水质监测电路和非接触式水质监测仪的制作方法

1.本发明涉及水质监测领域，特别是涉及一种非接触式水质监测电路和包含所述水质监测电路的水质监测仪。


背景技术：

2.在户外监测水质时，为了避免阳光对测量的干扰一般使用投入式传感器，投入式传感器长期淹没在水中，光学窗口上容易堆积污染物而影响检测。为了保证测量的精准度，野外实时监测设备通常需要定期对检测窗口进行清洗和校准，大大增加了工作量。
3.为了减少清洗的次数，相关技术中有两种解决方法，一种即在投入式水质传感器配置自动清洗刷，设定每隔一段时间对粘污的监测窗口清刷一次。但是野外水体悬浮物和微生物的附着力较强，自带的清洗刷仍然不能彻底的清洗干净，仍然需要定期人工清理，另外自动清洗刷需要安装驱动马达，增加了设备的复杂度和体积。
4.另一种为非接触式的水质传感器，可以不将仪器投入水体中，这种方式可以避免测量窗口长期处于水中收到细菌微生物等的污染，常见的为流通式测量，即有一个流体通道，通过泵将水引入到流体通道中进行检测。该种技术需要在野外水体的岸边安装监测柜，通过泵抽水到流通池里进行测量，在野外实时监测有一定实施复杂度和难度。


技术实现要素：

5.本发明要解决相关技术中非接触式水质测量需要使用水泵、设备安装复杂使用不便的问题，提供一种不接触水体即可测量水质参数的水质监测电路和不需要人工清理、构造简单包含上述电路的水质监测仪。
6.针对上述存在的局限性，本发明提出了
7.一种水质监测电路，包括：
8.供电传输电路10，包括：系统电源；
9.光源驱动电路20，包括：光源；
10.采样模块：包括：凸透镜6：所述凸透镜6将所述光源发出的光经水体散射后的散射光进行聚焦；
11.检测电路30，包括：
12.信号检测模块31：接收所述凸透镜6聚焦后的散射光，转换为电信号；
13.或，接收所述光源发出的入射光和所述凸透镜6聚焦后的散射光转换为电信号；
14.信号处理模块32：处理所述电信号，获得水质参数；
15.所述系统电源为所述光源驱动电路20、检测电路30供电。
16.进一步地：所述供电传输电路10还包括：
17.传输模块111，所述传输模块111连接外部网络，发送和接收数据；所述系统电源连接太阳能电池板109；
18.和/或，所述系统电源包含蓄电池。
19.进一步地：所述光源驱动电路20，还包括：
20.恒流电路21：所述恒流电路21将所述系统电源输入的电源转换为恒流电源，所述光源接收所述恒流电路21的输出。
21.进一步地：所述信号检测模块31包括：
22.光敏接收器：所述光敏接收器采集光信号转换为电信号；
23.所述光敏接收器为1个，采集所述光源的入射光经水体8散射后的散射光的光信号；
24.和/或，所述光敏接收器为2个，1个采集所述光源的入射光的光信号、1个采集所述光源的入射光经水体8散射后的散射光的光信号。
25.所述信号处理模块32包括：
26.滤波放大模块321：对所述信号检测模块31输出的所述电信号进行放大和滤波处理；
27.模数转换模块：将所述滤波放大模块321处理后的所述电信号由模拟信号转换为数字信号；
28.处理器322：接收所述模数转换模块输出的所述数字信号进行处理，获得所述水质参数。
29.进一步地：所述处理器322对所述入射光对应的所述数字信号进行处理获得参比光强io，对所述散射光对应的所述数字信号进行处理获得散射光强is，根据所述参比光强io和散射光强is，获取所述水质参数。
30.进一步地：所述滤波放大模块321包括：
31.第一滤波电路：对所述电信号进行滤波；
32.第二滤波电路：对所述电信号进行滤波；
33.放大电路：对所述电信号进行放大；
34.比较器；对所述信号检测模块31输出的所述电信号进行检测获得所述电信号的参数，将所述参数与预设阈值进行比较：
35.当所述参数大于等于预设阈值时，由所述第一滤波电路将所述电信号进行一级滤波，由所述放大电路进行放大，由所述第二滤波电路进行二级滤波后输出；
36.当所述参数小于预设阈值时，由放大电路对所述信号检测模块31输出的所述电信号进行放大，由所述第二滤波电路进行滤波后输出。
37.进一步地：所述采样模块还包括：光纤，所述光纤用于将所述光源的入射光传输至水体形成散射光；
38.或，y形光纤3：所述y形光纤3的1条支路10用于传输所述光源的入射光，1条支路9用于将所述光源的入射光传输至水体形成散射光；所述y形光纤3的2条支路中光传播的路径长度相等。
39.进一步地：所述入射光在水面的散射点与所述凸透镜6之间的最短距离小于等于25cm；所述凸透镜6上涂有抗菌涂层。
40.进一步地：所述光源波长大于800nm，光谱半宽度为δ《40nm，发光强度大于等于100mw/sr。
41.一种非接触式水质监测仪，包括：如上述所述的电路；
42.底座7：所述底座7设置在水面上方，所述底座7上开有开口，所述凸透镜6设置在所述开口附近，所述光源发出的光通过所述开口经水体散射后传输至所述凸透镜6。
43.与相关技术相对比，本发明具有以下优点：
44.本发明的发明点之一的水质监测电路，通过设置光源、信号检测模块、信号处理模块，由信号检测模块采集所述光源发出的光以及经水体散射后的散射光转换为电信号，再由信号处理模块进行处理后获得水质参数，从而可以不接触水体测量水体的水质参数。
45.本发明的发明点之一的非接触式水质监测仪，通过设置带有开口的底座和上述电路，在具有上述水质监测电路的优点的同时，可以通过所述底座的开口由上述电路进行水质参数进行测量，从而避免仪器长期接触水体由于细菌、微生物和污染物导致仪器受污染需要人工清理的问题，从而大大节省了清理仪器和再校准的工作量。
附图说明
46.图1为本发明一个实施例的非接触式水质监测电路的结构图；
47.图2为本发明一个实施例的非接触式水质监测电路的电路光路图；
48.图3为本发明一个实施例的非接触式水质监测电路的y形光纤夹角变化的电路结构图。
具体实施方式
49.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。
50.除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文中所涉及的表征手段均可参阅现有技术中的相关描述，本文中不再赘述。
51.为了进一步了解本发明，下面结合最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
52.实施例1
53.如图1-3所示，一种水质监测电路，包括：
54.供电传输电路10，包括：系统电源；
55.光源驱动电路20，包括：光源；
56.采样模块：包括：凸透镜6：所述凸透镜6将所述光源发出的光经水体散射后的散射光进行聚焦；
57.检测电路30，包括：
58.信号检测模块31：接收所述凸透镜6聚焦后的散射光，转换为电信号；或，接收所述光源发出的入射光和所述凸透镜6聚焦后的散射光转换为电信号；
59.信号处理模块32：处理所述电信号，获得水质参数；
60.所述系统电源为所述光源驱动电路20、检测电路30供电。
61.水质参数测量原理：光线在透明水体里传输，如果水体中没有任何杂质，则该束光线直线传播，不会改变方向。但如果水体里有微小颗粒、悬浮物等杂质，光束遇到这些微小颗粒或者悬浮物的时候就会产生散射光。颗粒越多，散射就越严重，与入射光成一定角度的
方向上检测散射光，就可以对水质参数进行计算。
62.信号检测模块31接收所述光源发出的光，经过信号处理模块32的处理，获得参比光强io，接收所述光源发出的光经水面散射的光经过信号处理模块32的处理，获得散射光强is，根据io和is可以计算水质参数，公式如下：
63.k*n＝is/io
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式1)
64.其中，系数，通过校准测量可以获得k的数值，再根据io和is可以计算出单位体积颗粒数n的值，求出con＝a*n其中con为水质参数，a为系数，根据上述n和k可以求出a。
65.在上述方案中，可以检测所述参比光强io，以便对设备进行实时校准、提高测量的精度，也可以省略对参比光强io的检测，使用预先测试获取的参比光强io进行计算。
66.进一步地：当检测的水体中杂质颗粒直径小于所述光源入射光的波长λ时，可以使用如下公式：
[0067][0068]
其中，io为参比光强，可以为采集的入射光强，也可以为预先采集的参比光强；is为散射光强，θ为散射光与所述光源入射光的夹角，n单位体积颗粒数，λ为入射光波长、n1与n2为水中微粒的折射率。通过上式及io、is可以求出n，根据所述n可以求出con＝k1*n，其中，
[0069][0070]
con为水质参数。
[0071]
上述公式为杂质颗粒小于所述光源入射光的波长λ时测量使用的公式；这种情况下也可以继续使用公式1，通过调整入射光的波长使其小于颗粒物的直径来实现测量，从而不限于上述设置。通过上述测量原理，只要将水质参数监测仪设置在水面上方而不接触水体，就可以进行监测，从而避免长期接触水体，由于水体中细菌、微生物和污染物导致采集模块的光学部件被污染需要人工清理的问题。
[0072]
实施例2
[0073]
在实施例1的基础上，进一步地：
[0074]
进一步地：所述供电传输电路10还包括：
[0075]
传输模块111，所述传输模块111连接外部网络，发送和接收数据；所述系统电源连接太阳能电池板109；
[0076]
和/或，所述系统电源包含蓄电池。
[0077]
进一步地：所述光源驱动电路20，还包括：
[0078]
恒流电路21：所述恒流电路21将所述系统电源输入的电源转换为恒流电源，所述光源接收所述恒流电路21的输出。所述恒流电路21，作为恒流源为光源1供电。
[0079]
所述系统电源可以直接向仪器整个电路供电，所述系统电源还可以包含蓄电池，将从太阳能电池板109获得的电能为所述蓄电池充电并储存，以备阴天阳光较弱时为系统供电；有两种供电模式，由所述太阳能电池板向所述蓄电池供电，再由所述蓄电池向后级电路供电；或，所述太阳能电池板可同时向所述蓄电池和所述电路供电，当太阳能电池板不能
提供足够电量时，切换为所述蓄电池向所述电路系统供电，可以对太阳能电池板对后级供电的电路电压电流进行采样，可以由处理器或比较器将采样值与预设阈值进行比较，当判断其小于预设阈值时，切换为蓄电池进行供电。
[0080]
进一步地，光源驱动电路20，还包括：rtu，rtu终端(智能rtu终端)为远程测控终端，是scada系统的基本组成单元。通过所述rtu，rtu终端可以对仪器进行远程控制，包括但不限于实施信号传输、对信号的传输频率、光源的开和关进行控制。
[0081]
所述传输模块111可以进行射频(4g、5g)、蓝牙、无线网络(wifi)等方式连接网络，进行数据传输；通过设置所述传输模块111，可以接收外部指令、对系统处理器进行升级、对仪器进行校准、更新参数等，可以向外部系统发送测试数据、发送设备故障警报等。
[0082]
进一步地：所述信号检测模块31包括：
[0083]
光敏接收器：所述光敏接收器采集光信号转换为电信号；
[0084]
所述光敏接收器为1个，采集所述光源的入射光经水体8散射后的散射光的光信号；
[0085]
和/或，所述光敏接收器为2个，1个采集所述光源的入射光的光信号、1个采集所述光源的入射光经水体8散射后的散射光的光信号。
[0086]
所述信号处理模块32包括：
[0087]
滤波放大模块321：对所述信号检测模块31输出的所述电信号进行放大和滤波处理；
[0088]
模数转换模块：将所述滤波放大模块321处理后的所述电信号由模拟信号转换为数字信号；
[0089]
处理器322：接收所述模数转换模块输出的所述数字信号进行处理，获得所述水质参数。
[0090]
所述光敏接收器包括但不限于光电二极管311(图2所示)、光电三极管、硅光电池等。
[0091]
选择光敏检测性能较高的光电探测器作为光敏接收器，且选择其光谱响应包含发射光光谱范围。
[0092]
根据需要可以在所述光敏接收器后连接电流转电压模块，所述电信号经所述电流转电压模块处理后再进入所述滤波放大模块。
[0093]
所述处理器包括但不限于mcu、dsp、cpu等，所述处理器根据预设的公式，和所述参比光强io、散射光强is计算水质参数；
[0094]
所述处理器还可以根据预设的对比参数对仪器的工作状态进行监测，当发现工作状态异常时可以通过传输模块111向远程系统发出警报，便于工作人员维修。
[0095]
所述处理器可以根据预设的规则或远程系统的指令向远程系统发送测试数据。
[0096]
进一步地：所述处理器322对所述入射光对应的所述数字信号进行处理获得参比光强io，对所述散射光对应的所述数字信号进行处理获得散射光强is，根据所述参比光强io和散射光强is，获取所述水质参数。
[0097]
进一步地：所述滤波放大模块321包括：
[0098]
第一滤波电路：对所述电信号进行滤波；
[0099]
第二滤波电路：对所述电信号进行滤波；
[0100]
放大电路：对所述电信号进行放大；
[0101]
比较器；对所述信号检测模块31输出的所述电信号进行检测获得所述电信号的参数，将所述参数与预设阈值进行比较：
[0102]
当所述参数大于等于预设阈值时，由所述第一滤波电路将所述电信号进行一级滤波，由所述放大电路进行放大，由所述第二滤波电路进行二级滤波后输出；
[0103]
当所述参数小于预设阈值时，由放大电路对所述信号检测模块31输出的所述电信号进行放大，由所述第二滤波电路进行滤波后输出。
[0104]
所述电信号的参数为电压采样值，所述预设阈值为1～2v，优选为1.2v、1.5v、1.8v。
[0105]
滤波处理，作用是去除相应的噪声。当光电信号较弱时，考虑到滤波过度会去除所需的信号，因此对滤波电路进行了比较设计。即在滤波前，增加比较器，若光电信号较弱，则不进行第一级滤波，直接进行放大处理。若光电信号强，则进行第一级滤波后，再对进行放大，之后进行第二级滤波，再进入模数转换模块进行处理。
[0106]
进一步地：所述采样模块还包括：光纤，所述光纤用于将所述光源的入射光传输至水体形成散射光；
[0107]
或，y形光纤3：所述y形光纤3的1条支路10用于传输所述光源的入射光，1条支路9用于将所述光源的入射光传输至水体形成散射光；所述y形光纤3的2条支路中光传播的路径长度相等。如图所示l1＝l2。其中，支路9中光的传播路径长度(l1)等于光纤中传播长度+光纤到水面的距离；优选上述光纤到水面的距离为0.2～1cm，优选为0.5cm。
[0108]
所述y形光纤3的两条支路设置为使所述入射光和所述散射光的光路的夹角的最大值小于等于90
°
，优选为小于等于80
°
、或小于等于70
°
、或小于等于60
°
；y形光纤的摆放和凸透镜的摆放可以进行调整，只要保证满足上述夹角的限制即可，图3所示。
[0109]
所述入射光和所述散射光的光路的夹角的最大值是指所述入射光和所有散射光的光路的夹角中夹角最大的值。
[0110]
所述信号检测模块31的所述光敏接收器，如图1所示参比光敏接收器4接收所述入射光，检测光敏接收器5接收所述散射光。可以理解，所述光敏接收器只设置一个用于采集散射光时即为仅保留检测光敏接收器5，省略参比光敏接收器4，参比光强使用预先采集的参比光强而不再使用入射光强进行计算。
[0111]
如图1所示所述y形光纤3和光源之间设置1入射光窗口2，以进一步提高光的传输质量，所述入射光窗口2上涂有抗菌涂层。所述入射光窗口2还可以具有滤光作用，确保进入水体的光为特定的波长。
[0112]
在所述散射光和凸透镜之间还可以增设1散射光窗口，所述散射光窗口上涂有抗菌涂层也具有滤光作用。
[0113]
所述该涂层可以参照专利文献“cn113582555b一种光学传感器玻璃窗口用透明自清洁涂层的制备方法”，也可以为现有的其他抗菌涂层，抗菌涂层的作用是避免在潮湿环境下在所述窗口和凸透镜上形成污染物从而降低测量准确性。
[0114]
采用光纤进行传导，可以消除光的损耗和色散，进一步提高测量的准确性。
[0115]
进一步地：所述入射光在水面的散射点与所述凸透镜6之间的最短距离小于等于25cm，优选为20cm、18cm、16cm、14cm、12cm、10cm、5cm；所述凸透镜6上涂有抗菌涂层。
[0116]
如图1中所示，l6≤25cm。l6是光在水面散射点与凸透镜表面的最短距离。将上述尺寸限制于25cm以内是为了减少光的衰减，保证采集到的光电信号的强度。
[0117]
进一步地：所述光源波长大于800nm，光谱半宽度为δ《40nm，发光强度大于等于100mw/sr。
[0118]
入射波长为800nm以上测量的水质参数为浊度，也可将入射波长换成紫外段波长，测试水中油、cod、叶绿素、蓝绿藻、水中胶体等相关的水质参数。
[0119]
实施例3
[0120]
一种非接触式水质监测仪，包括：如上述所述的电路；
[0121]
底座7：所述底座7设置在水面上方，所述底座7上开有开口，所述凸透镜6设置在所述开口附近，所述光源发出的光通过所述开口经水体散射后传输至所述凸透镜6。
[0122]
所述底座7可以为固定设置在水面上方、也可以以漂浮等方式置于水面上方。只要保证所述电路不接触水面同时可以对水面进行散射光采集即可。
[0123]
通过设置所述底座7，避免了非接触式水质监测仪接触水体，从而避免了水中微生物、细菌、污染物等对设备的污染。
[0124]
在本发明的实施例中，本发明的监测仪可以用于测试浊度、油、cod、叶绿素、蓝绿藻等，可以理解，所述监测仪不限于上述应用，可以用于一切适合本发明的发明构思的非接触式水体水质参数的测量中。
[0125]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种水质监测电路，其特征在于：包括：供电传输电路(10)，包括：系统电源；光源驱动电路(20)，包括：光源；采样模块：包括：凸透镜(6)：所述凸透镜(6)将所述光源发出的光经水体散射后的散射光进行聚焦；检测电路(30)，包括：信号检测模块(31)：接收所述凸透镜(6)聚焦后的散射光转换为电信号；或，接收所述光源发出的入射光和所述凸透镜(6)聚焦后的散射光转换为电信号；信号处理模块(32)：处理所述电信号，获得水质参数；所述系统电源为所述光源驱动电路(20)、检测电路(30)供电。2.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述供电传输电路(10)还包括：传输模块(111)，所述传输模块(111)连接外部网络，发送和接收数据；所述系统电源连接太阳能电池板(109)；和/或，所述系统电源包含蓄电池。3.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述光源驱动电路(20)，还包括：恒流电路(21)：所述恒流电路(21)将所述系统电源输入的电源转换为恒流电源，所述光源接收所述恒流电路(21)的输出。4.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述信号检测模块(31)包括：光敏接收器：所述光敏接收器采集光信号转换为电信号；所述光敏接收器为1个，采集所述光源的入射光经水体(8)散射后的散射光的光信号；和/或，所述光敏接收器为2个，1个采集所述光源的入射光的光信号、1个采集所述光源的入射光经水体(8)散射后的散射光的光信号；所述信号处理模块(32)包括：滤波放大模块(321)：对所述信号检测模块(31)输出的所述电信号进行放大和滤波处理；模数转换模块：将所述滤波放大模块(321)处理后的所述电信号由模拟信号转换为数字信号；处理器(322)：接收所述模数转换模块输出的所述数字信号进行处理，获得所述水质参数。5.如权利要求4所述的电路，其特征在于：所述处理器(322)对所述入射光对应的所述数字信号进行处理获得参比光强i
o
，对所述散射光对应的所述数字信号进行处理获得散射光强i
s
，根据所述参比光强i
o
和散射光强i
s
，获取所述水质参数。6.如权利要求4所述的电路，其特征在于：所述滤波放大模块(321)包括：第一滤波电路：对所述电信号进行滤波；
第二滤波电路：对所述电信号进行滤波；放大电路：对所述电信号进行放大；比较器；对所述信号检测模块(31)输出的所述电信号进行检测获得所述电信号的参数，将所述参数与预设阈值进行比较：当所述参数大于等于预设阈值时，由所述第一滤波电路将所述电信号进行一级滤波，由所述放大电路进行放大，由所述第二滤波电路进行二级滤波后输出；当所述参数小于预设阈值时，由放大电路对所述信号检测模块(31)输出的所述电信号进行放大，由所述第二滤波电路进行滤波后输出。7.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述采样模块还包括：光纤，所述光纤用于将所述光源的入射光传输至水体形成散射光；或，y形光纤(3)：所述y形光纤(3)的1条支路(10)用于传输所述光源的入射光，1条支路(9)用于将所述光源的入射光传输至水体形成散射光；所述y形光纤(3)的2条支路中光传播的路径长度相等。8.如权利要求7所述的电路，其特征在于：所述入射光在水面的散射点与所述凸透镜(6)之间的最短距离小于等于25cm；所述凸透镜(6)上涂有抗菌涂层。9.如权利要求1所述的电路，其特征在于：所述光源波长大于800nm，光谱半宽度为δ<40nm，发光强度大于等于100mw/sr。10.一种非接触式水质监测仪，其特征在于：包括：如权利要求1-9任意一项所述的电路；底座(7)：所述底座(7)设置在水面上方，所述底座(7)上开有开口，所述凸透镜(6)设置在所述开口附近，所述光源发出的光通过所述开口经水体散射后传输至所述凸透镜(6)。

技术总结
一种水质监测电路和包含上述电路的非接触式水质监测仪，包括：供电传输电路，包括：系统电源；光源驱动电路，包括：光源；采样模块：包括：凸透镜：将光源发出的光经水体散射后的散射光进行聚焦；检测电路，包括：信号检测模块31：接收光源发出的入射光和凸透镜6聚焦后的散射光，转换为电信号；信号处理模块：处理电信号，获得水质参数；系统电源为光源驱动电路、检测电路供电。一种非接触式水质监测仪，包括：如上述的电路；底座：底座设置在水面上方，底座上开有开口，凸透镜设置在开口附近，光源发出的光通过开口经水体散射后传输至凸透镜。本发明用于野外水质实时监测，由于避免接触水体，不会受到水体中细菌微生物等污染物的污染，无需人工清理设备和定期校准也能保证测量的准确性。性。性。


技术研发人员：时美 黄明蔚 张伯进 李彩波 张大超 邱慧芳 焦文辉
受保护的技术使用者：上海电气数智生态科技有限公司
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/9