水體熒光物質(zhì)測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本專利涉及了一種用于水體熒光物質(zhì)測量的裝置。
技術(shù)背景
[0002]我國大陸海岸線長度為1.8萬公里，島嶼海岸線1.4萬公里，有300萬平方公里的可管轄海洋國土，同時還有長江黃河兩大河，水利資源總量居世界前列，但人均資源量遠低于世界平均水平，在這一點上我國是水資源匱乏國。為了合理利用水利資源，需要對水質(zhì)進行檢測，如含氧量、鹽分、葉綠素、污染物等。通常有很多的方法來進行水質(zhì)檢測，有化學(xué)方法、物理方法、生物方法等。其中光譜法應(yīng)用比較廣泛。光譜測量簡單快速，非接觸式測量，測量結(jié)果直接數(shù)字化存儲、傳輸。光譜儀可以放在飛行器或者衛(wèi)星上，可對大面積水域進行快速測量、長期監(jiān)測。
[0003]用于環(huán)境測量的光譜儀有很多種，例如成像光譜儀、熒光光譜儀等。這里主要講熒光光譜儀。不同物質(zhì)具有不同的能級結(jié)構(gòu)，當(dāng)被適合波長的光激發(fā)后會躍遷到高能級上，一般高能級是不穩(wěn)定的，會往基態(tài)躍遷，同時發(fā)出熒光。不同物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)不同，所發(fā)出的熒光的光譜也不同，所以可以通過測量熒光光譜來確定物質(zhì)的成分和含量。
[0004]利用熒光原理可以測量水中某種物質(zhì)含量，通常是這樣做的，用一個可以有效激發(fā)該物質(zhì)熒光的光源照射該物質(zhì)，在垂直方向上用一個會聚透鏡收集熒光，并用濾光片濾掉激發(fā)光，用傳感器測量出熒光的強弱，再通過計算機數(shù)據(jù)處理得到該物質(zhì)在水中的濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本專利用于水中熒光物質(zhì)的測量。裝置中有一個與外部連通的腔，水在這里面可以任意流通，這樣可以測量實時水質(zhì)的情況，并且外界的光不能進入腔內(nèi)。在腔的一側(cè)是透明板6，的主要作用是把水和裝置內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)隔開，同時激發(fā)光和熒光可以通過。
[0006]隔板的另一側(cè)是光學(xué)系統(tǒng)，有一個LED燈I作為激發(fā)光源，根據(jù)所測量物質(zhì)的需要選取適合的波長的光作為激發(fā)光。LED發(fā)出的光照射在一個傾斜45°放置的長波通過干涉濾光片2上，濾光片的截止波長大于激發(fā)光的波長，所以激發(fā)光會被完全反射到透明板6上，照射到水里面去，在透明板6和濾光片2之間有一個會聚透鏡3，它把LED發(fā)出的光會聚到水里面，水在激發(fā)光的照射下，水里面的雜質(zhì)受激發(fā)產(chǎn)生熒光，一部分熒光透過透明板回到透鏡，會聚之后照射到濾光片2上，長波通過濾光片2的截止波長小于熒光的波長，所以熒光可以完全透過濾波片并照射到光電二極管5上，產(chǎn)生的光電流輸入到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)字化后輸入計算機處理。
[0007]該裝置中使用的濾波片為干涉型濾波片，它對截止波長以下的光完全反射，對波長大于截止波長的光完全透過，它的透射曲線如圖2和圖3。其中圖2為激發(fā)光垂直于濾光片入射時的透射曲線，截止波長在600nm左右，圖3為激發(fā)光傾斜入射時的透射曲線，截止波長會藍移，大概為580nm左右，帶邊的傾斜程度與垂直入射時相比稍微平緩一些。如探測水中的葉綠素a，LED發(fā)出470nm的激發(fā)光，由于處于濾光片的截止區(qū)域，470nm的入射光將被反射到樣品上。樣品吸收了 470nm的激發(fā)光后發(fā)射出680nm的突光,突光處于濾光片的透射帶，幾乎可以無損的透過濾光片被探測器接收，所以光電二極管5接收到的熒光會比較強，提高了信噪比。
【附圖說明】
[0008]圖1為本裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為激發(fā)光LED燈，2為長波通過干涉濾光片，3為會聚透鏡，4為待測水體，5為光電二極管，6為透明板，7為控制處理單元。圖2為激發(fā)光垂直于濾光片入射時的透射曲線，圖3為激發(fā)光傾斜入射時的透射曲線，可以看出傾斜入射時濾光片的截止波長與垂直入射時相比會發(fā)生藍移，但由于實際應(yīng)用中的激發(fā)波長和熒光波長均遠離截止波長，所以截止波長的些許移動不會對實際應(yīng)用產(chǎn)生不良的影響。
【具體實施方式】
[0009]裝置示意圖如圖1所示。在實際應(yīng)用中，待測水體流入裝置中與外部聯(lián)通的腔，腔是半密閉的，水可以流通，考慮探測水中的葉綠素a含量，LED發(fā)出的470nm的激發(fā)光被濾光片反射，經(jīng)透鏡匯聚，透過透明擋板照射到待測水體上，水中待測物質(zhì)吸收入射光后發(fā)出680nm的突光,突光透過透明擋板和濾光片被探測器接收。
[0010]為了減少環(huán)境的光進入系統(tǒng)后產(chǎn)生的背景噪聲，本裝置采取以下方法:用周期信號驅(qū)動LED產(chǎn)生激發(fā)光，檢測有激發(fā)光和無激發(fā)光時光電二極管接收到的光，計算機通過算法處理后消除背景噪聲，得到測量物質(zhì)的濃度。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點在于:使用一塊濾波片和一個透鏡完成了光路，利用濾光片的性質(zhì)巧妙的將激發(fā)光和信號光分開，元件的使用減少，從而使得裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊、穩(wěn)定；裝置中的干涉濾光片對特定波長的光反射率和透過率很高，從而光電部分接收到的熒光信號比較強，使得測量更加精確。
【主權(quán)項】
1.一種水體熒光物質(zhì)測量裝置，其特征在于:一個激發(fā)熒光的LED燈；一個長波通過干涉濾光片；一個會聚激發(fā)光和熒光的透鏡；一個測量熒光強度的光電二極管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水體熒光物質(zhì)測量裝置，其特征在于:濾光片傾斜45°放置，將LED發(fā)出的光完全反射到樣品上，樣品發(fā)出的光能完全透過該濾光片。
【專利摘要】本裝置主要包括一個用來激發(fā)熒光的LED燈，一個用于分開激發(fā)光和熒光的長波通過干涉濾光片，一個用來測量熒光強弱的光電二極管以及控制處理單元。激發(fā)光經(jīng)過干涉濾光片的反射照射到樣品上，樣品吸收激發(fā)光后發(fā)出的熒光可以透過干涉濾光片被探測器接收，整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊，接收熒光效率高，測量精確，適合現(xiàn)場檢測。
【IPC分類】G01N21-64
【公開號】CN104764721
【申請?zhí)枴緾N201410012214
【發(fā)明人】王斌, 付蘇陽, 徐曉軒, 李昊宇, 孫希鵬, 趙春蘭, 郭廷珂
【申請人】南開大學(xué)
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2014年1月7日