紫外-可見光譜水質(zhì)檢測多參數(shù)測量系統(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)活動中都離不開水。然而，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和城市化進程的加快，暴露的水環(huán)境污染問題也日趨嚴重，水質(zhì)或水體污染事件頻發(fā)，凸顯了我國水環(huán)境形勢不容樂觀。
　　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)檢測技術(shù)做保障，以此評判、預測和監(jiān)測水質(zhì)的優(yōu)劣。誠然，傳統(tǒng)的儀器檢測設(shè)備可以對水質(zhì)參數(shù)進行檢測，但一般只對單一參數(shù)進行測量。例如，水質(zhì)COD、TOC、TURB和NO3-N等參數(shù)的檢

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

3、內(nèi)尚不能實現(xiàn)水質(zhì) COD、TOC、TURB、NO3-N的多參數(shù)同時在線檢測。
　　本文在四川省科技支撐計劃項目“多功能水質(zhì)實時自動監(jiān)測技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)品研制”（項目編號：2012SZ0111）和四川碧朗科技有限公司橫向合作科研項目“光譜多參數(shù)水質(zhì)在線自動監(jiān)測儀研制”（合同編號：1042012920140453）及國家自然科學基金項目“SFL-Contourlet的構(gòu)造及其特性研究”（批準號：61201346）的聯(lián)合資助下，開展了紫外-

4、可見光譜水質(zhì)多參數(shù)檢測的理論、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，到實驗室分析驗證，再到實際水質(zhì)多參數(shù)檢測完整流程的水質(zhì)多參數(shù)檢測儀器系統(tǒng)，且系統(tǒng)已具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。論文的研究內(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)檢測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，通過對國內(nèi)外現(xiàn)有水質(zhì)檢測技術(shù)進行詳盡對比分析的基礎(chǔ)上，本文提出了紫外-可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測的原理和方法技術(shù)及應(yīng)

5、用，基此，系統(tǒng)、深入開展了紫外-可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測的水質(zhì)光譜處理、水質(zhì)參數(shù)解算等的關(guān)鍵技術(shù)問題研究。
　?、谘兄屏俗贤?可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測的儀器系統(tǒng)。通過對紫外-可見光譜法水質(zhì)檢測的原理進行詳細分析，研究了水質(zhì)多參數(shù)的檢測原理，分析了多參數(shù)光譜檢測的可行性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了水質(zhì)多參數(shù)檢測儀器系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，設(shè)計、仿真、加工制作和測試了浸入式光程差分水質(zhì)檢測探頭。該探頭在進行水質(zhì)光譜數(shù)據(jù)采集時，能有效地降低噪聲干擾，提

6、高系統(tǒng)靈敏度，并能快速、準確找出待測水體的敏感波長范圍。通過采用以微型光纖光譜儀為核心的光譜測量單元，結(jié)合紫外-可見吸收光譜分析法，完成水樣的COD、TOC、TURB和NO3-N多參數(shù)檢測。同時，基于LabVIEW開發(fā)平臺，進行系統(tǒng)軟件設(shè)計并進行調(diào)試，實現(xiàn)了對流路、清洗、處理、顯示、存儲、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)檢測的實現(xiàn)提供了硬、軟件條件或平臺。
　　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。針對地表水、城市生活污水中主要污染物在線檢測與控制的需求，以紫外-可見光譜法水質(zhì)COD、TOC、TURB和NO3-N多參數(shù)檢測為具體研究對象，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。針對水中懸浮物對光譜的散射會對水樣的紫外-可見吸收光譜產(chǎn)生基線漂移、平移

8、等，此將嚴重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和檢測精度問題，進而將直接影響光譜法對水質(zhì)COD的檢測。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。通過多元散射校正方法，可在不影響水樣紫外-可見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行有效的校正。這不僅提高了光譜法檢測水質(zhì)COD的信噪比，而且還對化學計量法建立準確有效的水質(zhì)檢測COD分析模型進行了有效的數(shù)據(jù)預處理。
　　④研究了主元分析進行水質(zhì)

9、光譜降維和最小二乘支持向量機對水質(zhì)參數(shù)軟測量建模的水質(zhì)光譜處理方法技術(shù)。由于水質(zhì)紫外-可見光譜通過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題，應(yīng)用主元分析方法對水質(zhì)光譜信號進行降維處理，再應(yīng)用最小二乘支持向量機對水質(zhì)參數(shù)COD進行軟測量建模。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進行水質(zhì)參數(shù)的軟測量建模，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。
　?、蓍_展了紫外-可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測儀器樣機的性能測試研究工作。為了確保紫外-可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測儀器系統(tǒng)的有效、穩(wěn)定運行，需要依據(jù)相關(guān)標準，對研制的儀器樣機的性能進行測試。測試結(jié)果表明，儀器樣機對COD即化學需氧量標液的測試精度小于4.70％，重復性小于1.43%；對TOC即總有機碳的測試精度小于2.69%，重復性小于1.98%；對 TURB即濁度的測試精度小于4.78%，重復性小于1.55%

11、；對NO3-N即硝酸鹽氮的測試精度小于4.67%，重復性小于2.92%。可見，研制的儀器樣機性能指標，不僅達到了立項研究項目《任務(wù)書》的設(shè)計要求，而且由中國測試技術(shù)研究院化學研究所出具的測試報告證明，性能指標滿足我國及行業(yè)的有關(guān)標準規(guī)范。
　　本文將光譜學、光電技術(shù)、環(huán)境科學、化學計量方法、信號分析與處理等學科專業(yè)知識進行了有機結(jié)合，率先在國內(nèi)研究并構(gòu)建了基于紫外-可見光譜法水質(zhì)多參數(shù)檢測儀器系統(tǒng)。論文研究成果——研制的儀器樣機，