应用多光谱传感器的水质测量装置及测量方法与流程

1.本发明属于水质检测领域，尤其涉及一种基于多光谱传感器水质测量装置及其测量方 法。


背景技术：

2.近年来，工农业的快速发展和生活废弃物的排放造成了严重的环境污染，使地表和地下 水源遭到破坏，水质污染情况日益严重。因此，开发和研究新的测量方法和测量仪器用于水 中污染物质种类和浓度的检测非常有必要。
3.水质检测的主要方法有电化学分析、色谱分析、光学分析(如分光光度法、荧光分析法 和原子吸收光谱法)等。电化学分析法操作简单、精度高，但电极寿命短，检测成本较高。 色谱分析法准确性和灵敏度较高，能够分析有机污染物，但仪器价格较贵，进口仪器15
‑
45 万元，国产仪器5
‑
15万元，还需要专业技术人员操作。分光光度法因具有速度快、检测参 数多、成本低等优点被广泛使用，该方法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围 内光的吸光度，对物质进行定性或定量分析的方法，避免了测量过程中其它颜色的干扰，主 要用于实验室和检测机构。
4.通常，基于光电检测的光学仪器，需要设计光电接收单元、模数转换电路和放大电路， 一般不能实现多波长测量，因此，目前利用多波长的水质检测仪器少之又少。美国的哈希公 司生产的水质检测仪可以实现多个指定波长测量，但仪器昂贵，尤其是配套的耗材价格很高， 必须要专业人员操作。另外，可见光分光光度计，在光源方面，使用卤素灯或钨灯作为光源， 需要手动调节光栅产生特定波长，因此，一般也多用于实验室或者检测机构。
5.由此以上原因，目前急需一款价格低、操作简单、便携式使用且可工厂化操作，适用范 围广的水质检测仪器。


技术实现要素：

6.本发明针对现有多参数水质检测仪器价格高昂、操作复杂、对操作人员要求高、无法普 遍使用的问题，提供了一种价格低、操作简单、便携式使用且可工厂化操作，适用范围广的 基于多光谱传感器的水质测量装置及其测量方法。
7.本发明提供的基础方案为：
8.多光谱传感器在水质检测仪器上的应用。
9.进一步，多光谱传感器具有6个可见光通道。
10.进一步，多光谱传感器的型号为as7262。
11.进一步，多光谱传感器的光源为色温5700k led灯。
12.现有的便携式水质检测仪器通常不能实现多波长的测量，即使有美国生产的水质检测仪 可以实现，但是价格昂贵，对专业人员的要求高，无法普遍使用，在此基础上，发明人在研 究水质检测仪的过程中，发现了一种多光谱传感器，价格较低，集成6个测量通道；发明人 将此多光谱传感器代替分光光度法实现水质检测，能够实现多波长的光谱测量，结
合色温 5700k led，具有寿命长、低功耗、效率高等特点。在使用多光谱传感器取代分光光度计用 于物质的测量方面，为水域中污染物质的实地检测提供了重要参考价值。
13.发明人选取氨氮(ammonia nitrogen)、硫化物(sulfide)、溶解氧(dissolved oxygen)、亚硝氮(nitratenitrogen)和铁(iron)进行水质测量，用于检测和分析水中污染物的组成、性质和含量，并对比分 光光度法，验证本发明多光谱传感器在水质检测仪器上的应用可行性。经过实验证明，用本 发明多光谱传感器在水质检测仪器上应用的水质检测仪与分光光度计测量的结果显示，利用 本发明的水质检测仪，光强度曲线拟合系数大于0.9，拟合系数较好，对比两种方法的吸光 度，总体趋势一致，并比较单波长和多波长的拟合系数，得出单波长由于溶液吸收互补光能 力比多波长强，由检出限结果可知，本发明的多光谱传感器的水质检测仪准确性较高，通过 t检验得出与分光光度法并无太大差异，且成本较低、便于现场测量。可以快速高效的测量 上述水中物质含量，并可用于水中其它污染物的检测。集合了低价格、操作简单、效率高， 使用范围广，专业要求低等众多特点，为需要现场测量，广泛使用的水质检测用户带来了福 音。
14.在多光谱传感器在水质检测仪上的应用基础之上，发明人将其转化为水质测量装置，包 括多光谱传感器、光源和上位机，上位机通过ttl串口和光谱传感器通信。
15.进一步，多光谱传感器具有6个可见光通道，每个通道具有40nm fwhm。
16.进一步，多光谱传感器包含一个led驱动电路。
17.进一步，测量的六个波长光强度为：450nm、500nm、550nm、570nm、600nm和650nm。
18.水质测量装置，包括as7262多光谱传感器、光源和上位机组成。上位机通过usb转 ttl串口和光谱传感器通信，并通过usb为多光谱传感器供电。as7262芯片集成6个可见 光通道，通过不同波长的硅干涉滤光片实现通道分离。能测量光源通过溶液后六个波长 (450nm、500nm、550nm、570nm、600nm和650nm)的光强度，每个通道具有40nm fwhm。 as7262光谱传感器的ttluart接口可以即插即用，as7262光谱传感器包含一个led驱 动电路，通过编程设定led工作电流：1、2、4、8、12.5、25、50、100ma，通过单芯片就 能实现光源控制和光谱检测，简化了仪器设计；操作简单，可广泛使用。
19.此外，在采用多光谱传感器的水质检测装置上，水质检测的测量方法，是采用多波长测 量溶液光强，计算吸光度，通过对比得到最佳吸收波长。
附图说明
20.图1为本发明的利用多光谱传感器的水质检测装置示意图；
21.图2为本发明的利用多光谱传感器的水质检测装置的软件设计界面；
22.图3为本发明水质检测装置水质检测实验结果的溶液吸光度与浓度标准曲线；
23.图4为本发明水质检测装置与分光光度计测量的水质检测的吸光度对比曲线图；
24.图5为本发明多光谱传感器得到的氨氮、硫化物、溶解氧、亚硝氮和铁标准曲线图；
25.图6为图1中as7262多光谱传感器的示意图。
具体实施方式
26.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
27.附图中：多光谱传感器1、光源2、上位机3、稳压部分4、as7262多光谱传感器5、 led
接口6、 5v和串口7、比色皿8。
28.多光谱传感器在水质检测仪器上的应用，多光谱传感器1选用型号as7262多光谱传感 器5，as7262多光谱传感器5包括稳压部分4、led接口6和 5v和串口7，价格较低，价 格20多元，集成6个可见光测量通道和led电流控制电路，实现多波长的光谱测量，结合 色温5700k led，取代分光光度计用于物质的测量，用于水域中污染物质的实地检测。
29.一、水质检测仪装置：
30.如图1、图6所示，包括as7262多光谱传感器1、光源2和上位机3(嵌入式系统)，上 位机3通过usb转ttl串口和光谱传感器1通信。as7262多光谱传感器1集成6个可见 光通道，通过不同波长的硅干涉滤光片实现通道分离，测量的六个波长(450nm、500nm、 550nm、570nm、600nm和650nm)的光强度，每个通道具有40nm fwhm。as7262多光谱 传感器1的ttl uart接口可以即插即用，多光谱传感器1包含一个led驱动电路，通过 编程设定led工作电流：1、2、4、8、12.5、25、50、100ma，通过单芯片就能实现光源2 控制和光谱检测。
31.二、软件设计：
32.软件界面如图2所示：使用上位机的串口，波特率为115200b，通过下拉框设定led 工作电流。“open”打开串口，on和off按钮测试led是否正常工作。按下“read data
”ꢀ
按钮，led点亮，3s后读取并波长数据记录到“wavelength data”中。点击“save as blank
”ꢀ
保存空白溶液数据，“calculated absorbance”按钮自动计算各个波长的吸光度，并根据最佳 波长带入标准曲线计算测量结果，选择“items”中的项目可以绘制对应的拟合曲线。
33.三、水质检测实验方法：
34.选取氨氮(ammonia nitrogen)、硫化物(sulfide)、溶解氧(dissolved oxygen)、亚硝 氮(nitrate nitrogen)和铁(iron)进行测量，用于检测和分析水中污染物的组成、性质和含 量，并对比分光光度法，验证多光谱传感器应用物质测量的可行性。以上的物质的检测都是 水质检测中常见的测量指标，例如水环境中过量的氨氮会造成水体中溶解氧浓度低，对水生 生物的生存造成影响会引起鱼类窒息死亡；硫化物易于从水中溢出，气味恶臭，严重污染大 气，危害人体健康；硝酸盐是一种地下水污染物，浓度过高会导致人体健康危害，如高铁血 红蛋白血症和亚硝胺化合物的形成；铁作为重金属，是人体必须的微量元素，当水中的铁离 子过量时会对人体器官产生损害。
35.四、水质检测的原理：
36.当一束光线通过溶液时被溶液吸收和散射后，透过的光强变弱，透过光强与溶液的浓度 有关。溶液颜色的深浅，决定了溶液吸收光的量的多少，溶液呈现不同的颜色由溶液中的质 点(离子或分子)对不同波长的光具有选择性吸收引起，即溶液呈现透射光的颜色是吸收光的 互补色的颜色，本实验将色温为5700k led发出的光通过样品溶液，测量6个波长下样品 溶液对光的吸收程度，根据朗伯
‑
比尔定律
[0037][0038]
其中a为吸光度，是衡量光被溶液吸收的一个物理量。t为透射比，是透射光强度(i
t
) 比入射光强度(i0)。ε为摩尔吸光系数是指浓度c＝1mol/l，比色皿8厚度b为1cm，吸光物 质的溶液在某一波长下的吸光度。吸光度误差与光强的关系为：
[0039][0040]
五、水质检测的方法：
[0041]
采用多波长测量溶液光强，计算吸光度，通过对比得到最佳吸收波长。由朗伯
‑
比尔定 律可以推出(3)，然后对式(3)作一次微分处理得到式(4)，式中i和ε是波长的函数，i的一阶导数值(灵敏度)和浓度成线性关系，灵敏度决定于 摩尔吸光系数对波长的变化率。对式(3)作二次微分处理得到
[0042][0043]
从公式(5)可知，i的二阶导数值与浓度成线性关系，同理，三次、四次微分依次为
[0044][0045][0046]
从式(6)(7)可知，对三阶导数，时，i的三阶导数值与浓度成正比；对四阶导数， 则必须满足和两个条件，才能使四阶导数与浓度成正比。利用导数光谱根据 标准曲线回归方程可用于定量测定物质含量。
[0047]
六、溶液配制和显色结果
[0048]
实验试剂均购买或按国际标准或相应的标准配制，纯度为分析纯，实验水为蒸馏水。本 实验采用721g可见分光光度计进行对比验证。
[0049]
氨氮标准溶液配制：如图1所示，首先分别取10μg/ml的氨氮标准工作液1ml、2.5ml、 5ml、7.5ml、10ml于50ml比色皿8中，然后加入蒸馏水至刻度线，依次加入酒石酸钾溶液 1ml、纳氏试剂1ml，并设置空白对照，摇匀并静置10min。该实验氨氮和纳氏试剂反应生成 黄棕色胶态化合物，酒石酸钾作为掩蔽剂。
[0050]
硫化物标准溶液配制：首先分别取10μg/ml硫化物工作液0.5ml、1ml、2ml、3ml、4ml、 5ml于50ml比色皿中，并设置空白对照，分别再加入乙酸锌
‑
乙酸钠10ml，对氨基二甲基苯 胺溶液2ml，硫酸铁铵溶液1ml，最后加入蒸馏水至刻度线，摇匀静置10min。在含高铁离 子的酸性溶液中，硫离子与对氨基二甲基苯胺反应，生成蓝色络合物亚甲蓝。
[0051]
测定水中溶解氧的国标方法是碘量法,但碘量法的缺点是硫代硫酸钠溶液每次都需要重 新标定。通过观察发现，水中溶解氧通过碘溶液加浓硫酸溶解后，溶解氧的含量与溶液的黄 色深浅(碘的含量)有关。用分光光度法也是测定溶解氧的标准方法，根据化学方程式中氧与 碘的化学计量之比为1:2来确定不同浓度碘溶液所对应氧的浓度。
[0052]
溶解氧标准溶液配制：先取0.005mol/l碘标准溶液1ml、2ml、3ml、4ml、5ml、6ml于 50ml比色皿中，设置空白对照，然后加入1ml0.5mol/l硫酸锰，加入蒸馏水至刻度线摇匀静 置10min。碘和硫酸锰反应生成黄色化合物。
[0053]
分光光度法是测定亚硝氮常用的方法：亚硝氮与对
‑
氨基苯磺酰胺反应生成重氮盐，再 与n
‑
(1
‑
萘基)
‑
乙二胺耦合形成粉色化合物。显色剂的配制是在500ml烧杯内置入250ml 的水和50ml磷酸(85％)，加入20g对
‑
氨基苯磺酰胺，再将1gn
‑
(1
‑
奈基)
‑
乙二胺二盐酸盐， 转移至500ml容量瓶，用水稀释至标线，摇匀。然后分别取1μg/ml亚硝氮标准溶液1ml、 3ml、5ml、7ml、9ml、10ml于50ml比色皿中，加入1ml显色剂，再加入蒸馏水至刻度线摇 匀静置10min。
[0054]
铁标准溶液配制：分别取10μg/ml铁工作液1ml、2ml、4ml、6ml、8ml、10ml于50ml 比色皿中，再加入1ml10％盐酸羟胺、2ml0.1％邻二氮菲、5mlph＝5的醋酸
‑
醋酸钠缓冲液， 最后加入蒸馏水至刻度线，摇匀静置10min后使用。fe
2
离子酸性条件下，能与邻菲罗琳反 应生成桔红色络合物。
[0055]
七、实验结果和分析
[0056]
1、吸光度和拟合结果
[0057]
利用拟合软件对氨氮、硫化物、溶解氧、亚硝氮和铁溶液测得的吸光度进行拟合对比， 吸光度拟合曲线如图3所示。
[0058]
该方法中氨氮在450nm波长下吸光度最佳，拟合系数好，达到0.997，如图3中的氨氮
ꢀ‑
450nm(a)所示；硫化物在650nm波长下吸光度最佳，拟合系数为0.973，如图3中的硫化物
ꢀ‑
650nm(b)所示；溶解氧在450nm波长下吸光度最佳，拟合系数为0.993，如图3中的溶解 氧
‑
450nm(c)所示；亚硝氮在550nm波长下吸光度最佳，拟合系数为0.988，如图3中的亚硝 氮
‑
550nm(d)所示；铁在500nm波长下吸光度最佳，拟合系数为0.996，如图3中的铁
‑
500nm (e)所示。
[0059]
2、与分光光度法对比结果
[0060]
用分光光度计测量氨氮、硫化物、溶解氧、铁、亚硝氮样品(未含空白)的吸光度值。然 后和多光谱传感器测量的吸光度值进行对比，结果如图4所示。
[0061]
根据曲线图可以看出两者吸光度总体趋势一致，其中硫化物的吸光度曲线与用光谱传感 器测量的吸光度曲线非常接近。本方法测得的吸光度值总体略低于分光光度计测得的吸光度 值。
[0062]
3、基于光强测量及拟合结果
[0063]
通过测定不同浓度溶液的光强度，分别拟合得到各溶液浓度与光强度的标准曲线，如图 5所示。氨氮、硫化物、溶解氧、亚硝氮、铁在多光谱传感器中最佳吸收波长分别是450nm、 650nm、450nm、550nm、500nm。
[0064]
表1是氨氮、硫化物、溶解氧、亚硝氮、铁标准曲线的参数和相关系数。其中氨氮和溶 解氧的拟合系数达到0.99以上，硫化物、亚硝氮和铁的拟合系数大于0.9，总体拟合系数r2都接近1。
[0065][0066]
表1标准曲线参数和相关系数
[0067]
4、方法准确度和验证实验
[0068]
1)方法的准确度：
[0069]
为了检测该方法的稳定和灵敏度，本方法测定了每种物质20次空白水样的光强度，s
b
是空白平行测定的标准偏差，cod是检出限(＝3s
b
/a，a是标准曲线斜率)，如表2所示，本 文方法检出限结果较低，其准确度越高。
[0070]
项目s
b
cod氨氮0.710.0108硫化物3.30.0285溶解氧12.30.684亚硝氮0.380.000647铁0.340.00450
[0071]
表2标准偏差和检出限
[0072]
2)验证实验
[0073]
为了验证多光谱传感器的实用性。用spss对多光谱传感器和721g可见光分光光度计 测量的实际水样进行分析。水样取自附近水域和自来水。实验结果用平均值和标准差表示， 如表3所示。通过配对样本t检验，两种方法无显著差异，这表示本方法可以代替传统分光 光度法用于水质检测。
[0074] 氨氮硫化物溶解氧亚硝氮铁本方法0.174 0.1140.0811 0.0900.1273 0.0350.1568 0.0350.1274 0.089分光光度法0.197 0.1350.0904 0.0980.1397 0.0440.1860 0.0600.1434 0.101t
‑
2.231
‑
2.305
‑
2.707
‑
2.406
‑
2.677pp>0.05p>0.05p>0.05p>0.05p>0.05
[0075]
表3和分光光度法对比测量结果分析(平均值和标准差)
[0076]
由此可见：本发明的利用多光谱传感器的水质检测装置，摆脱波长设置和复杂的分光设 计，根据实验制作合适的测量装置和软件，利用该装置测量各物质光强度，用设计的软件计 算出吸光度，并拟合标准曲线图，与分光光度度计测量结果进行分析。结果显示，光强度曲 线拟合系数大于0.9，拟合系数较好，对比两种方法的吸光度，总体趋势一致。由检出限结 果可知，多光谱传感器准确性较高，通过t检验得出与分光光度法并无太大差异，且成本较 低、便于现场测量。本方法可以快速高效的测量上述水中物质含量，并可用于水中其它污染 物的检测。本发明基于多光谱传感器器结合数据数据处理技术，研究了一种应
用多光谱传感 器检测水中污染物的水质检测装置及其检测方法，使用多光谱传感器结合显色反应测定物质 吸光度，并绘制吸光度与浓度的曲线，建立了溶液吸光度测量系统，以代替分光光度法。
[0077]
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描 述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术 知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力， 所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些 典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。
[0078]
应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以做出若 干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专 利的实用性。
[0079]
本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载 可以用于解释权利要求的内容。