專利名稱：一種浸入式光纖熒光浮游植物測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明專利涉及檢測設備，具體說是一種浮游植物在線測量裝置。 技術(shù)背景伴隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，我國的海洋環(huán)境水體水質(zhì)也遭受到了嚴重的破壞， 水體富營養(yǎng)化逐年加重，給生態(tài)環(huán)境和人民健康帶來了危害，嚴重影響了海洋資源的可持 續(xù)發(fā)展利用。浮游植物的含量是影響水質(zhì)的重要因素，因此，監(jiān)測海洋水體中的微藻特別是 浮游植物藻類的濃度變化情況，對掌握日益嚴重的“赤潮” “水華”現(xiàn)象的形成機制，及時了 解和掌握海洋水體的水質(zhì)動態(tài)，為相關部門提供有效的預報/預警信息具有重要意義。目 前，尤為缺少對大面積水域中的藻類種類、濃度的時間和空間變化情況進行實時、快速、準 確預報的監(jiān)測技術(shù)。與發(fā)達國家相比，我國深海海洋環(huán)境探測、傳感技術(shù)總體也是落后的， 缺乏價格合理、可分析參數(shù)全面精確的自主知識產(chǎn)權(quán)的傳感分析儀器，這種局面嚴重制約 了對近海海洋和深海海域水環(huán)境的探測。目前對浮游植物濃度的分類檢測只能在實驗室利用高效液相色譜法(HPLC)或者 顯微計數(shù)法的困境，需要進行樣品取樣，然后進行實驗室分析，步驟的煩瑣，成本高，難以滿 足了現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測實時、快速的要求。浸入式光纖熒光浮游植物在線測量技術(shù)與裝置避免了上述方法的缺點，可以快 速、實時了解浮游植物的時空分布特點與規(guī)律，提高環(huán)境部門對水體浮游植物的監(jiān)測技術(shù) 水平，為有效預防大面積水體“赤潮”、“藍藻”等海洋水體污染提供有力的技術(shù)支撐。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種水下部分不需要電子元件的 高可靠性浸入式浮游植物在線測量系統(tǒng)。利用浮游植物濃度反演算法浮游植物中的主要 成分是葉綠素，葉綠素在激光激發(fā)下會發(fā)出熒光，探測的熒光信號與激發(fā)激光波長、接收波 長以及葉綠素濃度有關；在一定濃度范圍內(nèi)，葉綠素濃度與熒光強度存在線性關系。利用葉 綠素產(chǎn)生的熒光信號，可反映浮游植物的濃度。具體方案如下—種浸入式光纖熒光浮游植物測量系統(tǒng)，包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集 與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器1、傳導光纖3 ；所述熒光接收單元包括水下模塊4、探測光纖2、濾光片10、光電轉(zhuǎn)換模塊6 ；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計算機9、數(shù)據(jù)采集模塊8、門控信號模塊7 ；其中計算機9為上位機，用于數(shù)據(jù)的采集處理顯示存儲及對整個系統(tǒng)的控制；激光器1為激光光源，在上位機計算機9控制下發(fā)出脈沖激光，激光通過傳導光纖 3傳輸?shù)剿履K4 ；
水下模塊4中由傳導光纖3傳導來的激光用來激發(fā)水體中的浮游植物發(fā)出熒光， 在光學積分體中經(jīng)過多次反射，進入到探測光纖2，完成對熒光信號的快速采集，經(jīng)過光纖 2傳輸至濾光片10 ；濾光片10用來濾掉雜散信號；光電轉(zhuǎn)換模塊6用來將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；數(shù)據(jù)采集模塊8用來采集數(shù)據(jù)；門控模塊8用來控制數(shù)據(jù)采集模塊8、計算機9的采集與處理。為取得更好的技術(shù)效果，所述光電轉(zhuǎn)換模塊6為光電倍增管，所述數(shù)據(jù)采集與控 制單元還包括高壓控制模塊5，所述高壓控制模塊5通過倍增管的門控信號，自動調(diào)整電 壓，實現(xiàn)增益自動調(diào)整。所述水下模塊包括4基體400、吊環(huán)401、頂部模塊402、頂部螺栓403、頂部螺栓 404、探測光纖2、傳導光纖3、石英玻璃407、底部螺栓408、底部螺栓409、配重塊.410、光學 積分體411 ；所述吊環(huán)401設置在頂部模塊402上部，所述頂部模塊402通過頂部模塊402、 頂部螺栓403固定在水下模塊的基體400上部，所述配重塊.410通過底部螺栓408、底部螺 栓409固定在基體400下部，在基體400的中間部分設置橫向的孔413與貫通基體400上 下端面的通孔414交叉，在孔413的底部設置光學積分體411，在孔的上部設置探測光纖2、 傳導光纖3、石英玻璃407。所述激發(fā)光源1所發(fā)射的激光的中心波長優(yōu)選為532nm，接收波長為685nm ；本發(fā)明也可選其它激發(fā)光源，例如中心波長355nm等。所述濾光片10優(yōu)先采用中心波長為685nm的窄帶濾光片。本發(fā)明的優(yōu)點是1、水下信號的傳輸采用光纖，水下部分無電子元器件，可靠性高；2、采用浸入式結(jié)構(gòu)，可以測量不同深度的浮游植物濃度測量；3、激發(fā)光源為激光光源，保證了激發(fā)能量，提高了信噪比；4、采樣中使用時間選通門控技術(shù)，選擇適當?shù)拈T控時間可以有效獲取海水浮游植 物的熒光信號，極大降低背景信號的干擾，提高信噪比。發(fā)明效果在線式浮游植物現(xiàn)場測量系統(tǒng)，采用激光作為激發(fā)光源，采用光纖作為水下信號 傳輸手段，可以實現(xiàn)不同深度浮游植物的濃度實時監(jiān)測。靈敏度高、可靠性高，可以為環(huán)境 監(jiān)測進行水體浮游植物監(jiān)測提供有力的技術(shù)參考。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是水下浸入模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是測量系統(tǒng)的工作流程框圖。
具體實施例方式如圖1所示，包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器1、傳導光纖3 ；
所述熒光接收單元包括水下浸入模塊4、探測光纖2、濾光片10、光電轉(zhuǎn)換模塊6 ；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計算機9、數(shù)據(jù)采集模塊8、門控信號模塊7 ；其中計算機9為上位機，用于數(shù)據(jù)的采集處理顯示存儲及對整個系統(tǒng)的控制；激光器1為激光光源，在上位機計算機9控制下發(fā)出脈沖激光，激光通過傳導光纖 3傳輸?shù)剿履K4 ；水下模塊4中由傳導光纖3傳導來的激光用來激發(fā)水體中的浮游植物發(fā)出熒光， 在光學積分體中經(jīng)過多次反射，進入到探測光纖2，完成對熒光信號的快速采集，經(jīng)過光纖 2傳輸至濾光片10 ；濾光片10用來濾掉雜散信號；光電轉(zhuǎn)換模塊6用來將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，可采用光電倍增管或光電池，本發(fā) 明采用的是濱松光電倍增管(型號CR131)；數(shù)據(jù)采集模塊8用來采集數(shù)據(jù)，采用的是數(shù)據(jù)采集卡，本發(fā)明采用的是研華ISA總 線采集卡(型號PCL-711S)。門控模塊7用來控制數(shù)據(jù)采集模塊8、計算機9的采集與處理；當計算機控制激光 器發(fā)出脈沖激光后，經(jīng)過一定時間延遲(10個ms)，發(fā)出門控信號，采集模塊8與計算機9開 始信號采集，完成對熒光信號的高速采樣。所述光電轉(zhuǎn)換模塊6為光電倍增管，所述數(shù)據(jù)采集與控制單元還包括高壓控制模 塊5，所述高壓控制模塊根據(jù)采集信號大小，自動調(diào)整電壓，實現(xiàn)增益自動調(diào)整。當探測信號 較弱時，輸出電壓值較小，不利于采樣量化，計算機會自動根據(jù)光電轉(zhuǎn)換模塊6輸出信號， 通過高壓控制模塊5來調(diào)整來增大高壓輸出，提高信號電壓輸出。反之，當探測信號較弱 時，輸出信號信號太大，倍增管容易飽和，則通過高壓控制模塊5來調(diào)整來降低高壓輸出， 保護倍增管。如圖2所示，水下模塊包括4基體400、吊環(huán)401、頂部模塊402、頂部螺栓403、頂 部螺栓404、石英玻璃407、底部螺栓408、底部螺栓409、配重塊.410、光學積分體411 ；所述 吊環(huán)401設置在頂部模塊402上部，所述頂部模塊402通過頂部模塊402、頂部螺栓403固 定在水下模塊的基體400上部，所述配重塊.410通過底部螺栓408、底部螺栓409固定在 基體400下部，在基體400的中間部分設置橫向的孔413與貫通基體400上下端面的通孔 414交叉，在孔413的底部設置光學積分體411，在孔的上部設置探測光纖2、傳導光纖3、石 英玻璃407。激發(fā)光源1所發(fā)射的激光的中心波長為532nm，接收波長為685nm。也可選其它激 發(fā)光源，例如中心波長355nm等濾光片10采用中心波長為685nm的窄帶濾光片。如圖3所示，本發(fā)明的原理是首先儀器進行初始化，完成系統(tǒng)自檢。一路信號 為采集信號，在計算機控制下，激光器發(fā)成脈沖激光，經(jīng)過傳導光纖進入水下模塊。激光與 水體中的浮游植物相互作用發(fā)出熒光，熒光在光學積分體中經(jīng)過多次反射，進入到探測光 纖，熒光信號經(jīng)過濾光片，然后通過光電轉(zhuǎn)換模塊完成光電轉(zhuǎn)換，通過數(shù)據(jù)采集模塊完成 對熒光信號的快速采集。另一路信號為門控信號，在激光輸出之后，經(jīng)過一定的時間延遲 (10ms)，發(fā)出門控信號，啟動采集卡工作，使用高速采樣技術(shù)完成對信號的捕捉。本系統(tǒng)的
5另外一個特征是增益的自動調(diào)整，當測量信號過低或過高時，系統(tǒng)可以通過倍增管的高壓 控制模塊，自動調(diào)整電壓，實現(xiàn)增益自動調(diào)整。
權(quán)利要求
1.一種浸入式光纖熒光浮游植物測量系統(tǒng)，其特征在于包括激發(fā)單元、熒光接收單 元、數(shù)據(jù)采集與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器(1)、傳導光纖(3)；所述熒光接收單元包括水下模塊G)、探測光纖O)、濾光片(10)、光電轉(zhuǎn)換模塊(6)； 所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計算機(9)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)、門控信號模塊(7)； 其中計算機(9)為上位機，用于數(shù)據(jù)的采集處理顯示存儲及對整個系統(tǒng)的控制； 激光器(1)為激光光源，在上位機計算機(9)控制下發(fā)出脈沖激光，激光通過傳導光纖 (3)傳輸?shù)剿履K(4)；水下模塊(4)中由傳導光纖C3)傳導來的激光用來激發(fā)水體中的浮游植物發(fā)出熒光， 在光學積分體中經(jīng)過多次反射，進入到探測光纖O)，完成對熒光信號的快速采集，經(jīng)過光 纖(2)傳輸至濾光片(10)；濾光片(10)用來濾掉雜散信號；光電轉(zhuǎn)換模塊(6)用來將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；數(shù)據(jù)采集模塊( 用來采集數(shù)據(jù)；門控模塊(8)用來控制數(shù)據(jù)采集模塊(8)、計算機(9)的采集與處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換模塊(6)為光電倍增 管，所述數(shù)據(jù)采集與控制單元還包括高壓控制模塊(5)，所述高壓控制模塊( 通過倍增管 的門控信號，自動調(diào)整電壓，實現(xiàn)增益自動調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于所述水下模塊包括(4)基體000)、 吊環(huán)001)、頂部模塊002)、頂部螺栓003)、頂部螺栓004)、石英玻璃007)、底部螺栓 008)、底部螺栓009)、配重塊.010)、光學積分體011)；所述吊環(huán)G01)設置在頂部模 塊(40 上部，所述頂部模塊(40 通過頂部模塊002)、頂部螺栓003)固定在水下模塊 的基體(400)上部，所述配重塊.(410)通過底部螺栓008)、底部螺栓009)固定在基體 (400)下部，在基體(400)的中間部分設置橫向的孔(41 與貫通基體(400)上下端面的通 孔(414)交叉，在孔(41 的底部設置光學積分體G11)，在孔的上部設置探測光纖O)、傳 導光纖(3)、石英玻璃(407)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于激發(fā)光源(1)所發(fā)射的激光的中心 波長為532nm，接收波長為685nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于激發(fā)光源(1)所發(fā)射的激光的中心 波長為355nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量系統(tǒng)，其特征在于所述濾光片(10)采用中心波長為 685nm的窄帶濾光片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種浸入式光纖熒光浮游植物測量系統(tǒng)，包括激發(fā)單元、熒光接收單元、數(shù)據(jù)采集與控制單元；所述激發(fā)單元包括激光器(1)、傳導光纖(3)；所述熒光接收單元包括水下浸入模塊(4)、探測光纖(2)、濾光片(10)、光電轉(zhuǎn)換模塊(6)；所述數(shù)據(jù)采集與控制單元包括計算機(9)、數(shù)據(jù)采集模塊(8)、門控信號模塊(7)；整個系統(tǒng)分為水下和水上兩部分。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、靈敏度高、具有極強的抗電磁干擾能力且維護方便。可以完成不同深度下水體浮游植物的在線測量，從而實現(xiàn)對浮游植物含量的立體測量，可以廣泛應用于浮游植物濃度的快速、實時監(jiān)測。
文檔編號G01N21/64GK102095706SQ20091025857
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者馮巍巍, 劉東艷, 薛欽昭, 陳令新, 陳玲 申請人:煙臺海岸帶可持續(xù)發(fā)展研究所