UV全光谱法在线水质测量仪的技术研究与实现

摘要

随着水污染的日益加剧，不但要检测的水质指标越来越多，而且对水质分析仪的性能提出了更高的要求。传统的化学法分析速度慢、操作复杂、稳定性差、维护费用高，特别是对附加药品依赖使其存在二次污染。UV(Ultraviolet，紫外光)光谱水质分析仪效率高、分析速度快、检测参数多，无需化学药品，避免了二次污染，系统维护几乎为“零”。目前市场上的UV水质分析仪表基本是单波长或双波长法，且进口仪表占据了70％以上，UV光谱水质分析仪表国内几乎没有生产，急需其国产化。 本课题设计了一款以平场凹面全息光栅和MOS图像探测器作光谱传感器，以DSP为处理控制中心的UV全光谱法水质分析仪，并进行了兼容测量多个水质参数的探索研究，论文主要工作如下： 1．分析了目前水质检测现状，介绍了水质COD检测的两种主要方法(化学法和物理法)的原理，并讨论了各个方法的优缺点。从理论上深入分析了紫外光谱法的原理和测量技术。重点剖析了目前最先进的几家外国公司的UV光谱水质分析仪器的关键技术。 2．完成了传感器和主控制器的构架，并完成了各模块的电路原理图设计和器件选型。传感器全固化设计，提高了系统的稳定性。仪器一次扫描即可得到全波段光谱图。 3．通过具体的实验研究，选取了吸光度图谱的研究波段为250nm～350nm。用Matlab神经网络工具箱中的L—MBP算法对12种邻苯二甲酸氢钾溶液的吸光度数据进行建模处理，得到了比较好的COD预测效果，并跟最小二乘法进行了对比研究。但对实际测量水质测量时，存在较大的误差，有待进一步研究。 4．分析了UV法测量COD中产生误差的诸多干扰因素。重点对温度影响做了实验分析，通过对O℃～50℃内吸光度的变化研究，得出了温度和COD值之间的关系，由于采用实验方法科学得当，得到了相当小的误差(2％＜)。 5．对本系统兼容测量多种水质参数作了初步的探索研究，重点通过实验研究了氨氮的测量方法，为以后兼容测量多参数包括气体参数打好了基础。

目录

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声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1水质测量的重要意义

1.1.2化学需氧量

1.2 COD测量方法

1.3课题研究内容

第二章 UV法测量COD简介

2.1 UV法测量COD原理

2.1.1分子吸收光谱的产生机理

2.1.2光吸收定律

2.1.3有机物的吸收特性

2.2 UV法测量COD技术

2.2.1单波长(254nm)吸光度检测法

2.2.2双波长检测法

2.2.3 UV全光谱法

2.3国内外研究现状

2.4本章小结

第三章 光路设计

3.1光路总体构架

3.2光源

3.3驱动电源

3.4吸收池

3.5光栅

3.6检测器

3.6.1电荷耦合器(CCD)

3.6.2电荷注入器件(CID)

3.6.3图像传感器MOS(MOS Image Sensor)

3.6.4 Hamamatsu公司MOS检测器

3.7 MOS检测器外围电路

3.8本章小结

第四章 主控制器电路设计

4.1硬件总体构架

4.2 DSP_TMS320F2812

4.3显示器及键盘

4.4通讯系统

4.4.1 RS232通讯

4.4.2 RS485通讯

4.4.3 USB通讯

4.5电源设计

4.5.1 12VDC电源设计

4.5.2 5V、3.3V和1.8VDC电源设计

4.6 PWM电流输出

4.7实时时钟

4.8 SRAM

4.9本章小结

第五章 COD测量实验及数据处理

5.1主要实验试剂和仪器

5.2实验步骤

5.3实验数据选择

5.4神经网路

5.4.1 BP神经网络

5.4.2 LM-BP神经网络

5.5实验数据处理

5.5.1网络结构设计

5.5.2网络训练

5.5.3一元线性回归拟合

5.6实际水质COD测量

5.7本章小结

第六章误差分析和兼容多参数的探索

6.1干扰因素

6.2温度干扰研究

6.2.1实验方法

6.2.2数据处理

6.3浊度

6.4干扰离子和个别有机物特性

6.5兼容测量多参数的研究

6.5.1多参数兼容的重要性和可行性

6.5.2兼容测量氨氮的研究

6.6本章小结

第七章总结与展望

7.1总结

7.2改进和展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果