紫外-可見(jiàn)光譜水質(zhì)檢測(cè)多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、水是生命之源，人類在生活和生產(chǎn)活動(dòng)中都離不開(kāi)水。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，暴露的水環(huán)境污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，水質(zhì)或水體污染事件頻發(fā)，凸顯了我國(guó)水環(huán)境形勢(shì)不容樂(lè)觀。
　　水質(zhì)的優(yōu)劣不僅與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和人類健康密切相關(guān)，而且還依賴于水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)做保障，以此評(píng)判、預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)水質(zhì)的優(yōu)劣。誠(chéng)然，傳統(tǒng)的儀器檢測(cè)設(shè)備可以對(duì)水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，但一般只對(duì)單一參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。例如，水質(zhì)COD、TOC、TURB和NO3-N等參數(shù)的檢

2、測(cè)，其通常需要COD分析儀，TOC分析儀，濁度計(jì)，NO3-N分析儀等設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，這不僅不利于數(shù)據(jù)的整合，而且還增加了檢測(cè)成本。近年來(lái)，作為光譜分析的水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)之一的紫外-可見(jiàn)光吸收光譜法，它不僅摒棄了化學(xué)分析和電化學(xué)分析及色譜分析等水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)水樣預(yù)處理繁雜、測(cè)量周期長(zhǎng)、所需化學(xué)試劑多的缺點(diǎn)，而且還具有檢測(cè)速度快、成本低和可實(shí)現(xiàn)在線、原位測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，日漸為世人所矚目。然而，目前的紫外-可見(jiàn)光吸收光譜法，一般為單一參數(shù)在線檢測(cè)，國(guó)

3、內(nèi)尚不能實(shí)現(xiàn)水質(zhì) COD、TOC、TURB、NO3-N的多參數(shù)同時(shí)在線檢測(cè)。
　　本文在四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“多功能水質(zhì)實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)發(fā)與產(chǎn)品研制”（項(xiàng)目編號(hào)：2012SZ0111）和四川碧朗科技有限公司橫向合作科研項(xiàng)目“光譜多參數(shù)水質(zhì)在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀研制”（合同編號(hào)：1042012920140453）及國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“SFL-Contourlet的構(gòu)造及其特性研究”（批準(zhǔn)號(hào)：61201346）的聯(lián)合資助下，開(kāi)展了紫外-

4、可見(jiàn)光譜水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的理論、儀器、方法技術(shù)及應(yīng)用研究工作，研制了一套涵蓋水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)光譜處理、水質(zhì)參數(shù)解算，到實(shí)驗(yàn)室分析驗(yàn)證，再到實(shí)際水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)完整流程的水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)已具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。論文的研究?jī)?nèi)容，主要包括：
　?、訇U述了光譜法或光譜技術(shù)水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有水質(zhì)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行詳盡對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，本文提出了紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的原理和方法技術(shù)及應(yīng)

5、用，基此，系統(tǒng)、深入開(kāi)展了紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的水質(zhì)光譜處理、水質(zhì)參數(shù)解算等的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究。
　　②研制了紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的儀器系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)檢測(cè)的原理進(jìn)行詳細(xì)分析，研究了水質(zhì)多參數(shù)的檢測(cè)原理，分析了多參數(shù)光譜檢測(cè)的可行性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，設(shè)計(jì)、仿真、加工制作和測(cè)試了浸入式光程差分水質(zhì)檢測(cè)探頭。該探頭在進(jìn)行水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)采集時(shí)，能有效地降低噪聲干擾，提

6、高系統(tǒng)靈敏度，并能快速、準(zhǔn)確找出待測(cè)水體的敏感波長(zhǎng)范圍。通過(guò)采用以微型光纖光譜儀為核心的光譜測(cè)量單元，結(jié)合紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析法，完成水樣的COD、TOC、TURB和NO3-N多參數(shù)檢測(cè)。同時(shí)，基于LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)并進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流路、清洗、處理、顯示、存儲(chǔ)、打印及主控系統(tǒng)的儀器功能，此為光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供了硬、軟件條件或平臺(tái)。
　　③研究了基于小波包去噪的水質(zhì)光譜處理方法和多元散射校正的

7、水質(zhì)光譜處理技術(shù)方法。針對(duì)地表水、城市生活污水中主要污染物在線檢測(cè)與控制的需求，以紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)COD、TOC、TURB和NO3-N多參數(shù)檢測(cè)為具體研究對(duì)象，在分析水質(zhì)光譜信息特征的基礎(chǔ)上，提出了基于小波包去噪的水質(zhì)光譜處理方法，借以提高水質(zhì)光譜的信噪比。研究結(jié)果表明，水樣的原始紫外-可見(jiàn)吸收光譜經(jīng)小波包去噪處理后，噪聲得到了明顯抑制，且特征得到了較好的保留。針對(duì)水中懸浮物對(duì)光譜的散射會(huì)對(duì)水樣的紫外-可見(jiàn)吸收光譜產(chǎn)生基線漂移、平移

8、等，此將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測(cè)精度問(wèn)題，進(jìn)而將直接影響光譜法對(duì)水質(zhì)COD的檢測(cè)。為此，研究了一種基于多元散射校正的水質(zhì)光譜處理方法。通過(guò)多元散射校正方法，可在不影響水樣紫外-可見(jiàn)吸收光譜特征的前提下，能夠?qū)λ袘腋∥镆鹕⑸涓蓴_或水質(zhì)濁度引起基線偏移的吸收光譜曲線進(jìn)行有效的校正。這不僅提高了光譜法檢測(cè)水質(zhì)COD的信噪比，而且還對(duì)化學(xué)計(jì)量法建立準(zhǔn)確有效的水質(zhì)檢測(cè)COD分析模型進(jìn)行了有效的數(shù)據(jù)預(yù)處理。
　?、苎芯苛酥髟治鲞M(jìn)行水質(zhì)

9、光譜降維和最小二乘支持向量機(jī)對(duì)水質(zhì)參數(shù)軟測(cè)量建模的水質(zhì)光譜處理方法技術(shù)。由于水質(zhì)紫外-可見(jiàn)光譜通過(guò)小波包去噪和多元散射校正后，依然存在水質(zhì)光譜采集的冗余及多重共線問(wèn)題，應(yīng)用主元分析方法對(duì)水質(zhì)光譜信號(hào)進(jìn)行降維處理，再應(yīng)用最小二乘支持向量機(jī)對(duì)水質(zhì)參數(shù)COD進(jìn)行軟測(cè)量建模。研究結(jié)果表明，經(jīng)主元分析方法降維處理后的水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)，去除了冗余信息，保留了有效特征，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用最小二乘支持向量機(jī)進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的軟測(cè)量建模，可以提高系統(tǒng)的建模精度和水

10、質(zhì)COD參數(shù)的解算精度。
　　⑤開(kāi)展了紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀器樣機(jī)的性能測(cè)試研究工作。為了確保紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀器系統(tǒng)的有效、穩(wěn)定運(yùn)行，需要依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研制的儀器樣機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，儀器樣機(jī)對(duì)COD即化學(xué)需氧量標(biāo)液的測(cè)試精度小于4.70％，重復(fù)性小于1.43%；對(duì)TOC即總有機(jī)碳的測(cè)試精度小于2.69%，重復(fù)性小于1.98%；對(duì) TURB即濁度的測(cè)試精度小于4.78%，重復(fù)性小于1.55%

11、；對(duì)NO3-N即硝酸鹽氮的測(cè)試精度小于4.67%，重復(fù)性小于2.92%?？梢?jiàn)，研制的儀器樣機(jī)性能指標(biāo)，不僅達(dá)到了立項(xiàng)研究項(xiàng)目《任務(wù)書(shū)》的設(shè)計(jì)要求，而且由中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院化學(xué)研究所出具的測(cè)試報(bào)告證明，性能指標(biāo)滿足我國(guó)及行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
　　本文將光譜學(xué)、光電技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、化學(xué)計(jì)量方法、信號(hào)分析與處理等學(xué)科專業(yè)知識(shí)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，率先在國(guó)內(nèi)研究并構(gòu)建了基于紫外-可見(jiàn)光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測(cè)儀器系統(tǒng)。論文研究成果——研制的儀器樣機(jī)，