一種非接觸式地表水水質(zhì)檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種非接觸式地表水水質(zhì)檢測裝置，屬于水質(zhì)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]河流、湖泊、池塘、供水水庫等地表水中葉綠素a濃度、藻青蛋白濃度、有色可溶性有機(jī)物、懸浮物以及透明度等參數(shù)是地表水常規(guī)水質(zhì)檢測的重要水質(zhì)參數(shù)，這些水質(zhì)參數(shù)關(guān)系到飲用水、水產(chǎn)養(yǎng)殖、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境污染等水質(zhì)安全問題。上述地表水水質(zhì)參數(shù)檢測的通常方法是現(xiàn)場取樣，將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室利用實(shí)驗(yàn)室分析設(shè)備進(jìn)行檢測，這種方法的缺點(diǎn)是消耗時(shí)間多、成本高、檢測頻率低，在一些突發(fā)水質(zhì)安全事件中反應(yīng)滯后。一些便攜式水質(zhì)檢測設(shè)備可在現(xiàn)場使用，雖然效率有了很大的提高，但是也需要取樣，操作繁瑣，采用化學(xué)方法的還需要使用化學(xué)試劑，會造成二次污染。
[0003]光學(xué)方法是目前水質(zhì)檢測最先進(jìn)的方法，特別是基于連續(xù)光譜的方法，可同時(shí)測量多個(gè)水質(zhì)參數(shù)，具有檢測速度快、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。但是現(xiàn)有的水質(zhì)檢測方法都是接觸式的，如在線式水質(zhì)檢測，利用取樣器將被測水樣送到光學(xué)傳感頭處進(jìn)行光學(xué)檢測；浸沒式傳感頭可將傳感頭直接放置在水中，效率大大提高，但由于是傳感器放入水中測量，水中物質(zhì)會對傳感頭造成污染，使測量的準(zhǔn)確性降低，維護(hù)也不方便。如果采用非接觸式光學(xué)測量，將會避免傳統(tǒng)化學(xué)檢測方法遇到的諸多問題，還能避免現(xiàn)有光學(xué)檢測方法中水對光學(xué)傳感器污染的問題，使得測量更加方便、快速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種非接觸式地表水水質(zhì)檢測裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式光學(xué)水質(zhì)檢測，可同時(shí)檢測葉綠素a、有色可溶性有機(jī)物、藻青蛋白濃度、懸浮物、透明度等多個(gè)參數(shù)，具有準(zhǔn)確、非接觸、快速、方便、低成本的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種非接觸式地表水水質(zhì)檢測裝置，包括光譜采樣頭、光纖準(zhǔn)直器、光路選通器、分叉光纖和微型光譜儀，所述光譜采樣頭有多個(gè)，每個(gè)光譜采樣頭通過光纖與光纖準(zhǔn)直器連接，光纖準(zhǔn)直器與分叉光纖的各會聚鏡頭在光路上一一對應(yīng)，光路選通器位于光纖準(zhǔn)直器與會聚鏡頭之間，光路選通器具有圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的選通通道，使選通通道在旋轉(zhuǎn)的過程中可以將其中的一對光纖準(zhǔn)直器和會聚鏡頭之間的光路導(dǎo)通，而將其他的對接光纖準(zhǔn)直器和會聚鏡頭之間的光路阻斷；所述分叉光纖的主光路與微型光譜儀連接。
[0007]所述的光路選通器，有三個(gè)可選通通道，用來選擇三個(gè)光譜采樣頭輸入的光束，每次選通一個(gè)通道，選通的通道光束可通過，并耦合進(jìn)分叉光纖到達(dá)微型光譜儀，光譜儀可測得選通通道的光譜數(shù)據(jù)。還包含一個(gè)擋光狀態(tài)。
[0008]所述的分叉光纖，一端有三個(gè)光纖頭，另一端有一個(gè)光纖頭，三個(gè)光纖頭的一端每個(gè)光纖頭上均有一個(gè)會聚透鏡，將入射光束耦合進(jìn)光纖，一個(gè)光纖頭的一端有連接口可以直接與微型光譜儀連接。帶有會聚透鏡一端的三個(gè)光纖頭分別于光譜采樣頭三個(gè)準(zhǔn)直鏡頭光軸對準(zhǔn)，通過光路選通器每次采集一個(gè)光譜采樣頭的光譜。
[0009]所述的微型光譜儀，光譜范圍覆蓋380nm?780nm，并且在該譜段具有較高的光譜靈敏度。
[0010]進(jìn)一步的，所述光譜采樣頭，包括:
[0011]—個(gè)余弦采集器，朝向正上方，用于采集方位角180°、高低角0°?90°范圍內(nèi)的天空連續(xù)光譜輻照度，余弦采集器采集的光束直接導(dǎo)入光纖，在光纖的另一端與一個(gè)光纖準(zhǔn)直器連接；
[0012]—個(gè)測量天空下行連續(xù)光譜輻亮度的接收鏡頭，前端為一個(gè)視場角為3°的會聚鏡頭，光軸指向斜上方，高低角為45°，方位角為正前方，會聚鏡頭將入射光會聚進(jìn)光纖，光纖的另一端與一個(gè)光纖準(zhǔn)直器連接；
[0013]—個(gè)測量水面上行連續(xù)光譜輻亮度的接收鏡頭，前端為一個(gè)視場角為3°的會聚鏡頭，光軸指向斜下方，高低角為-45°，方位角為正前方，會聚鏡頭將入射光會聚進(jìn)光纖，光纖的另一端與一個(gè)光纖準(zhǔn)直器連接。
[0014]三個(gè)光纖準(zhǔn)直器圍繞光路選通器的旋轉(zhuǎn)軸呈三角形分布。
[0015]還包括嵌入式計(jì)算機(jī)，所述微型光譜儀與嵌入式計(jì)算機(jī)連接，所述光路選通器與所述嵌入式計(jì)算機(jī)連接，并受嵌入式計(jì)算機(jī)的指令控制旋轉(zhuǎn)選擇光路通道。
[0016]所述光路選通器的旋轉(zhuǎn)軸通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。
[0017]進(jìn)一步的，還包括觸控顯示屏，觸控顯示屏與所述嵌入式計(jì)算機(jī)連接。觸控顯示屏用于使用者的人機(jī)交互和測量結(jié)果顯示。
[0018]進(jìn)一步的，還包括移動電源，對微型光譜儀、嵌入式計(jì)算機(jī)和觸控顯示屏供電。移動電源采用鋰離子電池，一次充電可供設(shè)備連續(xù)工作至少五小時(shí)。
[0019]進(jìn)一步的，定位器和取景攝像頭，定位器和取景攝像頭分別與嵌入式計(jì)算機(jī)連接。
[0020]取景攝像頭的視場角為30°，光軸與測量水面上行連續(xù)光譜輻亮度的接收鏡頭的光軸平行，用來對光譜采樣頭采集的水面區(qū)域成像，經(jīng)標(biāo)定后能夠確定光譜采樣頭視場在對應(yīng)的取景攝像頭采集圖像中的位置，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，取景攝像頭采集的圖像可在觸控顯示屏的某一位置開窗口顯示，選擇成像區(qū)域的水面沒有漂浮物、陰影和倒影，保證采集光譜數(shù)據(jù)的可靠性。
[0021]定位器為GPS定位器或北斗定位器模塊，可以獲取采集數(shù)據(jù)時(shí)的精確位置，嵌入式計(jì)算機(jī)將此位置同時(shí)嵌入計(jì)算的水質(zhì)參數(shù)結(jié)果中，使得測量結(jié)果同時(shí)具有定位信息。
[0022]嵌入式計(jì)算機(jī)包含處理器，用來控制光路選通器、微型光譜儀、取景攝像頭和定位器，采集數(shù)據(jù)并處理。所述嵌入式計(jì)算機(jī)還有存儲器，存儲器中存儲有光學(xué)物理模型，用于將采集到的三個(gè)連續(xù)光譜數(shù)據(jù)結(jié)合光學(xué)物理模型計(jì)算出水質(zhì)參數(shù)，并將定位器獲取定位數(shù)據(jù)融入水質(zhì)參數(shù)中。
[0023]使用者通過觸控顯示屏操作嵌入式計(jì)算機(jī)，控制微型光譜儀和光譜采樣頭順序采集可見光譜段的天空光連續(xù)光譜輻照度數(shù)據(jù)、天空下行連續(xù)光譜輻亮度數(shù)據(jù)和水面上行連續(xù)光譜輻亮度數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算出被測區(qū)域水面的光譜反射率數(shù)據(jù)，再利用嵌入式計(jì)算機(jī)中存儲的光學(xué)物理數(shù)學(xué)模型計(jì)算出水質(zhì)參數(shù)，并通過顯示器實(shí)時(shí)顯示。還可以控制定位器，將定位信息融入計(jì)算出的水質(zhì)參數(shù)中。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:采用連續(xù)光譜測量方法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場非接觸式地表水水質(zhì)檢測，可同時(shí)探測有色可溶性有機(jī)物、總懸浮物、葉綠素a等水質(zhì)參數(shù)，具有成本低、使用方便、測量速度快、無污染的優(yōu)點(diǎn)。與浸沒式熒光計(jì)相比，沒有淬滅效應(yīng)、不存在生物污損。
[0025]本發(fā)明所述的一種非接觸式地表水水質(zhì)檢測裝置，利用光譜采樣頭和微型光譜儀采集可見光譜段的天空光連續(xù)光譜輻照度數(shù)據(jù)、天空下行連續(xù)光譜輻亮度數(shù)據(jù)和水面上行連續(xù)光譜輻亮度數(shù)據(jù)，利用上述三個(gè)連續(xù)光譜數(shù)據(jù)計(jì)算出水面光譜反射率數(shù)據(jù)，結(jié)合已經(jīng)建立的光學(xué)物理模型計(jì)算出水質(zhì)參數(shù)。
【附圖說明】
[0026]圖1為一種非接觸式地表水水質(zhì)檢測儀原理圖。
[0027]圖中:
[0028]10為光譜采樣頭，
[0029]11為天空光連續(xù)光譜輻照度采樣頭，即余弦采集器，
[0030]12為測量天空下行連續(xù)光譜輻亮度的接收鏡頭，
[0031]13為測量水面上行連續(xù)光譜輻亮度的接收鏡頭，
[0032]20為光纖準(zhǔn)直器，
[0033]30為光路選通器，
[0034]40為分叉光纖，
[0035]50為微型光譜儀，
[0036]60為嵌入式計(jì)算機(jī)，
[0037]70為觸控顯示屏，
[0038]80為取景攝像頭，
[0039]90為定位器，
[0040]100為移動電源。
[0041 ]圖2為光譜采樣頭準(zhǔn)直器分布位置示意圖。
[0042]圖3為光路選通示意圖。圖中，30為光路選通器，31為選通通道，32為旋轉(zhuǎn)軸。
[0043]圖4為光路選通原理示意圖。
[0044]圖中:
[0045]21為天空光連續(xù)光譜輻照度采樣頭對應(yīng)的光纖準(zhǔn)直器，
[0046]22為天空下行連續(xù)光譜輻亮度采樣頭對應(yīng)的光纖準(zhǔn)直器，
[0047]23為水面上行連續(xù)光譜輻亮度采樣頭對應(yīng)的光纖準(zhǔn)直器；
[0048]30為光路選通器；
[0049]41為分叉光纖天空光連續(xù)光譜輻照度采樣頭對應(yīng)的接收會聚鏡頭，
[0050]42為分叉光纖天空下行連續(xù)光譜輻亮度采樣頭對應(yīng)的接收會聚鏡頭，