CN209387061U - 复合封装led光源及基于该光源的水质监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于在线水质监测领域，特别是一种复合封装LED光源及基于该光源的多参数水质监测装置。LED复合光源将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0～3个可见光LED芯片封装在同一基底上。水质监测装置还包括紫外‑可见吸收探测光电二极管B，荧光探测光电二极管C，石英片A、B、C；LED复合光源封装的LED芯片交替发‑出不同波长的光，光照射到水体，发生吸收、散射以及产生荧光，产生的荧光被荧光探测光电二极管C探测；未经吸收和散射的光照射到紫外‑可见吸光度探测光电二极管B上。本申请将不同波段的LED芯片封装在同一基底上，可以同时测定硝酸根、浊度和色度指标以及反映溶解性有机物浓度水平，具有体积小、功耗低和快速灵敏等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于环保领域的在线水质监测领域，特别是一种复合封装LED光源及基于该LED复合光源的多参数水质监测装置。
背景技术
水质在线监测，是在线测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。水质在线监测是防治水体污染和保障饮水安全的重要手段，为污水处理、河道与湖泊水环境治理以及饮用水净化效果提供重要的评价判断依据。水质在线监测指标众多，包括物理指标、化学指标和生物指标等。
溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)广泛存在于各类自然水体和污水中，主要包括大分子蛋白类、中等分子量的腐殖酸、富里酸以及其他小分子物质。在污水处理中，DOM是化学需氧量(Chemical oxide demand,COD)指标的主要贡献者，是形成河道黑臭水体的主要因素；在饮用水处理过程中，DOM可在氯化消毒工艺中生成具有致癌作用的消毒副产物；在末端管网中，DOM可为管道中微生物的生长提供碳源，造成生物污染。分析检测DOM浓度水平的方法主要包括化学法和光谱法。其中化学法主要包括化学需氧量测试和总有机碳测试，而光谱法主要包括紫外-可见吸光度法和荧光光谱法。化学法虽然在国家或行业标准中广泛采用，但其在线监测设备结构复杂，体积较大，价格高昂，测试周期长，需要化学试剂，存在二次化学污染，运维与废液处理费用高昂；而光谱法具有快速灵敏和无需化学试剂等优点。紫外吸光度法主要探测水中含有苯环等芳香性结构及其衍生物，水中的大分子蛋白类、腐殖酸、富里酸以及一些含有苯环的小分子化合物均可被紫外吸光度法所探测；溶解性有机物的荧光主要包括蛋白类荧光、腐殖质类荧光和叶绿素等色素类荧光。蛋白类荧光的发射波长范围为310-360nm；腐殖质类荧光的发射波长范围为400-500nm；叶绿素荧光的峰值波长为685nm左右。蛋白类荧光信号主要是探测水中含有苯酚或苯胺类结构的物质，包括大分子蛋白类、腐殖质、富里酸、色氨酸、酪氨酸以及一些含有苯酚或苯胺结构的小分子化合物；腐殖质类荧光主要探测水中的腐殖酸、富里酸以及萘酚类、萘胺类、奎宁类、喋呤类(荧光峰发射波长～450nm)等含有多环芳香性结构的物质。在一定程度上，紫外吸光度UV254、蛋白类荧光和腐殖质类荧光，可以反映水中溶解性有机物种类及其浓度水平。
浊度指溶液对光线通过时所产生的阻碍程度，它包括悬浮物对光的散射和溶质分子对光的吸收。浊度可以反映水中泥土、砂砾、浮游生物等悬浮物和胶体的含量，是人可以直接观察感受到的水质指标之一，也是目前水质监测领域的常规五参数之一(pH、温度、溶氧、电导率、浊度)。浊度的测试方法主要包括比浊法或散射光法，其中散射光法是目前在线浊度计的分析方法。
受污水排放和农业大量施用化肥的影响，近年来水体富营养化日趋严重，氮和磷是造成水体富营养化的重要营养元素。在自然水体中，硝酸盐是含氮有机物氧化分解的最终产物，硝态氮(NO3-N)是氮元素在自然水体中的主要存在形式。硝态氮的测试方法有酚二磺酸光度法、紫外分光光度法、离子色谱法等。尽管目前已有酚二磺酸光度法在线监测设备，但由于酚二磺酸试剂不稳定，需要定期更换，同样限制了广泛应用。紫外分光光度法的原理是利用硝酸根在220nm处有紫外吸收而在275nm处无紫外吸收，自然水体中溶解性有机物在220nm和275nm处的吸光度之间的关系约为Abs220＝2Abs275，通过计算Abs220-2Abs275来消除溶解性有机物对硝酸盐测定的干扰。
综上所述，溶解性有机物、浊度和硝态氮的在线监测均可采用光谱法实现。
奥地利S:CAN公司所开发的浸入式UV-Vis紫外可见吸收光谱探头，采用脉冲氙灯作为光源，可实现对190nm到720nm光谱范围内的吸光度探测。其监测水质的原理主要包括采用<240nm波长的紫外吸光度来测定硝态氮，采用250-370nm波长范围的紫外来测定溶解性有机物，采用380-750nm波长范围的可见光吸光度来测定浊度、色度等。然而该浸入式UV-Vis紫外可见吸收光谱探头所采用的氙灯为连续光谱，需要分光结构，也需要复杂的电源***实现500V以上的脉冲电压，需要较高价格的光谱传感器，难以实现微型化。随着近年来智慧水务的快速发展，水环境监测行业迫切需求体积小、成本低、功耗低和易维护等水质传感器或监测设备，以实现广泛地布设监测点。在此背景下，光谱法在线监测DOM浓度水平逐渐得到水质行业认可，并在一系列“河长制”水质监测项目中广泛运用。
发光二极管LED具有体积小、功耗低、成本低、单色性好、操作电压低、可高速频繁开关等优点。脉冲氙灯光源的重要优势在于可以发出<240nm的UVC紫外光，用于硝态氮的在线分析；而近年来，AlGaN基LED的最短波长可达到210nm，但发光效率较低；2017年美国制造出较为稳定的232nm最短波长的GaN基LED，发光效率得到显著提升，美国专利US20170254752A1公开了一种水质监测探头，采用229nm的LED作为光源，根据硝酸根在229nm的紫外吸光度用于检测水中的硝酸根浓度，然而自然水体中存在大量的自然有机物，自然有机物在229nm处同样存在强烈吸收，对实际水样中的硝酸根的检测造成严重干扰。中国发明专利CN201410502662.9，公开了一种以LED发光二极管为光源的紫外荧光双信号水质监测装置及其应用方法，中国发明专利CN201510738667.6，公开了一种以单个UV-LED为光源的紫外荧光三信号水质传感器及应用，上述两个申请案均采用了以单个紫外LED为光源，同时测定紫外吸光度值、蛋白类或腐殖质类荧光信号来实现对水中溶解性有机物浓度的监测。
上述发明主要适用于市政水厂等饮用水或再生水等低浊度水中的溶解性有机物监测，而应用于野外的水质在线监测，仍存在如下问题需要克服：(1)水中浊度会对溶解性有机物的测试造成干扰，需要利用浊度进行数值校正和辅助判断；(2)硝酸根或硝态氮浓度是目前水质在线监测的重要指标之一，然而前期所申请专利中的水质监测装置无法实现；(3)无法反映水的颜色；(4)LED光源的强度随时间存在衰减，影响光谱信号的准确性。
实用新型内容
本实用新型所解决的技术问题在于提供一种复合封装LED光源及基于该LED复合光源的水质监测装置。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：
一种复合封装LED光源，包括230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0～3个可见光LED芯片，将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0～3个可见光LED芯片封装在同一基底上，采用共用阳极、独立阴极或共用阴极、独立阳极的封装方式引出接线引脚，分别连接各自的驱动电路，实现独立开关控制。
进一步的，所述的可见光LED芯片选自465±10nm蓝光LED芯片、520±10nm绿光LED芯片和655±10nm红光LED芯片。所述的复合封装LED光源的波长组合包括以下几种：(1)230±10nm深紫外和275±10nm深紫外，(2)230±10nm深紫外、275±10nm深紫外和465±10nm蓝光，(3)230±10nm深紫外、275±10nm深紫外和520±10nm绿光，(4)230±10nm深紫外、275±10nm深紫外和655±10nm红光；(5)230±10nm深紫外、275±10nm深紫外、465±10nm蓝光、520±10nm绿光和655±10nm红光。
一种基于上述的复合封装LED光源的多参数水质监测装置，还包括紫外-可见吸收探测光电二极管B、荧光探测光电二极管C、石英片A、石英片B、石英片C、带通滤光片；
所述石英片A、石英片B和石英片C构成U型槽Ⅰ，待测水样在U型槽Ⅰ中流通，其中所述石英片A和石英片B相对设置，构成U型槽Ⅰ的竖直部分，石英片C水平设置，与石英片A和石英片B的底部连接，构成U型槽Ⅰ的底部；
复合封装LED光源所封装的LED芯片交替发出不同波长的紫外或可见光，光透过石英片A照射到U型槽Ⅰ内的水体，发生吸收、散射以及产生荧光，其中所产生的荧光经过石英片C和带通滤光片被荧光探测光电二极管C所探测，而蓝光遇到颗粒物和胶体所形成的散射光透过探测腐殖质类荧光的带通滤光片，被荧光探测光电二极管C所探测；未经吸收和散射的光穿过水体、透过石英片B，照射到紫外-可见吸光度探测光电二极管B上。
进一步的，还包括比例分光片和参考光路光电二极管A，所述比例分光片与复合封装LED光源的轴线呈45°角设置，比例分光片将复合封装LED光源发出的光线分为两路，一路保持与原来相同的方向，另一路则与原有方向垂直，其中一路作为测量光路，一路作为参考光路，分光比例从10/90到90/10。
进一步的，所述复合封装LED光源的轴线与U型槽的轴线垂直或平行布置；
当复合封装LED光源的轴线与U型槽的轴线垂直设置时，所述参考光路光电二极管A的轴线与复合封装LED光源的轴线呈90°布置；
当复合封装LED光源的轴线与U型槽的轴线平行设置时，所述参考光路光电二极管A的轴线与复合封装LED光源的轴线平行布置。
进一步的，还包括反射镜片，反射镜片与紫外-可见吸收探测光电二极管B的轴线呈45°角设置，未经吸收和散射的光穿过水体、透过石英片B，经反射镜片反射到紫外-可见吸光度探测光电二极管B上。
进一步的，所述的参考光路光电二极管A和紫外-可见吸光度探测光电二极管B是采用紫外响应增强型硅光电二极管或采用AlGaN基深紫外探测芯片和硅光电池进行复合封装的光电二极管。
进一步的，所述的复合封装光电二极管中的硅光电二极管主要探测250nm以上的紫外-可见光，用于溶解性有机物、浊度和色度分析，而AlGaN基深紫外探测芯片则主要探测230±10nm深紫外光，主要用于硝态氮的检测。所述AlGaN基深紫外探测芯片和硅光电池进行复合封装的光电二极管具体为：硅光电池采用“凹”型设计，AlGaN基深紫外探测芯片位于“凹”型硅光电池的中间空白部分。
进一步的，用于测量光路进行吸光度探测的光电二极管B采用TO-8金属封装，用于参考光路的光电二极管A可采用贴片封装设计或TO-8金属封装。
进一步的，所述的紫外吸光度的测定包括230±10nm深紫外吸光度用于硝酸根的检测(记为A230±10)；275±10nm深紫外吸光度用于溶解性有机物的检测(记为A275±10)，并根据转换系数α推算出溶解性有机物在230±10nm的吸光度(α×A275±10)，从而消除溶解性有机物对硝酸根检测的干扰(Anitrate＝A230±10-α×A275±10)。
进一步的，所述的可见光吸光度的测定，包括465±10nm蓝光吸光度，或520±10nm绿光吸光度，或655±10nm红光吸光度，或者465±10nm、520±10nm和655±10nm的可见光吸光度的组合；根据单色可见光吸光度，可以用于浊度的检测；根据三种单色可见光吸光度的组合，除了用于浊度的检测，还可根据三基色和牛顿色盘原理判断水的颜色和色度。
进一步的，所述带通滤光片为(a)探测蛋白类荧光的带通滤光片，其带通波长范围为320-360nm；或(b)探测腐殖质类荧光的带通滤光片，其带通波长范围为380-500nm；或(c)探测蛋白类荧光与腐殖质类荧光总荧光信号的带通滤光片，其带通波长范围为320-500nm。
一种基于上述的多参数水质监测装置的监测探头，包括外壳结构部分、光学探测部分和电子电路部分，
外壳结构部分包括U型前盖、筒体和尾盖，U型前盖容纳和固定光学探测部分，具有防水透光作用；U型前盖的主体为圆柱体，U型凹槽设置在圆柱体的顶面或侧面；在U型凹槽Ⅱ中部的两侧和底部进一步分别打孔和开槽，石英片A、石英片B和石英片C分别粘合在两侧和底部，形成U型凹槽Ⅰ；
尾盖中间开孔，通过防水密封接头来固定电缆。
筒体主要容纳电子电路部分，尾盖主要起到电缆的防水固定作用；
所述的电子电路部分组成包括单片机、电源模块、信号放大电路、AD模数转换模块、通信模块和温度传感器。其中电源模块为电子电路***各元器件供电；单片机输出数字信号控制驱动电路控制LED光源中的不同波长的芯片分时复用，其中深紫外光激发水中的溶解性有机物产生蛋白类荧光或腐殖质类荧光，蓝光照射到水中的颗粒物上产生微弱杂散光，不同波长的光在穿过水样时因为吸收和散射而衰减形成吸光度；采用三组信号运放电路分别对以零偏置电压光伏模式工作的光电二极管A、B和C所产生的电信号进行处理，优选地采用锁相放大电路设计；放大后的信号经AD模数转换模块转换后被单片机采集，并采用MODBUS-RTU通讯协议与上位机进行数据传输。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点如下：
(1)本实用新型提供的一种复合封装LED光源，通过将不同波长的芯片封装在同一基底上，可以实现依次发出水质分析检测所需要的关键波长的紫外光和可见光，与现有基于氙灯的光源及***相比，具有体积小、功耗低和单色性好等优点；
(2)本实用新型所述的一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头，其优点在于利用LED芯片可以快速频繁开关的特点，以设定的频率工作，可以利用锁相放大技术，将特定频率的LED光信号或荧光信号从较为强烈的自然光干扰信号中解调出来，具有抗干扰能力强的优点。
(3)本实用新型所述的一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头，其优点在于同时利用紫外-可见吸收、荧光和散射光三种光谱法分析手段，可以同时测定硝酸根、浊度和色度指标以及反映溶解性有机物浓度水平。
(4)本实用新型所述的一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头，其优点在于为了解决深紫外LED芯片的发光强度存在波动问题，采用了比例分光片分为透射光和散射光作为测量光路或参考光路，测量光路的光强根据参考光路的光强进行实时校正。
(5)本实用新型所述的一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头，其优点在于为了实现对实际水样中硝酸根的准确检测，除了测定水样在230±10nm的紫外吸光度，还测定275±10nm的紫外吸光度，可以扣除溶解性有机物对硝酸根测定的干扰。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本申请的一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的外观图：(a)正视图、(b)侧视图、(c)俯视图和(d)轴测图。
图2为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的结构拆分图。
图3为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的光学部分布局示意图。
图4为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的复合光电二极管平面图。
图5为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的光学部分的分时复用说明图。
图6为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的外观测试图。
图7为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的光学部分布局示意图。
图8为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的光学部分布局示意图。
图9为本申请一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头的光学部分布局示意图。
图10为紫外吸光度A275与自然有机物标准品浓度(以C计)之间的线性回归曲线。
图11为NO3 -标准水溶液的紫外吸光度A230-α*A275与NO3 -浓度之间的线性回归曲线。
图12为蛋白类荧光信号与色氨酸浓度之间的线性回归曲线。
图13为腐殖质类荧光信号与硫酸奎宁浓度的线性回归曲线。
图14为散射光信号与浊度之间的线性回归曲线。
图15为吸光度A465、A520、A655与浊度之间的线性回归曲线。
附图标记说明：
1-U型前盖，2-筒体，3-尾盖，4-电缆，5-石英片A，6-石英片B，7-石英片C，8-电路板，9-复合封装LED光源，10-比例分光片，11-参考光路光电二极管A，12-紫外-可见吸收探测光电二极管B，13-荧光探测光电二极管C，14-带通滤光片，15-反射镜片，121-AlGaN基深紫外探测芯片，122-硅光电池。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种基于复合LED光源的多参数水质监测探头，包括外壳结构部分、光学探测部分和电子电路部分，可以实现对水中溶解性有机物、浊度、硝酸盐以及色度的测定。
如图1所示，所述的外壳包括U型前盖1、筒体2和尾盖3；U型前盖1的主体为圆柱体，U型凹槽设计在圆柱体的顶面，U型凹槽的两侧和底部进一步分别打孔和开槽，并粘合JGS1纯度级别的石英片A5、石英片B6和石英片C7，实现光学测量所需的透光与防水密封要求；筒体2主要容纳电子电路部分的电路板8，尾盖3中间开孔，通过防水密封接头来固定电缆，主要起到防水密封和对电缆4的固定作用。
如图2和图3所示，所述的光学部分包括复合封装LED光源9、比例分光片10、参考光路光电二极管A11、紫外-可见吸收探测光电二极管B12、荧光探测光电二极管C13、石英片A5、石英片B6、石英片C7、带通滤光片14和反射镜片15。
所述的复合封装LED光源9，是指将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片、465±10nm蓝光LED芯片、520±10nm绿光LED芯片和655±10nm红光LED芯片封装在同一基底上，采用共用阳极、独立阴极的封装方式引出接线引脚，分别连接各自的驱动电路，实现独立开关控制；芯片上方封装石英透镜，起到聚光的作用，发光角为7°左右。
所述的比例分光片10与复合LED光源9的轴线成45°角，其作用在于将复合LED光源9发出的光线分为两路，一路保持与原来相同的方向，另一路则与原有方向垂直；在本实施例中，比例分光片的透射光作为参考光路，反射光作为测量光路，比例分光片的透射与反射光强为10/90。
所述的参考光路光电二极管A11和紫外-可见吸光度探测光电二极管B12是采用AlGaN基深紫外探测芯片121和硅光电池122进行封装的复合光电二极管；所述的复合封装光电二极管如图4所示，其中AlGaN基深紫外探测芯片121面积为1×1mm2，硅光电池122采用“凹”型设计，AlGaN基深紫外探测芯片位于“凹”型硅光电池的中间空白部分，硅光电二极管122主要探测250nm以上的紫外-可见光，用于溶解性有机物、浊度和色度分析，而AlGaN基深紫外探测芯片121则主要探测230±10nm深紫外光，主要用于硝态氮的检测；用于参考光路的光电二极管A11采用贴片式封装设计，用于吸光度探测的光电二极管B12采用TO-8金属封装。
所述的带通滤光片14，其基底材质是石英，带通波长范围为320-500nm，对带通范围外的截止率为99.9％以上；所述的荧光探测光电二极管C13采用TO-10金属封装的硅光电池光电二极管。
所述的光学器件之间的关系及功能实现如图5所示，在LED驱动电路的控制下，复合封装LED光源9所封装的LED芯片采用分时复用的方式交替发出不同波长的紫外或可见光，周期为1秒，每个LED芯片在工作时(即0.1秒)按照1kHz的频率进行高频开关，复合封装LED光源9所发出的光首先经过比例分光片10分为两路，一路照射到参考光路的光电二极管A11，另一路光则继续透过石英片A5照射到探头外侧“U”型槽内的水体，发生吸收、散射以及产生荧光。
关于荧光和散射光的检测，当275±10nm深紫外LED工作时，激发溶解性有机物所产生的蛋白类荧光和腐殖质类荧光经过石英片C7和带通滤光片14被光电二极管C13所探测；当465±10nm蓝光LED芯片工作时，蓝光遇到颗粒物和胶体所形成的散射光也可以透过320-500nm的带通滤光片14，被光电二极管C13所探测；
关于紫外-可见吸光度的检测，未经吸收和散射的光则穿过水体、透过石英片B6，经反射镜片15反射照射到光度探测光电二极管B12上，以纯水作为背景参考，根据朗伯比尔定律可以计算出吸光度。其中当275±10nm深紫外LED芯片工作时，一方面所发出的光通过光电二极管C13测定紫外吸光度实现对溶解性有机物的检测；当230±10nm深紫外LED芯片工作时，所发出的光通过光电二极管C13测定紫外吸光度实现对硝酸根的检测，由于存在有机物的干扰，硝酸根的真实吸光度的计算需要根据275±10nm的吸光度结果进行校正，其校正公式为Anitrate＝A230±10-α×A275±10，通过硝酸根加标实验确定α值约为1.73，如表1所示；当465±10nm蓝光LED芯片或520±10nm绿光LED芯片或655±10nm红光工作时，所发出的可见光通过光电二极管C13测定可见光吸光度的方式来反映水体对蓝光、绿光和红光吸收，实现对浊度的检测，同时根据三种可见光信号的相对吸收强度，按照三基色原理判断水体的颜色。
所述的电子电路***的电路板8，其包括单片机、电源模块、LED驱动电路、光电二极管信号放大电路、AD模数转换模块、通信模块和温度传感器；其中电源模块为电子电路***各元器件供电；单片机输出数字信号控制LED驱动电路控制LED光源中的各波长LED芯片分时复用并以在各自0.1秒的工作期间以1kHz频率进行高频开关；三个光电二极管A、B和C采用零偏置电压的光伏模式，采用三组信号放大电路分别对光电二极管产生的电信号进行锁相放大，由于LED频闪所引起的1kHz频率的信号经过锁相放大电路的相敏检波模块处理后变为直流，可以通过低通滤波模块，而自然光所产生的信号为交流信号，被低通滤波模块消除；所获得信号经AD模数转换模块转换为数字信号输入到单片机中，单片机采用MODBUS-RTU通讯协议与上位机进行数据传输。
配制浓度分别为0、0.1、0.5、1、2、5mg/L(以C计)的国际腐殖质协会自然有机物标准品溶液(SR_NOM)，采用探头进行测试，当275±10nm深紫外LED芯片工作时，测得紫外吸光度A275与SR_NOM浓度(以C计)之间的线性回归曲线如图10所示，线性回归方程为y＝0.025x+0.001，R2达0.999。
配制含有2mg/L(以C计)浓度的国际腐殖质协会自然有机物标准品(SR_NOM),分别以2mg/L(以C计)SR_NOM溶液和超纯水为基底，在其中分别加入不同浓度的NO3 -，使NO3 --N浓度分别为0、0.2、0.5、1、2、5、10mg/L，采用探头进行测试，基于275±10nm深紫外LED芯片和230±10nm深紫外LED芯片发光所测得的A275和A230数据如表1所示，根据以纯水为基底的A230与以SR_NOM溶液为基底的A230-α*A275相等算得对应的α数值，取平均得到最终的α系数为1.73，纯水体系中A230-1.73*A275与NO3 -浓度之间的响应关系如图11所示，线性回归方程为y＝0.056x+0.003，R2达1.000，可据此线性回归曲线对水样中的NO3 -浓度的测定。
表1不同浓度不同基底NO3-N溶液对应的吸光度和α系数
配制一系列浓度的色氨酸水溶液、硫酸奎宁水溶液，采用探头进行测试，275±10nm深紫外LED芯片工作时，激发产生的蛋白类荧光、腐殖质类荧光被光电二极管探测到，得到荧光信号与标准测试溶液浓度的线性回归曲线如图12和图13所示，R2均大于0.999，表明具有很好的准确性。
采用硫酸肼浊度试剂配制浊度标准溶液，采用探头进行测试，465±10nm蓝光LED芯片工作时，其测得的465±10nm散射光信号与浊度之间的线性回归曲线如图14所示，其线性回归方程为y＝4.823x+5.208，R2＝1.000。465±10nm蓝光LED芯片或520±10nm绿光LED芯片或655±10nm红光LED芯片工作时测得的吸光度A465、A520、A655与浊度之间的线性回归曲线如图15所示，R2均大于0.99，表明具有很好的线性关联性。
配制一定浓度的玫瑰红染料溶液，测得其在蓝光465±10nm(B)、绿光520±10nm(G)、红光655nm(R)波长处的吸光度分别为0.025、0.174、0.002，即在红光处没有吸收，在绿光处有强烈吸收，在蓝光处有较弱吸收，这一结果与牛顿色盘中红色和绿色为互补色相符。
实施例2
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
如图6所示，所述的外壳包括U型前盖1、筒体2和尾盖3；U型前盖1的主体为圆柱体，U型凹槽设计在圆柱体的侧面，U型凹槽的两侧和底部进一步分别打孔和开槽，并粘合JGS1纯度级别的石英片A5、石英片B6和石英片C7，实现光学测量所需的透光与防水密封要求。
如图7所示，所述的光学部分包括石英片A5、石英片B6、石英片C7、复合封装LED光源9、比例分光片10、参考光路光电二极管A11、紫外-可见吸收探测光电二极管B12、荧光探测光电二极管C13和带通滤光片14。本实施例中所述的复合封装LED光源9正对光窗石英片A，所发出的光经过比例分光片10所分成的透射光作为测量光路，反射光作为参考光路，比例分光片的透射与反射光强为90/10；所述的参考光路光电二极管A11和紫外-可见吸光度探测光电二极管B12采用紫外增强响应型硅光电二极管，均为TO-8金属封装；由于紫外-可见吸光度探测光电二极管B12正对光窗石英片B6，因此本实施例中省去了反射镜片15。
实施例3
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
如图8所示，所述的光学部分包括石英片A5、石英片B6、石英片C7、复合封装LED光源9、比例分光片10、参考光路光电二极管A11、紫外-可见吸收探测光电二极管B12、荧光探测光电二极管C13、带通滤光片14和反射镜片15。在本实施例中，所述的复合封装LED光源9是将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片和465±10nm蓝光LED芯片进行复合封装，为实施例1中的简配版，蓝光的散射或吸收主要用于实现对浊度的测定；所述的LED光源正对光窗石英片A5，所发出的光经过比例分光片10所产生的透射光作为测量光路，反射光作为参考光路，比例分光片的透射与反射光强为90/10；所述的参考光路光电二极管A11和紫外-可见吸光度探测光电二极管B12采用紫外增强响应型硅光电二极管，均为TO-8金属封装。
实施例4
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
如图9所示，所述的光学部分包括石英片A5、石英片B6、石英片C7、复合封装LED光源9、比例分光片10、参考光路光电二极管A11、紫外-可见吸收探测光电二极管B12、荧光探测光电二极管C13和带通滤光片14。在本实施例中，所述的复合封装LED光源9是将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片和655±10nm红光LED芯片进行复合封装，为实施例1中的简配版，红光主要用于实现对浊度的测定；LED光源所发出的光经过比例分光片10所产生的透射光作为参考光路，反射光作为测量光路，比例分光片的透射与反射光强为20/80；所述的参考光路光电二极管A11和紫外-可见吸光度探测光电二极管B12采用紫外增强响应型光电二极管，由于光电二极管B正对光窗石英片B6，因此省略了实施例1中的反射镜片15。
实施例5
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述的复合封装LED光源9是将230±10nm深紫外LED芯片和275±10nm深紫外LED芯片进行复合封装，为实施例1中的简配版。
Claims (10)
1.一种复合封装LED光源，其特征在于，包括230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0～3个可见光LED芯片，将230±10nm深紫外LED芯片、275±10nm深紫外LED芯片以及0～3个可见光LED芯片封装在同一基底上，采用共用阳极、独立阴极或共用阴极、独立阳极的封装方式引出接线引脚，分别连接各自的驱动电路，实现独立开关控制。
2.根据权利要求1所述的复合封装LED光源，其特征在于，所述的可见光LED芯片选自465±10nm蓝光LED芯片、520±10nm绿光LED芯片和655±10nm红光LED芯片。
3.一种基于权利要求1-2任一项所述的复合封装LED光源的多参数水质监测装置，其特征在于，还包括紫外-可见吸收探测光电二极管B(12)、荧光探测光电二极管C(13)、石英片A(5)、石英片B(6)、石英片C(7)、带通滤光片(14)；
所述石英片A(5)、石英片B(6)和石英片C(7)构成U型槽Ⅰ，待测水样在U型槽Ⅰ中流通，其中所述石英片A(5)和石英片B(6)相对设置，构成U型槽Ⅰ的竖直部分，石英片C(7)水平设置，与石英片A(5)和石英片B(6)的底部连接，构成U型槽Ⅰ的底部；
复合封装LED光源(9)所封装的LED芯片交替发出不同波长的紫外或可见光，光透过石英片A(5)照射到U型槽Ⅰ内的水体，发生吸收、散射以及产生荧光，其中所产生的荧光经过石英片C(7)和带通滤光片(14)被荧光探测光电二极管C(13)所探测，而蓝光遇到颗粒物和胶体所形成的散射光透过探测腐殖质类荧光的带通滤光片(14)，被荧光探测光电二极管C(13)所探测；未经吸收和散射的光穿过水体、透过石英片B(6)，照射到紫外-可见吸光度探测光电二极管B(12)上。
4.根据权利要求3所述的多参数水质监测装置，其特征在于，还包括比例分光片(10)和参考光路光电二极管A(11)，所述比例分光片(10)与复合封装LED光源(9)的轴线呈45°角设置，比例分光片(10)将复合封装LED光源(9)发出的光线分为两路，一路保持与原来相同的方向，另一路则与原有方向垂直，其中一路作为测量光路，一路作为参考光路，分光比例从10/90到90/10。
5.根据权利要求4所述的多参数水质监测装置，其特征在于，所述复合封装LED光源(9)的轴线与U型槽的轴线垂直或平行布置；
当复合封装LED光源(9)的轴线与U型槽的轴线垂直设置时，所述参考光路光电二极管A(11)的轴线与复合封装LED光源(9)的轴线呈90°布置；
当复合封装LED光源(9)的轴线与U型槽的轴线平行设置时，所述参考光路光电二极管A(11)的轴线与复合封装LED光源(9)的轴线平行布置。
6.根据权利要求5所述的多参数水质监测装置，其特征在于，还包括反射镜片(15)，反射镜片(15)与紫外-可见吸收探测光电二极管B(12)的轴线呈45°角设置，未经吸收和散射的光穿过水体、透过石英片B(6)，经反射镜片(15)反射到紫外-可见吸光度探测光电二极管B(12)上。
7.根据权利要求4所述的多参数水质监测装置，其特征在于，所述的参考光路光电二极管A(11)和紫外-可见吸光度探测光电二极管B(12)是采用紫外响应增强型硅光电二极管或采用AlGaN基深紫外探测芯片和硅光电池进行复合封装的光电二极管。
8.根据权利要求7所述的多参数水质监测装置，其特征在于，所述AlGaN基深紫外探测芯片和硅光电池进行复合封装的光电二极管具体为：硅光电池采用“凹”型设计，AlGaN基深紫外探测芯片位于“凹”型硅光电池的中间空白部分。
9.根据权利要求3所述的多参数水质监测装置，其特征在于，所述带通滤光片(14)为(a)探测蛋白类荧光的带通滤光片，其带通波长范围为320-360nm；或(b)探测腐殖质类荧光的带通滤光片，其带通波长范围为380-500nm；或(c)探测蛋白类荧光与腐殖质类荧光总荧光信号的带通滤光片，其带通波长范围为320-500nm。
10.一种基于权利要求3-9任一项所述的多参数水质监测装置的监测探头，其特征在于，包括外壳结构部分、光学探测部分和电子电路部分，
外壳结构部分包括U型前盖(1)、筒体(2)和尾盖(3)，U型前盖(1)容纳和固定光学探测部分，具有防水透光作用；U型前盖(1)的主体为圆柱体，U型凹槽II设置在圆柱体的顶面或侧面；在U型凹槽Ⅱ中部的两侧和底部进一步分别打孔和开槽，石英片A(5)、石英片B(6)和石英片C(7)分别粘合在两侧和底部，形成U型凹槽Ⅰ；
筒体(2)主要容纳电子电路部分，尾盖(3)主要起到电缆(4)的防水固定作用；
所述的电子电路部分组成包括单片机、电源模块、信号放大电路、AD模数转换模块、通信模块和温度传感器。
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| CN201920002812.8U CN209387061U (zh) | 2019-01-02 | 2019-01-02 | 复合封装led光源及基于该光源的水质监测装置 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109655110A (zh) * | 2019-01-02 | 2019-04-19 | 南京大学 | 复合封装led光源及基于该光源的水质监测装置 |
| CN113466186A (zh) * | 2020-03-31 | 2021-10-01 | 同方威视技术股份有限公司 | 用于闪烁体余辉的检测装置和方法 |
| CN114460055A (zh) * | 2022-02-14 | 2022-05-10 | 上海交通大学 | 基于“聚类-回归”的光谱法监测cod的方法与装置 |
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2019
- 2019-01-02 CN CN201920002812.8U patent/CN209387061U/zh active Active
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