CN209400419U - 一种基于led光源的双荧光信号与浊度水质监测探头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，属于在线水质监测技术领域。它包括外壳、内部支座、光学部件和电子电路***，外壳内设有内部支座、光学部件和电子电路***，所述光学部件提供光源及将荧光或荧光与散射光信号转换成电信号，所述的电子电路***对电信号进行处理后输出。本实用新型的探头通过深紫外LED同时激发、探测蛋白类荧光和腐殖质类荧光并计算两种信号之间比值来反映水体中溶解性有机物的组成种类与浓度变化，还可通过蓝光LED的散射光来反映水体浊度，辅助判断水体污染情况。
Description
技术领域
本实用新型涉及到环保领域的在线水质监测技术，具体涉及一种基于LED光源的荧光法探测溶解性有机物并辅以散射光探测浊度的水质监测探头。
背景技术
自然水体中所存在的溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)，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，形成生物膜；在自然水体环境中，DOM是化学需氧量指标(ChemicalOxygen Demand,COD)的主要贡献者，并影响其他污染物的迁移转化。
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310-370nm；腐殖质类荧光的发射波长范围为400-500nm；蓝藻死亡所释放的胞内物质包含蛋白类荧光、腐殖质类荧光和叶绿素荧光，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、萘胺、奎宁、蝶呤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。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。
目前，商业化应用的反映DOM浓度水平的光谱法设备主要是基于紫外吸光度法或紫外-可见吸收光谱法。例如，采用低压汞灯作为光源，通过测试254nm波长下的紫外吸光度(UV254)作为化学需氧量的替代性指标；采用脉冲氙灯光源，通过测试200-750nm波段的紫外-可见吸收光度，实现对硝酸盐浓度、DOM浓度和浊度等指标的分析检测。然而，这些基于低压汞灯或脉冲氙灯光源的光谱法水质监测设备或探头，仍存在体积较大，功耗较高的问题。
中国发明专利201410502662.9，公开日为2014年12月10日的申请案公开了一种以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，中国专利申请号201510738667.6，公开日为2015年12月23日的申请案公开了一种以单个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紫外LED为光源，采用处于光路相对位置的光电二极管探测紫外吸光度值，并采用与紫外LED光路垂直位置的带通滤光片和光电二极管探测蛋白类或腐殖质类两种荧光信号。然而上述发明仍存在如下问题需要克服：1)自然光对荧光信号探测有干扰，若在探头上添加遮光罩，则影响水的流通，需要进一步优化电子电路设计，消除自然光干扰，提高信噪比；2)U型探头或流通池设计，石英光窗受到生物膜等污染后清洗较为困难；3)一些自然水体，受纳周边山地土壤冲刷下来的腐殖酸而表现出较高的紫外吸光度或者化学需氧量值，但该类水体中有机物的可生物获得性较低，并不是黑臭水体或受污染水体；4)在降雨事件影响下，土壤颗粒和土壤中的腐殖质类物质被冲刷人河流中，造成浊度升高和化学需氧量较高，由于腐殖质可生物利用性低，且对水体环境无害，因此不能够将降雨事件所造成的紫外吸光度或腐殖质类荧光信号的绝对值升高归类为水体污染事件，需要在探测荧光信号的同时进行浊度的探测。研究表明，受城市污水排放影响的水体，由于微生物丰富，其蛋白类荧光与腐殖质类荧光信号的比值要显著高于未受污染的水体；此外，组成蛋白的酪氨酸和色氨酸，其关键的荧光结构为苯酚和苯胺的衍生物，一些化学品污染事件中往往含有苯酚或苯胺及其衍生物，因此会造成蛋白类荧光信号偏高。
中国专利申请号201521042180.6，公开日为2016年6月1日的申请案公开了一种浸没式水中油监测探头，其申请公开了包括封闭结构的壳体和置于壳体内部的紫外光源、荧光滤光片、光电探测器、主板和驱动电路板，壳体的前端开口并且在开口处嵌入式连接玻璃窗；在玻璃窗的内侧对应设有光电探测器和紫外光源，光电探测器和紫外光源连接到驱动电路板上，驱动电路板与主板连接；在壳体上设有防水接头，其优点是(1)采用了高频调制光源，抗环境光干扰能力更强；(2)采用大孔径光路设计，光通量更大，抗水样中悬浮物干扰能力更强；(3)光路更简单，成本更低，适合于广泛应用推广。但是，该发明特征在于采用多个LED光源环状分布于一个光电二极管的周围，一个探头只能测一种波长范围的荧光信号。根据荧光原理，对于一个荧光物质，其荧光的发射波长是固定的，取决于其第一激发态和基态之间的能差，即不论何种波长激发光源，使电子跃迁到第一激发态或者更高激发态，更高激发态的电子通过分子驰豫过程回落到第一激发态，这一过程不产生荧光，只有从第一激发态再回落到基态的过程发出荧光。因此采用多种波长紫外光源用于激发荧光是没有必要的；该探头设计只能一种荧光信号，不能够同时测量蛋白类荧光与腐殖质类荧光两种荧光信号，进而不能够获取两种荧光信号的比值。此外，该发明所述的探头无法分析水中浊度，从而无法判定水中荧光信号的变化是否受到了浊度的影响。
中国专利申请号201510166525.7，公开日为2015年6月24日的申请案公开了一种一体化探头式光电水质多参数在线测量***，其申请公开了包括控制与数据采集单元和光学***单元；所述控制与数据采集单元包括上位机、控制与数据采集单元、采集器件；所述光学***单元包括光源和光路，其光源包括左光源和右光源，左光源为一组多个不同波长的LED光源组成的LED阵列；紫外LED光源和近红外LED光源组成右光源；上位机通过控制与数据采集单元控制光源发出所需的不同波长光照射待测水体，激发待测水体物质发出荧光及散射光信号；本实用新型的优点是：不需要任何化学试剂直接测量，检测数据快，避免了繁琐的步骤；同时完成对水质中多种藻类的分类及浓度检测、烃类的含量以及浊度的在线检测；可进行单独精确检测，满足不同环境监测的需要。但是，该发明主要是通过测试叶绿素或其他色素的形式来区分水中藻的种类并反映藻类浓度，所用的光源是370nm以上的可见光LED组合光源，而370nm以上的可见光由于其能量较低，无法用于激发水中的蛋白类物质和腐殖质类物质产生荧光，需要注意的是该发明实施例中所述的滤光片B502可选用360nm滤光片，用于烃类测试，这是违背荧光原理的，由于电子跃迁过程中存在能量损失，荧光的发射波长必然要大于其激发波长，通常发射波长要大于激发波长30nm以上。
综上所述，需要设计一款同时监测蛋白类荧光、腐殖质类荧光以及浊度信号的水质监测探头。
发明内容
1.要解决的问题
针对水环境监测行业需要快速灵敏地监测水中溶解性有机物浓度以及准确反映水体污染状况的技术需求，本实用新型旨在提供一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，该探头通过深紫外LED同时激发、探测蛋白类荧光和腐殖质类荧光并计算两种信号之间比值来反映水体中溶解性有机物的组成种类与浓度变化，还可通过蓝光LED的散射光来反映水体浊度，辅助判断水体污染情况。
2.技术方案
为了解决上述问题，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，由外壳、内部支座、光学部件和电子电路***组成，所述的外壳包括具有防水透光作用的前盖、容纳和支撑光电器件的筒体和带有电缆的尾盖，外壳一端设有石英片出光口，外壳内设有内部支座、光学部件和电子电路***；所述的内部支座用于承载光学部件和电子电路***，并固定位置和角度，其中，所述的光学部件包括LED光源和两组探测组件，探测组件将两种荧光或两种荧光+蓝光散射光信号转换成电信号；所述的电子电路***对接收的电信号进行处理后输出。
更进一步地，一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头通过深紫外光激发水中溶解性有机物来探测蛋白类荧光信号和腐殖质类荧光信号，并辅以蓝光照射水中的颗粒物产生杂散光来探测浊度。
作为本实用新型更进一步的阐述，所述的前盖包括环形底座、密封圈、石英片所述的环形底座的侧面带有内螺纹和底部有用以嵌入密封圈的凹槽；所述的筒体包括密封圈、前端外螺纹、环形支撑和后端内螺纹；所述的尾盖包括密封圈、环形尾盖主体、密封垫、中空螺丝和电缆；环形底座与筒体前端通过螺纹和密封圈进行密封连接，使得石英片挤压环形底座凹槽上的密封圈，实现防水透光密封。
更进一步地，所述的LED光源采用由中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片和中心波长为465±10nm的蓝光LED芯片复合封装于同一基座上形成，芯片基座上方封装石英透镜进行聚光，使得LED光源的发光角小于30°，所述的深紫外LED芯片和蓝光LED芯片采用各自独立引脚或共用阳极或共用阴极引脚，分别连接各自的驱动电路，实现独立开关控制，并采用分时复用的方式控制LED光源输出蓝光或深紫外光。
更进一步地，所述的LED光源采用中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片，LED芯片上方封装石英透镜进行聚光，使得LED光源的发光角小于30°。
更进一步地，所述的两套探测组件为探测组件一和探测组件二，其中，探测组件一由带通滤光片A与光电二极管A封装组成，探测组件二由带通滤光片B与光电二极管B封装组成。
更进一步地，所述的带通滤光片A的波长范围为330～370nm，带通滤光片B的波长范围为400～500nm，所述的带通滤光片A和带通滤光片B对带通波长范围外光强的截止率为99.9％以上，所述的光电二极管A和光电二极管B是对300～500nm范围中的紫外-可见光具有较高线性响应的硅光电二极管，以实现对荧光光强或散射光强的探测，带通滤光片固定于光电二极管的上方。
更进一步地，LED光源和两组探测组件的位置通过内部支座进行固定，两组探测组件分别位于LED光源的两侧，其中两组探测组件各自的轴线与LED光源的轴线之间夹角α为45±15°，并且LED光源的轴线与两组探测组件的轴线相交于石英片的外侧。
更进一步地，LED光源和两组探测组件的位置通过内部支座进行固定，LED光源和两组探测组件分别位于四面体底部的三个顶点A、B和C，三者的轴线相交于四面体的上方顶点D，即AD、BD和CD三条棱线任意两条线的夹角角度在45～135°之间，且顶点D位于石英片外侧。
更进一步地，所述的电子电路***，其包括单片机、电源模块、光电信号放大电路、AD模数转换模块和通信模块；所述的光电信号放大电路优选地采用锁相放大技术，为实现锁相放大，进一步包括光电信号运放模块、带通滤波模块、相敏检波模块和低通滤波模块。
所述的电源模块为电子电路***的各元器件供电。单片机控制驱动电路，驱动电路控制LED光源按照10Hz～10kHz的频率进行开关，照射到水体中有机物产生相同频率的荧光或散射光信号，其中深紫外光激发水中的溶解性有机物产生相同频率的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相同频率的微弱杂散光。光电二极管接收透过带通滤光片的光并将其转换为电信号输出，光电信号运放模块对光电二极管输出的电信号进行处理，更进一步，即光电信号运放模块对光电二极管采用零偏置电压的光伏模式，运算放大器采用跨阻放大设计，光电信号运放模块输出的电信号通过带通滤波模块处理后输入到相敏检波模块，并与单片机发出的与LED光源开关相同频率的参考信号进行频率比较；相敏检波模块再将电信号输入到低通滤波模块，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，单片机再与上位机进行通信。
更进一步地，探测浊度的蓝光散射光与探测腐殖质荧光信号通过分时复用的方式采用相同的信号放大与处理电路；只有特定频率的荧光信号或散射光信号经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经过相敏检波模块后仍为交流信号，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。
更进一步地，LED光源为由中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片和中心波长为465±10nm的蓝光LED芯片复合封装构成的光源，采用分时复用的方式控制LED光源交替输出蓝光或深紫外光，设定的LED光源开关的频率为10Hz至10kHz。
一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头的使用方法，其步骤为：
(1)将探头浸入待测水样中；
(2)打开电源模块，单片机控制驱动电路，驱动电路控制LED光源按照10Hz到10kHz的频率进行开关，当LED光源为由中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片和中心波长为465±10nm的蓝光LED芯片复合封装构成的光源时，采用分时复用的方式控制LED光源交替输出蓝光或深紫外光；
(3)当LED光源输出中心波长为280±10nm的深紫外光时，深紫外光经过石英片照射到水样中的溶解性有机物，并产生蛋白类荧光和/或腐殖质类荧光信号，蛋白类荧光信号通过带通滤光片A传输到光电二极管A中，腐殖质类荧光信号通过带通滤光片B传输到光电二极管B中；
(4)当LED光源输出蓝光时，蓝光透过石英片照射到水样中的颗粒物形成散射光信号，蓝光散射光信号通过带通滤光片B传输到光电二极管B中；
(5)光电二极管A和/或光电二极管B将光信号转换成电信号输出；
(6)光电信号运放模块对光电二极管A和/或光电二极管B输出的电信号进行处理，放大电信号，传输到带通滤波模块；带通滤波模块处理后将电信号输入到相敏检波模块，再传输给低通滤波模块，然后经过AD模数转换模块将电信号转换成数字信号；
(7)单片机将数字信号进行采集后与上位机进行通信，获得蛋白类荧光、腐殖质类荧光和散射光强度信号在线监测数据，并计算蛋白类荧光信号与腐殖质类荧光信号的比值。
3.有益效果
相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其优点在于采用同一深紫外光LED激发并采用两组光电二极管和带通滤光片分别同时探测蛋白类荧光信号和腐殖质类荧光信号，与现有的氙灯或汞灯光源的在线光谱监测设备相比，具有体积小、功耗低、成本低和结构简单等优点。
(2)本实用新型所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其优点在于利用LED芯片可以快速频繁开关的特点，以设定频率工作，激发产生特定频率的荧光信号，从而可以利用锁相放大技术，将微弱的特定频率的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LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其优点在于在探测荧光信号的同时，还探测浊度信号，即在蓝光LED芯片工作时，腐殖质类荧光信号的探测器件和电路可用于探测水中颗粒物所引起的蓝光杂散光，实现光路的分时复用。
(4)本实用新型所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其优点在探头前盖仅采用一片石英片作为LED光源和两套光电二极管共同的光窗，实现防水密封和透光的作用，更便于清洗维护。
(5)本实用新型所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其优点在于紫外光谱法水质监测探头相比，同时监测蛋白类荧光、腐殖质类荧光以及浊度信号，可以根据蛋白类荧光与腐殖质类荧光信号之间的相对比值来判断是否受到生活污水或酚类化合物的污染，浊度信号可以辅助判断水体中荧光信号的升高是否来自降雨等事件。
附图说明
图1为本实用新型一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头的结构分解图；
图2为本实用新型一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头的剖视图；
图3为本实用新型探头前端光学部件的第一种空间布局设计方案；
图4为本实用新型探头内部支座的第一种设计方案(a)俯视图、(b)仰视图和(c)侧视图；
图5为本实用新型电子电路***构架图；
图6为本实用新型荧光与浊度探测原理示意图：(a)深紫外光激发蛋白类荧光与腐殖质类荧光的示意图、(b)散射光探测浊度示意图；
图7为本实用新型探头的荧光与散射光信号与标准溶液的线性回归曲线：(a)蛋白类荧光信号与色氨酸浓度之间的线性回归曲线、(b)腐殖质类荧光信号与硫酸奎宁浓度的线性回归曲线和(c)散射光信号与浊度之间的线性回归曲线；
图8为本实用新型探头光学部件的第二种空间布局设计方案：(a)前端俯视图、(b)LED光源与两个光电二极管的空间垂直关系示意图；
图9为本实用新型某城市河流水样过0.45μm滤膜处理后添加4NTU单位的硫酸肼浊度试剂的蛋白类荧光、腐殖质类荧光与蓝光散射光强度的持续监测数据；
图10为本实用新型生活污水处理厂二沉池出水过0.45μm滤膜处理后添加4NTU单位的硫酸肼浊度试剂的蛋白类荧光、腐殖质类荧光与蓝光散射光强度的持续监测数据。
图中：
1、前盖；101、环形底座；102、密封圈一；103、石英片；2、筒体；201、密封圈二；202、前端外螺纹；203、环形支撑；204、后端内螺纹；3、尾盖；301、密封圈三；302、环形尾盖主体；303、密封垫；304、中空螺丝；305、电缆；4、内部支座；401、中心孔；402、侧孔；5、探测组件一；501、带通滤光片A；502、光电二极管A；6、探测组件二；601、带通滤光片B；602、光电二极管B；7、LED光源；8、电子电路***；801、单片机；802、电源模块；803、光电信号运放模块；804、带通滤波模块；805、相敏检波模块；806、低通滤波模块；807、AD模数转换模块；808、通信模块；809、温度传感器；810、驱动电路。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型进一步进行描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，包括由外壳、内部支座4、光学部件和电子电路***8组成。
所述的外壳包括具有防水透光作用的前盖1、容纳和支撑光电器件的筒体2和带有电缆305的尾盖3，所述的光学部件包括两个探测组件和一个由中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片、中心波长为465±10nm的蓝光LED芯片复合封装于同一基座上的LED光源7，所述的内部支座4为光学部件提供支撑，并固定位置和角度；所述的电子电路***8控制复合封装LED光源7的开关、光电二极管A502和光电二极管B602信号的放大与数据通讯等；该探头通过深紫外光激发水中溶解性有机物来同时探测蛋白类荧光信号和腐殖质类荧光信号，通过蓝光照射水中的颗粒物产生杂散光来探测浊度。
如图1和图2所示，所述的前盖1包括环形底座101、密封圈一102和石英片103，所述的环形底座101的侧面带有内螺纹和底部有用以嵌入密封圈的凹槽；所述的筒体2包括密封圈二201、前端外螺纹202、环形支撑203和后端内螺纹204；所述的尾盖3包括密封圈三301、环形尾盖主体302、密封垫303、中空螺丝304和电缆305；环形底座101与筒体2前端通过螺纹和密封圈一102进行密封连接，使得石英片103挤压环形底座101凹槽上的密封圈一102，实现防水透光密封。前盖1、筒体2和尾盖3的主体为不锈钢材质，经数控车床加工而成。
所述的两个圆形带通滤光片A501和带通滤光片B601，分别采用(i)波长为330-370nm范围内的带通滤光片A501，用于蛋白类荧光信号的探测，(ii)波长为400～500nm范围的带通滤光片B601，用于腐殖质类荧光信号的探测，两种带通滤光片对带通波长范围外的光的截止率为99.9％以上，其直径为8mm，厚度为2.2mm。
所述的两个光电二极管，采用紫蓝光增强型高精度线性响应硅光电二极管，其封装形式为TO-18金属封装，光敏面积3.7mm×3.7mm，如图2所示，带通滤光片A501和带通滤光片B601分别固定于光电二极管A502和光电二极管B602的上方。
所述深紫外+蓝光复合封装的LED光源7，其特征在于将中心波长280±10nm的深紫外LED芯片和中心波长465±10nm的蓝光LED芯片复合封装于TO39金属封装内，紫外光LED芯片和蓝光LED芯片采用各自独立的正负极引脚，分别连接驱动电路810，单片机801通过输出高低电平控制LED的驱动电路810的开断，实现两个LED芯片的独立开关控制，TO39封装有石英聚光透镜，经测得其发光角约为7°。
所述的深紫外+蓝光复合的LED光源7和两组探测组件位置关系通过内部支座4进行固定，如图3所示，LED光源7位于中间，探测组件一5和探测组件二6位于两侧探测组件一5和探测组件二6的轴线与LED光源7的轴线夹角α为45°，且保证LED光源7的轴线和两组探测组件的轴线相交于石英片103的外侧；与第一种设计相对应的内部支座4结构如图4所示，中心孔401用于固定LED光源7，两个侧孔402用于固定带通滤光片和光电二极管。
所述的电子电路***8中的元器件均焊接于一块印刷电路板上，如图5所示，包括单片机801、电源模块802、光电信号运放模块803、带通滤波模块804、相敏检波模块805、低通滤波模块806、AD模数转换模块807、通信模块808和温度传感器809。
其中电源模块802为电子电路***8各元器件供电；单片机801输出数字信号控制驱动电路810，驱动电路810控制LED光源7中的深紫外LED芯片和蓝光LED芯片分时复用，以1s为测试周期，在0-499ms内，深紫外LED芯片采用1kHz频率进行开关，发出1kHz的深紫外光，在500-999ms内，蓝光LED芯片采用1kHz频率进行开关，发出1kHz的蓝光；其中深紫外光激发水中的溶解性有机物产生1kHz频率的蛋白类荧光，可通过带通滤光片A501被光电二极管A502所探测，所产生的腐殖质类荧光可通过带通滤光片B601被光电二极管B602所探测，蓝光照射到水中的颗粒物上产生1kHz频率的微弱蓝光杂散光可通过带通滤光片B601被光电二极管B602所探测，其原理如图6所示；所述的光电信号运放模块803对光电二极管采用零偏置电压的光伏模式，运算放大器采用TI公司的OPA129芯片进行跨阻放大设计，用于测量蛋白类荧光信号的通道选用500MΩ电阻，用于测量腐殖质类荧光信号和浊度信号的通道选用100MΩ电阻，其输出信号通过带通滤波模块804处理后输入到相敏检波模块805，并与单片机801发出的1kHz的参考信号进行频率和相位比较；探测浊度的杂散光与探测腐殖质荧光信号通过分时复用的方式采用相同的信号放大与处理电路；只有1kHz的荧光信号或杂散光信号经相敏检波模块805处理后变为直流可以通过低通滤波模块806，而自然光所产生的信号为交流信号，被低通滤波模块806消除；所获得信号经AD模数转换模块807转换为数字信号输入到单片机801中；所述的带通滤波模块804和低通滤波模块806均采用TI公司的NE5532芯片，相敏检波模块805采用TI公司的AD630芯片，单片机801采用STM32F103C8T6芯片；单片机801分别对0-499ms内的蛋白类荧光信号和腐殖质类荧光信号以及500-999ms内的浊度信号的数值进行平均处理，通信模块808进行TTL与RS485双向信号转换，采用MODBUS-RTU通讯协议实现单片机801与上位机进行信号传输。单片机801通过贴片式温度传感器809监测电路板温度，对所获得的信号进行温度补偿校准。
如分别采用一系列浓度的色氨酸水溶液、硫酸奎宁水溶液和硫酸肼浊度试剂作为校准试剂，对探头的蛋白类荧光信号、腐殖质类荧光信号和浊度信号进行测试，得到线性回归曲线如图7所示，R2均大于0.99，表明具有很好的准确性。
实施例2
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述的外壳结构前盖1、筒体2和尾盖3采用POM塑料经数控车床加工而成。
所述的内部支座4的设计，其特征如图8所示，LED光源7、探测组件一5和探测组件二6所组成的荧光探测器件分别位于直角四面体底部的三个顶点A、B和C，三者的轴线相交于直角四面体的上方顶点D，即AD、BD和CD任意两条线相互垂直。所述的带有电缆305的尾盖3，可以采用M12规格的尼龙材质耐折弯固定防水电缆接头，仅需在环形尾盖主体302中心开直径12mm的圆孔即可，可以省去密封垫303和中空螺丝304。
所述的电子电路***8中光电信号运放模块803的前置运算放大器采用TI公司的LMP7721芯片，所述的带通滤波模块804和低通滤波模块806均采用TI公司的OPA227芯片。
分别将某城市河流水样和生活污水厂二沉池出水经过0.45μm滤膜处理后添加4NTU单位的硫酸肼浊度标准试剂，采用本实施例中的基于复合LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头进行探测，获得0～1000秒的在线监测数据，如图9所示。其中，河流水样的蛋白类荧光、腐殖质类荧光和散射光强度信号分别为39、90和261AU，蛋白类荧光信号与腐殖质类荧光信号的比值为～0.43；生活污水厂二沉出水水样的蛋白类荧光、腐殖质类荧光和散射光强度信号分别为99、235和265AU，蛋白类荧光信号与腐殖质类荧光信号的比值为～0.42。河流水样与生活污水二沉池出水的蛋白类荧光信号/腐殖质荧光信号比值相似，表明河流中存在较多的可生物降解有机碳以及大量微生物代谢产生蛋白类胞外聚合物，这与该河流处于富营养化状态相一致。
实施例3
本实施例基本与实施例1相同，不同之处在于：
所述的LED光源7为TO39金属封装的深紫外LED光源，其中心波长为280±10nm，单片机801输出数字信号控制驱动电路810，驱动电路810控制LED光源7以采用1kHz频率进行开关发出深紫外光，深紫外光激发水中的溶解性有机物产生1kHz频率的蛋白类荧光或腐殖质类荧光，探测组件一5和探测组件二6分别实现对蛋白类荧光和腐殖质类荧光信号的探测。本实施例中不采用蓝光的散射光探测浊度，为实施例1的简配设计。
分别将某城市河流水样和生活污水厂二沉池出水经过0.45μm滤膜处理后添加4NTU单位的硫酸肼浊度标准试剂，采用本实施例中的基于复合LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头进行探测，获得0～1000秒的在线监测数据。其中，河流水样的蛋白类荧光和腐殖质类荧光信号分别为38和91AU，蛋白类荧光信号与腐殖质类荧光信号的比值为～0.42；生活污水厂二沉出水水样的蛋白类荧光和腐殖质类荧光信号分别为98和233AU，蛋白类荧光信号与腐殖质类荧光信号的比值为～0.42。河流水样与生活污水二沉池出水的蛋白类荧光信号/腐殖质荧光信号比值相似，表明河流中存在较多的可生物降解有机碳以及大量微生物代谢产生蛋白类胞外聚合物，这与该河流处于富营养化状态相一致。
Claims (9)
1.一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，由外壳、内部支座(4)、光学部件和电子电路***(8)组成，其特征在于：所述的外壳一端设有石英片(103)作为出光口，外壳内设有内部支座(4)、光学部件和电子电路***(8)，所述的内部支座(4)用于承载光学部件和电子电路***(8)，其中，所述的光学部件包括LED光源(7)和两组探测组件，探测组件将两种荧光或两种荧光和蓝光散射光信号转换成电信号；所述的电子电路***(8)对接收的电信号进行处理后输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的LED光源(7)采用由中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片和中心波长为465±10nm的蓝光LED芯片复合封装于同一基座上形成，芯片基座上方封装石英透镜，使得LED光源(7)的发光角小于30°，所述的深紫外LED芯片和蓝光LED芯片采用各自独立引脚或共用阳极或共用阴极引脚，分别连接各自的驱动电路(810)，实现独立开关控制，并采用分时复用的方式控制LED光源(7)输出蓝光或深紫外光。
3.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的LED光源(7)采用中心波长为280±10nm的深紫外LED芯片，LED芯片上方封装石英透镜，使得LED光源(7)的发光角小于30°。
4.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的两套探测组件为探测组件一(5)和探测组件二(6)，其中，探测组件一(5)由带通滤光片A(501)与光电二极管A(502)封装组成，探测组件二(6)由带通滤光片B(601)与光电二极管B(602)封装组成。
5.根据权利要求4所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的带通滤光片A(501)的波长范围为330～370nm，带通滤光片B(601)的波长范围为400～500nm，所述的带通滤光片A(501)和带通滤光片B(601)对带通波长范围外光强的截止率为99.9％以上，所述的光电二极管A(502)和光电二极管B(602)是对300～500nm范围中的紫外-可见光具有较高线性响应的硅光电二极管。
6.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：LED光源(7)和两组探测组件的位置通过内部支座(4)进行固定，两组探测组件分别位于LED光源(7)的两侧，其中两组探测组件各自的轴线与LED光源(7)的轴线之间夹角α为45±15°，并且LED光源(7)的轴线与两组探测组件的轴线相交于石英片(103)的外侧。
7.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：LED光源(7)和两组探测组件的位置通过内部支座(4)进行固定，LED光源(7)和两组探测组件分别位于四面体底部的三个顶点A、B和C，三者的轴线相交于四面体的上方顶点D，即AD、BD和CD三条棱线任意两条的夹角角度在45～135°之间，且顶点D位于石英片(103)外侧。
8.根据权利要求1所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的电子电路***(8)，其包括单片机(801)、电源模块(802)、光电信号放大电路、AD模数转换模块(807)和通信模块(808)。
9.根据权利要求8所述的一种基于LED光源的双荧光信号与浊度水质监测探头，其特征在于：所述的光电信号放大电路，采用锁相放大技术，包括光电信号运放模块(803)、带通滤波模块(804)、相敏检波模块(805)和低通滤波模块(806)；所述的电源模块(802)为电子电路***(8)的各元器件供电；单片机(801)控制驱动电路(810)，驱动电路(810)控制LED光源(7)按照10Hz～10kHz的频率进行开关，照射到水体中有机物产生相同频率的荧光或散射光信号，光电二极管接收透过带通滤光片的光并将其转换为电信号输出，光电信号运放模块(803)对光电二极管输出的电信号进行处理，光电信号运放模块(803)输出的电信号通过带通滤波模块(804)处理后输入到相敏检波模块(805)，并与单片机(801)发出的与LED光源(7)开关相同频率的参考信号进行比较；相敏检波模块(805)再将电信号输入到低通滤波模块(806)，所获得信号经AD模数转换模块(807)转换为数字信号输入到单片机(801)中，单片机(801)再与上位机进行通信。
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| CN201920068083.6U CN209400419U (zh) | 2019-01-15 | 2019-01-15 | 一种基于led光源的双荧光信号与浊度水质监测探头 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN109540842A (zh) * | 2019-01-15 | 2019-03-29 | 南京大学 | 一种基于led光源的双荧光信号与浊度水质监测探头及使用方法 |
| CN111089852A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测*** |
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2019
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| CN109540842B (zh) * | 2019-01-15 | 2023-09-19 | 南京大学 | 基于led光源的双荧光信号与水质监测探头及使用方法 |
| CN111089852A (zh) * | 2019-12-20 | 2020-05-01 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测*** |
| CN111089852B (zh) * | 2019-12-20 | 2022-09-02 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种污染场地石油烃污染物垂直剖面分布原位检测*** |
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