[發(fā)明專利]一種拖曳式高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)及其校正方法

在審

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• 申請日: 2022-03-04
• 公開（公告）號: CN114460022A
• 公開（公告）日: 2022-05-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 薛慶生;李子健;郝錫杰;王福鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 中國海洋大學(xué)
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/01
• 代理公司: 濟南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 許德山

本發(fā)明涉及一種拖曳式高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)及其校正方法，該傳感器包括光源模塊、吸收池和光譜接收模塊。光源采用成本低、無需預(yù)熱、波長范圍大和光能利用率高的LED光源，LED光源發(fā)光波長范圍覆蓋340?980nm，內(nèi)部有溫度傳感器監(jiān)測LED光源的溫度，光準(zhǔn)直后到光纖集束器，聚束通過一條光纖傳輸，光線混光輸出以后準(zhǔn)直和整形通過吸收池，光被吸收后進(jìn)入光譜接收模塊，光譜接收模塊內(nèi)部經(jīng)過反射鏡反射到凹面全息光柵，凹面全息光柵分光到線陣探測器上，最后數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理以及校正顯示在電腦。本發(fā)明整個設(shè)備可以通過拖曳系統(tǒng)掛在本發(fā)明實用性強，具有小型化、高光譜、高精度的特點，對水體的監(jiān)測意義重大。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種拖曳式高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)及其校正方法，屬于海洋光學(xué)探測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟社會高速發(fā)展，環(huán)境污染也越發(fā)嚴(yán)重，水污染影響了人們生產(chǎn)生活，阻礙了社會經(jīng)濟的健康發(fā)展，尋求一種新的有效監(jiān)測水質(zhì)的方法迫在眉睫。傳統(tǒng)監(jiān)測方法只因為測量準(zhǔn)確性高的優(yōu)點還在使用，但是因為不同的使用環(huán)境也暴露出測量周期長，操作繁瑣以及二次污染水源等重大問題。

近年來，基于高光譜吸光度傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，通過光源驅(qū)動LED進(jìn)行大范圍、高分辨率和高光譜測量，來實現(xiàn)對一定波長范圍內(nèi)的衰減和吸收系數(shù)進(jìn)行測量。高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)適用于不同渾濁程度的水體，可進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測、水體色度測量和飲用水質(zhì)量監(jiān)測。目前國內(nèi)幾乎沒有公司研制，國外研制的C-Star透射計已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)品研制和商用。C-Star具有設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低和機械結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但是C-Star設(shè)計為單通道測量，能夠測量的波段比較少，在原先結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加可測量的波段會大大增加儀器的體積和重量，給海水原位測量帶來更大的困難。目前國外已研制的設(shè)備還無法實現(xiàn)對全球各種氣候水域吸收和衰減的準(zhǔn)確測量，尤其是外界溫度變化與內(nèi)部溫度變化差異較大的水域。國內(nèi)研制此種類型系統(tǒng)的廠商幾乎沒有，一些實驗室的研究仍處于原型階段，沒有開發(fā)成功可直接投入實地測量的產(chǎn)品，國外進(jìn)口的產(chǎn)品也無法完全適應(yīng)中國不同水域條件。

綜上所述，國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)仍然存在的幾個問題是：使用傳統(tǒng)測量方法周期長，方法復(fù)雜，不能實現(xiàn)實時準(zhǔn)確監(jiān)測。國內(nèi)基于高光譜吸光度原理的測量儀采用光譜儀作為光電探測器，可以基本實現(xiàn)大范圍、高光譜、高分辨率的測量，但是光譜儀的結(jié)構(gòu)限制，無法實現(xiàn)儀器整體體積的良好控制。限于多個LED同時工作的原因，也無法對每個LED進(jìn)行溫度監(jiān)測和校正，沒有對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的處理和校正。在未來，傳感器儀器的小型化，高光譜以及通過更好的溫度監(jiān)測方法和更準(zhǔn)確的校正系數(shù)是未來水質(zhì)檢測的發(fā)展方向。

因此，現(xiàn)階段研究出一套低成本、高光譜、高精度的高光譜吸光度傳感器以及校正方法，對于應(yīng)對水污染和全球水質(zhì)變化具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種拖曳式高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)，該傳感器使用緊湊型光路設(shè)計實現(xiàn)高光譜同時測量，實時傳回數(shù)據(jù)。LED發(fā)出的光束通過準(zhǔn)直、光纖耦合聚束，通過外界水體以后進(jìn)入光譜接收模塊，光譜接收模塊內(nèi)部通過凹面全息光柵最后到達(dá)線陣探測器上,實現(xiàn)傳感器設(shè)備的小型化、高光譜、高精度。

本發(fā)明還提供了上述拖曳式高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)的校正方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種拖曳式高光譜吸光度傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源模塊、吸收池、光譜接收模塊、單片機和電腦；

所述吸收池的一端設(shè)置有光源模塊，所述吸收池的另一端設(shè)置有光譜接收模塊，光源模塊和光譜接收模塊均與單片機相連接，單片機與電腦相連接；

所述光源模塊用于發(fā)射多通道信號，在每個光路通道中，依次設(shè)置有LED光源、第一準(zhǔn)直透鏡、光纖耦合器和輸入光纖，LED光源的發(fā)射光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，再經(jīng)過光纖耦合器將光耦合到輸入光纖中；