一种水中污染物检测方法及装置

1.本发明涉及污染物检测技术领域，尤其涉及一种水中污染物检测方法及装置。


背景技术：

2.水资源是人类的生命之源，人们的生存离不开水。多年来，水资源质量不断下降，水环境持续恶化，中国正在经历前所未有的水污染转型，水资源、水环境、水生态和水灾害四大水问题相互作用，彼此叠加影响未来中国发展和安全的多重水危机，其中水污染的威胁尤为突出。
3.众所周知，与传统的化学分析、电化学分析和色谱分习析方法相比，光谱分析技术更具有操作简便、消耗试剂量小、重复性好、测量精度高和检测快速的优点，非常适合对环境水样的快速在线监测。
4.但是如今大多数光源是单谱光源，智能光源主要采用钨灯、氘灯、氙灯以及高压泵灯等体积大，寿命短，驱动电路复杂的光源，导致智能光源的体积大，价格高，使用寿命较短。当然目前也有多波长led阵列作为发光光源的,主要有以下三种形式:
5.由led阵列、聚焦透镜和光纤组成,这种类型的特点是:每一个led都需要加装一个透镜,这样结构导致太过复杂,同时很难做到高强度的光源输出,这样就大大降低了检测范围。
6.由led阵列、准直透镜和分光镜组成,这种类型的特点是:不能保证所有的光从透镜裂缝中发射出来,大大减弱了输出光的强度,同时还需要加装很多透镜和分光镜,结构复杂,成本高昂。
7.由led阵列和扩散器组成,这种类型的特点是:光波段范围太宽,所发出的光不够均匀,同时强度不够,对于光度法检测的吸收峰有较大影响，导致检测结果准确度减低。
8.受限于光源和光学检测器件，主流检测仍是检测单种污染物，对于小体积装置多污染物的实时快检比较困难。


技术实现要素：

9.有鉴于此，有必要提供一种水中污染物检测方法及装置，用以解决上述背景技术中所涉及的技术问题。
10.根据本发明的一个方面，提供一种水中污染物检测方法及装置，包括以下步骤：
11.s1、采集水样，对所采集的水样中的污染物进行预处理，依次获得多份分类标记的待检测水样；
12.s2、转动呈环形阵列布置的多个光强相同且波长不同的准直led光源，使得每个所述准直led光源所发射的光束依次穿射其中一份所述待检测水样，而后对穿射后的光束进行检测，直至检测到所述光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应，停止转动的同时并生成所述光束的波长数据；
13.s3、将所述波长数据与预设的多个波长数据进行对比分析，以确定所述光束对应
的所述准直led光源的指定旋转角度和对应的污染物种类，根据指定旋转角度对所述准直led光源的旋转角度校准；
14.s4、测得校准后的所述准直led光源穿射所述待检测水样后的光束的光强数据，根据所述光强数据以计算出所对应的污染物的浓度；
15.s5、对每份待检测水样重复上述s2、s3及s4步骤，以测得所述待检测水样中每种污染物的种类和浓度。
16.根据一些实施例，所述采集水样，对所采集的水样中的多种污染物进行预处理，依次获得多份的待检测水样，具体包括：将所采集的水样分为多份水样，对每份水样中的污染物分别进行消解处理和显色处理，以得到多份分类标记的待检测水样；
17.根据一些实施例，多个所述准直led光源由低波段波长向高波段波长依次变大且呈环形阵列布置，多个所述准直led光源覆盖350nm-1000nm波长范围。
18.根据一些实施例，所述根据指定旋转角度对所述准直led光源的旋转角度校准，具体包括，将所述指定旋转角度数据和所述准直led光源实际旋转角度数据代入pid算法中进行计算分析，根据分析结果对所述准直led光源的旋转角度进行校准，所述pid算法如下：
19.a(k)＝a
1-a0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
20.式(1)中，a1为所述实际旋转角度；a0为指定旋转角度；a(k)为实际旋转角度与指定旋转角度之间的偏差值；
[0021][0022][0023][0024]
式(2)、(3)及(4)中，k
p
为比例系数，ki为积分常数，kd为微分常数，a(k)为实际角度与设定角度之间的差值，u(k)是控制量，u0为控制量的最大值，u1是控制量的最小值，k为积分控制系数，δ为误差标准。
[0025]
根据本发明的一个方面，提供一种水中污染物检测装置，包括：
[0026]
污染物处理模块，用于对所采集的污水进行检测前预处理，依次获得多份分类标记的待检测水样。
[0027]
光学检测流通池，与所述污染物处理模块连接，用于流通预处理后的待检测水样，所述光学检测流通池包括入光口和出光口，且光学检测流通池设有进液口和出液口。
[0028]
led阵列模块，包括电机、圆型电路板、多个准直透镜及多个光强相同且波长不同呈环形阵列布置于所述圆型电路板一侧面上的led光源，每个所述准直透镜分别对应的安装于每个所述led光源上，供led光源发散的光路转换成准直平行光束，所述电机驱动所述圆型电路板转动，每个所述led光源依次转动至所述入光口处。
[0029]
光源检测通道，位于所述出光口处接收穿射所述待检测水样后的准直平行光束并对其检测，直至检测到所述光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应，即生成所述光束的波长数据。
[0030]
主控板，与所述光源检测通道和所述电机通信连接，接收所述波长数据与预设的
多个波长数据进行对比分析，确定所述光束应转动的指定旋转角度和对应的污染物种类，所述电机的编码器将所述led光源实际旋转角度数据输送所述主控板，将所述指定旋转角度数据和所述准直led光源实际旋转角度数据代入pid算法中进行计算分析，根据分析结果对所述准直led光源的旋转角度进行校准，由所述光源检测通道测得校准后的所述准直led光源所发射的光束的光强数据并发送至所述主控板，所述主控板根据所述光强数据以计算出所对应的污染物的浓度。
[0031]
根据一些实施例，还包括采样模块，所述采样模块包括蠕动泵和细管，所述主控板与所述蠕动泵连接以控制水样通入所述污染物处理模块的流速。
[0032]
根据一些实施例，所述污染物处理模块包括多个水样分流管道，以将所采集的水样分流为多份；
[0033]
每个所述水样分流管道上均设有显色液腔、消解液腔、显色液输液泵及消解液输液泵，所述消解液输液泵用于将消解液腔内的消解液依次输入至每份水样中对污染物进行消解处理，所述显色液输液泵用于将显色液腔内的显色液依次输入至每个水样分流管道的水样中对所消解的污染物进行显色处理。
[0034]
根据一些实施例，还包括多个电磁阀，分别对应的与每个所述水样分流管道的出口端和每个所述光学检测流通池的进液端相连通；
[0035]
其中，待所述led光源的波长转换完成，所述电磁阀开启对应的水样分流管道通入待测水样进行检测。
[0036]
根据一些实施例，所述光源检测通道设有多个，所述主控板与每个所述光源检测通道均通信连接，所述主控板用于获取最大光强的所述光束的光强数据。
[0037]
根据一些实施例，还包括上位机，与所述主控板通信连接，以向所述主控板传输指令。
[0038]
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0039]
本发明提供水中污染物检测方法，将所采集的水样进行预处理，依次获得多份分类标记的待检测水样，将多个准直led光源所发射的光束依次透射其中一份所述待检测水样，并对透射后的光束进行检测，当准直led光源光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应时，将检测到的波长数据与预设的波长数据进行对比分析，即可确定该准直led光源所对应的污染物种类，同时对准直led光源的旋转角度进行校准，将校准后的准直led光源再次透射待检测水样以得到稳定的光束，进而测得稳定的光强数据，以计算出所对应的污染物的浓度，而后多份分类标记的待检测水样依次对应的与多个准直led光源所发射的光束进行上述检测，即可检测出待检测水样中每种污染物的种类和相对应的浓度。
[0040]
进一步地，将水中污染物检测方法通过水中污染物检测装置实现，该装置在不需要加装任何滤光片以其简单而又小体积的的结构设计，可在较短时间内实时且精准的测出待检测水样中的每种污染物的种类和浓度，其极具经济效益。
附图说明
[0041]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据
这些附图获得其他的附图。
[0042]
图1为本发明提供的一种水中污染物检测装置的流程图；
[0043]
图2为本发明提供的一种水中污染物检测装置的部分结构示意图；
[0044]
图3为本发明提供的一种水中污染物检测方法中校准准直led光源的旋转角度方法的流程图。
[0045]
图中：光学检测流通池1、led阵列模块2、电机21、圆型电路板22、led光源23、光源检测通道3。
具体实施方式
[0046]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0047]
实施例1
[0048]
本发明提供一种水中污染物检测方法，将所采集的水样进行预处理，依次获得多份分类标记的待检测水样，将多个准直led光源23所发射的光束依次透射其中一份待检测水样，并对透射后的光束进行检测，当准直led光源23光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应时，将检测到的波长数据与预设的波长数据进行对比分析，即可确定该准直led光源23所对应的污染物种类，同时对准直led光源23的旋转角度进行校准，将校准后的准直led光源23再次透射待检测水样以得到稳定的光束，进而测得稳定的光强数据，以计算出所对应的污染物的浓度，而后多份分类标记的待检测水样依次对应的与多个准直led光源23所发射的光束进行上述检测，即可检测出待检测水样中每种污染物的种类和相对应的浓度。从而该水中污染物检测方法中借助简易的宽普光源，可精准的测出待检测水样中的每种污染物的种类和浓度，其具体方案如下：
[0049]
s1、采集水样，对所采集的水样中的污染物进行预处理，依次获得多份不同的待检测水样。
[0050]
s2、转动呈环形阵列布置的多个光强相同且波长不同的准直led光源23，使得每个准直led光源23所发射的光束依次穿射其中一份待检测水样，而后对穿射后的光束进行检测，直至检测到光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应，停止转动的同时并生成光束的波长数据。
[0051]
s3、将光束的波长数据与预设的多个波长数据进行对比分析，以确定光束对应的准直led光源23的指定旋转角度和对应的污染物种类，根据指定旋转角度对准直led光源23的旋转角度校准。
[0052]
s4、测得校准后的准直led光源23穿射待检测水样后的光束的光强数据，根据光强数据以计算出所对应的污染物的浓度。
[0053]
s5、依次对每份待检测水样重复上述s2、s3及s4步骤，以测得待检测水样中每种污染物的种类和浓度。
[0054]
其中，对所采集的水样中的多种污染物进行预处理，依次获得多份的待检测水样，其具体为，将所采集的水样分为多份水样，分别对每份水样中的污染物进行消解处理和显色处理，得到多份污染物被分类标记的待检测水样。
[0055]
多个准直led光源23由低波段波长向高波段波长依次变大且呈环形阵列布置，多个准直led光源23覆盖350nm-1000nm波长范围。
[0056]
考虑到在实际应用中，准直led光源23在转动过程是具有惯性和受到阻尼，准直led光源23实际旋转角度和预设的指定旋转角度会存在一定偏差，使得对待检测水样中的污染物的检测结果存在误差。在本实施例中，根据指定旋转角度对准直led光源23的旋转角度校准，具体包括，将指定旋转角度数据和准直led光源23实际旋转角度数据代入pid算法中进行计算分析，根据分析结果对准直led光源23的旋转角度进行校准，其中，pid算法如下：
[0057]
a(k)＝a
1-a0ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0058]
式(1)中，a1为实际旋转角度；a0为指定旋转角度；a(k)为实际旋转角度与指定旋转角度之间的偏差值；
[0059][0060][0061][0062]
式(2)、(3)及(4)中，k
p
为比例系数，ki为积分常数，kd为微分常数，a(k)为实际角度与设定角度之间的差值，u(k)是控制量，u0为控制量的最大值，u1是控制量的最小值，k为积分控制系数，δ为误差标准，设定δ，防止误差过大时过度积分导致波长变换失去控制。
[0063]
如图3所示，驱动准直led光源23转动的电机21上的编码器实时反馈实际旋转角度a1，代入上述公式(1)得到角度的偏差值a(k)，将a(k)代入公式(2)、(4)，计算得到一个校准电机21旋转角度的参数u(k)，带入公式(3)，根据最后输出的u(k)调节电机21实现旋转角度的校准。
[0064]
具体的，设置好pid的三个常数，k
p
控制实际旋转角度在指定角度附近小幅波动，kd施加反向作用，降低k
p
参数带来的波动，实现稳定光路的作用，ki积分控制使旋转角度能够准确达到指定角度。u(k)减小实际旋转角度与指定角度的偏差，校准准直led光源23实际旋转角度，通过设置这u0、u1能够增加系统的抗干扰能力，该光源能够根据设定的待检测物质自动调整相应的旋转角度，使得对应波长的光路稳定准确射入进光口。
[0065]
吸收光谱是由于物质吸收光子，从而从低能级跃迁到较为活跃的高能级而产生的光谱。不同物质能级间的能量差是不同的，所需要吸收的光子的能量也是不同的，根据量子化吸收定则，不满足两能级差的能量的光子是不能被吸收的。这也就是吸收光谱可以鉴别物质种类的原因，分光光度法的理论基础是光的吸收定律即朗伯-比尔定律，固定介质厚度为1cm后可建立吸光度与水质参数浓度的线性方程：
[0066][0067]
式中,a为吸光度，i0为入射光强，i1为透射光强，k为吸光系数，c为溶液浓度(mol/l)，b为常数。
[0068]
上式说明吸光度a与溶液浓度c正比关系，单色光透过待测溶液后作用在微型光谱
仪上，检测微型光谱仪的输出可以计算出吸光度a。这样通过测定a值就可以得到待测溶液的浓度值c。
[0069]
为了确定a与c的关系就需要知道方程的吸光系数。这里采用了标准曲线法进行分析。对多个浓度的标准溶液分别进行测定，然后通过最小二乘法求得回归方程。
[0070]
值得注意的是，水作为一种光传播的介质，上述水中污染物检测方法也可以是应用于光在其他介质中传播，而检测该介质内的物质的种类和浓度，例如光传播的介质为空气、玻璃等。
[0071]
以此，运用该水中污染物检测方法时，将所采集的水样进行预处理，依次获得多份分类标记的待检测水样，将多个准直led光源23所发射的光束依次透射其中一份待检测水样，并对透射后的光束进行检测，当准直led光源23光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应时，将检测到的波长数据与预设的波长数据进行对比分析，即可确定该准直led光源23所对应的污染物种类，同时对准直led光源23的旋转角度进行校准，以得到稳定的光束，进而测得稳定的光强数据，以计算出所对应的污染物的浓度，而后多份分类标记的待检测水样依次对应的与多个准直led光源23所发射的光束进行上述检测，便可检测出待检测水样中每种污染物的种类和相对应的浓度。从而该水中污染物检测方法中借助简易的宽普光源，可精准的测出待检测水样中的每种污染物的种类和浓度。
[0072]
实施例2
[0073]
本发明实还提供一种水中污染物检测装置，可实现实施例1中水中污染物检测方法，如图1-2所示，该水中污染物检测装置包括污染物处理模块、光学检测流通池1、led阵列模块2、光源检测通道3及主控板(未在图中示出)。其中，污染物处理模块用于对所采集的污水进行检测前预处理。
[0074]
光学检测流通池1与污染物处理模块连接，用于流通预处理后的待检测水样，光学检测流通池1包括入光口和出光口，光学检测流通池1还设有进液口和出液口以流通液体。
[0075]
led阵列模块2包括电机21、圆型电路板22、多个准直透镜及多个光强相同且波长不同呈环形阵列布置于圆型电路板22一侧面上的led光源23，每个准直透镜(未在图中示出)分别对应的安装于每个led光源23上，供led光源23发散的光路转换成准直平行光束，电机21驱动圆型电路板22转动，每个led光源23依次转动至入光口处。
[0076]
光源检测通道3位于出光口处接收穿射待检测水样后的准直平行光束并对其检测，直至检测到光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应，即生成光束的波长数据，其中光学检测通道可以理解为光谱仪上的部分机构。
[0077]
主控板与光源检测通道3和电机21通信连接，接收波长数据与预设的多个波长数据进行对比分析，确定光束应转动的指定旋转角度和对应的污染物种类，电机21的编码器将led光源23实际旋转角度数据输送主控板，将指定旋转角度数据和准直led光源23实际旋转角度数据代入pid算法中进行计算分析，根据分析结果对准直led光源23的旋转角度进行校准，由光源检测通道3测得校准后的准直led光源23所发射的光束的光强数据并发送至主控板，主控板根据光强数据以计算出所对应的污染物的浓度。
[0078]
上述实施例中，该水中污染物检测装置通过污染物处理模块对所采集的水样进行预处理，依次获得多份分类标记的待检测水样，通过电机21带动多个准直led光源23转动，而控制准直led光源23的波长转换，准直led光源23所发射的光束依次对应的穿射流经光学
检测流通池1的一份待检测水样，光源检测通道3接收所穿射的光束并对其进行检测，当检测到准直led光源23光束的波长与待检测水样中的一种污染物的波长相对应时，将检测到的波长数据输送至主控板，并与主控板上预设的波长数据进行对比分析，即可确定该准直led光源23所对应的污染物种类，同时对准直led光源23的旋转角度进行校准，对校准后的准直led光源23穿射流经光学检测流通池1的待检测水样后的光束进行检测，以测得稳定且精确的光强数据，而计算出所对应的污染物的浓度，而后将多份分类标记的待检测水样依次对应的与多个准直led光源23所发射的光束进行上述检测，便可检测出待检测水样中每种污染物的种类和相对应的浓度。从而该水中污染物检测装置在不需要加装任何滤光片以其简单而又小体积的结构设计，可在较短时间内实时且精准的测出待检测水样中的每种污染物的种类和浓度，其极具经济效益。
[0079]
根据一些实施例，该水中污染物检测装置包括采样模块，采样模块包括蠕动泵和细管，主控板与蠕动泵连接以控制水样通入污染物处理模块的流速，用于以50-100ul/min的速度向水质检测模块通入水样。
[0080]
根据一些实施例，污染物处理模块包括多个水样分流管道，以将所采集的水样分流为多份。每个水样分流管道上均设有显色液腔、消解液腔、显色液输液泵及消解液输液泵，消解液输液泵用于将消解液腔内的消解液依次输入至每份水样中对污染物进行消解处理，显色液输液泵用于将显色液腔内的显色液依次输入至每个水样分流管道的水样中对所消解的污染物进行显色处理。
[0081]
根据一些实施例，该水中污染物检测装置包括多个电磁阀，分别对应的与每个水样分流管道的出口端和每个光学检测流通池1的进液端相连通。
[0082]
其中，待led光源23的波长转换完成，电磁阀开启对应的水样分流管道通入待测水样进行检测，待光源波长转换完成，开启对应的水样分流管道通入待测水样进行检测。
[0083]
根据一些实施例，光源检测通道3设有多个，主控板与每个光源检测通道3均通信连接，主控板用于获取最大光强的光束的光强数据。主控板持续接收每个光源检测通道3所传输的信号，对与原始信号进行比较处理，得到最大的光强以及其对应的光源检测通道3，若光路校准完成，则锁死电机21维持光路的稳定，使得检测光源波长和待检测污染物需要的波长对应，并向主控板发送相应数据进行浓度计算，实现污染物的快速检测。
[0084]
根据一些实施例，该水中污染物检测装置还包括上位机，与主控板通信连接，主控板向上位机发送检测到的数据，以及接收上位机发送的指令。
[0085]
本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。