激光光譜技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)研究

來源：http://www.attrakmagnet.com/ 作者：余氯檢測儀 時間：2019-07-08

　　摘要：為了能夠迅速精準(zhǔn)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(tǒng)采用87C52單片機作為系統(tǒng)的核心，組建了共聚焦式檢測子系統(tǒng)，采集系統(tǒng)則用USB3.0協(xié)議與上位機進(jìn)行通訊。通過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。本實驗在室內(nèi)光源下進(jìn)行，忽略了背景光的影響，得到的實驗數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。實驗結(jié)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(biāo)。

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

　　1 引言

　　21世紀(jì)隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益凸顯，而水體的污染是其中的一個重要污染，但是傳統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)控方法需要實地采集水樣，工作效率低，實時性差，一旦水域面積過大就不好操作，無法達(dá)到實時監(jiān)測的目的。

　　本文采用激光光譜技術(shù)來對水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，其主要采用的是激光誘導(dǎo)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(dāng)數(shù)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(dá)到對大面積水域的實時快速的監(jiān)測，此外該技術(shù)還有非接觸和不需傳統(tǒng)試劑的優(yōu)點。

　　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(yīng)的波譜特性唯一。本系統(tǒng)中采用激光誘導(dǎo)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)射的熒光光譜來并可以從中獲得這個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(jié)構(gòu)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(dāng)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(tǒng)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(shù);為入射光強度;為透色光強度;為吸收系數(shù);為樣品池厚度;為DOM濃度。根據(jù)朗伯―比爾定律有以下公式：

　　(3)當(dāng)DOM溶液濃度較低(2.303≤0.05)時，高階項級數(shù)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(符合湖泊等現(xiàn)實情況)，當(dāng)i、、不變時，熒光強度與DOM在水中的濃度成線性關(guān)系。

　　3 激光光譜技術(shù)水質(zhì)探測系統(tǒng)

　　3.1 系統(tǒng)原理圖

　　系統(tǒng)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水樣表面的一個點或區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域內(nèi)的水樣會激發(fā)出熒光，熒光會經(jīng)主物鏡變成平行光，通過二色鏡后被聚攏到針孔處。通過濾光片濾除雜光，然后熒光信號會由光電探測器探測到模擬信號，經(jīng)過電子放大電路將模擬信號放大，由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由PC機完成數(shù)據(jù)的分析，從而得到此水樣的污染狀況。

　　3.2 系統(tǒng)構(gòu)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(zhuǎn)換效率;激發(fā)光的光譜所覆蓋的范圍;光源的穩(wěn)定性及可靠性等。本系統(tǒng)采用的是YAG激光器(3倍頻)。

　　(2)光電探測器。本系統(tǒng)最后采用的是光電倍增管，其內(nèi)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(shù)值孔徑越大，其采光效率越高。多波長熒光檢測器用短通路剪切式濾光片或?qū)拵У墓馔◣V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。

　　4 實驗結(jié)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(shè)計的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)，然后將實驗結(jié)果歸一化后得到酸濃度的線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性擬和的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999。

　　從實驗結(jié)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(jiān)測系統(tǒng)來實時迅速的監(jiān)測大面積的水域的水質(zhì)污染狀況提供理論依據(jù)。

　　5 結(jié)語

　　介紹了利用激光誘導(dǎo)熒光基礎(chǔ)上的激光光譜技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計。此設(shè)計可實現(xiàn)有效、快速、安全的對待測水域的監(jiān)測，其監(jiān)測使無第二次污染，經(jīng)濟效益高，操作方便，尤其是對DOM低濃度的水域監(jiān)測的精度高，效果好，對現(xiàn)代環(huán)境保護(hù)中對水質(zhì)的實時保護(hù)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時動態(tài)監(jiān)測。

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