专利名称：一种水质检测传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水质检测传感器，尤其是一种用于水中的藻类和有色可溶性有 机物检测的传感器。
背景技术：
湖泊是人类最重要的水资源之一，在湖泊周围也是我国人口和工业聚集区。因为 人类活动的影响，今年湖泊的富营养化日趋严重，大中型湖泊太湖、巢湖、滇池、洞庭湖、洪 泽湖、白洋淀等资源属性受到威胁。富营养化的直接后果就是蓝藻水华的发生，2008年太湖 爆发的蓝藻水华严重影响了周边居民的正常生活。如何在蓝藻水华爆发前进行准确的预警 变得非常重要。对水中蓝藻含量进行连续监测是切实可行的途径。目前对蓝藻的监测都是检测蓝藻浓度，其技术为1)利用蓝藻中的藻蓝蛋白对 特定波长的光的吸收特性进行吸收度测量以确定蓝藻含量，定量分析依据为朗伯_比尔定 律，我们简称之为吸收法，如图1，包括照射光源1，样品池2，光接收器3，照射光束4，透射光 束5，所述样品池2与光接收器3连接。2)利用藻蓝蛋白在吸收光照之后受激发射的特定 波长的荧光，根据检测到的荧光量的大小来确定蓝藻含量，简称为荧光法。藻蓝蛋白的激发 波长峰值在621nm，而发射波长的峰值在646nm，现有技术中大多是用这个波段的光源进行 照射。图2给出了荧光法的示意图，包括照射光源1，样品池2，收集透镜6，光电探测器7， 照射光束8，荧光光束9，所述光电探测器7上方放置收集透镜6，收集透镜6放置在样品池 2下方。在以往的技术中虽然可以有效的对湖水中的蓝藻浓度进行监测，然而却无法对引 起蓝藻水华的真正原因——湖水的富营养度进行监测，无法对蓝藻的成因进行有效控制， 以预防其大面积爆发。

发明内容
本发明的目的是克服传统的蓝藻检测仪器的缺陷，提供一种水质检测传感器，在 检测蓝藻浓度的同时检测蓝藻爆发的主要原因——水的富营养度进行检测，以达到提前预 防蓝藻爆发的目的。按照本发明提供的技术方案，一种水质检测传感器，包括第一照射光源、样品池、 第一光电探测器，特征是还包括第二照射光源、第一准直透镜、第二准直透镜、二向色分光 镜、控制模块、第二光电探测器、聚焦透镜、光学滤波器及信号采集与处理模块；所述第一 照射光源和第一准直透镜放在第一镜筒内；第一照射光源设置在第一准直透镜左边，所述 第二照射光源和第二准直透镜放在第二镜筒内，所述二向色分光镜放在一个分色立方体座 中，二向色分光镜设置在第二准直透镜上方，所述第二准直透镜下方设置第二照射光源，所 述第一照射光源及第二照射光源分别与控制模块连接，由控制模块驱动；所述样品池放置 在样品池座内；第一光电探测器放在第一探测器座内；聚焦透镜置于一个透镜座内；样品 池设置在第一光电探测器与二向色分光镜之间，在垂直于照射光的方向设置聚焦透镜，第二光电探测器放在第二探测器座内，沿着聚焦透镜的光轴方向放置；光学滤波器放置在滤 色片座内，滤色片座位于第二探测器座和透镜座之间；透过聚焦透镜的荧光进入第二光电 探测器，所述光学滤波器位于第二光电探测器进光口 ；第一光电探测器和第二光电探测器 的信号输出端连接信号采集与处理模块；上述分色立方体座、第二探测器座均固定在传感 器底板上。所述两种不同波长的第一照射光源、第二照射光源发出的光束分别通过第一准直 透镜、第二准直透镜照射在二向色分光镜上，再通过二向色分光镜照射透明样品池内，第一 光电探测器接收水样透射光的强度，用来测量水样的吸收率；第一光电探测器和第二光电 探测器的信号输出端连接信号采集与处理模块，所述信号采集与处理模块计算出水样的有 色可溶性有机物含量以及藻蓝蛋白含量。可以将传感器密封在不透明罩壳内，则所述光学滤波器可包括第一长通滤色片和 第二长通滤色片，第一长通滤色片置于第二光电探测器进光口，第二长通滤色片只在藻蓝 蛋白测量时放置在第二光电探测器进光口 ；由所述控制模块控制将同一个水样的有色可溶 性有机物检测和藻蓝蛋白的检测分时进行；第二长通滤色片连接电机，电机的控制端连接 所述控制模块，第二长通滤色片进入光路和移出光路，由控制模块根据测量时序控制电机 来实现。第一长通滤色片的光谱特性为波长大于400nm的光透过率大于80%，波长小于 355nm的光透过率小于0. 01% ；第二长通滤色片的光谱特性为波长大于640nm的光透过率 大于80%，波长小于620nm的光透过率小于0. 01%。也可以只在所述第二光电探测器前面设置第一长通滤色片。所述第一长通滤色片 让波长大于400nm的光透过，让波长等于第一照射光源的光截止；第二长通滤色片让波长 大于640nm的光透过，让波长等于第二照射光源的光截止。所述第一照射光源、第二照射光源分别发出红光和紫外光。所述第一照射光源、第二照射光源分别采用发光二极管。所述第一光电探测器和第二光电探测器分别采用光电二极管或光电倍增管探测。本发明的优点是
1. 在一次测量过程中，同时检测出蓝藻浓度和CDOM浓度，能够对水质的富营养度进 行预警，提前预防蓝藻水华的爆发。2. 用单一探测器实现蓝藻荧光的探测和CDOM荧光的探测，节约了成本和尺寸 空间。


图1是现有透射法原理图。
图2是现有荧光法原理图。
图3是本发明结构示意图。
图4是实施例1结构示意图。
图5是实施例1的光谱曲线。
图6是实施例2结构示意图。
图7是实施例2滤色片的光谱特性曲线。
图8是本发明整体结构立体示意图。
具体实施例方式水体中高浓度的氮、磷等营养元素是导致湖水富营养化和蓝藻爆发的主要因子。 有色可溶性有机物(CDOM)存在于所有水体中，又称黄质。它是溶解性有机物库的重要组成 部分。由腐殖酸，芳烃聚合物等一系列物质组成，主要是土壤和水生植物降解的产物，在内 陆水体和海湾沿岸CDOM以河流陆源排放为主，在远海CDOM浓度非常低，其来源主要是海水 中低等植物残体腐烂降解后形成。由于有色可溶性有机物(⑶0M)中含有丰富的碳、氮、磷等湖泊生源要素，在湖泊各 种物理，化学和生物以及藻类暴发过程中都扮演了重要的角色。CDOM吸收了紫外辐射后发 生光化学降解，释放碳磷等元素参与营养盐的循环，是湖水富营养化的重要驱动因子。本发明是在检测蓝藻浓度的同时检测水中的有色可溶性有机物浓度，以达到对湖 水富营养化的检测和对蓝藻爆发的预警。本发明采用荧光法，用两种(或以上)不同的波长的光源对同一份样品进行检测， 同时输出⑶OM浓度以及蓝藻浓度，如图3所示。如图3所示，包括第一照射光源1、第二照射光源12、样品池2、第一准直透镜10、 第二准直透镜11、二向色分光镜13、控制模块14、第一光电探测器7、第二光电探测器17、聚 焦透镜15、光学滤波器16及信号采集与处理模块18。本发明中第一照射光源1、第二照射光源12采用发光二极管。第一照射光源1设 置在第一准直透镜10左边，二向色分光镜13设置在第二准直透镜11上方，第二准直透镜 11下方设置第二照射光源12，所述第一照射光源1及第二照射光源12分别与控制模块14 连接，由控制模块14驱动，样品池2设置在第一光电探测器7与二向色分光镜13之间，在 垂直于照射光的方向设置聚焦透镜15，所述聚焦透镜15下方设置光学滤波器16，所述光学 滤波器16位于第二光电探测器17进光口 ；第一光电探测器7和第二光电探测器17的信号 输出端连接信号采集与处理模块18。所述信号采集与处理模块18计算出水样的有色可溶 性有机物含量以及藻蓝蛋白含量。如图8所示。所述第一照射光源1和第一准直透镜10放在第一镜筒100内；所述 第二照射光源12和第二准直透镜11放在第二镜筒90内，镜筒的末端为外螺纹；所述二向 色分光镜13放在一个分色立方体座30中，分色立方体座30为一个T字通孔，T孔的左端 和下端为内螺纹，分别和第一镜筒以及第二镜筒连接，T孔的右端为出光孔。所述样品池2 为一个石英制的透明立方体池，放置在样品池座40内；第一光电探测器7放在第一探测器 座50内；聚焦透镜15置于一个透镜座60内，透镜光轴方向和照射光传播方向成90度角； 第二光电探测器17放在第二探测器座80内，沿着聚焦透镜15的光轴方向放置；光学滤波 器(滤色片)16放置在滤色片座70内，滤色片座位于第二探测器座和透镜座之间。上述分 色立方体座30、第二探测器座80均固定在传感器底板20上。透镜座60相对于底板可以做 三维平动调节。滤色片座70根据具体实现方案可以相对于底板可以做一维平动调节或者 旋转调节，将光学滤波器(滤色片)16移入或者移出光路；或者固定于底板20上，图8给出 的是固定方式。第一探测器座50可以在底板上做二维平动调节以对准光路。样品池座可 以在底板上做一维平动调节，目的是将样品准确放置在光路中心。
CDOM在紫外波段的激发效果较好，并且波长越短荧光越强。而藻蓝蛋白的激发波 长峰值为621nm，发射峰值在646nm。本发明用两种波长作为光源，一种是用来激发CDOM的 紫外发光二极管(LED)，一种是用来激发藻蓝蛋白的红色发光二极管，通过一个二向色分光 镜13 (dichroic mirror)将两束光合在一起，对样品池中的待测湖水样品进行照射。为了 消除干扰和便于接收透射光和荧光，在照射到样品池之前用第一准直透镜10、第二准直透 镜11分别将光束准直。第一光电探测器7用来接收透射光的强度，用来测量吸收率，并采用朗伯_比尔定 律定量测定样品在特定波长的吸收率。在垂直于照射光的方向用一个大数值孔径的透镜将侧向的荧光收集到第二光电 探测器17中。为了消除杂光、照射光以及散射光的干扰，在进入探测器之前由光学滤波器 16激发光以及杂光滤掉、将有用的荧光通过，这样可以得到更好的信噪比。在进行CDOM检 测的时候由于荧光的波长在大于400nm范围内，因此光谱通带在大于400nm的长通；在进行 藻蓝蛋白检测的时候要求大于640nm通过并且将620nm士20nm范围内的波长截止。要求滤 波器的光谱带宽既符合CDOM的反射光谱又符合藻蓝蛋白的光谱带宽要求，实施例中将给 出一些实现方法。第一光电探测器7、第二光电探测器17采用光电二极管或光电倍增管探测，其输 出连接信号采集与处理模块18。第一光电探测器7、第二光电探测器17的信号传输到信号 采集与处理模块18，在此模块中计算出的待测样本的CDOM含量以及藻蓝蛋白含量，进行数 据分析、存贮以及报警处理。实施例1。如图4所示，包括第一照射光源1、第二照射光源12、样品池2、第一准直透镜10、 第二准直透镜11、二向色分光镜13、控制模块14、第一光电探测器7、第二光电探测器17、聚 焦透镜15、光学滤波器16、第一长通滤色片16-1、第二长通滤色片16-2、信号采集与处理模 块18及电机19。本发明中第一照射光源1、第二照射光源12分别采用发光二极管。所述光学滤波器16包括一个400nm第一长通滤色片16-1和一个640nm第二长通 滤色片16-2，400nm第一长通滤色片16_1置于第二光电探测器17进光口，640nm第二长通 滤色片16-2只在藻蓝蛋白测量时放置在第二光电探测器17进光口 ；由所述控制模块14控 制将同一个水样的有色可溶性有机物检测和藻蓝蛋白的检测分时进行；640nm第二长通滤 色片16-2连接电机19，电机19的控制端连接所述控制模块14，640nm第二长通滤色片16_2 进入光路和移出光路，由控制模块14根据测量时序控制电机19来实现。为了实现同一个探测器探测两种不同光谱带宽的荧光，将同一个样本的CDOM检 测和藻蓝蛋白的检测分时进行，由控制模块14决定。光学滤波器16由两个长通滤色片组 成，其光谱特性如图5所示，a是CDOM探测时的第一长通滤色片16-1光谱特性波长大于 400nm的光透过率大于80%，波长小于355nm的光透过率小于0. 01%。b是藻蓝蛋白检测时 的第二长通滤色片16-2光谱特性波长大于640nm的光透过率大于80%，波长小于620nm的 光透过率小于0. 01%。400nm第一长通滤色片16_1常置于探测器17前，无论⑶OM荧光或 者藻蓝蛋白荧光都可以通过，而640nm第二长通滤色片16_2只在藻蓝蛋白测量的时候会放 置在探测器17前。第二长通滤色片16-2连接电机19，电机19的控制端连接控制模块14，第二长通滤色片16-2的进入光路和移出光路，由控制模块14根据测量时序(CDOM测量还 是藻蓝蛋白测量)控制电机19来实现。实施例2。 如图6所示，包括第一照射光源1、第二照射光源12、样品池2、第一准直透镜10、 第二准直透镜11、二向色分光镜13、控制模块14、第一光电探测器7、第二光电探测器17、聚 焦透镜15、光学滤波器16、第一长通滤色片16-1及信号采集与处理模块18。传感器用一个密封良好的罩子封住，则在内部只有两种波长的杂光，其波长分别 为第一照射光源1 (发光二极管)和第二照射光源12 (发光二极管)的波长。那么只需要在 一个第一长通滤色片16-1将这两个波长附近的一段区域内的光截止，而让其他波段的荧 光透过，即可实现消除两种背景光、透过两种荧光，增大信噪比的目的，无论是CDOM测量还 是藻蓝蛋白测量都可以用，常置于探测器17前，无须根据测量时序更改滤色片。此时第一长通滤色片16-1的光谱特性如图7所示，波长小于355nm的光通过率 小于0. 01%，400nnT580nm的光透过率大于80%，600nnT620nm的透过率小于0. 01%，波长在 640nnT800nm的光透过率大于80%。

总的来说本发明所述水质检测传感器，包含以下部分
1)照射光源，提供两种以上的波长对同一样本进行照射；
2)样品池，由光学透明材料制成，将待测样品置于其内接受照射光的照射，并能够 让激发出来的荧光通过，由光探测单元接收；
3)探测单元，对样品照射后产生的光学信号进行收集探测。所述探测单元用同一个探测元件实现对藻蓝蛋白光学量和有色可溶性有机物光 学量的探测。探测元件为光电二级管或者光电倍增管。光源部分至少包括一种红光和一种紫外光，其中红光用来检测藻蓝蛋白，紫外光 用于检测有色可溶性有机物。样品池的材料要求可以透过从紫外到近红外的光谱波段。样品受到照射后产生的光学量可以是光的吸收量、透射量、散射光、荧光的一种或 几种。探测荧光的时候在非照射光传播的方向上进行荧光的收集，探测系统包括大数值孔 径的收集透镜、滤色单元以及探测元件构成。滤色单元在进行藻蓝蛋白检测时和有色可溶性有机物检测时有不同的光谱特性。 滤色单元在进行滤色单元在进行藻蓝蛋白检测时和有色可溶性有机物检测时有相同的光 谱特性，但是会丢掉某个检测模式的部分光谱信息。在进行藻蓝蛋白检测和有色可溶性有机物检测这两种检测模式时，只用一个探测 元件进行某个特定的光学量的探测。
权利要求
1.一种水质检测传感器，包括第一照射光源(1)、样品池(2)、第一光电探测器(7)，其 特征是还包括第二照射光源(12)、第一准直透镜(10)、第二准直透镜(11 )、二向色分光镜(13)、控制模块(14)、第二光电探测器(17)、聚焦透镜(15)、光学滤波器(16)及信号采集与 处理模块(18)；所述第一照射光源(1)和第一准直透镜(10)放在第一镜筒(100)内；第一 照射光源(1)设置在第一准直透镜(10)左边，所述第二照射光源(12)和第二准直透镜(11) 放在第二镜筒(90)内，所述二向色分光镜(13)放在一个分色立方体座(30)中，二向色分 光镜(13 )设置在第二准直透镜(11)上方，所述第二准直透镜(11)下方设置第二照射光源 (12)，所述第一照射光源(1)及第二照射光源(12)分别与控制模块(14)连接，由控制模块(14)驱动；所述样品池(2)放置在样品池座(40)内；第一光电探测器(7)放在第一探测器座 (50)内；聚焦透镜(15)置于一个透镜座(60)内；样品池(2)设置在第一光电探测器(7)与 二向色分光镜(13)之间，在垂直于照射光的方向设置聚焦透镜(15)，第二光电探测器(17) 放在第二探测器座(80)内，沿着聚焦透镜(15)的光轴方向放置；光学滤波器(16)放置在滤 色片座(70)内，滤色片座(70)位于第二探测器座(80)和透镜座(60)之间；透过聚焦透镜(15)的荧光进入第二光电探测器(17)，所述光学滤波器(16)位于第二光电探测器(17)进 光口；第一光电探测器(7)和第二光电探测器(17)的信号输出端连接信号采集与处理模块 (18)；上述分色立方体座(30)、第二探测器座(80)均固定在传感器底板(20)上；所述两种不同波长的第一照射光源(1 )、第二照射光源(12)发出的光束分别通过第一 准直透镜(10)、第二准直透镜(11)照射在二向色分光镜(13)上，再通过二向色分光镜(13) 照射透明样品池(2)内，第一光电探测器(7)接收水样透射光的强度，用来测量水样的吸收 率；第一光电探测器(7)和第二光电探测器(17)的信号输出端连接信号采集与处理模块 (18)，所述信号采集与处理模块(18)计算出水样的有色可溶性有机物含量以及藻蓝蛋白含 量。
2.如权利要求1所述一种水质检测传感器，其特征是所述光学滤波器(16)包括第一 长通滤色片(16-1)和第二长通滤色片(16-2)，第一长通滤色片(16-1)置于第二光电探测 器(17)进光口，第二长通滤色片(16-2)只在藻蓝蛋白测量时放置在第二光电探测器(17) 进光口 ；由所述控制模块(14)控制将同一个水样的有色可溶性有机物检测和藻蓝蛋白的 检测分时进行；第二长通滤色片第二(16-2)连接电机(19)，电机(19)的控制端连接所述控 制模块(14)，第二长通滤色片(16-2)进入光路和移出光路，由控制模块(14)根据测量时序 控制电机(19)来实现。
3.如权利要求2所述一种水质检测传感器，其特征是所述第一长通滤色片(16-1)的 光谱特性为波长大于400nm的光透过率大于80%，波长小于355nm的光透过率小于0. 01% ； 所述第二长通滤色片(16-2)的光谱特性为波长大于640nm的光透过率大于80%，波长小于 620nm的光透过率小于0. 01%。
4.如权利要求1所述一种水质检测传感器，其特征是所述第二光电探测器(17)前面 设置第一长通滤色片(16-1)。
5.如权利要求1所述一种水质检测传感器，其特征是所述第一照射光源(1)、第二照 射光源(12)分别发出红光和紫外光。
6.如权利要求1所述一种水质检测传感器，其特征是所述第一照射光源(1)、第二照 射光源(12)分别采用发光二极管。
7.如权利要求1所述一种水质检测传感器，其特征是所述第一光电探测器(7)和第二 光电探测器(17 )分别采用光电二极管或光电倍增管探测。
全文摘要
本发明涉及一种水质检测传感器，其主要采用第一照射光源设置在第一准直透镜左边，二向色分光镜设置在第二准直透镜上方，第二准直透镜下方设置第二照射光源，第一照射光源及第二照射光源分别与控制模块连接；样品池设置在第一光电探测器与二向色分光镜之间，在垂直于照射光的方向设置聚焦透镜，所述聚焦透镜下方设置光学滤波器，所述光学滤波器位于第二光电探测器进光口；第一光电探测器和第二光电探测器的信号输出端连接信号采集与处理模块；所述信号采集与处理模块计算出水样的有色可溶性有机物含量以及藻蓝蛋白含量。本发明是在检测蓝藻浓度的同时检测水中的有色可溶性有机物浓度，以达到对湖水富营养化的检测和对蓝藻爆发的预警。
文档编号G01N21/27GK102128799SQ20101059831
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者孔巢城, 楚建军, 邵建辉, 陈力 申请人:无锡荣兴科技有限公司