本發(fā)明涉及光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種浸入式光學(xué)探頭及淡水藍(lán)藻生物量檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

水是生命之源，但由于人類對水資源的過度開發(fā)與利用，水資源短缺和水質(zhì)污染問題已逐漸影響到人們的生活和身體健康。自從上世紀(jì)末以來，水華對我國的飲用水構(gòu)成嚴(yán)重威脅，我國66％的湖泊曾受到水華的影響。其中，太湖、巢湖、滇池三大湖泊富營養(yǎng)化問題最為突出。因此，對水華的科學(xué)治理迫在眉睫。

而在藍(lán)藻水華爆發(fā)前進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)警是藍(lán)藻水華治理的重要一環(huán)，根據(jù)相關(guān)研究報道，我國有81％的水華由藍(lán)藻所引起。檢測藍(lán)藻的濃度成為藍(lán)藻水華預(yù)警機制的首要任務(wù)。

目前對藍(lán)藻的監(jiān)測都是檢測藍(lán)藻在水中的密度，市場上已出現(xiàn)多種便攜式水質(zhì)傳感器，其常用的技術(shù)有：

(1)吸光度法。利用藍(lán)藻中所特有的藻藍(lán)蛋白對特定波長光的吸收特性進(jìn)行吸光度的測量，以確定藍(lán)藻的密度，吸光度法原理簡單、成本低、檢測穩(wěn)定，但靈敏度與檢測限不夠，對于低濃度下的物質(zhì)檢測誤差比較大。

(2)熒光法。利用藍(lán)藻中所特有的藻藍(lán)蛋白在吸收光照后受激發(fā)射的熒光具有波長特異性特點，通過檢測到其熒光強度的大小來確定藍(lán)藻的密度，熒光法靈敏度高，適合低濃度檢測，但抗干擾性能差。

(3)遙感法。利用藍(lán)藻中所特有的藻藍(lán)蛋白對特定波長電磁波的輻射、散射與反射情況，借助對電磁波敏感的儀器進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測，遙感法可以遠(yuǎn)距離檢測，檢測范圍廣，但靈敏度與精確度低，且很容易受到天氣的影響。

熒光法因其簡便易行、靈敏度高、可實現(xiàn)原位檢測等特點而被廣泛應(yīng)用。熒光法檢測藍(lán)藻常以藻藍(lán)蛋白作為特征色素進(jìn)行檢測。但在實際水體中常因藍(lán)藻以及其它藻類含有大量的葉綠素a產(chǎn)生熒光干擾而對導(dǎo)致藻藍(lán)蛋白的檢測不準(zhǔn)確。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于此，有必要提供一種檢測精度及靈敏度高的浸入式光學(xué)探頭。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種浸入式光學(xué)探頭，包括：第一探測模塊、第二探測模塊、過濾鏡組、熒光探測器件及控制模塊；其中：

所述第一探測模塊包括第一激發(fā)光源、第一準(zhǔn)直鏡、相對于所述第一準(zhǔn)直鏡設(shè)置的第一聚焦透鏡及第一檢測器件，所述第一激發(fā)光源出射的第一激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸至所述第一準(zhǔn)直鏡，經(jīng)所述第一準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的第一激發(fā)光入射到水體中，所述第一聚焦透鏡聚集部分所述第一激發(fā)光并將聚集的所述第一激發(fā)光通過光纖傳輸至所述第一檢測器件，所述第一檢測器件將入射的激發(fā)光轉(zhuǎn)換成第一電信號，所述第一電信號經(jīng)處理后返回至所述控制模塊，且所述第一激發(fā)光可激發(fā)水體產(chǎn)生第一熒光信號，所述第一熒光信號經(jīng)所述過濾鏡組過濾后通過熒光通道被所述熒光探測器件接收；

所述第二探測模塊包括第二激發(fā)光源、第二準(zhǔn)直鏡、相對于所述第二準(zhǔn)直鏡設(shè)置的第二聚焦透鏡及第二檢測器件，所述第二激發(fā)光源出射的第二激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸至所述第二準(zhǔn)直鏡，經(jīng)所述第二準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后的第二激發(fā)光入射到水體中，所述第二聚焦透鏡聚集部分所述第二激發(fā)光并將聚集的所述第二激發(fā)光通過光纖傳輸至所述第二檢測器件，所述第二檢測器件將入射的激發(fā)光轉(zhuǎn)換成第二電信號，所述第二電信號經(jīng)處理后返回至所述控制模塊，且所述第二激發(fā)光可激發(fā)水體產(chǎn)生第二熒光信號，所述第二熒光信號經(jīng)所述過濾鏡組過濾后通過熒光通道被所述熒光探測器件接收；

所述熒光探測器件將接收的所述第一熒光信號及所述第二熒光信號傳輸至所述控制模塊對獲取的所述第一熒光信號及所述第二熒光信號進(jìn)行處理與分析。

在一些較佳的實施例中，所述第一激發(fā)光源為激光二極管，所述激光二極管用于出射595nm±5nm波段的激光。

在一些較佳的實施例中，所述第二激發(fā)光源為激光二極管，所述激光二極管用于出射434nm±5nm波段的激光。

在一些較佳的實施例中，所述第一檢測器件及第二檢測器件均為光電二極管，所述熒光探測器件為光電倍增管或光電二極管中的一種。

在一些較佳的實施例中，所述過濾鏡組由高通濾鏡、帶通濾鏡及聚焦透鏡組成。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭的豎直截面呈倒u型，所述浸入式光學(xué)探頭的豎直截面呈倒u型，所述浸入式光學(xué)探頭的內(nèi)表面且與所述第一準(zhǔn)直鏡的光軸方向大于或等于90度處、與所述第二準(zhǔn)直鏡的光軸方向大于或等于90度處、與所述第一聚焦透鏡的光軸方向大于或等于90度處、與所述第二聚焦透鏡的光軸方向大于或等于90度處均涂覆有化學(xué)鍍銀物質(zhì)。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭還包括電刷裝置，所述電刷裝置懸掛于u型區(qū)域外。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭的橫截面呈圓形，所述浸入式光學(xué)探頭的一端沿圓弧固定設(shè)置有第一支撐件、第二支撐件、第三支撐件及第四支撐件，且所述第一支撐件及第三支撐件相對設(shè)置，所述第二支撐件及第四支撐件相對設(shè)置，所述第一激發(fā)光源出射端固定于第一支撐件上，所述第二激發(fā)光源出射端固定于第二支撐件上，所述第一檢測器件接收端固定于所述第三支撐件上，所述第二檢測器件接收端固定于所述第四支撐件上，所述過濾鏡組固定于圓心處。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭還包括與所述第一探測模塊、第二探測模塊及熒光探測器件均固定連接的散熱模塊。

另外，本申請還提供了一種淡水藍(lán)藻生物量檢測系統(tǒng)，包括所述的浸入式光學(xué)探頭。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，其有益效果在于：

本發(fā)明提供的浸入式光學(xué)探頭，選用包括第一探測模塊及第二探測模塊的雙通道、雙檢測及雙模型的探頭結(jié)構(gòu)，能夠同時實現(xiàn)葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的檢測，規(guī)避了以往借助葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的關(guān)系來實現(xiàn)藍(lán)藻的檢測，提高了檢測的精確度，可依據(jù)藻藍(lán)蛋白與葉綠素a濃度的靈敏變化及時對藻華發(fā)生情況做出預(yù)測；此外，本發(fā)明提供的浸入式光學(xué)探頭，對激發(fā)光光源進(jìn)行循環(huán)利用，可以提高激發(fā)光源的利用率、增強了光強檢測的穩(wěn)定性及減少了外界光強變化引起的波動問題。

附圖說明

圖1為一實施方式的浸入式光學(xué)探頭的豎直截面示意圖；

圖2為另一實施方式的浸入式光學(xué)探頭的豎直截面示意圖；

圖3為一實施方式的浸入式光學(xué)探頭的橫截面示意圖；

圖4為一實施方式的淡水藍(lán)藻生物量檢測系統(tǒng)的工作流程圖。

具體實施方式

為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳的實施例。但是，本發(fā)明可以以許多不同的形式來實現(xiàn)，并不限于本文所描述的實施例。相反地，提供這些實施例的目的是使對本發(fā)明的公開內(nèi)容的理解更加透徹全面。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說明書中所使用的術(shù)語只是為了描述具體的實施例的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語“及/或”包括一個或多個相關(guān)的所列項目的任意的和所有的組合。需要說明的，本文中所使用的術(shù)語“第一、第二”等僅為方便描述，不能理解為指示或暗示相對重要性，也不理解為有先后順序關(guān)系。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明實施方式的浸入式光學(xué)探頭100，包括第一探測模塊110、第二探測模塊120、過濾鏡組130、熒光探測器件140及控制模塊150。其中：

所述第一探測模塊110包括第一激發(fā)光源111、第一準(zhǔn)直鏡112、相對于所述第一準(zhǔn)直鏡112設(shè)置的第一聚焦透鏡113及第一檢測器件114。具體地：

所述第一激發(fā)光源111出射的第一激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸至所述第一準(zhǔn)直鏡112，經(jīng)所述第一準(zhǔn)直鏡112準(zhǔn)直后的第一激發(fā)光入射到水體中，所述第一聚焦透鏡113聚集部分所述第一激發(fā)光并將聚集的所述第一激發(fā)光通過光纖傳輸至所述第一檢測器件114，所述第一檢測器件114將入射的激發(fā)光轉(zhuǎn)換成第一電信號，所述第一電信號經(jīng)處理后返回至所述控制模塊，且所述第一激發(fā)光可激發(fā)水體產(chǎn)生第一熒光信號，所述第一熒光信號經(jīng)所述過濾鏡組130過濾后通過熒光通道被所述熒光探測器件140接收。可以理解，當(dāng)經(jīng)所述第一準(zhǔn)直鏡112準(zhǔn)直后的第一激發(fā)光呈水平方向入射到水體中時較佳的實現(xiàn)方式。

所述第二探測模塊120包括第二激發(fā)光源121、第二準(zhǔn)直鏡122、相對于所述第二準(zhǔn)直鏡122設(shè)置的第二聚焦透鏡123及第二檢測器件124。具體地：

所述第二激發(fā)光源121出射的第二激發(fā)光經(jīng)光纖傳輸至所述第二準(zhǔn)直鏡122，經(jīng)所述第二準(zhǔn)直鏡122準(zhǔn)直后的第二激發(fā)光入射到水體中，所述第二聚焦透鏡123聚集部分所述第二激發(fā)光并將聚集的所述第二激發(fā)光通過光纖傳輸至所述第二檢測器件124，所述第二檢測器件124將入射的激發(fā)光轉(zhuǎn)換成第二電信號，所述第二電信號經(jīng)處理后返回至所述控制模塊，且所述第二激發(fā)光可激發(fā)水體產(chǎn)生第二熒光信號，所述第二熒光信號經(jīng)所述過濾鏡組130過濾后通過熒光通道被所述熒光探測器件140接收?？梢岳斫猓?dāng)經(jīng)所述第二準(zhǔn)直鏡122準(zhǔn)直后的第二激發(fā)光呈水平方向入射到水體中時較佳的實現(xiàn)方式。

所述熒光探測器件140將分時接收的所述第一熒光信號及所述第二熒光信號傳輸至所述控制模塊150對獲取的所述第一熒光信號及所述第二熒光信號進(jìn)行處理與分析。

可以理解，本發(fā)明提供的第一激發(fā)光源111及第二激發(fā)光源121出射的第一激發(fā)光及第二激發(fā)光按照不同的時間交替間隔發(fā)射的，兩者激發(fā)水體產(chǎn)生第一熒光信號及第二熒光信號經(jīng)所述過濾鏡組130的兩個通道篩選，再經(jīng)所述熒光探測器件140進(jìn)行間隔檢測。

可以理解，本發(fā)明提供的浸入式光學(xué)探頭100，選用包括第一探測模塊110及第二探測模塊120的雙通道、雙檢測及雙模型的探頭結(jié)構(gòu)，能夠同時實現(xiàn)葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的檢測，規(guī)避了以往借助葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的關(guān)系來實現(xiàn)藍(lán)藻的檢測，提高了檢測的精確度；此外，本發(fā)明提供的浸入式光學(xué)探頭，對激發(fā)光光源進(jìn)行循環(huán)利用，可以提高激發(fā)光源的利用率、增強了光強檢測的穩(wěn)定性及減少了外界光強變化引起的波動問題。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述第一激發(fā)光源111為激光二極管，所述激光二極管用于出射595nm±5nm波段的激光；所述第二激發(fā)光源121為激光二極管，所述激光二極管用于出射434nm±5nm波段的激光。

可以理解，由于淡水中藻藍(lán)蛋白與葉綠素a兩種色素都具有熒光效應(yīng)，藻藍(lán)蛋白激發(fā)譜中的激發(fā)峰在624nm，發(fā)射譜中的發(fā)射峰在650nm，葉綠素a的激發(fā)譜中的激發(fā)峰在434nm，發(fā)射譜中的發(fā)射峰在680nm，且兩種色素的熒光光譜存在很大程度上的重疊，也即存在較大的檢測干擾，因此，本發(fā)明提供的所述第一激發(fā)光源111及所述第二激發(fā)光源121包括激光二極管可出射波長為434nm±5nm與595nm±5nm，在此波長下，可最大程度上實現(xiàn)葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的抗干擾解耦檢測，結(jié)合本發(fā)明建立的多元線性檢測模型，從而解除了檢測過程中葉綠素a的干擾，實現(xiàn)兩種色素的獨立檢測，使藻藍(lán)蛋白濃度的測量結(jié)果更加精確。

進(jìn)一步地，由于激光二極管相比于普通的發(fā)光二極管，其具有光譜波長的特異性好，發(fā)出光線的準(zhǔn)直性高，光源強度大等優(yōu)點，這有利于增強激發(fā)光源的光強與穩(wěn)定特異性，能夠提高傳感器檢測的靈敏度與檢測限。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述第一檢測器件114及第二檢測器件124均為光電二極管，所述熒光探測器件140為光電倍增管或光電二極管中的一種。可以理解，當(dāng)用于較高濃度檢測時采用光電二極管，用于低濃度檢測則采用光電倍增管?？梢岳斫猓景l(fā)明采用靈敏的檢測器件，可大幅提升儀器檢測的靈敏度與檢測限范圍。

在本發(fā)明提供的較佳實施例中，過濾鏡組130包括兩組過濾鏡，且每組過濾鏡由高通濾鏡、帶通濾鏡及聚焦透鏡組成。其中：

第一過濾鏡用于過濾第一熒光信號，也即藻藍(lán)蛋白的熒光信號，其最佳檢測波長在646nm，藻藍(lán)蛋白的熒光信號先經(jīng)過一個高通濾鏡，大于600nm的通過，小于的不通過；而后經(jīng)過帶通濾鏡，波長在640-650之間的通過，其他不通過；然后再通過一個聚焦鏡，將最后的波長經(jīng)聚焦透鏡聚焦后傳輸?shù)焦饫w中。

第二過濾鏡用于過濾第二熒光信號，也即葉綠素a熒光信號，其最佳檢測波長在682nm，葉綠素a熒光信號先經(jīng)過一個高通濾鏡，大于660nm的通過，小于的不通過；而后經(jīng)過帶通濾鏡，波長在680-690之間的通過，其他不通過；然后再通過一個聚焦鏡，將最后的波長經(jīng)聚焦透鏡聚焦后傳輸?shù)焦饫w中。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭100的豎直截面呈倒u型，所述浸入式光學(xué)探頭100的內(nèi)表面且與所述第一準(zhǔn)直鏡112的光軸方向大于或等于90度處、與所述第二準(zhǔn)直鏡122的光軸方向大于或等于90度處、與所述第一聚焦透鏡113的光軸方向大于或等于90度處、與所述第二聚焦透鏡123的光軸方向大于或等于90度處均涂覆有化學(xué)鍍銀物質(zhì)(圖1及2中a處)。

可以理解，經(jīng)所述第一準(zhǔn)直鏡112準(zhǔn)直后的第一激發(fā)光呈水平方向入射到水體中，所述第一聚焦透鏡113聚集部分所述第一激發(fā)光，而尚有部分未射入所述第一聚焦透鏡113內(nèi)的激發(fā)光，因此，本發(fā)明在所述浸入式光學(xué)探頭100的內(nèi)表面且沿垂直于所述第一準(zhǔn)直鏡112的光軸方向及沿垂直于所述第一聚焦透鏡113的光軸方向均涂覆有化學(xué)鍍銀物質(zhì)，從而可以實現(xiàn)最大程度的反射；而對于第二探測模塊120同樣如此設(shè)計，這樣可使得激發(fā)光在水體檢測區(qū)來回反射以多次激發(fā)實現(xiàn)激發(fā)光的多次利用，可使得激發(fā)光多次反射后脫離這個“空隙”，提高了激發(fā)光的利用率，有利于提高檢測的靈敏度。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭100的橫截面呈圓形，所述浸入式光學(xué)探頭的一端沿圓弧固定設(shè)置有第一支撐件10、第二支撐件20、第三支撐件30及第四支撐件40，且所述第一支撐件10及第三支撐件30相對設(shè)置，所述第二支撐件20及第四支撐件40相對設(shè)置，所述第一激發(fā)光源111出射端固定于第一支撐件10上，所述第二激發(fā)光源121出射端固定于第二支撐件20上，所述第一檢測器件114接收端固定于所述第三支撐件30上，所述第二檢測器件124接收端固定于所述第四支撐件40上，所述過濾鏡組130固定于圓心處。

在一些較佳的實施例中，所述控制模塊150包括除噪電路、放大電路、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路及控制電路，在一些較佳的實施例中，所述控制模塊150包括除噪電路、放大電路132、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路及控制電路，所述第一電流信號及第二電流信號依次經(jīng)所述除噪電路除噪、所述放大電路放大、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)所述控制電路計算后得到淡水藍(lán)藻生物量的濃度，所述控制電路并根據(jù)所述濃度與閾值的大小判斷淡水藍(lán)藻生物量是否超標(biāo)，并對是否有可能發(fā)生藻華做出預(yù)測。

優(yōu)選地，本發(fā)明的控制模塊150采用低功耗的msp系列的單片機，降低系統(tǒng)的功耗，彌補因激光光源功率過大帶來的損耗。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭100還包括電刷裝置160，所述電刷裝置160架懸空于u型槽外?？梢岳斫?，電刷裝置160設(shè)置在幾個支撐件之間，不會阻礙激發(fā)光穿越水體的光路。

可以理解，本發(fā)明設(shè)計電刷裝置160，可防止因生物附著導(dǎo)致的測量誤差，電刷裝置160懸空于檢測區(qū)外部，當(dāng)檢測濃度過高時，啟動電刷裝置160以防止因附著帶來的“虛高”濃度。

在一些較佳的實施例中，所述浸入式光學(xué)探頭100還包括與所述第一探測模塊110、第二探測模塊120及熒光探測器件140均固定連接的散熱模塊170。

可以理解，由于設(shè)計散熱模塊170，可將所述浸入式光學(xué)探頭100產(chǎn)生的熱量由散熱模塊170排出，提高了整個裝置的穩(wěn)定性。

本發(fā)明還提供了一種包括浸入式光學(xué)探頭100的淡水藍(lán)藻生物量檢測系統(tǒng)，整體系統(tǒng)檢測流程如圖4所示，系統(tǒng)開機后，人工輸入采樣周期，所述第一探測模塊、所述第二探測模塊自動定期切換檢測葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的光路系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)色素的檢測，熒光探測器件檢測到光信號轉(zhuǎn)換為電信號，返回到控制模塊150進(jìn)行分析與處理并存儲，當(dāng)檢測濃度過高時，則啟動電刷裝置轉(zhuǎn)動5秒，以防止生物附著導(dǎo)致的濃度過大。

本發(fā)明提供的淡水藍(lán)藻生物量檢測系統(tǒng)，選用包括第一探測模塊及第二探測模塊的雙通道、雙檢測及雙模型的探頭結(jié)構(gòu)，能夠同時實現(xiàn)葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的檢測，規(guī)避了以往借助葉綠素a與藻藍(lán)蛋白的關(guān)系來實現(xiàn)藍(lán)藻的檢測，提高了檢測的精確度；此外，本發(fā)明提供的浸入式光學(xué)探頭，對激發(fā)光光源進(jìn)行循環(huán)利用，可以提高激發(fā)光源的利用率、增強了光強檢測的穩(wěn)定性及減少了外界光強變化引起的波動問題。

以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。