CN101608998A

CN101608998A - 基于arm技术的多参数水质快速检测装置

Info

Publication number: CN101608998A
Application number: CNA2009101005340A
Authority: CN
Inventors: 陈渝阳; 陈华才
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2009-12-23

Abstract

本发明公开了一种基于ARM技术的多参数水质快速检测装置，包括宽带光源、样品池、微型光谱仪、及ARM嵌入式控制系统；所述的微型光谱仪包括用于分光的光栅分光装置和接收光信号的探测器部件；所述的探测器部件包括CCD阵列传感器、用于驱动探测器部件的驱动和控制模块，及用于转换探测器信号的A/D转换模块；所述的ARM嵌入式系统具有上位机控制功能，控制数据采集、储存、分析、显示和传输。本发明装置可实现现场快速检测，检测参数全面，并可实现数据即时网络传输。

Description

基于ARM技术的多参数水质快速检测装置

技术领域

本发明属于环境监测领域，具体为一种基于ARM技术的多参数水质快速检测装置。

背景技术

目前，全世界每年约有4200多亿立方米的污水排入江河湖海，污染了5.5万亿立方米的淡水，这相当于全球径流总量的14％以上。近年来，随着我国经济的快速发展，大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，使水体受到污染。据环境部门监测，全国城镇每天至少有1亿吨污水未经处理直接排入水体。全国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1/3的水体不适于鱼类生存，1/4的水体不适于灌溉，90％的城市水域污染严重，50％的城镇水源不符合饮用水标准，40％的水源已不能饮用，南方城市总缺水量的60％-70％是由于水源污染造成的。

日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，在发展中国家，各类疾病有8％是因为饮用了不卫生的水而传播的，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡。因此，水污染被称作“世界头号杀手”。

为了保障人类的健康，让每一个人都喝上干净的水，让所有的农作物都有干净的水灌溉，必须建立水环境质量监测和水污染物排放监测制度，提高水质的监测手段，并建立监测网络和信息快速传递网络。

发明内容

本发明提供了一种基于ARM技术的多参数水质快速检测装置。通过采用CCD阵列微型光谱仪、开封即用标准试剂、ARM嵌入式控制系统和Zigbee无线传输方式，重点解决了水质多参数现场快速检测、仪器轻便可靠、操作简便快速、检测结果即时网络传输等技术问题。

一种基于ARM技术的多参数水质快速检测装置，包括宽带光源、样品池、微型光谱仪、及ARM嵌入式控制系统；

所述的微型光谱仪包括用于分光的光栅分光装置和接收光信号的探测器部件；

所述的探测器部件包括CCD阵列传感器、用于驱动探测器部件的驱动和控制模块，及用于转换探测器信号的A/D转换模块；

所述的ARM嵌入式系统具有上位机控制功能，控制数据采集、储存、分析、显示和传输。

所述的宽带光源为卤素灯或LED组合宽带光源，从光源发出的光经过准直镜变为平行光，然后被反射镜改变方向后，经过样品池。

所述的光栅分光装置沿光路依次设有透镜、传光光纤、狭缝、第一反射镜、准直镜、光栅、球面镜和第二反射镜；透过样品池的光束透过一透镜后，通过传光光纤，汇聚于狭缝后到达第一反射镜，改变方向后射照到准直镜后变为平行光，经光栅色散，得到各波长的光，这些波长的光经球面镜、第二反射镜汇聚到CCD阵列传感器的焦面上，从而可测得样品的吸光度等值。

所述的ARM嵌入式控制系统包含无线传输模块，该模块具有Zigbee无线传输协议，通过Zigbee无线传输方式，及时将检测结果传送到相关部门。

根据已知浓度的水样标定各常用水质参数的标准曲线，将水质参数检测标准曲线预存在嵌入式控制系统中，采用开封即用标准试剂和标准化的操作流程，缩短了分析时间。

CCD阵列传感器中储存着电荷，而当光子打到光敏面时电荷就会被释放。在积分时间的结尾，剩余的电荷就会传送到缓冲器中，然后这个信号被传送到A/D转换器。CCD阵列传感器最优采用2048像元，具有灵敏度高、响应速度快的特点。

光栅根据使用的波长范围选定，永久安装在光谱仪中，光栅的可用光谱范围要大于照射到探测器上的光谱范围，这是为了覆盖更宽的光谱范围。

光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成像到探测器的两个相临像元上。因为光栅常数决定了波长在探测器上可分开的程度(色散)，这对于分辨率来说是一个非常重要的参数。

另一个重要参数是进入到光谱仪的光束宽度，它基本上取决于狭缝宽度。在指定波长处，狭缝成像到探测器阵列上时会覆盖若干个像元。而如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到两个像元上。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时，分辨率就要由狭缝的宽度(有效宽度)来决定。

表1光谱仪的分辨率(半宽度nm)

所选光栅和入射光束的有效宽度(光纤芯径或入射狭缝)对分辨率的影响如表1所示。对高线对数光栅来说，色散效应是随着波长范围变化的，波长越长色散效应越大。因此在最长的波长处会得到最高的分辨率。光学系统设计好后，再进行对应的机械结构设计和制作。

所述的微型光谱仪安装在光密封的外壳内。杂散光是非信号光辐射照射在探测器像元上产生的误差信号，杂散光的来源有：周围环境光辐射；非完美光学元件所产生的散射光或非光学元件产生的反射光；不同衍射级次间的重叠。把光谱仪安装在光密封的外壳内可以有效地消除周围环境带来的杂散光。当光谱仪工作在探测极限时(微弱光探测)，来自于光谱仪内部和光栅、聚焦镜的杂散光就决定了光谱仪的最终探测极限。

本发明所采用的技术方案是：通过采用CCD阵列检测的连续波长便携式可见光谱仪，采用基于ARM的嵌入式控制系统，预存标准方程，配备开封即用的标准试剂包和快速操作流程，实现对水中COD、BOD、总氮、总磷、总有机碳、氨氮、硝酸根、亚硝酸根、重金属离子、阴离子、阳离子等多种污染物进行快速检测，并通过Zigbee无线传输方式，及时将检测结果传送到相关部门。

本发明提出的便携式多参数水质快速检测装置一方面克服了实验室检测方法速度慢、时间长、操作过程繁琐的缺点，又克服了现有快速检测方法检测指标单一、数据传输慢的缺点，可实现现场快速检测，检测参数全面，并可实现数据即时网络传输。具有如下技术特点：

(1)便携式水质多参数快速检测仪采用光纤传光、光栅分光、线阵CCD探测，光路系统中无移动部件，简化了光路结构，提高了仪器的稳定性，减轻了仪器的重量，达到了便携性和现场检测的目的。

(2)采用ARM嵌入式控制系统，具有强大的数据采集、储存、分析功能；

(3)采用了Zigbee无线传输系统，具有数据传输可靠，抗干扰力强，保密性好，误码率低，频段免费，可自动组网等优点。

(4)采用开封即用标准试剂和标准化的操作流程，在仪器中预置多种水质参数标准曲线，简化了操作流程，缩短了分析时间。

附图说明

图1为本发明水质多参数快速检测装置的结构流程示意图；

图2为探测器部件的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明装置作进一步说明。

如图1所示，一种基于ARM技术的多参数水质快速检测装置，包括宽带光源1、样品池2、微型光谱仪3及ARM嵌入式控制系统4。

宽带光源1采用12瓦卤素灯(12V，1A，高稳定恒流供电)，样品池2采用半导体控温可变光程样品池。

微型光谱仪3设有光密封的外壳，包括用于分光的光栅分光装置和接收光信号的探测器部件32；

光栅分光装置采用W型光学平台，沿光路依次设有传光光纤311、狭缝312、第一反射镜313、准直镜314、光栅315、球面镜316和第二反射镜317；

探测器部件32包括CCD阵列传感器321、用于驱动探测器部件的驱动和控制模块322，及用于转换探测器信号的A/D转换模块323；

探测器部件32的基本参数：2048像元，像元尺寸：14μm×200μm，5V供电，超高灵敏度，带时间发生器和时钟驱动(2MHz)，自带采样保持电路。

探测器部件32的原理图如图2所示，CCD的不同像元对应着相应的不同波长，经CCD驱动电路后，同时完成各波长的光电转换，并通过电荷耦合方式输出，经放大处理后，通过16位的A/D转换，将电子信号转化为数字化光谱信号，输入ARM嵌入式控制系统(上位机)。光谱的测量是通过仪器操作软件自动进行采集和存储，进行实时在线光谱定量分析，输出信号与照在某像元的光成正比。

光谱仪中探测器部件采用半导体制冷方式，工作温度为5℃，使光谱仪的噪声降到最低。

ARM嵌入式控制系统4与探测器部件32USB连接，用于接收A/D转换信号，进行数据采集、储存和分析。

从宽带光源1发出的光经过准直镜11变为平行光，然后被反射镜12改变方向后，经过样品池2。透过样品池2的光束透过一透镜21后，通过传光光纤311，汇聚于狭缝312后到达第一反射镜313，改变方向后射照到准直镜314后变为平行光，经光栅315色散得到各波长的光，这些波长的光经球面镜316、第二反射镜317汇聚到CCD阵列传感器321的焦面上。

本实例中的光谱仪采用600线/毫米的光栅，选用400微米芯径的光纤，光谱仪典型的杂散光参数是＜0.1％@600nm。

本实例采用汞灯、He-Ne激光器、两种半导体激光器，得到365.0nm、404.7nm、435.8nm、546.1nm、632.8nm、808.0nm、979.4nm七个光谱线，作为光谱仪波长定标的标准谱线。

光谱分辨率：线阵CCD器件的像元数为2048，焦面长度为26mm，所覆盖的波段范围：320～1100nm，计算CCD分辨率为0.3nm；分光系统的设计分辨率为0.5nm，仪器整机光谱波长精度优于1nm。

水中总氮、总磷、亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐、亚硫酸盐、甲醛、氯化物、DEHA等多种指标的定标方程，预存于嵌入式控制系统内。检测步骤是：现场采集水样，过滤去杂——开封即用标准试剂处理——检测仪检测——结果报告和传输。单个指标检测时间包括前处理时间一般不超过10min。

Claims

1、一种基于ARM技术的多参数水质快速检测装置，其特征在于：包括宽带光源、样品池、微型光谱仪、及ARM嵌入式控制系统；

2、如权利要求1所述的多参数水质快速检测装置，其特征在于：所述的宽带光源为卤素灯或LED组合宽带光源。

3、如权利要求1所述的多参数水质快速检测装置，其特征在于：所述的光栅分光装置沿光路依次设有透镜、传光光纤、狭缝、第一反射镜、准直镜、光栅、球面镜和第二反射镜。

4、如权利要求1所述的多参数水质快速检测装置，其特征在于：所述的微型光谱仪设有光密封的外壳。

5、如权利要求1所述的多参数水质快速检测装置，其特征在于：所述的ARM嵌入式控制系统包含具有Zigbee无线传输协议的无线传输模块。

6、如权利要求1所述的多参数水质快速检测装置，其特征在于：所述的ARM嵌入式控制系统内预存水质参数检测标准曲线。