孔祥飛 孫曉峰 王松亭 紀永剛 陳秀華 劉承文

【摘 ?要】本文闡述一種雙光束水質(zhì)COD在線檢測傳感器，利用本體上設有UVLED陣列、測量光室、參考光室和檢測光路;利用光束A采集COD值，建立神經(jīng)網(wǎng)絡模型，利用光束B來修正和補償關(guān)干擾量。并最終綜合由所述神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算COD值。本設計能提高光譜在線檢測的測試精度和對水質(zhì)變化的抗干擾性。

一、引言

在水質(zhì)檢測中，化學需氧量（COD）是一項重要的水質(zhì)指標，它反映了水體受還原性有機物的污染程度，由于水體中的還原物質(zhì)主要為有機物，因此COD也反應了水體受有機物的污染程度。COD的值越小，說明水質(zhì)受有機物污染程度越輕。在《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》、《生活飲用水水源水質(zhì)標準》、《生活飲用水衛(wèi)生標準》等國家標準中都對COD濃度限制做出了明確的規(guī)定，因此對COD的準確、方便、快速檢測非常重要。

目前，COD的檢測方法有化學方法和物理方法，其中化學方法主要是重鉻酸鹽法（GB11914-89）和高錳酸鹽法（GB11892-89），這些方法存在著測量時間長、需要消耗試劑、存在二次污染、使用成本高等缺點。物理方法主要采用紫外-可見（UV-VIS）吸收光譜法，具有實時、快速、在線、免試劑、低成本、高可靠、無二次污染等優(yōu)點，易于長期安全穩(wěn)定運行。

二、整體設計方案

我們利用UVC吸收光譜法進行COD的物理方法檢測，但因為水中不同組分對吸收光譜的影響波段往往存在交叉敏感區(qū)域，使得檢測過程相互干擾，造成測量偏差。如水體中的濁度會影響COD的預測，因為實際水樣中存在的懸浮顆粒會對光的散射、吸收產(chǎn)生水體濁度，盡管COD的吸收峰在紫外波段，但濁度會影響UVC全波段的吸收特性并且在紫外區(qū)對光有較強衰減作用，因此濁度補償尤為重要。

因此針對濁度作為COD測量的重要影響，我們通過模擬建模對比的方法修正吸收光譜、以此來消除濁度對COD檢測的誤差值。在檢測過程中采用雙頻多段陣列UVLED光源進行大量的測試數(shù)據(jù)及數(shù)學實驗模型支持，并考慮水物質(zhì)組成的相互影響機制，故而得到多種相對于濁度溶液的吸收光譜曲線修正偏差，故此選用這種更優(yōu)的濁度補償方法提高COD的檢測精度。

本傳感器設計采用了測量光和參考光的比對實現(xiàn)了雙頻陣列光束探測，將傳感器浸入到測量溶液中去，實現(xiàn)了對水質(zhì)的浸入式、在線檢測，參考光室配置標準溶液，采用測量光室和參考光室的比對以提高測量結(jié)果的精度，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在設計中我們把電源DC12V直流電壓轉(zhuǎn)化成為UVLED陣列所需要的恒流源，驅(qū)動UVLED陣列發(fā)光，UVLED陣列經(jīng)過聚光鏡把光源耦合到入射透鏡，入射透鏡經(jīng)過陣列重新排布后傳輸?shù)綔y量光室時經(jīng)過準直鏡耦合到其中，光通過測量光室被池中溶液吸收后，被聚光透鏡耦合后傳輸?shù)浇邮掌鬟M行測量分析。

UVLED需要采用恒流源驅(qū)動（如圖2），采用12V直流電源供電，通過LM7806進行電壓調(diào)節(jié)。恒流輸出通過MHL7136來實現(xiàn)。MHL7136是一款LED線性降壓恒流集成電路，它的輸入電壓在2.7～18V，可以提供10mA～1A之間可調(diào)的輸出電流恒流驅(qū)動UVLED。

UVLED陣列選取所需光譜的LED燈通過并聯(lián)排列成為LED陣列，以提供所需紫外光譜段的光源。LED這種光源具有體積小、功耗低、壽命長、工作穩(wěn)定，以UVLED陣列作為光源使得傳感器結(jié)構(gòu)大大簡化，并且大大減小了光源的體積和重量。

三、模型計算

基于光譜法COD檢測的濁度補償方法，我們采用將濁度標液和COD標準溶液混合，得到COD濃度為50mg/L，濁度值分別為0、5NTU、10NTU、20NTU、30NTU、40NTU和50NTU的混合溶液作為待測液體，通過測得當前濁度作用時的吸收光譜，分別獲取濁度分別為5NTU、10NTU、20NTU、30NTU、40NTU和50NTU的濁度標準液的吸收光譜，將每條吸收光譜進行歸一化處理，得到經(jīng)過歸一化后的濁度吸收光譜圖。

不同濁度的曲線形狀大致相同，隨著濁度的增大曲線呈整體的放大，表示處理后光譜曲線特性經(jīng)過式（1）處理后的歸一化曲線，發(fā)現(xiàn)不同濁度的歸一化光譜曲線基本重合，可以用其平均光譜作為歸一化線型函數(shù)來表征濁度標準液的歸一化吸收光譜。

我們通過建模及補償，COD在特征頻率處的吸收峰逐漸被淹沒以致無法識別，并且濁度的加入帶來的漂移和峰降值都較為明顯好轉(zhuǎn);補償后混合液的吸收光譜與COD標準液的吸收光譜幾乎重合，補償效果較好。

四、結(jié)論

本傳感器設計采用了測量光和參考光的比對實現(xiàn)了雙頻陣列光束探測，將傳感器浸入到測量溶液中去，實現(xiàn)了對水質(zhì)的浸入式、在線檢測，多頻段光譜比測量以提高測量結(jié)果的精度。根據(jù)基于絕大部分有機物在紫外波段的吸收光譜上皆有所反映，但不同有機物在紫外波段同一波長處，以及相同有機物在紫外波段不同波長處的吸光度是不同的原理，采用多個LED陣列光源形成連續(xù)波長，實現(xiàn)對水質(zhì)COD的連續(xù)波長檢測，可大大提高測量精度，使測量更加便捷。

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