海水水质实时在线检测系统的研究（二）

1.2.3 浊度研究现状

浊度反映了水体中悬浮物对光线透过时的阻碍程度，一定程度上反映了水体质量。常见的浊度检测方法有：分光光度法、目视比浊法，均为国标法。

浊度分光光度法是将一定量的福尔马肼溶液作为浊度标准液，配置一系列不同浓度的浊度标准液，以 680nm 光照射该标准液，将吸光度与浊度的关系曲线作为参考曲线，与待测水样浊度吸光度进行目测对比，从而得出待测水样的浊度，该方法具有人为因素影响大、不能实现实时在线等缺点。

目视比浊法是以人眼为判断依据，对水体透明度进行目测对比来确定待测水样浊度的方法。测量人员根据经验，初步确定待测水样的浊度，以福尔马肼溶液作为浊度标准液，将待测水样与一系列不同浓度的浊度标准液进行目测比较，选出与待测水样透明度大致相同的浊度标准液，以其浊度值作为该待测水样中的浊
度，该方法具有操作复杂、难度大、人为因素影响大、不能实现实时在线等缺点。

近些年，天津大学精仪系利用浊度对光的散射作用，通过测量被水分子散射的 90 度处的光强，成功研制出浊度传感器；同济大学利用浊度对光散射的原理和光电原理，同时对多路信号进行采集，经光电转换变为电压信号，通过测量电压值，得到水体中浊度值；电子科技大学为了改善光源老化、水体复杂环境（如气泡）等对浊度测量造成的影响，提高浊度检测的精度，进行了双光路检测，同时测量 90 度散射光信号和透射光信号，通过计算散射光度与透射光度之比，得到浊度值大小。这三种方法均具有操作简单、无污染、无伤害性等优点。国外同样进行了大量研究，如：美国 HACH(哈期)公司、英国 ABB Kent(肯特)公司、德国E+H(恩德斯 豪斯)公司、法国 Polymetron(波尼梅隆)公司等，都有较完善的产品。

1.3 新方法概述及创新点

1.3.1 新方法概述

光谱检测法以光谱学与光谱分析为技术背景，利用分光光度法、光散射法分别对通过 COD 标准液的光谱数据进行采集，并运用偏最小二乘法对其进行预处理建模，然后对所建模型进行校验集校验。校验无误后，进行了海水水质光谱检测法实时在线检测系统的硬件设计，设计的系统包括光源部分、通道部分、采集部分。

(1)光源设计采用 LED 组合，包括紫外 LED(254 nm)、白光 LED(400~760 nm)、红外 LED(850 nm)，设计了驱动电路及控制电路，并进行了实验论证。

(2)通道部分保证了系统的正常运行，此部分的光路通道选用光纤。通道结构利用 Solidworks 软件绘制，同时进行了电路搭建及部分光路的仿真。在光谱检测的基础上，利用光电检测理论，完成了基于光电检测理论的 COD浓度单波长实时在线检测系统设计，利用 COD 标准液对系统进行了初步定标，利用浊度标准液对系统进行了补偿。系统包括光源模块、光路模块、探测器模块、电路模块和显示模块五部分。

(1)光源模块选用紫外 254 nm LED 作为系统光源，分析了该光源的光学特性，并对该光源进行了电路仿真。

(2)光路模块作为光源和探测器的固定模块，主要解决了光源和探测器的对准问题。利用 Solidworks 软件绘制了外壳封装图，并用 3D 打印机打印出外壳封装。

(3)探测器模块作为光信号的采集模块，利用光电转换将光信号转换为电信号。文中分析了其性能参数，并进行了电路仿真等。

(4)电路模块作为整个系统的控制模块，主要完成了光源的驱动电路搭建、探测器的信号转换、模拟信号的采集等。

(5)显示模块通过 LCD 显示，同时编写 PC 上位机界面程序，完成了 PC 显示。最后，对实时在线检测系统进行了系统完善，系统加入了锂离子电池，提高了系统户外长时间运行的稳定性，加入无线传输模块，实现了数据的实时传输。

1.3.2 创新点

1、对光谱检测法进行了论证，完成了 COD 浓度标准液的 PLS 算法模型。对海水水质光谱检测法实时在线检测系统进行了硬件设计。

2、完成了基于光电检测理论的紫外单波长海水 COD 浓度实时在线检测系统设计，系统增加了锂离子电池，利用太阳能电池板对其充电；加入无线传输模块，提高了户外实时在线检测的稳定性。

3、海水水质光谱检测法实时在线检测系统与基于光电检测理论的紫外单波长海水 COD 浓度实时在线检测系统均具有成本低、操作简单、无污染、可实时在线检测等优点。

1.4 本文的主要研究内容

本文首先对本课题国内外现状进行了阐述，分析了 COD、叶绿素、浊度现有检测方法的优缺点，提出本课题的研究内容。全文内容如下：

第 1 章阐述了课题的研究背景及意义，介绍了 COD、叶绿素、浊度检测的研究方法及现状，对传统的检测方法进行了优缺点分析，提出了本文的设计方法，并对研究内容进行分析，最后给出本文的结构安排。

第 2 章介绍了基于光谱法的水质检测理论，对光谱检测法进行了微宏观机理分析，并进行了预处理算法的研究。

第 3 章分别对不同浓度的 COD 标准液进行光谱数据采集，利用偏最小二乘法对数据进行处理、建模，得出浓度与光谱数据的关系模型，并进行误差分析及补偿校准。并对基于多光谱检测的实时在线检测系统进行了方案设计及理论分析，进行了光路设计与仿真、电路设计与仿真，并搭建了控制系统电路。

第 4 章设计了基于光电检测理论的紫外单波长水质 COD 浓度实时在线检测系统，进行了光路设计、电路设计、PC 上位机存储及显示等，并进行了误差分析及结果补偿，完成了系统的最终定标，最后进行了系统的完善，设计增加了供电系统、无线通信设计及 LCD 触摸屏等，实现了真正意义上的实时在线检测。

结论部分对本文进行了总结，并指出了实验方法及实验系统的不足之处及系统的未来改进计划。

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