專利名稱：藻類識(shí)別測(cè)量傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及一種藻類識(shí)別測(cè)量傳感器及方法，適合對(duì)江河、湖泊及水庫等水體中的浮游藻類進(jìn)行實(shí)時(shí)快速識(shí)別和測(cè)量，屬于水環(huán)境保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國社會(huì)工業(yè)化的發(fā)展，湖泊的富營養(yǎng)化程度大大加劇。從而導(dǎo)致了水生生物的大量繁殖，破壞了原有水體的生態(tài)平衡。富營養(yǎng)化的主要表現(xiàn)是水華，其中在我國爆發(fā)水華最嚴(yán)重的湖泊是滇池、太湖和巢湖。水華中的藻類非常多，但其主要的優(yōu)勢(shì)藻種是藍(lán)藻，特別是銅綠微囊藻、水華魚腥藻等。其主要原因是藍(lán)藻在波長620nm左右存在一個(gè)明顯的吸收峰，并且由于藍(lán)藻中不含有葉綠素b、c，能較好的利用黃、橙光。而對(duì)于非藻類顆粒、 黃質(zhì)豐富的大型淺湖泊，隨著水深的增加，短波光衰減的更快，這就有利于藍(lán)藻成為浮游植物中的優(yōu)勢(shì)藻種。藍(lán)藻水華是藍(lán)藻爆發(fā)形成的藍(lán)綠色有腥臭味的浮沫，更為嚴(yán)重的是，藍(lán)藻水華會(huì)分泌產(chǎn)生一種微囊藻毒素。它是一種肝毒素，這種毒素是肝癌的強(qiáng)烈促癌劑，也是目前已知的毒性最強(qiáng)、危害最大的一種淡水藍(lán)藻毒素。目前，對(duì)藻類鑒別和測(cè)量技術(shù)主要是圖像識(shí)別技術(shù)、色素分析技術(shù)和熒光技術(shù)等。 圖像識(shí)別技術(shù)時(shí)間待檢測(cè)的水樣至于顯微鏡下，對(duì)不同的藻類進(jìn)行辨別，分類計(jì)數(shù)，最終得出不同藻類在水體中的濃度等信息。色素分析技術(shù)是利用高效液相色素法(HPLC)，基于色譜柱層分離的原理，將有機(jī)提取液中的葉綠素a等不同色素按時(shí)間次序進(jìn)行分離，再以測(cè)量不同波長處的時(shí)間分辨吸收光譜，從而進(jìn)行定性和定量分析。色素分析法不僅可以測(cè)量多種色素組分濃度，而且可以計(jì)算出不同藻類的組分比例。但是上述的兩種檢測(cè)方法都不能適應(yīng)實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)、快速檢測(cè)水體藻類生長情況。近來，熒光檢測(cè)技術(shù)因其具有靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及對(duì)藻類具有良好的鑒別性等優(yōu)點(diǎn)而受到重視。2002年，M. Beutler 等利用5波段G50nm、525nm、570nm、590nm、610nm)的特征激發(fā)熒光光譜實(shí)現(xiàn)對(duì)四種藻類的快速分類監(jiān)測(cè)。德國BBE moldaenke公司推出了基于此原理的熒光藻類分析儀，利用特征熒光光譜實(shí)現(xiàn)了對(duì)藻類的快速分類監(jiān)測(cè)，并能計(jì)算出其組成和含量。2008年，蘇國榮等利用12個(gè)激發(fā)波長的特征熒光光譜，采用多元線性回歸模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多門類浮游植物的識(shí)別測(cè)定，特別是對(duì)BBE藻類分析儀不能識(shí)別的硅藻和甲藻進(jìn)行了很好的識(shí)別和測(cè)定。同時(shí)， 美國的YSI公司、turner designs公司和德國TriOs公司也都發(fā)展了葉綠素a熒光藻類傳感器。上述的這些熒光檢測(cè)技術(shù)都是采用激發(fā)光激發(fā)，然后檢測(cè)680nm附近的單波長葉綠素?zé)晒夤鈴?qiáng)，因?yàn)槿~綠素?zé)晒夤鈴?qiáng)與藻類濃度有一定的線性關(guān)系，從而得出水體中藻類的濃度。但是，熒光的產(chǎn)生與藻類的光合作用及生理狀態(tài)有很大的關(guān)系，不同的藻種含有不同的色素組成，其水體的光譜特性也并不相同，熒光特征峰的高度和位置與葉綠素濃度的關(guān)系也不一致，不僅如此，熒光光峰會(huì)隨著葉綠素的濃度變化出現(xiàn)“紅移現(xiàn)象”。因此，目前的檢測(cè)單波長熒光強(qiáng)度的傳感器，不能準(zhǔn)確反映水體中藻類的組分和含量情況，這也是廣大研究人員亟待解決的技術(shù)難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種藻類識(shí)別測(cè)量傳感器及方法， 其可實(shí)現(xiàn)對(duì)藻類的實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確識(shí)別和測(cè)量，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案—種藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，包括用于發(fā)射兩個(gè)以上不同波長激發(fā)光的多波長熒光激發(fā)光源、用于檢測(cè)由兩個(gè)以上不同激發(fā)光激發(fā)產(chǎn)生的熒光的光電檢測(cè)單元以及控制單元，其特征在于所述光電檢測(cè)單元包括兩個(gè)以上熒光檢測(cè)器，該兩個(gè)以上熒光檢測(cè)器的檢測(cè)波長至少為560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm中的任意兩個(gè)以上。所述多波長熒光激發(fā)光源包括兩個(gè)以上光源，該兩個(gè)以上光源可發(fā)射的激發(fā)光的中心波長至少為 4!35nm、450nm、470nm、485nm、525nm、550nm、570nm、590nm 及 630nm 中的任意兩個(gè)以上。所述多波長熒光激發(fā)光源包括可分別發(fā)射中心波長為435nm、450nm、470nm、 485nm、525nm、550nm、570nm、590nm及630nm的激發(fā)光的九個(gè)高亮度LED光源，每一 LED光源均配有一個(gè)相應(yīng)波長的帶通濾光片和聚光透鏡。所述九個(gè)LED光源排列在檢測(cè)窗口周圍，其發(fā)射的激發(fā)光都聚焦于檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置上。所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器還包括用于對(duì)所有激發(fā)光濾光，并聚焦至檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置上的第一濾光和光學(xué)透鏡單元；以及，用于對(duì)所有激發(fā)產(chǎn)生的熒光進(jìn)行濾光，并聚焦至分光單元上，再由分光單元進(jìn)行分光處理，而后分別反射至各個(gè)對(duì)應(yīng)熒光檢測(cè)器的第二濾光和光學(xué)透鏡單元。所述第二濾光和光學(xué)透鏡單元包括光學(xué)透鏡、帶通波長范圍在550nm-850nm的第二濾光和光欄，所有激發(fā)產(chǎn)生的熒光經(jīng)光學(xué)透鏡入射后，依次經(jīng)第二濾光片和光欄濾光后， 再聚焦至分光單元上，并由分光單元進(jìn)行分光處理，而后分別反射至各個(gè)對(duì)應(yīng)熒光檢測(cè)器。所述分光單元包括分光光柵。所述光電檢測(cè)單元至少選自光電檢測(cè)器陣列和線陣CCD，所述光電檢測(cè)器陣列至少包括六個(gè)檢測(cè)波長分別在560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm處的熒光檢測(cè)器， 所述熒光檢測(cè)器為光電倍增管和/或光電二極管。所述控制單元包括用于采集光電檢測(cè)單元發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)，并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)采集模塊；用于對(duì)接收到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊；以及，至少用于對(duì)多波長熒光激發(fā)光源、光電檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行控制的中央控制模塊。所述控制單元還包括數(shù)據(jù)通信單元，所述數(shù)據(jù)通信單元由中央控制單元控制，用于接收外部控制命令及傳輸傳感器檢測(cè)結(jié)果。所述控制單元還包括電源控制模塊，所述電源控制模塊由中央控制模塊控制，用以給該藻類識(shí)別測(cè)量傳感器內(nèi)的其他功能單元提供穩(wěn)定工作電壓。
所述控制單元還包括熒光激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)模塊，所述熒光激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)模塊由中央控制單元控制，用于驅(qū)動(dòng)熒光激發(fā)光源中選定的一個(gè)或一個(gè)以上光源工作。所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器還包括用于在進(jìn)行藻類檢測(cè)時(shí)測(cè)量水體溫度的溫度傳感器，所述溫度傳感器與中央控制模塊連接。所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器還包括用于對(duì)檢測(cè)窗口進(jìn)行清潔的清潔裝置，所述清潔裝置為超聲波發(fā)生器和/或機(jī)械清掃裝置，所述清潔裝置由控制單元控制。所述控制單元包括分別與中央控制模塊連接的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、熒光激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)模塊以及電源管理模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊還與光電檢測(cè)單元連接。所述數(shù)據(jù)采集模塊包括串接的前置放大電路模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊。所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器被封裝于一剛性密封殼體中，所述剛性密封殼體上設(shè)置檢測(cè)窗口。所述密封殼體外壁上安裝有用于清潔檢測(cè)窗口的機(jī)械清掃裝置。所述檢測(cè)窗口上還裝設(shè)有遮光帽。一種藻類識(shí)別測(cè)量方法，其特征在于，該方法為以復(fù)數(shù)個(gè)不同波長的激發(fā)光照射被檢測(cè)物，并通過復(fù)數(shù)個(gè)具有不同檢測(cè)波長的熒光檢測(cè)器檢測(cè)被檢測(cè)物受激產(chǎn)生的熒光， 形成對(duì)應(yīng)于不同激發(fā)波長的復(fù)數(shù)個(gè)被檢測(cè)藻類熒光光譜，再將該復(fù)數(shù)個(gè)被檢測(cè)藻類熒光譜與各藻類特征譜圖進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，完成被檢測(cè)物中藻類信息的識(shí)別和測(cè)量；所述激發(fā)光選自中心波長為4!35nm、450nm、470nm、485nm、525nm、550nm、570nm、 590nm及630nm的激發(fā)光中的任意兩個(gè)以上；所述受激產(chǎn)生的熒光的波長至少為560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm中的任意一個(gè)以上。該方法中，是首先對(duì)環(huán)境背景噪聲進(jìn)行了檢測(cè)，而后再對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)的，并在被檢測(cè)藻類熒光光譜中扣除了環(huán)境的背景噪聲。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用熒光檢測(cè)技術(shù)，不需要對(duì)水體樣品進(jìn)行前處理，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中藻類組分和含量等信息的檢測(cè)；傳感器采用集成化設(shè)計(jì)，能對(duì)水體中藻類進(jìn)行實(shí)時(shí)、現(xiàn)場(chǎng)、快速的檢測(cè)，并能長期工作于水體環(huán)境中；傳感器自帶的清潔裝置能保持檢測(cè)窗口的清潔，防止雜質(zhì)的污染。采用的多波長熒光檢測(cè)技術(shù)，能有效減小因 “紅移現(xiàn)象”而產(chǎn)生檢測(cè)誤差問題，并能有效反映真實(shí)的激發(fā)熒光光譜和藻類情況。特別適用于水體環(huán)境中藻類的長期監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、快速測(cè)量。


圖1是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中藻類識(shí)別測(cè)量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中藻類識(shí)別測(cè)量傳感器的檢測(cè)窗口的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明一較佳實(shí)施例中藻類識(shí)別測(cè)量傳感器中電子電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如前所述，現(xiàn)有藻類識(shí)別測(cè)量技術(shù)仍存在諸多不足，為此，本發(fā)明特提供了一種藻類識(shí)別測(cè)量傳感器及方法，其能有效減小因“紅移現(xiàn)象”而產(chǎn)生的檢測(cè)誤差問題，并能有效反映真實(shí)的激發(fā)熒光光譜和藻類信息。特別適用于水體環(huán)境中藻類的長期監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、快速、精確測(cè)量。具體而言，該傳感器包括多波長的高亮度LED等作為激發(fā)光源，光學(xué)透鏡和濾光片等構(gòu)成濾光和光學(xué)透鏡單元，能檢測(cè)多個(gè)熒光波段的光電檢測(cè)器單元，并結(jié)合分光光柵以及電子電路系統(tǒng)等組成完整的檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，該傳感器中還可進(jìn)一步集成超聲波發(fā)生器、溫度傳感器和機(jī)械清掃裝置等。由于該傳感器為實(shí)時(shí)、在線、快速的藻類分析和監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，傳感器能長期放置于需要監(jiān)測(cè)的水體中，為防止水體中雜質(zhì)和微生物污染傳感器的檢測(cè)窗口，機(jī)械清掃裝置和超聲波用于清潔傳感器窗口表面。傳感器中的電子電路系統(tǒng)主要包括中央控制單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算單元和數(shù)據(jù)通信單元等組成，用于控制整個(gè)傳感器的協(xié)調(diào)工作。前述藻類熒光激發(fā)光源由中心波長為4;35nm、450nm、470nm、485nm、525nm、550nm、 570nm、590nm及630nm的光源，如高亮度LED等組成，每個(gè)光源配有一個(gè)相應(yīng)波長的帶通濾光片和聚光透鏡。激發(fā)光以斜向45°角發(fā)射(當(dāng)然，也可根據(jù)實(shí)際需要而調(diào)整)，通過透鏡將特定波長激發(fā)光聚焦于檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置上。各激發(fā)光源分別排列在檢測(cè)窗口的周圍，其激發(fā)光都能聚焦于檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置上。前述光學(xué)透鏡和濾光片分別由兩個(gè)部分組成一個(gè)部分是用于LED激光光源的濾光和聚焦，它們分別與相應(yīng)波長的LED相匹配；另一部分是用于檢測(cè)窗口的濾光和聚焦，其中光學(xué)透鏡用于收集激發(fā)熒光，并將熒光聚焦于分光光柵用于后面的熒光檢測(cè)，濾光片波長范圍優(yōu)選在550nm 850nm之間，用于濾除檢測(cè)波長以外的雜散光，光欄用來用于濾除其他雜散熒光，保證接收的熒光信號(hào)來自于正確的檢測(cè)位置。前述分光光柵用于將激發(fā)熒光進(jìn)行分光，使檢測(cè)波長范圍內(nèi)的熒光分開，并照射到后面的光電檢測(cè)器上。前述光電檢測(cè)器陣列可以由高精度的光電倍增管或者光電二極管組成，也可以采用線陣CCD光電檢測(cè)器等。由于激發(fā)熒光經(jīng)過分光光柵分光后，波長按照一定的規(guī)律分光排列，在特定的位置有相應(yīng)波長的熒光。因此，在特定位置上放上光電倍增管就能檢測(cè)相應(yīng)波長的激發(fā)熒光，優(yōu)選的，本發(fā)明中可一共設(shè)有六個(gè)光電倍增管檢測(cè)器，其檢測(cè)波長分別在 560nm、660nm、684nm、710nm、753nm 和 800nm。前述電子電路系統(tǒng)用于控制整個(gè)傳感器的正常工作。其主要由電源管理單元、數(shù)據(jù)采集單元、中央控制單元(可選用MCU、個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等)、數(shù)據(jù)處理單元、通信單元和激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)單元等組成。該電源管理單元主要是給電子系統(tǒng)的各個(gè)部件進(jìn)行供電，保證各個(gè)器件的工作電壓。該數(shù)據(jù)采集單元，主要是由前置放大電路和AD轉(zhuǎn)換器等組成，用以將光電檢測(cè)器檢測(cè)到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)街醒肟刂茊卧小Ｔ摂?shù)據(jù)處理單元可以是DSP或者其他計(jì)算芯片，是通過中央控制單元控制，按照設(shè)定算法將檢測(cè)到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，從而得出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。該通信單元可以是按照 RS232、USB等通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其由中央控制單元控制，用以將檢測(cè)結(jié)果傳輸出。該激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)單元用于在傳感器進(jìn)行藻類檢測(cè)時(shí)，點(diǎn)亮相應(yīng)的光源。該中央控制單元是整個(gè)傳感器正常工作的核心單元，控制協(xié)調(diào)整個(gè)電子電路單元的工作。前述溫度傳感器用于在進(jìn)行藻類檢測(cè)時(shí)測(cè)量水體的溫度，因?yàn)闇囟葘?duì)藻類的生長具有重要的影響，溫度參數(shù)可以用來對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。 前述超聲波發(fā)生器和機(jī)械清掃裝置用于清除檢測(cè)窗口的微生物和其他雜質(zhì)。這是由于傳感器可以長期放置于水體中，不可避免在傳感器的檢測(cè)窗口附著微生物和一些雜質(zhì)。因此，機(jī)械清掃裝置先刮除表面的一些雜質(zhì)，然后再用超聲波清潔傳感器的檢測(cè)窗口表本發(fā)明是通過檢測(cè)水體樣品中的藻類熒光光譜，然后與數(shù)據(jù)庫中的各藻類特征譜圖進(jìn)行反演計(jì)算，得到水體樣品中的藻類組分和含量信息。由于本發(fā)明的傳感器可以檢測(cè)多波長的藻類熒光信息，不同藻類的熒光光譜分布不同，并且熒光峰會(huì)隨著藻類葉綠素的濃度變化出現(xiàn)“紅移現(xiàn)象”等，因此通過對(duì)多波長激發(fā)光所激發(fā)產(chǎn)生的一系列藻類熒光譜圖進(jìn)行線性回歸計(jì)算，能更加準(zhǔn)確的反映藻類組成和含量信息。同時(shí)，本發(fā)明的反演算法也可以采用傳統(tǒng)基線熒光高度法和歸一化熒光高度法等。采用不同的檢測(cè)及反演計(jì)算方法，則采用相應(yīng)的激發(fā)光及熒光信號(hào)檢測(cè)策略。比如對(duì)于采用基線熒光高度法，可以采用波長是 660nm、684nm和710nm的熒光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)計(jì)算，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是可根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及公知常識(shí)而很容易實(shí)施的。以下結(jié)合附圖及一較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。參閱圖1，該藻類識(shí)別測(cè)量傳感器包括集成設(shè)置的多波長的高亮度LED激發(fā)光源 1、濾光片2和5、光學(xué)透鏡3和4、光欄6、分光光柵7、光電檢測(cè)器陣列8以及電子電路系統(tǒng) 13等。同時(shí)，該藻類識(shí)別測(cè)量傳感器中還集成了超聲波發(fā)生器9、溫度傳感器12、機(jī)械清掃裝置10及其驅(qū)動(dòng)裝置11。該傳感器裝置被封裝于密封的不銹鋼套中，可以經(jīng)受百米水深的壓力，并可以長期工作于需要監(jiān)測(cè)的水體環(huán)境中。在傳感器工作時(shí)，其檢測(cè)窗口豎直向下， 九個(gè)激發(fā)光源(101 109)排列在中心檢測(cè)窗口的周圍，參閱圖2，該九個(gè)光源發(fā)射的光的中心波長分別為 4;35nm、450nm、470nm、485nm、525nm、550nm、570nm、590nm& 630nm，中心的窗口 110用于檢測(cè)藻類的激發(fā)熒光。該傳感器采用集成化、低功耗設(shè)計(jì)，其工作過程是在電子電路系統(tǒng)的控制下進(jìn)行的。參閱圖3，該電子電路系統(tǒng)包括中央控制單元、光電檢測(cè)器單元、數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)計(jì)算單元、電源管理單元、數(shù)據(jù)通信單元及激發(fā)光源LED驅(qū)動(dòng)單元等。該傳感器可以長期放置于水體中進(jìn)行藻類組分和含量信息的檢測(cè)，但由于長期在水體中會(huì)附著微生物和雜質(zhì)，引起檢測(cè)誤差。因此傳感器在間隔時(shí)間或者檢測(cè)前進(jìn)行窗口清潔。清潔時(shí)，傳感器上電子電路系統(tǒng)13(圖1)控制機(jī)械清掃裝置10先進(jìn)行表面附著雜質(zhì)的擦除，然后開啟超聲波發(fā)生器9，對(duì)檢測(cè)窗口表面進(jìn)行超聲清潔。當(dāng)傳感器通過數(shù)據(jù)通信單元接收到檢測(cè)命令時(shí)，首先由中央控制單元在不開啟 LED激發(fā)光源的情況下，檢測(cè)環(huán)境的背景噪聲(為了更好的減少環(huán)境的背景噪聲，還可以給傳感器加裝遮光帽)，隨后，中央控制單元控制LED驅(qū)動(dòng)單元依次點(diǎn)亮各波長的LED激發(fā)光源，同時(shí)通過光電檢測(cè)器單元和數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行激發(fā)熒光信號(hào)的檢測(cè)。更進(jìn)一步的講，就是電子電路系統(tǒng)13驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮某一個(gè)波長的LED激發(fā)光源，激發(fā)光通過濾波片2和光學(xué)透鏡 3以斜向45°角照射到檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置。傳感器通過光學(xué)透鏡4收集檢測(cè)位置的藻類激發(fā)熒光，然后通過濾波片5濾除雜散光，最后聚焦于分光光柵7上，在此光路中光欄6 用于濾除其他雜散熒光，保證接收的熒光信號(hào)來自于正確的檢測(cè)位置。熒光信號(hào)經(jīng)過分光光柵7后，按一定的規(guī)律進(jìn)行光學(xué)分光，然后照射到光電檢測(cè)器單元8上。該光電檢測(cè)器單元8由六個(gè)光電倍增管或光電二極管檢測(cè)器組成，其位置所對(duì)應(yīng)的檢測(cè)熒光波長分別為 560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm。因此，在某一激發(fā)光源下光電檢測(cè)器單元8獲得一條由六個(gè)特征波長點(diǎn)組成的熒光譜圖。中央控制器單元通過控制各個(gè)LED激發(fā)光源依次點(diǎn)亮，從而獲得一系列的激發(fā)熒光譜圖。光電檢測(cè)器單元8檢測(cè)到的熒光信號(hào)后，將其光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元中，數(shù)據(jù)采集單元中前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行前置放大，再由A/D轉(zhuǎn)換器將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并發(fā)送到中央控制單元中，由中央控制單元控制數(shù)據(jù)計(jì)算單元進(jìn)行反演計(jì)算，從而得到水體中藻類組分和含量信息。藻類信息的反演計(jì)算方法是通過檢測(cè)各波長激發(fā)光所激發(fā)的藻類熒光譜，扣除環(huán)境的背景噪聲，與數(shù)據(jù)庫中的各藻類標(biāo)準(zhǔn)特征譜圖進(jìn)行相應(yīng)的線性回歸計(jì)算。由于本發(fā)明采用多波長的熒光信號(hào)檢測(cè)，能更加準(zhǔn)確的反映藻類組成和含量信息。當(dāng)然也可以采用傳統(tǒng)基線熒光高度法和歸一化熒光高度法等計(jì)算方法。最后，由中央控制單元將最后的檢測(cè)結(jié)果通過數(shù)據(jù)通信單元傳送出傳感器，完成水體中藻類信息的識(shí)別和測(cè)量。在傳感器不進(jìn)行檢測(cè)工作時(shí)，中央控制單元控制各單元進(jìn)入休眠模式。上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，包括用于發(fā)射兩個(gè)以上不同波長激發(fā)光的多波長熒光激發(fā)光源、用于檢測(cè)由兩個(gè)以上不同激發(fā)光激發(fā)產(chǎn)生的熒光的光電檢測(cè)單元以及控制單元， 其特征在于所述光電檢測(cè)單元包括兩個(gè)以上熒光檢測(cè)器，該兩個(gè)以上熒光檢測(cè)器的檢測(cè)波長至少為560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm中的任意兩個(gè)以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述多波長熒光激發(fā)光源包括兩個(gè)以上光源，該兩個(gè)以上光源可發(fā)射的激發(fā)光的中心波長至少為435nm、450nm、 470nm、485nm、525nm、550nm、570nm、590nm 及 630nm 中的任意兩個(gè)以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述多波長熒光激發(fā)光源包括可分別發(fā)射中心波長為 4!35nm、450nm、470nm、485nm、525nm、550nm、570nm、590nm 及630nm的激發(fā)光的九個(gè)高亮度LED光源，每一 LED光源均配有一個(gè)相應(yīng)波長的帶通濾光片和聚光透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述九個(gè)LED光源排列在檢測(cè)窗口周圍，其發(fā)射的激發(fā)光都聚焦于檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器還包括用于對(duì)所有激發(fā)光濾光，并聚焦至檢測(cè)窗口前的檢測(cè)位置上的第一濾光和光學(xué)透鏡單元；以及，用于對(duì)所有激發(fā)產(chǎn)生的熒光進(jìn)行濾光，并聚焦至分光單元上，再由分光單元進(jìn)行分光處理，而后分別反射至各個(gè)對(duì)應(yīng)熒光檢測(cè)器的第二濾光和光學(xué)透鏡單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述第二濾光和光學(xué)透鏡單元包括光學(xué)透鏡、帶通波長范圍在550nm-850nm的第二濾光和光欄，所有激發(fā)產(chǎn)生的熒光經(jīng)光學(xué)透鏡入射后，依次經(jīng)第二濾光片和光欄濾光后，再聚焦至分光單元上，并由分光單元進(jìn)行分光處理，而后分別反射至各個(gè)對(duì)應(yīng)熒光檢測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述分光單元包括分光光柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述光電檢測(cè)單元至少選自光電檢測(cè)器陣列和線陣CCD，所述光電檢測(cè)器陣列至少包括六個(gè)檢測(cè)波長分別在 560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm處的熒光檢測(cè)器，所述熒光檢測(cè)器為光電倍增管和/或光電二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于，所述控制單元包括用于采集光電檢測(cè)單元發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)，并將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)采集模塊；用于對(duì)接收到的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理的數(shù)據(jù)處理模塊；以及，至少用于對(duì)多波長熒光激發(fā)光源、光電檢測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行控制的中央控制模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述控制單元還包括數(shù)據(jù)通信單元，所述數(shù)據(jù)通信單元由中央控制單元控制，用于接收外部控制命令及傳輸傳感器檢測(cè)結(jié)果。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述控制單元還包括電源控制模塊，所述電源控制模塊由中央控制模塊控制，用以給該藻類識(shí)別測(cè)量傳感器內(nèi)的其他功能單元提供穩(wěn)定工作電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述控制單元還包括熒光激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)模塊，所述熒光激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)模塊由中央控制單元控制，用于驅(qū)動(dòng)熒光激發(fā)光源中選定的一個(gè)或一個(gè)以上光源工作。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器還包括用于在進(jìn)行藻類檢測(cè)時(shí)測(cè)量水體溫度的溫度傳感器，所述溫度傳感器與中央控制模塊連接。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器還包括用于對(duì)檢測(cè)窗口進(jìn)行清潔的清潔裝置，所述清潔裝置為超聲波發(fā)生器和/或機(jī)械清掃裝置，所述清潔裝置由控制單元控制。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述控制單元包括分別與中央控制模塊連接的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、熒光激發(fā)光源驅(qū)動(dòng)模塊以及電源管理模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊還與光電檢測(cè)單元連接。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集模塊包括串接的前置放大電路模塊和AD轉(zhuǎn)換模塊。
17.根據(jù)權(quán)利要求1、5、13或14所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述藻類識(shí)別測(cè)量傳感器被封裝于一剛性密封殼體中，所述剛性密封殼體上設(shè)置檢測(cè)窗口。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述密封殼體外壁上安裝有用于清潔檢測(cè)窗口的機(jī)械清掃裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的藻類識(shí)別測(cè)量傳感器，其特征在于所述檢測(cè)窗口上還裝設(shè)有遮光帽。
20.一種藻類識(shí)別測(cè)量方法，其特征在于，該方法為以復(fù)數(shù)個(gè)不同波長的激發(fā)光照射被檢測(cè)物，并通過復(fù)數(shù)個(gè)具有不同檢測(cè)波長的熒光檢測(cè)器檢測(cè)被檢測(cè)物受激產(chǎn)生的熒光， 形成對(duì)應(yīng)于不同激發(fā)波長的復(fù)數(shù)個(gè)被檢測(cè)藻類熒光光譜，再將該復(fù)數(shù)個(gè)被檢測(cè)藻類熒光譜與各藻類特征譜圖進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，完成被檢測(cè)物中藻類信息的識(shí)別和測(cè)量；所述激發(fā)光選自中心波長為 435nm、450nm、470nm、485nm、525nm、550nm、570nm、590nm 及630nm的激發(fā)光中的任意兩個(gè)以上；所述受激產(chǎn)生的熒光的波長至少為560nm、660nm、684nm、710nm、753nm和800nm中的任意一個(gè)以上。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的藻類識(shí)別測(cè)量方法，其特征在于，該方法中，是首先對(duì)環(huán)境背景噪聲進(jìn)行了檢測(cè)，而后再對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)的，并在被檢測(cè)藻類熒光光譜中扣除了環(huán)境的背景噪聲。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種藻類識(shí)別測(cè)量傳感器及方法。該傳感器包括集成設(shè)置的多波長高亮度LED激發(fā)光源、光學(xué)透鏡、濾光片、分光光柵、由多個(gè)具有不同檢測(cè)波長的光電檢測(cè)器組成的光電檢測(cè)單元以及電子電路系統(tǒng)等，同時(shí)該傳感器中集成了超聲波發(fā)生器、溫度傳感器和機(jī)械清掃裝置等。該方法是采用多波長熒光檢測(cè)技術(shù)，通過測(cè)量水體中藻類的激發(fā)熒光譜，并進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，從而得到水體中藻類組分和濃度等信息。本發(fā)明采用多波長熒光檢測(cè)技術(shù)，能有效減小因“紅移現(xiàn)象”而產(chǎn)生的檢測(cè)誤差問題，并能有效反映真實(shí)的激發(fā)熒光光譜和藻類信息。特別適用于水體環(huán)境中藻類的長期監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)、快速、精確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01N21/64GK102279174SQ201110198270
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者崔錚, 李炯, 顧唯兵 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所