光谱法水质多参数检测技术分析

光谱法水质多参数检测技术分析

游顺忠

深圳市环境监测中心站

摘要：随着城市化进程发展速度的进一步加快，水质污染方面的不良事件也不断出现，给水质处理工作带来较大困难。而水质光谱检测离不开专业的检测仪器，因此，本文主要对该技术的应用方法及效果进行分析，以期提升水质检测水平。

关键词：环境工程；参数测量；光谱水质检测

1.光谱法水质多参数检测的工作原理

光是具有粒子性与波动性特点的电磁波，不同波长具有不同的颜色体现。我们的眼睛可以感知光均为可见光，而微波、红外线以入紫外线等是不可见的，假如把这些电磁波有序排列起来，就可以得到一个电磁波谱图。不同波段电磁波在具体应用与产生原理两个方面有着比较大的压力。其中转运光谱、转动-振动光谱与电子光谱为分子吸收光谱，这种光谱是一定范围内的、连续的光，在对某种分子进行照射时，光在分子选择性吸收的情况下而形成光谱。一般情况下，分子基太是相对稳定的，在受到一定能量、一定波长光的激发后，会在一瞬间转化为激发态。分子在对光进行吸收的过程中，对于波长有着一定的选择性，对分子能够吸收的光进行筛选，通过所体现出来的光谱特点，能够对物质的种类进行判断。

2.光谱法水质多参数检测的仪器系统

2.1仪器系统设计要求

为了能够对城市污水以及地表水中所含有的NO3-N、TURB、TOC以及COD等物质进行严格的在线检测，所使用的仪器需要具备以下几方面的要求。

2.1.1紫外-可见光谱检测单元的设计要求

作为在整个系统中处于核心地位的重要硬件，紫外-可见光谱检测单元能够稳定、在线、实时地对紫外、可见吸收光谱进行采集。该单元需要包含光电、光路以及光源的转换部分，光路自身则需要与抗紫外吸收的有关要求相一致。另外，光电转换部分的分辨精度与分辨率也需要尽量调高，重复性与稳定性优良。光谱探测单元整体需要具有结构简单、系统噪声低以及耦合率高等方面的特点。设计人员还需要充分考虑到该系统的生产成本，使该系统与相关技术能够尽快推广至整个市场。

2.1.2光谱信息处理单元的设计要求

成功采集紫外可见光谱数据后，在处理数据的过程中，所需要处理的数据通常比较大，这就需要对数据处理工作的实时性进行深入的研究，使在线测量成为可能。经大量的经验研究发现，水质光谱存在散射影响严重、相互重叠多、噪声干扰大等方面的局限性，在水环境不同的情况下，光谱检测结果之间有着比较大的差异，光谱信息处理单元需要综合运用各种技术手段对光谱分析结果进行分类识、降维以及去噪等方面的处理，以适应不同检测目标与不同复杂性的检测场景。

2.1.3系统流路的设计要求

在设计系统流路的过程中，一方面要参数测量定标进行确定，另一方面也需要在较短时间内完成光谱测量工作，防止出现流路气泡对测量结果造成影响的问题。

2.1.4清洗、存储、显示以及打印等功能的设计要求

光谱水质检测所使用的仪器需要集成存储、显示以及打印等方面的功能，在长期使用过程中，操作人员需要对仪器进行定期的人工清洗。

2.1.5系统电源的设计要求

在设计系统电源的过程中，设计人员需要满足仪控、流路泵、清洁装置、显示器、系统打印机、系统处理模块、光电转换部分以及光源的供电。外接电源电压为220V，仪器内部的不同元件在供电需求上有着比较大的差异，需要在仪器结构中设置DC-DC开关电源等需要元件供电需求相一致的子电源。

2.2紫外-可见光谱法水质多参数检测的仪器系统结构设计

根据设计方案以及实际情况的有关要求，光谱水质检测系统在技术培训上，要实现城市生活污水、城市工业废水两个场景的NO3-N、TURB、TOC、COD四个指标的检测。因此，系统需要包含供电、清洗、处理、分析、存储、传输以及采水等模块。

流路系统能够对所采集到的数据信息进行传输，将光源传送至检测装置，在水质样品对光源完成吸收后，余下的光源会被投射至光谱仪上，此时的光谱信息为模拟信息，需要对现有的模拟信息进行数字化处理，再将经过处理后的数据信息上传至上位机。上位机中所内置的专门软件能够对光谱信息进入深层次的演算，得到相关水质参数。再通过存储装置对检测参数数据与光谱数据进行收集。在计算机设备的支持下能够实现显示与实时操作两方面的功能，针对不同应用场景下的操作需要对操作模式进行灵活的切换。在控制单元的帮助下，可以实现自动与手动两方面的清洁功能。具体的系统校正工作则需要在内部各项元件的协同下进行。在系统电源的支持下，可以满足各项电压稳定、有效的借给。

2.3打印、存储、显示、处理、清洗以及流路系统的研究

2.3.1流路系统

流路系统负责外部取水工作，能够对光谱的采集起到良好的辅助作用，这就需要设计人员重点加强流路系统的设计。在不同取水环境下，管路的安装也需要依照实际需求来进行。在流路系统的支持下，水质检测仪能够与水样本进行充分的接触，在水压与水量两个方面都需要与仪器的要求相一致，流路系统需要包含流路安装配件、清洁装置、管路以及水泵等。

2.3.2清洗单元

清洗单元能够使系统在长期使用的过程中保持内部元件的运行稳定性，在长时间运转的过程中，会有部分藻类与泥沙流入至管路中，对测量结果造成一定的不利影响。为了对以上几方面的问题进行有效的处理，可以在仪器上设置一个专门的清洁模块，对流路进行清洗。

2.3.3主控、打印、存储、显示以及处理系统

这几种系统主要由控制电路、嵌入式工控主板、微型针式打印机、存储装置以及显示器等部件所组成，均是系统的外置设备。在专业软件的支持下，能够在较短时间内处理光谱数据，交处理结果显示于显示器上。另外，通过打印机设备也能够将显示器内的图像输出打印出来，对不同单元的工作起到协调作用。

由于光谱水质检测系统所需要处理的数据信息量比较大，同时在数据处理时间上也有着比较严格的要求，这就需要对计算机内部的各种元件进行科学合理的选择。同时，出现空间与系统体积的限制，需要选择性价比高、拓展性好、稳定性好、体积相对较小的主板，所使用的中央处理器也需要达到I7与E5以上水平。

3.结束语

随着我国现代化建设的不断发展，水质检领域的各项技术也取得了比较大的进步，做好水质检测工作也是相关部门职责的重要体现。这就需要有关人员对光谱水质检测技术进行深入的研究与分析，对以往的工作经验进行认真的总结与分析，最大程度上提高水质检测工作的技术含量。同时，系统设计人员也需要对当前世界范围内最新的光谱检测技术进行不断的学习，对系统功能进一步优化，提高光谱系统在测量结果方面的准确性。

参考文献

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[2]魏康林.基于微型光谱仪的多参数水质检测仪关键技术研究[D].重庆大学，2012.

[3]熊双飞.面向紫外—可见光谱水质监测的浸入式可变光程光谱探头设计[D].重庆大学，2016.

[4]魏康林，陈明，温志渝，谢银珂.基于连续光谱分析的在线水质检测信号处理研究[J].光谱学与光谱分析，2014，12：3368-3373.