CN114166747A - 判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，本发明装置集成了水路、电路、光路，采用小型光谱仪以及三棱镜分光模块，成本低、便于携带与维护；可在现场一次检测中同时得到离散三维荧光光谱和吸收光谱，利用吸光与荧光机理上的关联性增强特征峰。设定循环采样后，可实现无间断原位连续测量，得到的光谱数据涵盖了不同时间的水质异常信息及污染类别信息，通过本发明装置得到的数据能够用于快速判断是否污染和污染类别。通过边云协同的方式，可以不用将检测的底层数据上传到云端分析，计算资源可由多个检测装置分享，节省水质分析的网络流量，提升了处理速度和运行效率。
Description
技术领域
本发明属于荧光/可见光吸收谱检测领域，尤其涉及一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置。
背景技术
水质监测的核心内容是使用在线或离线的技术手段长期监测水体状况，存储相关的水质历史数据，分析研究水质的变化规律，为相关部门在应对水质应急灾害、开发利用水资源时提供相应的科学决策依据等。水质监测的数据获取方式有离线手段和在线手段两种，包括环境质量监测与污染源监督监测类型，数据因子主要为《GB5749-2006生活饮用水卫生标准》、《CJ-T206-2005城市供水水质标准》、《GB3838-2002地表水环境质量标准》中涉及的参数，这些监控参数切实提升了水质监管水平和水体质量。
然而，现有的水质监控***还普遍存在如下一些局限性：
1)获取水质信息的手段以固定式自动监测站和实验室分析为主，检测周期长，检测手段复杂，只能掌控河道水质宏观的总体指标，对于动态变化的水质状况监测不足。
2)智能化水平不高，重数据监测、轻数据分析，大多数***只进行水质参数的定量化检测，根据超标进行报警，未能充分挖掘大数据中的相对变化和隐含信息。
3)少数有及时预警报警功能的***，只能检测出异常，并不能识别判断是何种异常，仍然需要采取水样进行实验室分析，延误了应急事故处理的时机。
为此，面对水环境治理方面的严峻形势和存在问题，迫切需要研究适用于水体智能异常检测和识别的方法和提高突发污染应急处理能力，解决水质立体化监测与分析、水质智能化分析、智能化云平台构建等问题，为水体治理与维护工作提供多个层面的支撑。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置。本发明搭建离散三维荧光/可见光吸收谱的检测硬件，并实现基于此硬件的水质污染判别方法；本发明装置操作简单，便于携带，且可以连续采样与检测，配合算法可以实现实时实地、连续快捷地水质污染检测。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，包括光谱采集模块、上位机。
光谱采集模块包括光源、分光模块、光谱检测模块、水泵。
分光模块包括三棱镜、光阑、流通池、透镜、步进电机。三棱镜连接步进电机。
光谱检测模块包括两台光谱仪。
水泵包括排空泵、冲洗泵、进样泵。排水泵接入空气，冲水泵接入纯水，进样泵接入样本。流通池上设有上下两个端口，下端同时连接三个水泵，上端为出水口。
光源经过透镜准直后，再依次经过三棱镜、光阑分光，然后通过透镜聚焦后得到的入射光垂直射入流通池，在光路透射方向得到吸收光谱，在垂直于光路透射方向得到荧光光谱。通过步进电机控制三棱镜移动，从而改变入射光波长；不同的入射光波长，对应不同的吸收光谱和荧光光谱。样本的吸收光谱为不同入射光波长对应的吸收光谱的平均值；样品的荧光光谱为不同入射光波长对应的荧光光谱的向量拼接矩阵。
吸收光谱和荧光光谱分别输入一台光谱仪。
上位机与光谱采集模块的通信，包括控制步进电机改变三棱镜位置、控制水泵开闭时序、控制光谱仪的采样通道开闭。
进一步地，上位机与步进电机、水泵的通信具体为：上位机作为TCP客户端，发送i-j-T指令实现对应的控制。步进电机、水泵作为TCP服务器端，时刻等待上位机指令。i代表控制对象，包括步进电机、水泵；j代表当前控制对象的执行动作，步进电机的执行动作包括正转、反转，水泵的执行动作包括打开排空泵、冲洗泵、进样泵；T代表当前控制对象的执行动作的参数，针对步进电机，T是给到步进电机的脉冲数，p是转一圈对应的脉冲数，则步进电机转动圈数为T/p；针对水泵，T为水泵运行时间。
进一步地，包括：
(1)波长标定：标定三棱镜不同位置与入射光波长的对应关系，得到步进电机的转动圈数与入射光波长的关系表。
(2)暗背景检测：对空的流通池，在无光源环境下开启吸收光谱连接的光谱仪，测得吸收光谱暗环境数据αd。
(3)纯水光谱检测：纯水检测设定波长为k组。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为αw(i)和βw(i)。打开光源，棱镜置于初始发射波长位置，流通池充满纯水，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得纯水的吸收光谱数据αw(1)和荧光光谱数据βw(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，排空流通池，棱镜复位至初始位置。
(4)样本光谱检测：待测波长也为k组，与纯水检测设定波长相同。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为αs(i)和βs(i)。将流通池充满样本水样，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得吸收光谱数据αs(1)和荧光光谱数据βs(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，则检测结束，排空流通池。
进一步地，样本的吸收光谱A由下式求解：
其中，
样本三维荧光光谱数据F由下式求解：
F＝Bs-Bw
Bs＝[βs(1),βs(2),…,βs(i)…,βs(k)]
Bw＝[βw(1),βw(2),…,βw(i)…,βw(k)]
其中，Bs、Bw分别为样本、纯水在每个入射光波长i下的荧光光谱的向量拼接矩阵。
进一步地，上位机将光谱仪采集的光谱数据进行本地存储。上位机接入互联网，基于边缘计算接口实现数据采集存储及算法下发请求。上位机将光谱仪数据发送至边缘计算节点，水质污染定量定性算法在测量前已调试完成，并打包成镜像上传到云端节点。云计算节点接受到算法下发请求后，通过调度将所需算法下发至边缘计算节点，依托边缘算力开展检测工作。检测结果由边缘节点通知上位机。
进一步地，光源采用卤素光源。
进一步地，流通池通过四通管与三个水泵相连。
进一步地，入射光波长选择为400nm、450nm、475nm、500nm、525nm、550nm、575nm、600nm、650nm、700nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)光谱检测设备一般需要人工采样、人工换样，在不同的设备上操作以获取不同类型的谱图。本装置集成了水路、电路、光路，采用小型光谱仪以及三棱镜分光模块，成本低、便于携带与维护；可在现场一次检测中同时得到离散三维荧光光谱和吸收光谱，利用吸光与荧光机理上的关联性增强特征峰；
(2)本装置设定循环采样后，可实现无间断原位连续测量，得到的光谱数据涵盖了不同时间的水质异常信息及污染类别信息，通过本发明装置得到的数据能够用于快速判断是否污染和污染类别；
(3)通过边云协同的方式，可以不用将检测的底层数据上传到云端分析，计算资源可由多个检测装置分享，节省水质分析的网络流量，提升了处理速度和运行效率；
(4)本发明装置所有部件都由用户上位机与下位机通信进行控制，操作简单；面向批量部署设计，多个用户可同时工作，可获取监测对象的时空关联数据，弥补了目前市面上在线光谱仪单站点监测不智能的局限性。
附图说明
图1为离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置设计图；
图2为VB2纯水样本在离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置检测下的吸收曲线图；
图3为VB2纯水样本在离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置检测下的三维荧光光谱图；
图4为内部通讯协议指令决策树示意图；
图5为离散三维荧光/可见光吸收谱检测时序流程图；
图6为光谱边云协同计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，包括光谱采集模块、上位机。
光谱采集模块包括光路部分和水路部分。在光路部分，包含光源、分光模块、光谱检测模块。光源采用卤素光源。分光模块由三棱镜、步进电机(图中未视出)、光学板、光阑、流通池及配套透镜组成。光谱检测模块由2个光谱仪组成。在水路部分，包括3个水泵，分别为排空泵、冲洗泵、进样泵；排水泵接入空气，冲水泵接入纯水，进样泵接入粗过滤后样本。步进电机连接光学板，控制光学板在分光光束的所在的平行平面移动，如图1箭头所示。
流通池下端为水样入口，通过四通管与3个水泵相连，流通池上端连接软管作为直排端，排水泵接入空气可使水样从直排端排出。由于检测过程中不需要其他化学操作，光谱检测不会影响环境样品，冲洗也是用纯水进行，因此可以现场直排。
光源经过配套透镜准直后，再依次经过三棱镜与光阑的狭缝分光，然后通过配套透镜(图中未视出)聚焦后得到单色性较好的入射光，并将入射光垂直射入流通池入射面。三棱镜被固定在步进电机上，可以通过步进电机改变位置，从而改变入射光波长。入射光垂直照射流通池中的水样后，在光路透射方向可得到吸收光谱，在垂直于光路透射方向得到荧光光谱。不断改变入射光的波长，可以得到不同入射光的吸收光谱，以及不同入射光的荧光光谱。本实施例中，波长选择为400nm、450nm、475nm、500nm、525nm、550nm、575nm、600nm、650nm、700nm。样本的吸收光谱为上述不同波长入射光的吸收光谱集合的平均值，样品的离散三维荧光光谱为上述不同波长入射光的荧光光谱的向量拼接矩阵。吸收光谱和荧光光谱分别输入吸收光谱检测通道光谱仪、荧光光谱检测通道光谱仪进行水质监测。本发明实施例中，使用5mg/L VB2样品溶液，经过2个小型光谱仪分别得到三维荧光(图2)和可见光吸收谱(图3)。
本发明采用外接上位机设置光学板位置及水泵时序，从而控制入射光波长、控制光谱采集及样本进出时序。上位机在本发明实施例中采用华硕天选笔记本电脑，配置为R7-4800H/16G/512G，也可使用小型化带有Windows、MacOS或Linux操作***的、可运行光谱仪二次开发SDK的任何设备。
上位机与光谱采集模块的内部通信，包括通过程序控制分光模块的光学板位置、通过程序控制水路部分的水泵时序、通过程序控制光谱检测模块采样光谱。
在本发明实施例中，上位机控制光源输出波长以及水泵的内部通信，基于TCP/IP及Socket接口自行开发协议组织数据，也可基于其他协议，如现场总线、串口通信等其他可传输现场数据的协议，实现上位机客户端用户界面与下位机间的远程通信。
协议具体描述如图4，i参数代表控制对象，j参数代表当前控制对象的具体序列号，T参数代表具体某个序列号控制对象的具体动作。其中，下位机作为TCP服务器端，时刻等待客户端指令i-j-T具体数值，控制水泵或步进电机的运行；上位机作为TCP客户端，根据检测需要发送相应指令实现设备控制。具体地，i＝0，T为水泵运行时间。上位机通过程序控制水泵的开闭时序，可配合光谱检测环节自动完成进水清洗、进样和排空操作。j＝0，进水泵运行T秒，进水操作指令是0-0-T；j＝1，排空泵运行T秒，排空是0-1-T；j＝3，进样泵运行T秒，进样是0-2-T。例如进水清洗30s指令为0-0-30。i＝1，步进电机转动圈数为T/p，T是给到步进电机的脉冲数，p是转一圈对应的脉冲数；p由步进电机步距角、步进电机驱动器细分数决定，可根据实际测量需要的精度选择合适的参数。上位机通过程序控制步进电机改变光学板位置，从而改变流通池的入射光波长。正转指令为1-0-T，反转指令为1-1-T，其中T/p为步进电机转动圈数；本实施例中p＝4800，则步进电机正转2圈指令为1-0-9600。
上位机与光谱仪的内部通信采用光谱仪内置的二次开发SDK通信协议。上位机通过程序分别控制吸收光谱和荧光光谱对应的光谱仪检测通道的开闭；并将光谱仪采集的数据进行本地存储。
如图5所示，光谱检测模块的控制时序流程可以分为波长标定、暗背景检测、纯水荧光数据检测和样本荧光数据检测。其中，波长标定应在出厂准备阶段完成，其它步骤在现场检测时完成，具体如下：
(1)波长标定：在本发明装置使用前，需首先标定步进电机转动圈数与光源发射波长的关系表。在使用时根据该关系表，查表得到所需波长对应的步进电机转动圈数，来实现不同发射波长的切换。标定方法为：在开灯环境下开启吸收检测通道，操作步进电机转动不同圈数，从而将棱镜置于不同位置，记录不同位置灯谱中心线的对应发射波长，从而得到圈数与波长的关系表。
(2)暗背景检测：暗背景检测时，对空比色皿(流通池)，在关灯环境下开启吸收光谱检测通道(光谱仪)，测得吸收光谱暗环境数据αd。
(3)纯水光谱检测：暗背景检测结束后，进行纯水光谱检测。设纯水检测设定波长为k组。设第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为αw(i)和βw(i)。打开光源预热1-2分钟后，棱镜置于初始发射波长位置，通过进水操作指令0-0-T控制泵时序，将流通池充满纯水。之后固定入射波长，分别开启吸收光谱检测通道与荧光光谱检测通道(光谱仪)，测得纯水的吸收光谱数据αw(1)和荧光光谱数据βw(1)。测量完成该组波长的数据后，改变下一个波长继续进行检测。当所有波长都测量完成，则检测结束，开启排空泵将流通池排空，棱镜复位至初始位置。
(4)样本光谱检测：设待测波长为k组，与纯水检测设定波长一致。设第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为αs(i)和βs(i)。通过进样指令0-2-T控制泵时序将流通池充满样本水样。之后固定入射波长，分别开启吸收光谱检测通道与荧光光谱检测通道(光谱仪)，测得吸收光谱数据αs(1)和荧光光谱数据βs(1)。测量完成该组波长的数据后，改变下一个波长继续进行检测。当所有波长都测量完成，则检测结束，开启排空泵将流通池排空。
当前样本的吸收光谱A可由下式求解：
其中，
当前样本三维荧光光谱数据F可由下式求解：
F＝Bs-Bw
Bs＝[βs(1),βs(2),…,βs(i)…,βs(k)]
Bw＝[βw(1),βw(2),…,βw(i)…,βw(k)]
其中，Bs、Bw分别为样本、纯水在每个入射光波长i下的荧光光谱的向量拼接矩阵。
(5)当前样本检测完成后，注入纯水清洗流通池，准备下一个样本的检测。
同一时间，多台用户操作***可分别与服务器进行通讯，便于水体检测现场的多人操控。上位机与边云设备的外部通信方式为：
本发明采用边缘计算的方式，对数据处理流程进行改良。云计算是集中化的，离终端设备(如传感器装置等)较远，把计算放在云上会引起网络延时变长、网络拥塞、服务质量下降等问题。而终端设备通常计算能力不足，无法与云端相比。在此情况下，边缘计算顺应而生，通过在靠近终端设备的地方建立边缘节点，将云端计算能力延伸到靠近终端设备的边缘节点，从而解决上述问题。通过边缘计算节点，将云端算法下发至边缘计算节点运行，提供将云上应用延伸到边缘的能力，联动边缘和云端的数据，可满足用户对边缘计算资源的远程管控、数据处理、分析决策、智能化的诉求。
如图6所示，本发明装置通过内部的上位机设备，采用4G网络模块接入互联网，基于边缘计算接口实现采集数据发送及算法下发请求。深度学习算法应在测量前已调试完成，并打包成镜像上传到云端节点。云计算节点接受到上位机的算法下发请求后，通过调度将所需算法下发至上位机指定的计算节点或距离上位机网络拥塞最小的边缘计算节点，上位机将光谱仪数据发送至该边缘计算节点，依托边缘算力开展检测工作。检测结果由边缘节点通知到装置的上位机设备。云端服务采用云服务器，采用mysql5.6本地部署的模式提供数据库服务。利用基于Java的Web应用软件容器Tomcat，按照Sun Microsystems提供的技术规范，实现了对Servlet和JavaServer Page(JSP)的支持，并提供了作为Web服务器的一些特有功能。
本发明装置的运行总体步骤是：
(1)进行实地检测时，首先需要设置水路。需要将水泵进样管道与待测水体连通，出样管道要悬空，不得***任何液体中以防反抽。
(2)打开电源，连接本地上位机，进入图形界面或输入开始指令便可以进行连续的采样，得到按时间顺序排列的三维荧光和可见光吸收谱，并且可以将这些数据进行本地存储。
(3)通过本地上位机向云端发起请求，申请算法下发至边缘计算节点，使用边缘节点计算资源对采集得到数据进行存储和分析。
(4)通过算法得到水体是否污染的结论，同时辅以物质类别信息。
本发明装置被封装成手推箱式，并且安装电源，电源使用储能锂电池，可经逆变器转为220v交流市电。电源模块可以通过市电充电，随用随充，充电后便可以实现箱内所有元件的供电。
本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施方式相同或近似的方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均在本发明专利的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，包括光谱采集模块、上位机。
光谱采集模块包括光源、分光模块、光谱检测模块、水泵。
分光模块包括三棱镜、光阑、流通池、透镜、步进电机。三棱镜连接步进电机。
光谱检测模块包括两台光谱仪。
水泵包括排空泵、冲洗泵、进样泵。排水泵接入空气，冲水泵接入纯水，进样泵接入样本。流通池上设有上下两个端口，下端同时连接三个水泵，上端为出水口。
光源经过透镜准直后，再依次经过三棱镜、光阑分光，然后通过透镜聚焦后得到的入射光垂直射入流通池，在光路透射方向得到吸收光谱，在垂直于光路透射方向得到荧光光谱。通过步进电机控制三棱镜移动，从而改变入射光波长；不同的入射光波长，对应不同的吸收光谱和荧光光谱。样本的吸收光谱为不同入射光波长对应的吸收光谱的平均值；样品的荧光光谱为不同入射光波长对应的荧光光谱的向量拼接矩阵。
吸收光谱和荧光光谱分别输入一台光谱仪。
上位机与光谱采集模块的通信，包括控制步进电机改变三棱镜位置、控制水泵开闭时序、控制光谱仪的采样通道开闭。
2.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，上位机与步进电机、水泵的通信具体为：上位机作为TCP客户端，发送i-j-T指令实现对应的控制。步进电机、水泵作为TCP服务器端，时刻等待上位机指令。i代表控制对象，包括步进电机、水泵；j代表当前控制对象的执行动作，步进电机的执行动作包括正转、反转，水泵的执行动作包括打开排空泵、冲洗泵、进样泵；T代表当前控制对象的执行动作的参数，针对步进电机，T是给到步进电机的脉冲数，p是转一圈对应的脉冲数，则步进电机转动圈数为T/p；针对水泵，T为水泵运行时间。
3.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，包括：
(1)波长标定：标定三棱镜不同位置与入射光波长的对应关系，得到步进电机的转动圈数与入射光波长的关系表。
(2)暗背景检测：对空的流通池，在无光源环境下开启吸收光谱连接的光谱仪，测得吸收光谱暗环境数据αd。
(3)纯水光谱检测：纯水检测设定波长为k组。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为αw(i)和βw(i)。打开光源，棱镜置于初始发射波长位置，流通池充满纯水，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得纯水的吸收光谱数据αw(1)和荧光光谱数据βw(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，排空流通池，棱镜复位至初始位置。
(4)样本光谱检测：待测波长也为k组，与纯水检测设定波长相同。第i个波长对应的纯水吸收光谱数据和荧光光谱数据为αs(i)和βs(i)。将流通池充满样本水样，分别开启吸收光谱与荧光光谱对应的光谱仪检测通道，测得吸收光谱数据αs(1)和荧光光谱数据βs(1)。然后，改变下一个波长继续进行检测。当k组波长都测量完成，则检测结束，排空流通池。
4.如权利要求3所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于：
样本的吸收光谱A由下式求解：
其中，
样本三维荧光光谱数据F由下式求解：
F＝Bs-Bw
Bs＝[βs(1),βs(2),…,βs(i)…,βs(k)]
Bw＝[βw(1),βw(2),…,βw(i)…,βw(k)]
其中，Bs、Bw分别为样本、纯水在每个入射光波长i下的荧光光谱的向量拼接矩阵。
5.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，上位机将光谱仪采集的光谱数据进行本地存储。上位机接入互联网，基于边缘计算接口实现数据采集存储及算法下发请求。上位机将光谱仪数据发送至边缘计算节点，水质污染定量定性算法在测量前已调试完成，并打包成镜像上传到云端节点。云计算节点接受到算法下发请求后，通过调度将所需算法下发至边缘计算节点，依托边缘算力开展检测工作。检测结果由边缘节点通知上位机。
6.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，光源采用卤素光源。
7.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，流通池通过四通管与三个水泵相连。
8.如权利要求1所述判别水质污染的离散三维荧光/可见光吸收谱检测装置，其特征在于，入射光波长选择为400nm、450nm、475nm、500nm、525nm、550nm、575nm、600nm、650nm、700nm。
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