激光光譜技術(shù)的水質(zhì)監測系統研究

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

　　摘要：為了能夠迅速精準判斷水質(zhì)的成分，提出了利用激光光譜技術(shù)對水質(zhì)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(xié)議與上位機進(jìn)行通訊。通過(guò)對水體表面受激而產(chǎn)生的熒光信號進(jìn)行光譜分析，可以定量分析水質(zhì)成分。本實(shí)驗在室內光源下進(jìn)行，忽略了背景光的影響，得到的實(shí)驗數據較為準確。實(shí)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(guān)性，可以作為水體污染檢測的指標。

　　關(guān)鍵詞：激光光譜技術(shù) 水質(zhì)監測 光譜分析 DOM

　　1 引言

　　21世紀隨著(zhù)現代工業(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，但是傳統的水質(zhì)監控方法需要實(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)法達到實(shí)時(shí)監測的目的。

　　本文采用激光光譜技術(shù)來(lái)對水質(zhì)進(jìn)行監測，其主要采用的是激光誘導熒光技術(shù)，向待測的水樣發(fā)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(fā)量子態(tài)，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(shí)時(shí)快速的監測，此外該技術(shù)還有非接觸和不需傳統試劑的優(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(fā)a光源使水體表面產(chǎn)生熒光，用光譜儀測量此能級所發(fā)射的熒光光譜來(lái)并可以從中獲得這個(gè)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(guān)既熒光強度與物質(zhì)本身屬性有關(guān)，當同一物質(zhì)在相同激發(fā)條件下激發(fā)的熒光其熒光強度與物質(zhì)濃度成正相關(guān)，故可以對物質(zhì)進(jìn)行定量分析。

　　(1)本系統中主要進(jìn)行的是定量分析，用水體中溶解有機物(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;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(shí)，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(shí)(符合湖泊等現實(shí)情況)，當i、、不變時(shí)，熒光強度與DOM在水中的濃度成線(xiàn)性關(guān)系。

　　3 激光光譜技術(shù)水質(zhì)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(xué)特征將激光束聚集在待測DOM水樣表面的一個(gè)點(diǎn)或區域內，在該區域內的水樣會(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，然后熒光信號會(huì )由光電探測器探測到模擬信號，經(jīng)過(guò)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(fā)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(xué)透鏡。透鏡的數值孔徑越大，其采光效率越高。多波長(cháng)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(fā)濾光片限制最大激發(fā)波長(cháng)。

　　4 實(shí)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(zhì)監測系統測得數據，然后將實(shí)驗結果歸一化后得到酸濃度的線(xiàn)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(xiàn)性擬和的相關(guān)系數達到0.999。

　　從實(shí)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(guān)系，為激光光譜技術(shù)水質(zhì)監測系統來(lái)實(shí)時(shí)迅速的監測大面積的水域的水質(zhì)污染狀況提供理論依據。

　　5 結語(yǔ)

　　介紹了利用激光誘導熒光基礎上的激光光譜技術(shù)的水質(zhì)監測系統的設計。此設計可實(shí)現有效、快速、安全的對待測水域的監測，其監測使無(wú)第二次污染，經(jīng)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(huán)境保護中對水質(zhì)的實(shí)時(shí)保護提供了強有力的科學(xué)武器，而且可以推廣到大面積水域的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測。

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