3.2 系統構成

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

              (2)光電探測器。本系統最后采用的是光電倍增管,其內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)濾光片和光學透鏡。透鏡的數值孔徑越大,其采光效率越高。多波長熒光檢測器用短通路剪切式濾光片或寬帶的光通帶濾光片插在光源與流通池之間,作為激發濾光片限制最大激發波長。

              4 實驗結果分析

              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,用本文所設計的水質監測系統測得數據,然后將實驗結果歸一化后得到酸濃度的線性擬和和熒光強度如下圖2所示,從圖中我們可以看出其線性擬和的相關系數達到0.999。

              從實驗結果圖我們可以看出不同濃度的DOM其歸一化熒光強度不同,并且兩者成正比關系,為激光光譜技術水質監測系統來實時迅速的監測大面積的水域的水質污染狀況提供理論依據。

              5 結語

              介紹了利用激光誘導熒光基礎上的激光光譜技術的水質監測系統的設計。此設計可實現有效、快速、安全的對待測水域的監測,其監測使無第二次污染,經濟效益高,操作方便,尤其是對DOM低濃度的水域監測的精度高,效果好,對現代環境保護中對水質的實時保護提供了強有力的科學武器,而且可以推廣到大面積水域的實時動態監測。

              參考文獻

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              [2]李宏斌,劉文清,張玉鈞 等.水體中溶解有機物激發誘導熒光光譜分析方法[J].光譜學與光譜分析,2006,26(11):2065-2068.

              [3]江月松.激光誘導熒光遙感系統設計[J].光學技術,2002,28(11):229-231.

              [4]李宏斌,劉文清,張玉鈞 等.激光誘導熒光水體污染遙測數據定量分析方法[J].光學技術,2007,36(31):476-478.

              [5]李麥亮.激光光譜診斷技術及其在發動機燃燒研究中的應用[D].湖南:國防科學技術大學,2004.

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