1.2.3 濁度研究現(xiàn)狀

濁度反映了水體中懸浮物對(duì)光線透過(guò)時(shí)的阻礙程度，一定程度上反映了水體質(zhì)量。常見(jiàn)的濁度檢測(cè)方法有：分光光度法、目視比濁法，均為國(guó)標(biāo)法。

濁度分光光度法是將一定量的福爾馬肼溶液作為濁度標(biāo)準(zhǔn)液，配置一系列不同濃度的濁度標(biāo)準(zhǔn)液，以 680nm 光照射該標(biāo)準(zhǔn)液，將吸光度與濁度的關(guān)系曲線作為參考曲線，與待測(cè)水樣濁度吸光度進(jìn)行目測(cè)對(duì)比，從而得出待測(cè)水樣的濁度，該方法具有人為因素影響大、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線等缺點(diǎn)。

目視比濁法是以人眼為判斷依據(jù)，對(duì)水體透明度進(jìn)行目測(cè)對(duì)比來(lái)確定待測(cè)水樣濁度的方法。測(cè)量人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步確定待測(cè)水樣的濁度，以福爾馬肼溶液作為濁度標(biāo)準(zhǔn)液，將待測(cè)水樣與一系列不同濃度的濁度標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行目測(cè)比較，選出與待測(cè)水樣透明度大致相同的濁度標(biāo)準(zhǔn)液，以其濁度值作為該待測(cè)水樣中的濁
度，該方法具有操作復(fù)雜、難度大、人為因素影響大、不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線等缺點(diǎn)。

近些年，天津大學(xué)精儀系利用濁度對(duì)光的散射作用，通過(guò)測(cè)量被水分子散射的 90 度處的光強(qiáng)，成功研制出濁度傳感器；同濟(jì)大學(xué)利用濁度對(duì)光散射的原理和光電原理，同時(shí)對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡妷盒盘?hào)，通過(guò)測(cè)量電壓值，得到水體中濁度值；電子科技大學(xué)為了改善光源老化、水體復(fù)雜環(huán)境（如氣泡）等對(duì)濁度測(cè)量造成的影響，提高濁度檢測(cè)的精度，進(jìn)行了雙光路檢測(cè)，同時(shí)測(cè)量 90 度散射光信號(hào)和透射光信號(hào)，通過(guò)計(jì)算散射光度與透射光度之比，得到濁度值大小。這三種方法均具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、無(wú)傷害性等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外同樣進(jìn)行了大量研究，如：美國(guó) HACH(哈期)公司、英國(guó) ABB Kent(肯特)公司、德國(guó)E+H(恩德斯 豪斯)公司、法國(guó) Polymetron(波尼梅隆)公司等，都有較完善的產(chǎn)品。

1.3 新方法概述及創(chuàng)新點(diǎn)

1.3.1 新方法概述

光譜檢測(cè)法以光譜學(xué)與光譜分析為技術(shù)背景，利用分光光度法、光散射法分別對(duì)通過(guò) COD 標(biāo)準(zhǔn)液的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并運(yùn)用偏最小二乘法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理建模，然后對(duì)所建模型進(jìn)行校驗(yàn)集校驗(yàn)。校驗(yàn)無(wú)誤后，進(jìn)行了海水水質(zhì)光譜檢測(cè)法實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)包括光源部分、通道部分、采集部分。

(1)光源設(shè)計(jì)采用 LED 組合，包括紫外 LED(254 nm)、白光 LED(400~760 nm)、紅外 LED(850 nm)，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電路及控制電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)論證。

(2)通道部分保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，此部分的光路通道選用光纖。通道結(jié)構(gòu)利用 Solidworks 軟件繪制，同時(shí)進(jìn)行了電路搭建及部分光路的仿真。在光譜檢測(cè)的基礎(chǔ)上，利用光電檢測(cè)理論，完成了基于光電檢測(cè)理論的 COD濃度單波長(zhǎng)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用 COD 標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了初步定標(biāo)，利用濁度標(biāo)準(zhǔn)液對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)償。系統(tǒng)包括光源模塊、光路模塊、探測(cè)器模塊、電路模塊和顯示模塊五部分。

(1)光源模塊選用紫外 254 nm LED 作為系統(tǒng)光源，分析了該光源的光學(xué)特性，并對(duì)該光源進(jìn)行了電路仿真。

(2)光路模塊作為光源和探測(cè)器的固定模塊，主要解決了光源和探測(cè)器的對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題。利用 Solidworks 軟件繪制了外殼封裝圖，并用 3D 打印機(jī)打印出外殼封裝。

(3)探測(cè)器模塊作為光信號(hào)的采集模塊，利用光電轉(zhuǎn)換將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。文中分析了其性能參數(shù)，并進(jìn)行了電路仿真等。

(4)電路模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的控制模塊，主要完成了光源的驅(qū)動(dòng)電路搭建、探測(cè)器的信號(hào)轉(zhuǎn)換、模擬信號(hào)的采集等。

(5)顯示模塊通過(guò) LCD 顯示，同時(shí)編寫(xiě) PC 上位機(jī)界面程序，完成了 PC 顯示。最后，對(duì)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)完善，系統(tǒng)加入了鋰離子電池，提高了系統(tǒng)戶外長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性，加入無(wú)線傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

1.3.2 創(chuàng)新點(diǎn)

1、對(duì)光譜檢測(cè)法進(jìn)行了論證，完成了 COD 濃度標(biāo)準(zhǔn)液的 PLS 算法模型。對(duì)海水水質(zhì)光譜檢測(cè)法實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。

2、完成了基于光電檢測(cè)理論的紫外單波長(zhǎng)海水 COD 濃度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)增加了鋰離子電池，利用太陽(yáng)能電池板對(duì)其充電；加入無(wú)線傳輸模塊，提高了戶外實(shí)時(shí)在線檢測(cè)的穩(wěn)定性。

3、海水水質(zhì)光譜檢測(cè)法實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)與基于光電檢測(cè)理論的紫外單波長(zhǎng)海水 COD 濃度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)均具有成本低、操作簡(jiǎn)單、無(wú)污染、可實(shí)時(shí)在線檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容

本文首先對(duì)本課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，分析了 COD、葉綠素、濁度現(xiàn)有檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出本課題的研究?jī)?nèi)容。全文內(nèi)容如下：

第 1 章闡述了課題的研究背景及意義，介紹了 COD、葉綠素、濁度檢測(cè)的研究方法及現(xiàn)狀，對(duì)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法進(jìn)行了優(yōu)缺點(diǎn)分析，提出了本文的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行分析，最后給出本文的結(jié)構(gòu)安排。

第 2 章介紹了基于光譜法的水質(zhì)檢測(cè)理論，對(duì)光譜檢測(cè)法進(jìn)行了微宏觀機(jī)理分析，并進(jìn)行了預(yù)處理算法的研究。

第 3 章分別對(duì)不同濃度的 COD 標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，利用偏最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建模，得出濃度與光譜數(shù)據(jù)的關(guān)系模型，并進(jìn)行誤差分析及補(bǔ)償校準(zhǔn)。并對(duì)基于多光譜檢測(cè)的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)及理論分析，進(jìn)行了光路設(shè)計(jì)與仿真、電路設(shè)計(jì)與仿真，并搭建了控制系統(tǒng)電路。

第 4 章設(shè)計(jì)了基于光電檢測(cè)理論的紫外單波長(zhǎng)水質(zhì) COD 濃度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行了光路設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、PC 上位機(jī)存儲(chǔ)及顯示等，并進(jìn)行了誤差分析及結(jié)果補(bǔ)償，完成了系統(tǒng)的最終定標(biāo)，最后進(jìn)行了系統(tǒng)的完善，設(shè)計(jì)增加了供電系統(tǒng)、無(wú)線通信設(shè)計(jì)及 LCD 觸摸屏等，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。

結(jié)論部分對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)，并指出了實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的不足之處及系統(tǒng)的未來(lái)改進(jìn)計(jì)劃。

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