CN116660185B - 一种多波长重金属离子溶液检测***及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多波长重金属离子溶液检测***及其检测方法，包括测量平台、设置于测量平台上的光源机构和检测机构，光源机构和检测机构之间设置有用于盛放待测溶液的比色皿；光源机构包括沿光路依次设置的复合光源、分光模块和分光镜；检测机构包括依次相连的光电转换模块、双通道对数放大器、信号处理模块和PC端。本发明采用上述一种多波长重金属离子溶液检测***及其检测方法，与市面上基于分光光度法的便携式重金属检测仪器作对比，光源成本更低、检测离子种类更多、检测时间及检出限等方面性能更优。与其他常规仪器相比，体积和成本也具有很大的优势。
Description
技术领域
本发明涉及溶液浓度检测技术领域，尤其涉及一种多波长重金属离子溶液检测***及其检测方法。
背景技术
当前大量工业废水和生活污水的排放，以及农业生产中使用的化肥和农药等化学物质的渗透，都会导致水中重金属污染。使得重金属水污染成为全球性的环境问题。随着工业化的快速发展和城市化进程的加速，大量的重金属污染物被排放到水体中，导致了水质的恶化和环境的破坏。在中国，重金属水污染问题尤为突出。据统计，我国有超过三千个县市的水环境质量不达标，其中重金属污染是主要的污染源之一。
重金属污染物会对人体健康造成危害，例如铅中毒、镉中毒、汞中毒等，严重影响人们的生命和健康。因此，针对重金属检测的仪器设备研究是环境检测研究的重中之重。
目前市面上检测水质重金属含量的仪器主要有以下几种：
吸光光度计，其是一种用于测量溶液或气体中物质的浓度或透过率的仪器。它通过测量光线的吸收或透过程度，来计算物质的浓度或透过率。其发展可以追溯到19世纪初期。最初的吸光光度计是由德国化学家约翰·瓦尔德克(Johann Wilhelm Ritter)于1802年发明的。他发现不同的溶液对光的吸收程度不同，可以用来测量溶液中的物质浓度。随着科技的不断发展，吸光光度计的技术也得到了极大的提升。20世纪50年代，美国科学家哈里·韦斯特和阿诺德·奥茨发明了分光光度计，使吸光光度计的分辨率得到了大幅提高。1960年代，光电二极管的发明使得吸光光度计的灵敏度更上一层楼。1980年代，计算机技术的应用使得吸光光度计的自动化程度大大提高，数据处理更加方便快捷。
光栅单色仪，其是一种利用光栅的衍射原理来分离和测量不同波长光的仪器，是分光光度计中最常用的光谱分离装置之一，广泛应用于光谱分析、色谱分析、激光光谱分析等领域。它的发展可以追溯到19世纪初期。1821年，德国物理学家约瑟夫·冯·弗劳恩霍夫(Joseph von Fraunhofer)发现太阳光谱中存在许多黑色的线条，这些线条的位置和宽度都是固定的。这些线条被称为“弗劳恩霍夫线”，它的发现极大地推动了光谱学的发展。随着光谱学的发展，人们开始研究如何利用光栅来分离和测量不同波长光的强度。目前，光栅单色仪已经成为实验室中最为常用的光谱分析仪器之一。
但是上述检测水质重金属含量的仪器在实践工程中存在不同的问题：1、由于重金属离子具有腐蚀性，相比于阳极溶出伏安法重金属检测仪器的直接接触待测液体，光谱仪和分光光度计这种非接触、防污染的优势变得更加明显，但由于高精度的光谱仪器价格昂贵且光源体积过大，所以没有办法进行任意环境的检测。2、而部分光学重金属传感器波长固定，待测重金属离子种类固定，若想测量不同种类重金属离子的浓度便无形中添加了检测成本。3、由于存在环境和硬件本身等原因产生的噪声干扰，对实验数据造成影响。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种多波长重金属离子溶液检测***及其检测方法，与市面上基于分光光度法的便携式重金属检测仪器作对比，光源成本更低、检测离子种类更多、检测时间及检出限等方面性能更优。与其他常规仪器相比，体积和成本也具有很大的优势。
为实现上述目的，本发明提供了一种多波长重金属离子溶液检测***，包括测量平台、设置于测量平台上的光源机构和检测机构，光源机构和检测机构之间设置有用于盛放待测溶液的比色皿；
光源机构包括沿光路依次设置的复合光源、分光模块和分光镜；
检测机构包括依次相连的光电转换模块、双通道对数放大器、信号处理模块和PC端；
复合光源，用于提供满足待测溶液中重金属测量所需的特征光波长；
分光模块，用于筛选出特定波长的光作为初始光束；
分光镜，用于将初始光束按照一定光强比分成入射光与透射光；
光电转换模块，用于将入射光与透射光分别转换成两路电流信号；
双通道对数放大器，用于获得两路电流信号的对数比，进而得出待测溶液的吸光度；
信号处理模块，用于输出与待测溶液的标准离子浓度下对应的标定电压；
PC端，用于将标定电压作为数据集上传到Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，使用了matplotlib库来可视化预测结果，并利用岭回归模型预测待测溶液的浓度值。
优选的，信号处理模块包括输入端与双通道对数放大器相连的分压电路、与分压电路输出端相连的模数转换器以及模数转换器的输出端相连的处理器，处理器经串口模块与PC端相连，串口模块的型号为CH340G；
分压电路，用于利用误差为0.1％的薄膜电阻产生两路差分信号输入，以此代替单通道输入，从而达到减小误差，提高精度的目的；
模数转换器，用于进行模数转换，其经REF3025将基准电压控制在2.5V，并采用通道0和通道1作为差分传输通道。
优选的，复合光源与电源之间串联有稳压芯片，用于对光源的电压电流进行稳压处理以稳定光源的光强。
优选的，测量平台由黑色树脂经3D打印而成，用于减少光强损失；
测量平台包括底座和顶壳，顶壳的一侧固定有复合光源，顶壳内部且对应复合光源的位置依次设置有用于放置分光模块的第一容置腔、用于卡接分光镜的卡槽、用于放置比色皿的第二容置腔，顶壳上还设置有用于固定光电转换模块的固定孔；
复合光源、由分光模块出射的入射光束和透射光束、比色皿的中心、光电转换模块的中心均位于同一条直线上，用于保障光强的大小和测量的准确性。
优选的，分光模块采用DS-100型光栅单色仪；
分光模块包括箱体、设置于箱体相对两侧的入射狭缝、出射狭缝以及设置于箱体内部的镜组；
镜组包括沿光路由入射狭缝到出射狭缝依次布置的第一平面反射镜第一球面镜、光栅、第二球面镜和第二平面反射镜；
第一平面反射镜位于第一球面镜的焦点上，第二平面反射镜位于第二球面镜的焦点上。
优选的，入射狭缝和出射狭缝均为宽度可调的直狭缝，宽度调节范围为0.15mm-0.3mm。
优选的，复合光源采用XTE科瑞灯珠，灯珠前装配有用于聚焦光束的聚焦透镜，灯珠的白光覆盖波长为380nm-780nm；
光电转换模块包括分别对应入射光和透射光布置的两个光电二极管，光电二极管的型号为FDS100；
双通道对数放大器的型号为LOG114；
模数转换器采用24位ADS1256模数转换器；
处理器为采用STM32F407单片机。
一种多波长重金属离子溶液检测***的检测方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量平台：
S11、使用建模软件Solidworks搭建测量平台模型；
S12、根据测量平台模型利用3D打印制成测量平台；
S2、组装调试：
S21、组装：将复合光源固定到测量平台的侧部；将分光模块置于测量平台的第一容置腔内；将分光镜置于测量平台的卡槽上；将待测溶液盛放到比色皿中，并将比色皿放置到测量平台的第二容置腔内；将光电二极管固定到测量平台的支架顶端；
S22、调试：打开复合光源，可形成完整的光路，且在PC端显示电压值，表示组装到位，否则返回步骤S21调整位置；
S3、测试：
S31、复合光源发出的光进入分光模块，筛选初始光束：入射光由入射狭缝经第一平面反射镜反射到第一球面反射镜上，再由第一球面反射镜反射出的平行光照射到光栅上，光栅发生衍射后的光照射到第二球面反射镜上，再经第二球面反射镜反射到第二平面反射镜上，最后经出射狭缝出射的光为选定的特定波长光束，即初始光束；
S32、由分光模块出射的初始光束进入分光镜，借助分光镜将初始光束按照一定光强比分成入射光与透射光；
S33、入射光直接传输至其中一个光电二极管，透射光经过盛放有待测溶液的比色皿后传输至另一光电二极管，借助光电二极管将两路光信号分别转换为两路电流信号；
S34、两路电流信号传输至双通道对数放大器中，借助以下公式计算吸光度：
A＝logλ'1/λ1
式中，A为吸光度；λ'1为透过待测液体的透射光D1的分析波长；λ1为未透过溶液的入射光D2的参比波长
由于接收透射光D1与接收入射光D2的二极管选择型号一致，所以有：
A∝(0.375V)log(I1/I2)
式中，I1为经光电二极管转换的透射光D1的电流值，I2为经光电二极管转换的入射光D2的电流值；
S35、将吸光度信号输入分压电路去除噪声后传输至模数转换器，进行模数转换，再进入处理器中获得与待测溶液浓度对应的标定电压，最后将其传输至PC端；
S36、在PC端将接收的标定电压作为数据集，Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，并使用了matplotlib库来可视化预测结果,预测待测溶液的浓度。
优选的，在步骤S31中，特定波长的确定包括以下步骤：首先根据待测溶液中重金属的种类，确定其特征光波长，进而选取与特征光波长差值在设定范围内的光波长作为特定波长。
优选的，步骤S36所述的模型训练公式为：
y＝0.98x+0.03；
式中，y为标定电压，单位是V；x为浓度值，单位是mg/L。
本发明具有以下有益效果：
1、利用单色仪和复合光源的结合，解决了针对不同波长不同种类的重金属离子溶液的测量特征光源。
2、利用双通道对数放大器，解决了在线实时测量功能，缩短测量时间。
3、利用差分测量的方式去对测量信号进行处理，配合STM32单片机对数字信号进行处理输出，达到降低干扰误差、提高精度的目的。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的一种多波长重金属离子溶液检测***的测量平台结构示意图；
图2为本发明的一种多波长重金属离子溶液检测***的分光模块结构示意图；
图3为本发明的一种多波长重金属离子溶液检测***的复合光源的灯珠波长覆盖范围曲线图；
图4为本发明的一种多波长重金属离子溶液检测***的双通道对数放大器的电路原理图；
图5为本发明的一种多波长重金属离子溶液检测***的分压电路的电路原理图；
图6为本发明的一种多波长重金属离子溶液检测***的模数转换器的电路原理图；
图7为本发明的岭回归模型的拟合曲线图；
图8为本发明的检测方法的流程图。
其中：1、底座；2、箱体；3、固定孔。
具体实施方式
为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
一种多波长重金属离子溶液检测***，包括测量平台、设置于测量平台上的光源机构和检测机构，光源机构和检测机构之间设置有用于盛放待测溶液的比色皿；其中，光源机构包括沿光路依次设置的复合光源、分光模块和分光镜；检测机构包括依次相连的光电转换模块、双通道对数放大器、信号处理模块和PC端；
复合光源，用于提供满足待测溶液中重金属测量所需的特征光波长；
分光模块，用于筛选出特定波长的光作为初始光束；
分光镜，用于将初始光束按照一定光强比分成入射光与透射光(如：使用50:50的光强比可以将初始光束分为光强为其初始光的50％的入射光与透射光)；
光电转换模块，用于将入射光与透射光分别转换成两路电流信号；
双通道对数放大器，用于获得两路电流信号的对数比，进而得出待测溶液的吸光度；
信号处理模块，用于输出与待测溶液的标准离子浓度下对应的标定电压；
PC端，用于将标定电压作为数据集上传到Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，并使用了matplotlib库来可视化预测结果，并利用岭回归模型预测待测溶液的浓度值。
优选的，信号处理模块包括输入端与双通道对数放大器相连的分压电路、与分压电路输出端相连的模数转换器以及模数转换器的输出端相连的处理器，处理器经串口模块与PC端相连，串口模块的型号为CH340G；
分压电路，用于利用误差为0.1％的薄膜电阻(图5中的Rb1-Rb4)产生两路差分信号输入，以此代替单通道输入，从而达到减小误差，提高精度的目的；在实际模块制作中由于经过GND阻抗的电流会在PCB上的GND连接之间创建电压差从而导致输出误差，因此设计出分压电路。
模数转换器，用于进行模数转换，其经REF3025将基准电压控制在2.5V，并采用通道0和通道1作为差分传输通道，相比于单通道输入，差分双通道输入因为两根差分走线之间的耦合良好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而只是接收两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。
优选的，复合光源与电源之间串联有稳压芯片，用于对光源的电压电流进行稳压处理以稳定光源的光强。
优选的，测量平台由黑色树脂经3D打印而成，用于减少光强损失；
测量平台包括底座1和顶壳，顶壳的一侧固定有复合光源，顶壳内部且对应复合光源的位置依次设置有用于放置分光模块的第一容置腔、用于卡接分光镜的卡槽、用于放置比色皿的第二容置腔，顶壳上还设置有用于固定光电转换模块的固定孔3；复合光源、由分光模块出射的入射光束和透射光束、比色皿的中心、光电转换模块的中心均位于同一条直线上，用于保障光强的大小和测量的准确性。
优选的，分光模块采用DS-100型光栅单色仪；分光模块包括箱体2、设置于箱体2相对两侧的入射狭缝、出射狭缝以及设置于箱体2内部的镜组；镜组包括沿光路由入射狭缝到出射狭缝依次布置的第一平面反射镜第一球面镜、光栅、第二球面镜和第二平面反射镜；第一平面反射镜位于第一球面镜的焦点上，第二平面反射镜位于第二球面镜的焦点上。
优选的，入射狭缝和出射狭缝均为宽度可调的直狭缝，宽度调节范围为0.15mm-0.3mm。
优选的，复合光源采用XTE科瑞灯珠，灯珠前装配有用于聚焦光束的聚焦透镜，灯珠的白光覆盖波长为380nm-780nm；
光电转换模块包括分别对应入射光和透射光布置的两个光电二极管，光电二极管的型号为FDS100；
双通道对数放大器的型号为LOG114；
模数转换器采用24位ADS1256模数转换器；
处理器为采用STM32F407单片机。
一种多波长重金属离子溶液检测***的检测方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量平台：
S11、使用建模软件Solidworks搭建测量平台模型；
S12、根据测量平台模型利用3D打印制成测量平台；
S2、组装调试：
S21、组装：将复合光源固定到测量平台的侧部；将分光模块置于测量平台的第一容置腔内；将分光镜置于测量平台的卡槽上；将待测溶液盛放到比色皿中，并将比色皿放置到测量平台的第二容置腔内；将光电二极管固定到测量平台的支架顶端；
S22、调试：打开复合光源，可形成完整的光路，且在PC端显示电压值，表示组装到位，否则返回步骤S21调整位置；
S3、测试：
S31、复合光源发出的光进入分光模块，筛选初始光束：入射光由入射狭缝经第一平面反射镜反射到第一球面反射镜上，再由第一球面反射镜反射出的平行光照射到光栅上，光栅发生衍射后的光照射到第二球面反射镜上，再经第二球面反射镜反射到第二平面反射镜上，最后经出射狭缝出射的光为选定的特定波长光束，即初始光束；
优选的，在步骤S31中，特定波长的确定包括以下步骤：首先根据待测溶液中重金属的种类，确定其特征光波长，进而选取与特征光波长差值在设定范围内的光波长作为特定波长。
S32、由分光模块出射的初始光束进入分光镜，借助分光镜将初始光束按照一定光强比分成入射光与透射光；
S33、入射光直接传输至其中一个光电二极管，透射光经过盛放有待测溶液的比色皿后传输至另一光电二极管，借助光电二极管将两路光信号分别转换为两路电流信号；
S34、两路电流信号传输至双通道对数放大器中，借助以下公式计算吸光度：
A＝logλ'1/λ1
式中，A为吸光度；λ'1为透过待测液体的透射光D1的分析波长；λ1为未透过溶液的入射光D2的参比波长
由于接收透射光D1与接收入射光D2的二极管选择型号一致，所以有：
A∝(0.375V)log(I1/I2)
式中，I1为经光电二极管转换的透射光D1的电流值，I2为经光电二极管转换的入射光D2的电流值；
S35、将吸光度信号输入分压电路去除噪声后传输至模数转换器，进行模数转换，再进入处理器中获得与待测溶液浓度对应的标定电压，最后将其传输至PC端；
S36、在PC端将接收的标定电压作为数据集，Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，并使用了matplotlib库来可视化预测结果，预测待测溶液的浓度。
步骤S36所述的模型训练公式为：
y＝0.98x+0.03；
式中，y为标定电压，单位是V；x为浓度值，单位是mg/L。
岭回归是一种用于处理多重共线性数据的线性回归模型。它通过对系数的大小进行限制，使得模型更加稳定。正则化是一种用于处理过拟合问题的技术。在机器学***方和与一个常数的乘积。这个常数称为超参数，它控制着正则化项的强度。岭回归拟合时的交叉验证是一种评估模型性能的方法，它将数据集分成训练集和测试集，然后多次训练模型并在测试集上进行评估。
且在此***拟合模型中，使用了合适的库来进行数据训练，如pandas、numpy、sklearn.linear_model中的Ridge、sklearn.model_selection中的train_test_split、cross_val_score、GridSearchCV，sklearn.metrics中的mean_squared_error和r2_score，以及matplotlib.pyplot。之后定义一个数据处理函数handle_data，用于处理数据中的异常值，包括删除包含缺失的数据或无效的数据值的行、将无穷大的值替换为无效数据值、将缺失数据值替换为平均值。然后将第一列的浓度值作为X轴，第二列的实测电压值作为Y轴，将数据分为训练集和测试集并建立岭回归模型，定义超参数网格。使用GridSearchCV进行交叉验证，寻找最佳超参数。随后使用最佳超参数建立模型，并在训练数据上拟合模型。最后对测试数据进行预测，计算模型的误差和表现，包括均方误差和R2值，并输出结果。
采用此训练方法输出结果及对应的模型性能分析如下。
最佳超参数：'alpha':0.1，'solver':'sag'，这意味着在使用岭回归模型时，alpha参数设置为0.1，使用'sag'求解器。
均方误差：0.01，这是在对测试数据进行预测时得到的均方误差，均方误差是评估模型预测性能的常用指标，其值越小，模型的性能越好。
R^2值：0.85，这是在对测试数据进行预测时得到的R^2值，R^2值是模型拟合性能的指标，取值范围为0到1，其值越接近1，模型的拟合性能越好。此处的R^2值为0.85，说明模型的拟合性能良好。
本实验例使用本发明所述的一种多波长重金属离子溶液检测***检测Cu2+溶液浓度。采用Cu2+的特征光435nm的光路进行测量，为了增大光强扩大测量效果，由图3判断，选取与特征光435nm相近的440nm作为初始复合光源，相比于市面上的单波长激光器更接近特征光，更容易检测到受浓度影响的测量信号波动。
利用光强比是50：50的分光镜将初始光束分入射光束和透射束，经光电二极管后，通过双通道对数放大器基于朗伯-比尔定律计算吸光度，而后在模数转换器中，采用差分输入的方法选取通道0和通道1作为传输通道，将吸光度输入处理器中，处理器利用串口模块将实时测量的电压展现到PC端，作为数据集，在PC端利用Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，并使用了matplotlib库来可视化预测结果。如图7所示。在该模型中决定系数(coefficient of determination)R^2，是回归模型中用来评估模型拟合程度的指标，R^2的取值范围为[0,1]，数值越接近1，表示模型对目标变量的解释能力越强，拟合程度越好；数值越接近0，表示模型对目标变量的解释能力越弱，拟合程度越差。在本发明中R^2值为0.85说明模型在正则化的同时能够更好地拟合目标变量，具有更好的泛化能力。
因此，本发明采用上述多波长重金属离子溶液检测***及其检测方法，与市面上基于分光光度法的便携式重金属检测仪器作对比，光源成本更低、检测离子种类更多、检测时间及检出限等方面性能更优。与其他常规仪器相比，体积和成本也具有很大的优势。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：包括测量平台、设置于测量平台上的光源机构和检测机构，光源机构和检测机构之间设置有用于盛放待测溶液的比色皿；
光源机构包括沿光路依次设置的复合光源、分光模块和分光镜；
检测机构包括依次相连的光电转换模块、双通道对数放大器、信号处理模块和PC端；
复合光源，用于提供满足待测溶液中重金属测量所需的特征光波长；
分光模块，用于筛选出特定波长的光作为初始光束；
分光镜，用于将初始光束按照一定光强比分成入射光与透射光；
光电转换模块，用于将入射光与透射光分别转换成两路电流信号；
双通道对数放大器，用于获得两路电流信号的对数比，进而得出待测溶液的吸光度；
信号处理模块，用于输出与待测溶液的标准离子浓度下对应的标定电压；
PC端，用于将标定电压作为数据集上传到Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，并使用了matplotlib库来可视化预测结果，并利用岭回归模型预测待测溶液的浓度值；
一种多波长重金属离子溶液检测***的检测方法，包括以下步骤：
S1、搭建测量平台：
S11、使用建模软件Solidworks搭建测量平台模型；
S12、根据测量平台模型利用3D打印制成测量平台；
S2、组装调试：
S21、组装：将复合光源固定到测量平台的侧部；将分光模块置于测量平台的第一容置腔内；将分光镜置于测量平台的卡槽上；将待测溶液盛放到比色皿中，并将比色皿放置到测量平台的第二容置腔内；将光电二极管固定到测量平台的支架顶端；
S22、调试：打开复合光源，可形成完整的光路，且在PC端显示电压值，表示组装到位，否则返回步骤S21调整位置；
S3、测试：
S31、复合光源发出的光进入分光模块，筛选初始光束：入射光由入射狭缝经第一平面反射镜反射到第一球面反射镜上，再由第一球面反射镜反射出的平行光照射到光栅上，光栅发生衍射后的光照射到第二球面反射镜上，再经第二球面反射镜反射到第二平面反射镜上，最后经出射狭缝出射的光为选定的特定波长光束，即初始光束；
S32、由分光模块出射的初始光束进入分光镜，借助分光镜将初始光束按照一定光强比分成入射光与透射光；
S33、入射光直接传输至其中一个光电二极管，透射光经过盛放有待测溶液的比色皿后传输至另一光电二极管，借助光电二极管将两路光信号分别转换为两路电流信号；
S34、两路电流信号传输至双通道对数放大器中，借助以下公式计算吸光度：
A＝logλ'1/λ1
式中，A为吸光度；λ'1为透过待测液体的透射光D1的分析波长；λ1为未透过溶液的入射光D2的参比波长
由于接收透射光D1与接收入射光D2的二极管选择型号一致，所以有：
A∝(0.375V)log(I1/I2)
式中，I1为经光电二极管转换的透射光D1的电流值，I2为经光电二极管转换的入射光D2的电流值；
S35、将吸光度信号输入分压电路去除噪声后传输至模数转换器，进行模数转换，再进入处理器中获得与待测溶液浓度对应的标定电压，最后将其传输至PC端；
S36、在PC端将接收的标定电压作为数据集，上传至Scikit-learn库中的线性回归模型Ridge来构建和训练模型，并使用了matplotlib库来可视化预测结果。
2.根据权利要求1所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：信号处理模块包括输入端与双通道对数放大器相连的分压电路、与分压电路输出端相连的模数转换器以及模数转换器的输出端相连的处理器，处理器经串口模块与PC端相连，串口模块的型号为CH340G；
分压电路，用于利用误差为0.1％的薄膜电阻产生两路差分信号输入，以此代替单通道输入，从而达到减小误差，提高精度的目的；
模数转换器，用于进行模数转换，其经REF3025将基准电压控制在2.5V，并采用通道0和通道1作为差分传输通道。
3.根据权利要求1所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：复合光源与电源之间串联有稳压芯片，用于对光源的电压电流进行稳压处理以稳定光源的光强。
4.根据权利要求1所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：测量平台由黑色树脂经3D打印而成，用于减少光强损失；
测量平台包括底座和顶壳，顶壳的一侧固定有复合光源，顶壳内部且对应复合光源的位置依次设置有用于放置分光模块的第一容置腔、用于卡接分光镜的卡槽、用于放置比色皿的第二容置腔，顶壳上还设置有用于固定光电转换模块的固定孔；
复合光源、由分光模块出射的入射光束和透射光束、比色皿的中心、光电转换模块的中心均位于同一条直线上，用于保障光强的大小和测量的准确性。
5.根据权利要求1所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：分光模块采用DS-100型光栅单色仪；
分光模块包括箱体、设置于箱体相对两侧的入射狭缝、出射狭缝以及设置于箱体内部的镜组；
镜组包括沿光路由入射狭缝到出射狭缝依次布置的第一平面反射镜第一球面镜、光栅、第二球面镜和第二平面反射镜；
第一平面反射镜位于第一球面镜的焦点上，第二平面反射镜位于第二球面镜的焦点上。
6.根据权利要求5所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：入射狭缝和出射狭缝均为宽度可调的直狭缝，宽度调节范围为0.15mm-0.3mm。
7.根据权利要求2所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：复合光源采用XTE科瑞灯珠，灯珠前装配有用于聚焦光束的聚焦透镜，灯珠的白光覆盖波长为380nm-780nm；
光电转换模块包括分别对应入射光和透射光布置的两个光电二极管，光电二极管的型号为FDS100；
双通道对数放大器的型号为LOG114；
模数转换器采用24位ADS1256模数转换器；
处理器为采用STM32F407单片机。
8.根据权利要求1所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：在步骤S31中，特定波长的确定包括以下步骤：首先根据待测溶液中重金属的种类，确定其特征光波长，进而选取与特征光波长差值在设定范围内的光波长作为特定波长。
9.根据权利要求1所述的一种多波长重金属离子溶液检测***，其特征在于：步骤S36具体包括以下步骤：步骤S36所述的模型训练公式为：
y＝0.98x+0.03；
式中，y为标定电压，单位是V；x为浓度值，单位是mg/L。
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