一种基于液芯波导的水质在线检测系统及检测方法

摘要

本发明涉及一种基于液芯波导的水质在线检测系统及检测方法，包括宽带光源、输入多模光纤、液芯波导管、水样流入孔、水样流出孔、输出多模光纤、光谱仪、计算机；从光源发出的光束经过输入多模光纤传输到液芯波导管，同时待测水样流过液芯波导管，对光束进行吸收，被吸收后的光束经输出多模光纤进入光谱仪中，利用光谱仪将电信号转换成数字信号输出至计算机，通过信号分析可获得表明水质的三个重要指标：水体色度、化学需氧量、有机物含量；本发明中，液芯波导管壁具有比水低的折射率，形成具有全内反射作用的波导结构，将检测光束缚在波导管内，增大了光与物质相互作用的路径长度，降低了光信号的传输损耗，提高了检测器的灵敏度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光谱分析和光电检测技术领域，尤其涉及一种基于液芯波导的水质在线检测系统及检测方法。

背景技术

水环境监测和评价是控制水污染、防止水环境退化的基本手段。

基于光谱分析技术的水质检测与传统的化学分析、电化学分析和色谱分析等方法相比，光谱分析技术具有操作简便、无化学试剂消耗、重复性好、测量精度高和检测快速的优点，能快速方便的应用于水样的在线监测。

基于光纤传感器的水质检测方法，已得到广泛应用。光纤传感器结构紧凑、检测精度与灵敏度较高，但缺点在于，探测信号受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大，且制作步骤比较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷，提供一种基于液芯波导的水质在线检测系统。由于Teflon AF折射率低于水，因此当以Teflon AF制成的管道中充满水或水溶液时，入射光可在Teflon AF与水的交界面发生全反射，将入射光束缚在波导内传播，形成液芯波导，增大了光与物质相互作用的路径长度，降低了光信号的传输损耗，提高了检测器的灵敏度。

本发明所述的基于液芯波导的水质在线检测系统，参见附图1，包括宽带光源、输入多模光纤、液芯波导管、水样流入孔、水样流出孔、输出多模光纤、光谱仪、计算机；从光源发出的光束经过输入多模光纤传输到液芯波导管，同时待测水样流过液芯波导管，对光束进行吸收，被吸收后的光束经输出多模光纤进入光谱仪中，利用光谱仪将电信号转换成数字信号输出至计算机，进行处理，通过信号分析可获得表明水质的三个摘要指标：水体色度、化学需氧量、有机物含量，利用液芯波导全发射吸收光路，增大了激发光光程及利用率，提高了检测器的灵敏度，可快速方便地检测实际水样。

本发明所述的宽带光源选用氘灯-卤钨灯作为测试光源，波长范围在 200～1100nm。

本发明所述的液芯波导管采用折射率1.29的Teflon毛细管，内径600 μm，外径960μm。传输光纤采用多模光纤，内径1000μm，外径1600μm。根据朗伯-比尔定律，在水样流通的同时通过分析其光谱变化对水质参数进行计算。

本发明所述的液芯波导管上进水孔和出水孔使用飞秒激光来制作，直径为100μm至150μm。

本发明所述的液芯波导管和传输光纤之间通过AB胶连接。

本发明所述的表明水质的三个重要指标：水体色度、化学需氧量、有机物含量，使用基于三波长透射率的水体色度测定方法，得到水体色度；通过对实际水样的光谱面积积分与邻苯二甲酸氢钾标准溶液的光谱面积积分相比较获得化学需氧量；使用最小二乘法和朗伯-比耳定律叠加原理，通过计算实际水样中各有机物的“吸光系数”，得到有机物各组分浓度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明采用液芯波导结构检测水样，相比于光纤传感器结构更加简单，容易实现，可行性高。

(2)本发明采用Teflon毛细管制作液芯波导管，采用液芯波导全发射吸收光路设计，当待测水样流过毛细管时，形成折射率外高内低的液体波导结构，使检测光信号被限制在波导内，大大减小了光损耗，提高了检测精度。

附图说明

图1是本发明的一种基于液芯波导的水质在线检测系统装置示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

参见附图1中实验装置图，测量时，从光源(1)发出的光束经过输入多模光纤(2)传输到液芯波导管(3)，同时待测水样从水样流入孔(4)进入液芯波导管 (3)，对光束进行吸收，然后从水样流出孔(5)流出，被吸收后的光束经输出多模光纤(6)进入光谱仪(7)中，利用光谱仪将电信号转换成数字信号输出至计算机(8)，进行处理，通过信号分析可获得表明水质的三个重要指标：水体色度、化学需氧量、有机物含量，可快速方便地检测实际水样。

基于三波长透射率的水体色度测定方法

(1)配制色度标准溶液，选取595nm，555nm，445nm三处作为测量水体色度的特征波长，记λ

(2)根据国标GB/T 3977-2008给出的CIE 1931标准色度学系统三刺激值X、 Y、Z的计算公式：

式中，k表示归一化系数；

色刺激函数：

式中τ(λ)表不物体的光谱透射比；S(λ)表不所采用的标准照明体的相对光谱功率分布。

设三个特征波长λ

式中，τ

以百分比的形式给出透射率，即：

T

联立以上公式得到三刺激值的近似计算公式：

X＝(0.733×T

Y＝T

Z＝1.1822×T

式中，T

(3)利用三刺激值计算水样色度的中间色差，然后与色度标准溶液建立相关性来计算最终的色度值。

①使用国家标准推荐的不同均匀颜色空间中的CIE LAB色差公式，直接代入三刺激值计算色度标准溶液相对于试剂水的色差值；

②利用公式计算校正因子F，

式中C

③对②中数据结果进行曲线拟合，得到线性拟合曲线。为了便于计算水样的色度值，将基于国标色差公式的工作曲线表示成

形式，得到以下结果：

由上式即可得到水体色度C。

化学需氧量测定方法

(1)配制邻苯二甲酸氢钾溶液：取适量邻苯二甲酸氢钾置于干燥箱中，将温度设置为105℃干燥2h。取干燥后的邻苯二甲酸氢0.4251g溶于纯水，在1000mL 容量瓶中，稀释至刻度线，摇匀。则配制原液的理论化学需氧量值为500mg/L。

(2)使用本发明搭建的基于液芯波导的水质检测系统测量邻苯二甲酸氢钾标准溶液在200-400nm紫外波段的吸收光谱。

(3)使用面积积分法测量邻苯二甲酸氢钾标准溶液的化学需氧量。将邻苯二甲酸氢钾标准溶液的紫外吸收光谱的面积积分作为自变量，记为x，将标准溶液的化学需氧量值作为因变量，记为y，利用最小二乘法对x、y进行线性拟合，建立其标准校准曲线。

(4)将实际水样的光谱面积积分与邻苯二甲酸氢钾标准溶液的光谱面积积分相比较，获得实际水样化学需氧量.

有机物含量的分析

(1)用本发明搭建的基于液芯波导的水质检测系统测量实际水样在紫外波段的吸收光谱，对混合有机物苯、二甲苯、氯苯、硝基苯进行多组分分析。

(2)利用最小二乘法对实际水样进行多组分分析。

①A表示吸光度，V表示体积浓度，α表示“吸收系数”，根据朗伯-比耳定律叠加原理，实际水样在第j个特征波长下的吸光度可以表示成：

A

公式中，V

②选用特征波长250nm、225nm、260nm、265nm、270nm对实际水样进行多组分分析，即j＝5。得到一组线性方程组

{A

③用标准曲线法求“吸光系数”。

以求解其中一种有机物的“吸光系数”为例，通过测量其不同浓度的吸收光谱，以体积浓度为自变量，以各自特征波长处的吸光度值为因变量，进行曲线拟合，所得拟合直线的斜率即为该有机物在相应的特征波长处的“吸光系数”。其余有机物“吸光系数”的求解方法也采用标准曲线法。

④将计算得到的α代入公式

V＝(α

中，计算得到混合溶液中各组分的浓度。