专利名称：：用于水质在线监测的紫外光电微型传感器装置及监测方法
技术领域：
：本发明涉及一种监测水质污染指标的方法和利用这种方法工作的水质污染指标监测装置，用于水质污染监测和污染处理领域。
背景技术：
：水质污染的变化，将严重影响水生生物的生长和平衡，因此监测水质污染指标的变化显得非常重要，已经广泛应用到环保监测、生产流程污染监控等各个领域，但是由于国家标准方法(GB11914-89)中COD的测试方法存在测试时间较长，操作复杂，需要预处理，化学试剂二次污染等问题，使得快速检测困难重重。利用水体的紫外光吸收图谱进行测定，可以实现对水体污染指标准确测试的目标，但是传统的紫外检测装置体积庞大，难以实现多点在线监测。现有的在线监测仪器又由于通常使用单一波长(通常采用低压汞灯的254nm波长)的检测方法，不足之处在于有些有机化合物在254nm处没有吸收，使得检测数据与实际数据偏差较大，因此，实现水质污染的在线快速、准确监测显得尤为重要，
发明内容本发明的目的在于提供一种可以快速、准确测量水质污染指标的方法以及利用这种方法工作的水质污染指标监测装置，这种监测的方法可以在线、实时、准确显示监测指标的动态变化。本发明提供的水质在线监测装置，用于在线监测的紫外光电微型传感器装置，它包括紫外光源1，紫外探测器2，待监测的水流样品置于紫外光源1和紫外探测器2之间，数据采集与发送模块、源、支架和密封罩所组成，其中紫外光源与紫外探测器固定在支架上，紫外光源的两端通过导线与电源相连接，紫外探测器的两端通过导线与数据采集与发送模块相连接，部件被封装在密封罩内。紫外探测器由GaN基肖特基型紫外探测器组成，其响应窗口与上述LED的中心波长相对应；数据采集与发送模块由单片机组成，所述的紫外光源为多个紫外LED光源，波长覆盖200nm到400nm的整个区间。如紫外光源由6个紫外LED组成，典型的中心波长分别为220nm，255nm，280nm，300nm，365nm，400nm；数据采集与发送模块主要是AD和单片机系统，可包含数据采集与发送两个功能。采用6个LED光源进行监测的优点明显，相比传统的低压汞灯254nm单波长监测方法，其监测范围不仅覆盖了整个紫外波段，能计及所有在紫外波段具有吸收的有机污染物对COD等参数的贡献，而且其中400nmLED光源用于浊度补偿，能对吸收强度进行校正。这样，采用6个LED光源进行监测，其结果更准确可靠。LED的工作电压为6-8V，电流为30-80mA，通过恒流源电路定时驱动，每次点亮LED—分钟后进行紫外探测器的数据采集，数据采集完成后自动熄灭。所述的密封罩为石英玻璃和塑料等材料封装，可以防水和防腐蚀。本发明提供的水质在线监测方法基本原理是通过收集样品的光谱数据和水质基础数据，采用化学计量学的方法进行计算并建立数学模型，最后利用建立的数学模型和被3测样品的光谱图预测出被测对象的相关参数，针对不同的水质与污染指标，建立光谱数据与被测对象的函数关系，将多种水质基础数据模型及光谱数据与污染指标函数关系预置在数据采集与发送模块中。步骤如下建立光谱数据与被测对象的函数关系，将多种水质基础数据模型及光谱数据与污染指标函数关系预置在服务器8中；紫外光源1为多个LED光源，波长离散分布在200nm至400nm区间，多个紫外探测器2可以准确测定对应波长处的吸光度；数据采集与发送模块3得到此多个离散的吸光度数值后发送给服务器8，服务器选择对应的模式与预置的基础数据拟合得到200nm至400nm区间的光谱数据，调用预置的对应函数关系得到被测对象的相关参数。不同波长的紫外光对不同被测对象参数的敏感性不同，多个波长又可以反应不同波段对同一参数的响应情况，因而可以实现多参数、准确的测量。本发明有益效果是根据本发明的水质污染指标在线监测方法而设计的监测装置，可以实现快速、便捷、准确、大面积区域的实时在线动态监测，可以实现不同条件下的测量，可以监测指定监测地点的水质污染指标；因此，在水质环境监测、治理，科学研究，工业应用等领域有广泛的应用前景。在于该测量系统的体积小巧、功耗低、成本低，可以置入水下，能实现便捷、安全的户外大面积区域的多点测量。四图1是本发明水质污染指标在线监测装置的结构示意剖面图。1-紫外光源、2-紫外探测器、3-数据采集与发送模块、4-电源、5-支架、6-导线、7-密封罩、8-服务器。图2为吸光度与待测项目函数相关参数获取算法流程3为具体水质在线监测算法流程图五具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例1用于在线监测的紫外光电微型传感器装置的实施例，参见图1，紫外光源是由多个紫外LED组成的光源。紫外探测器由6个GaN基肖特基型紫外探测器组成(其中5个AlGaN和1个InGaN)，AlGaN和InGaN可采用本实验室样品或商业制品，其响应窗口覆盖LED波长范围；在紫外光源1和紫外探测器2之间设有水槽，可均勻流动待监测的水流样品，紫外探测器2数据采集与发送模块、上述的数据采集与发送模块也可由数据采集卡和无线发送模块组成，包含数据采集，传输功能；所述的电源可为太阳能电池，干电池或可充电电池；所述支架5用金属材料制成；所述的密封罩7用石英玻璃等透光材料制成；所述的服务器8由数据库和运算程序组成，具有数据读取、分析、存储、显示、报警功能。通过服务器8内置的参考吸收谱图模式和污染指标相关性参数，根据测量对象的具体情况进行选择和设置合适的模式，针对不同水质污染指标，调用对应的专门相关性函数，使得每个水质污染指标的测量更加精准。实施例2水质污染指标COD的监测。将此方法应用到南京秦淮河水质进行在线COD的监测试。紫外光源(1)由6个紫外LED组成，中心波长分别为220nm，255nm，280nm，300nm，365nm，400nm；紫外探测器(2)由6个GaN基肖特基型紫外探测器组成(5个AlGaN和1个InGaN)，其响应波长与上述LED的中心波长一一对应；数据采集与发送模块(3)由单片机组成，单片机负责数据的采集和传输；电源(4)为太阳能电池，给紫外光源(1)中的LED和数据采集与发送模块(3)供电，太阳能电池板置于河边路灯杆上，通过导线(6)连接紫外光源(1)和数据采集与发送模块(3)；支架(5)为不锈钢，用于固定部件(1)、(2)、(3)、(4)，密封罩(7)LED与探测器的对应部位为石英玻璃，可以透过紫外光，其余部位为耐腐蚀塑料；紫外探测器(2)的两端通过导线(6)与数据采集与发送模块(3)相连接；部件(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)被封装在密封罩(7)内；数据采集与发送模块(3)通过无线传输方式将采集到的数据传输给服务器(8)，服务器首先在城市河流、野外河流、城市湖泊、野外湖泊、化工区河流等多种模式中选取城市河流模式，选定测量对象为COD测量，服务器通过在线数据读取、计算，实时给出测量结果并实行显示、存储、预警功能。监结果表明，COD的预测值和进行化学计量学方法的实测值相关系数在0.9以上，误差均在士5%以内，达到了快速、便捷、免分离和免预处理进行水体COD测试的目的。实施例3可以参照中国专利CN200810196207.5，紫外光源采用Seoul公司的紫外LED光源。建立紫外光谱数据与COD的函数关系实施例，服务器8预置的COD与紫外吸光度UVA的函数关系为C0D=A+B*UVA255+C*UVA300，参数A、B、C根据不同模式预置对应的值(对应城市湖泊模式的设定值为A=4.4，B=14，C=27)。紫外光源是由3个紫外LED组成的光源，中心波长分别为255nm，300nm，400nm，紫外探测器由3个GaN基肖特基型紫外探测器组成(其中2个AlGaN和1个InGaN)，2个AlGaN探测器测得255nm和300nm处的吸光度UV255、UV300减去InGaN探测器测得400nm处的吸光度UV400得到扣除浑浊度影响的255nm和300nm处的吸光度UVA255和UVA300的值，经过预置的COD与紫外吸光度UVA的函数关系得到COD数值。将此方法应用到南京玄武湖进行COD的测量(测量时间为2009年9月)，得到255nm，300nm,400nm处的吸光度及对应的COD结果如表1所示。表1南京玄武湖水质COD测量结果<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>权利要求用于水质在线监测的紫外光电微型传感器装置，它包括紫外光源，紫外探测器，数据采集与发送模块、支架、密封罩所组成，待监测的水流样品置于紫外光源和紫外探测器之间，其中紫外光源与紫外探测器固定在支架上，紫外光源的两端通过导线与电源相连接，紫外探测器的两端通过导线与数据采集与发送模块相连接，其特征是紫外光源、紫外探测器和支架被封装在密封罩内紫外探测器由GaN基肖特基型紫外探测器组成，其响应窗口与上述LED的中心波长相对应；紫外光源为3-7个紫外LED组成，波长覆盖200nm到400nm的区间。2.根据权利要求1所述的水质在线监测的紫外光电微型传感器装置，其特征在于所述的紫外探测器(2)为六个GaN基紫外光电探测器，响应波长在200nm到400nm区间，中心波长分别为220nm，255nm,280nm,300nm,365nm,400nmo3.根据权利要求1所述的水质在线监测的紫外光电微型传感器，其特征在于所述的数据采集与发送模块(3)为单片机系统，包含数据采集与发送两个功能。4.根据权利要求1所述的水质在线监测的紫外光电微型传感器装置，其特征在于所述的密封罩(7)为石英玻璃和塑料等材料封装，可以防水和防腐蚀。5.一种利用权利要求1所述水质在线监测的紫外光电微型传感的方法，其方法步骤如下建立光谱数据与被测对象的函数关系，将多种水质基础数据模型及光谱数据与污染指标函数关系预置在服务器中；紫外光源(1)为多个LED光源，波长离散分布在200nm至400nm区间，多个紫外探测器(2)可以准确测定对应波长处的吸光度；数据采集与发送模块(3)得到此多个离散的吸光度数值后与预置的基础数据拟合得到200nm至400nm区间的光谱数据，调用预置的对应函数关系得到被测对象的相关参数；不同波长的紫外光对不同被测对象参数的敏感性不同，多个波长又反映不同波段对同一参数的响应情况，实现多参数的准确测量。6.权利要求5所述水质在线监测的紫外光电微型传感的方法，其特征在于动态在线监测。7.权利要求6所述水质在线监测的紫外光电微型传感的方法，其特征在于可以同时准确监测TOC、COD等水质污染指标的数值。8.权利要求6所述水质在线监测的紫外光电微型传感的方法，其特征在于通过参考吸收谱图模式和污染指标相关性参数，根据测量对象的具体情况进行选择和设置合适的模式，针对不同水质污染指标，调用对应的专门相关性函数，使得每个水质污染指标的测量更加精准。全文摘要用于水质在线监测的紫外光电微型传感器装置，它包括紫外光源，紫外探测器，数据采集与发送模块、支架、密封罩所组成，待监测的水流样品置于紫外光源和紫外探测器之间，其中紫外光源与紫外探测器固定在支架上，紫外光源的两端通过导线与电源相连接，紫外探测器的两端通过导线与数据采集与发送模块相连接，其特征是紫外光源、紫外探测器和支架被封装在密封罩内紫外探测器由GaN基肖特基型紫外探测器组成，其响应窗口与上述LED的中心波长相对应；紫外光源为3-7个紫外LED组成，波长覆盖200nm到400nm的区间。该装置体积小、功耗低，可及时、准确监测环境污染指标(TOC，COD等)的变化情况，具有广泛的应用前景。文档编号G01N21/33GK101832918SQ20101014657公开日2010年9月15日申请日期2010年4月14日优先权日2010年4月14日发明者张开骁,张荣,胡立群,郑有炓,陈敦军申请人:南京大学