基于微型光谱仪的多参数水质检测仪关键技术研究

摘要

水资源关系到人类社会的生存与发展，是当前世界各国共同关注的重大问题。我国是人均水资源短缺的国家，各大流域及重点水域的水资源环境安全形势十分严峻，已成为国家经济社会可持续发展的严重制约因素。在线水质检测是及时、准确、全面地反映水资源环境质量和污染现状的重要技术手段和科学依据，是制定切实可行的水资源环境保护与治理的重要前提和基础，具有重要的战略意义，受到了我国政府的高度重视。
　　 鉴于我国在线水质检测仪器科技落后难以满足国家环境监测发展战略需求的严峻形势，在充分研究分析国内外水质检测技术的现状与发展趋势、以及存在的问题基础上，针对现代水质在线检测与预警网络对微小型、低功耗、多参数、高性能在线检测仪器的迫切需求，围绕水质化学需氧量(chemical xygen demand，COD)、总磷、氨氮、六价铬、铅、阴离子表面活性剂(anionic surfactants，AS)和挥发酚等重要水质参数在线检测的目标，提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测系统的思想与方法；研究了基于微型光谱仪的多参数水质检测的理论与方法，突破了微小型多功能样品检测系统、在线样品化学前处理控制系统、多参数顺序检测流路系统、控制与信号处理系统、水质检测光谱信号处理等关键技术；突破了常温常压条件下实现对水质COD和总磷的高效快速消解与检测；建立了在线水质检测光谱信号处理数学模型，基于光谱检测双波长光强比值不变性，提出了光谱曲线校正系统误差处理新方法，形成了多参数水质检测仪器信号处理系统；基于光谱分析理论与方法，解决了用不同分析方法实现多参数水质在线检测的难题；采用理论与实验相结合的方法，获得了水质多参数检测的基本方法。成功研制出基于微型光谱仪的多参数水质检测仪器样机，进行了与国家标准实验室分析方法的对比测试实验，测试结果表明样机达到了多参数水质在线检测的要求。论文主要研究工作是：
　　 ①在论文研究背景的基础上，比较分析了现有多种水质检测方法的特点，面向光谱水质检测这一重要发展方向，系统而深入地研究了基于光谱分析的多参数水质检测仪器的国内外研究现状与趋势，分析总结了存在的科学技术问题，提出了基于微型光谱仪的多参数水质检测系统新思想与新结构。
　　 ②基于朗伯-比尔定律，研究了基于微型光谱仪的多参数水质检测理论与方法，针对COD、总磷、氨氮等水质参数的快速在线光谱检测，研究了高效样品化学前处理与检测方法，使COD、总磷、氨氮等水质参数样品检测的特征吸收波长均控制在光源光谱稳定的波长范围内，并且满足微型光谱仪精确测量的要求；通过对比测试实验验证了微型光谱仪检测多项水质参数的可行性，奠定了多参数水质检测系统设计的理论与方法。
　　 ③以微型可见光谱仪为核心，围绕水质检测仪器的微型化与多参数在线检测的需求，提出了基于微型光谱仪的多参数水质检测系统新结构，突破了多参数水质检测流路系统、微小型多功能样品反应检测室、光学检测系统、在线样品化学前处理控制系统、控制与信号处理系统、应用软件系统等关键技术，完成了仪器内部布局与结构设计，研制出基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测系统样机。
　　 ④研究分析了基于样品化学前处理的在线水质检测光谱信号特征，建立了光谱信号处理的数学模型，系统研究了水质检测光谱信号处理方法；基于光谱检测双波长光强比值不变性，提出了光谱曲线校正动态消除系统误差的新方法，在基于小波多分辨率噪声处理的基础上，系统研究分析了COD、总磷和氨氮等水质参数样品检测吸收光谱的多特征波长，结合多波长光谱分析方法消除了水质检测浊度背景干扰，形成了多参数水质检测仪器信号处理系统。
　　 ⑤基于朗伯-比尔定律与水质检测方法，通过实验摸索，系统研究并确定了满足COD、总磷与氨氮等水质参数准确检测要求的在线水样化学前处理控制条件，成功突破了常温常压条件下水质COD和总磷的高效快速消解与检测关键技术；展开了多参数水质检测仪器样机的自动建标测试、质控测试、准确性测试和重复性测试等实验研究，获得了仪器的关键性能参数。
　　 ⑥针对地表水质和污水排放水质在线检测，进行了多参数水质检测仪器样机与国家标准分析方法的现场同步对比测试实验，结果表明样机的检测限、灵敏度、重复性(10％)和准确度(±10％)等关键技术指标达到了国家环境保护标准HJ/T354-2007《水污染源在线监测系统验收技术规范》的要求，满足多参数水质在线检测的应用要求。
　　 最后，总结研究工作，从仪器工程化的角度分析了有待深入研究的问题。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 水质检测分析方法

1.2.2 基于光谱分析的水质检测技术

1.2.3 样品前处理光谱水质检测技术

1.2.4 水质检测仪器的微型化发展趋势

1.2.5 光谱水质检测技术存在的问题

1.3 研究目标和研究内容

1.3.1 研究目标

1.3.2 主要研究内容

1.4 本章小结

2 基于微型光谱仪的多参数水质检测理论与方法

2.1 基于光谱分析的水质检测理论与方法

2.1.1 分子吸收光谱

2.1.2 朗伯-比尔定律

2.1.3 仪器设计要求

2.2 基于微型光谱仪的多参数水质检测系统设计理论指导思想

2.3 样品化学前处理与检测方法

2.3.1 COD样品化学前处理与检测

2.3.2 总磷样品化学前处理与检测

2.3.3 其余水质参数样品化学前处理与检测

2.4 本章小结

3 多参数水质检测系统设计

3.1 多参数水质检测仪器功能要求

3.2 多参数水质检测系统结构

3.3 多功能样品反应检测室

3.3.1 功能要求

3.3.2 结构原理

3.4 流路系统

3.4.1 流路系统功能要求

3.4.2 流路系统结构

3.4.3 主流路系统测试

3.5 检测系统

3.6 控制与信号处理系统

3.6.1 系统原理

3.6.2 单片机控制系统

3.6.3 应用软件

3.7 多参数水质检测系统内部布局

3.8 本章小结

4 多参数水质检测仪光谱信号处理

4.1 多参数水质检测光谱信号特征

4.1.1 水样在线检测流程

4.1.2 在线水质检测光谱信号特征

4.1.3 水浊度对光谱信号的影响

4.2 水质检测光谱信号处理系统

4.3 系统误差处理

4.3.1 系统误差的来源与处理

4.3.2 光谱检测双波长光强比值不变性

4.3.3 光谱曲线校正

4.4 光谱信号的噪声处理

4.4.1 水质检测光谱噪声的特点与处理方法

4.4.2 基于小波多分辨率分析的光谱信号噪声处理

4.5 背景干扰的消除方法

4.5.1 多波长光谱分析法

4.5.2 双波长光谱分析法

4.5.3 三波长光谱分析法

4.5.4 基于多特征波长的背景干扰消除

4.6 水质检测光谱信号处理算法

4.7 本章小结

5 多参数水质检测仪性能测试实验

5.1 多参数水质检测仪关键性能指标

5.2 在线水样化学前处理控制条件实验

5.2.1 多参数水质检测仪器调试平台

5.2.2 基于终点法检测的控制条件

5.2.3 六价铬等5个水质参数前处理控制条件

5.2.4 COD和总磷在线检测样品前处理控制条件

5.2.5 前处理控制条件实验分析

5.3 仪器样机主要性能参数测试

5.3.1 自动建标测试

5.3.2 质控测试

5.3.3 仪器主要性能指标

5.4 本章小结

6 多参数水质检测仪对比测试实验

6.1 现场对比测试实验依据

6.2 地表水检测对比测试实验

6.3 污水排放检测对比测试

6.4 实验结论与分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 论文工作总结

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附 录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C.作者在攻读学位期间参与的科研项目