&>&&>& > 正文
全光谱多参数在线水质分析仪
作者： 文章来源：
发布时间： 03:35:04
品牌：法国HEMERA
名称：全光谱多参数在线水质分析仪
型号：L800D
&&可测量水质或流体中的多种组分，最多可同时测量7种。
&采用紫外可见光吸收光谱扫描，波段从180nm至780nm，光谱扫描法的运用使测量结果稳定，准确，灵敏度高。
&模块化设计，结构紧凑，体积小，便于安装维护。
&在检测过程中，几乎不使用任何试剂，无废液产生，没有二次污染。
&自动清洗和自动调零系统。
&具有过滤功能的采样系统（选件）。
&多水路测量系统。
&测量时间小于10秒，响应快速。
&采用最好的不锈钢材料，IP65机箱防护等级。
&大屏幕彩色触摸屏界面，自动屏保功能。
&带有图表显示的历史数据自动存储。
0.1 ... 1000 mg/L NH4
化学需氧量COD
0.1 ... 10000 mg/L CODeq.
0.1 ... 200 mg/L NO3
生化需氧量BOD
0.1 ... 10000 mg/L BOD
0.01 ... 20 mg/L NO2
总有机碳TOC
0.1 ... 10000 mg/L TOC
0.01 ... 20 mg/L PO4
总悬浮固体量
0.1 ... 10000 mg/L TSS
0.1 ... 1000 mg/L S2
0.001 ... 10000 NTU
0.01 ... 50 mg/L P
0.1 ... 2000 mg/L N
0.1 ... 1000 mg/L S
0.01 ... 2000 Pt-Co
0.01 ... 20 mg/L Cl2
0.1 ... 1000&g/L Algae
碳氢化合物(水中油,苯酚等)
0.01 ... 100 mg/L&&
0.01 ... 100 mg/L DO
0.001 ... 2000 mS/cm EC
0.01 ... 10 mg/L O3
电源&&&&&&&&& 100 - 240 VAC 或 24 VDC / 50 - 60 Hz
能量消耗&&& &&& 20 W，最大- 40 W (60 W 备选)
内存&&&&&&&& &16 GB SD卡(一年内测量数据)
显示屏&&&&&&& 8.5& TFT 彩色触摸屏 16/9 (LED 背景光)，双层玻璃
分辨率&&&&&&& 800 x 480 像素
数字输出&&&&& RS485 Modbus (Slave 或 Master)
模拟输出&&&&& 4-20 mA隔离输出 / 阻抗最大500&O / 精度 & 0.5%
报警&&&&&&&&& 默认继电器 / 5A (NO) 3A (NC) @ 30 VDC / 5A (NO) 3A (NC) @ 277 VAC
EMC&&&&&&&&& IEC 61326
安全认证&&&&& IEC 61010-1
材质&&&&&&&& 不锈钢 1.4435 (SS 316L)
防护等级&&&& IP65
安全区域&&&& 防暴 ATEX 1区 或 2区 （选件）
尺寸&&&&&&& &H 220 mm x W 300 mm x D 76,5 mm
重量&&&&&&&& & 14 KG
操作温度&&&& -10&C 到 50&C (14&F 到 122&F)
24小时热门资讯
24小时论坛热帖
客服：8 Email:
广告合作：8
版权所有，未经书面授权禁止使用JQ UV/Vis-online 吸收光谱水质多参数在线分析仪
价格：面议
所在地：中国 北京 清华 金达清创厂商性质：生产商
品牌：型号：JQ UV/Vis-online
本网采购热线：<font color="#71-
产品简介：可同步测量水中的COD、DOC、TOC、硝酸盐氮、色度、浊度、SS、温度、O3、余氯以及UV254等多个参数，实现多参数一体化以及水质检测的实时化、快速化、自动化、便携化。应用范围从饮用水（DOC＜0.1mg/L）、地表水到生活及工业废水，COD测量范围从1mg/L到数千mg/L，可以从单组分到ppm级测量到多组分的高浓度分析。系统特点1）紫外/可见光光谱测量范围：200-730nm，分辨率2nm。2）双光束测试技术，消除交叉干扰，测量准确。3）投入式直接测量，不需要试剂、不需要取样系统。4）闪烁氙光源，理论寿命50年。5）自动压缩空气吹洗系统，几乎&零&维护。6）最多可测量显示十种参数以及光谱指纹图。7）工业标准Modbus-485信号输出接口，可方便于系统集成及仪表的二次开发。8）水质安全预报警功能：提供水质参数超量程报警及限制报警功能，并支持报警信号的网络远程发送。使用范围：主要适用于各类地表水、各类污水、饮用水、污水及给水处理工艺过程控制的监测和预警。主要应用领域及范围如下：1）由于泄露事故、环境污染、或人为破坏而造成的饮用水污染监测预警；2）对给水处理过程的监控，指导优化加药量和相关控制程序；3）对多个工业行业、生活污水等处理设施的多个单元工艺进行监控，只能指导曝气量、停留时间等关键程序控制；4）地表水体关键断面，如河流、湖泊、水库的日常监测；5）管道、地下水等水质检测。&
您可能感兴趣的产品
该厂商的其他产品
相关技术文章
产品名称价格地区公司名称更新时间
￥10000上海市
￥999深圳市
￥1100济宁市UV全光谱法在线水质测量仪的技术研究与实现-共享资料网
UV全光谱法在线水质测量仪的技术研究与实现
电子科技大学 硕士学位论文 UV全光谱法在线水质测量仪的技术研究与实现 姓名：穆秀圣 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：王冰峰
摘要摘要随着水污染的日益加剧，不但要检测的水质指标越来越多，而且对水质分析 仪的性能提出了更高的要求。传统的化学法分析速度慢、操作复杂、稳定性差、维护费用高，特别是对附加药品依赖使其存在二次污染。ＵＶ（Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ，紫外光）光 谱水质分析仪效率高、分析速度快、检测参数多，无需化学药品，避免了二次污染，系统维护几乎为“零＂。目前市场上的ＵＶ水质分析仪表基本是单波长或双波 长法，且进口仪表占据了７０％以上，ＵＶ光谱水质分析仪表国内几乎没有生产，急 需其国产化。 本课题设计了一款以平场凹面全息光栅和ＭＯＳ图像探测器作光谱传感器，以 ＤＳＰ为处理控制中心的ＵＶ全光谱法水质分析仪，并进行了兼容测量多个水质参数的探索研究，论文主要工作如下： １．分析了目前水质检测现状，介绍了水质ＣＯＤ检测的两种主要方法（化学法和物理法）的原理，并讨论了各个方法的优缺点。从理论上深入分析了紫外光谱 法的原理和测量技术。重点剖析了目前最先进的几家外国公司的ＵＶ光谱水质分析 仪器的关键技术。 ２．完成了传感器和主控制器的构架，并完成了各模块的电路原理图设计和器件选型。传感器全固化设计，提高了系统的稳定性。仪器一次扫描即可得到全波 段光谱图。３．通过具体的实验研究，选取了吸光度图谱的研究波段为２５０ｎｍ－３５０ｎｍ。用 Ｍａｔｌａｂ神经网络工具箱中的Ｌ－Ｍ ＢＰ算法对１２种邻苯二甲酸氢钾溶液的吸光度数 据进行建模处理，得到了比较好的ＣＯＤ预测效果，并跟最小二乘法进行了对比研 究。但对实际测量水质测量时，存在较大的误差，有待进一步研究。 ４．分析了ＵＶ法测量ＣＯＤ中产生误差的诸多干扰因素。重点对温度影响做了实 验分析，通过对００Ｃ一－５００Ｃ内吸光度的变化研究，得出了温度和ＣＯＤ值之间的关系， 由于采用实验方法科学得当，得到了相当小的误差（２％＜）。 ５．对本系统兼容测量多种水质参数作了初步的探索研究，重点通过实验研究 了氨氮的测量方法，为以后兼容测量多参数包括气体参数打好了基础。 关键词：化学需氧量；神经网络；全光谱；多参数兼容ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＷｉｔｈｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｍｏｒｅ ｗａｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｎｅｅｄｉｓｔｏ ｂｅｍｅａｓｕｒｅｄ；ｈｉｇｈｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｔｈｅｗａｔｅｒａｎａｌｙｚｅｒｓ．Ｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｌｏｗ ｒａｔｅ，ｃｏｍｐｌｅｘ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｂａｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｃｏｓｔ，ｅｘｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ Ａｄｄ－ｏｎｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｌｅｄｓ ｎｅｗ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｔｏｔｅｓｔ ｍｏｒｅｗａｔｅｒ．Ｕ－Ｖ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗａｔｅｒｆｒｅｅ ｍａｋｅｓｏｎａｎａｌｙｚｅｒ ｈａｓ ｈｉｇｌｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｃａＩｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｑｕｉｃｋｌｙ．Ｃｈｅｍｉｃａｌｉｔ ａｖｏｉｄ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ；ｔｈｅｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｎｃｏｓｔ ｉｓ ｌｏｗ ｔｏ ｚｅｒｏ．Ｂｕｔｏｒｔｈｅ ＵＶ ｗａｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒｓｍａｒｋｅｔ ａｒｅ ｍｏｓｔ ｂａｓｅｄｐｒｏｄｕｃｔｓ ＣＯＶｅｒａｓｉｎｇｌｅ ｗａｖｅｄｏｕｂｌｅ ｗａｖｅｓ；ｗｈａｔ’Ｓ ｍｏｒｅ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔｌａｒｇｅｒ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ７０％．Ｓｏ ｉｔ ｉｓ ｉｎ ｄｉｒｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ．ａＴｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｈａｔ ｍａｋｅｓ ｉｔＵＶ ｗａｔｅｒａｎａｌｙｚｅｒｗｈｉｃｈ ｈａｓａ ｓｅｎｓｏｒ ａｂａｓｅｄｏｎｆｌａｔ ｆｉｅｌｄＣＯｎｃａｖｅｃａｎｇｒａｔｉｎｇａｎｄ ＭＯＳ ｉｍａｇｉｎｇｄｅｔｅｃｔｏｒ，ｉｔ ｈａｓＤＳＰ ｃｈｉｐ ａｓ ＣＰＵ．Ａｌｌ ｆｏｌｌｏｗｓ：ｍｅａｓｕｒｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄＣＯｍｐａｔｉｂｌｙ．Ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｗｏｒｋ ａｓ１．Ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ａｎａｌｙｚｅｒｓ ｓｔａｔｕｓ ｑｕｏ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｗｏｍａｊｏｒ ｗａｔｅｒｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｓ（ｃｈｅｍｉｃａｌｐｈｙｓｉｃａｌ）ｂｙｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇ ｔｈｅｉｒ ｍｅｒｉｔｓａｎｄｆａｕｌｔｓ．Ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＵＶ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｐｕｔｉｎｇｏｎｅｍｐｈａｓｅｓｅｖｅｒｙｓｅｖｅｒａｌａｄｖａｎｃｅｄＵＶ ｗａｔｅｒａｎａｌｙｚｅｒｓ ｏｆ ｆｏｒｅｉｇｎ ｅｏｍｐａｎｙｓ．ｏｆａｒｅ２．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｆｒａｍｅｓｅｎｓｏｒｓｅｎｓｏｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ；ａ１１ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ３．Ｂｙｕｓｅｉｍｍｏｖａｂｌｅ ｔｈａｔｏｎｅ ｓｃａｎ．ｍａｋｅｓｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｒｅｓｐｅｃｔｒｕｍｗｉｌｌ ｂｅ ｇｏｔｔｅｎ ｂｙ ｏｎｌｙ ｃｈｏｓｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｗａｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ｗｅｂａｎｄ（２５０－３５０ｎｍ）ｏｆ ａｂｓｏｒｂｅｎｃｙｔｏｏｌｂｏｘ ｔｏ ｄｅａｌａｎ．ｄＬ－ＭＢＰ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｂｕｉｌｔ ｉｎＭａｎａｂＡ ＮＮｗｉｔｈ １２ ｋｉｎｄｓ ｏｆａｂｓｏｒｂａｎｃｅ ｄａｔａ ｏｆ ＣｓＨｓＫ０４ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｇｅｔ ｐｅｒｆｅｃｔ ＣＯＤ ｆｏｒｅｃａｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ａｎｄ ａｌｓｏｃｏｍｐａｒｅ ｉｔｅｒｒｏｒｔｏ ＬＳａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．Ｂｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｗａｓｔｅ ｗａｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＬＭ ＢＰ ｈａｓｂｉｇｇｉｓｈｎｅｅｄｉｎｇ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｓｔｕｄｙａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．ｏｎ４．Ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｅｒｒｏｒｓ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｍａｉｎｌｙ ｍａｋｅｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅＯｕＣ～５００Ｃ，ｇｅｔｓｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｌＴｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄ ａｂｓｏｒｂａｎｃｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｉｓ ｑｕｉｔｅｓｍａｌｌ（２％＜）．ｂｙ５．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｍａｋｉｎｇ ｓｔｕｄｙｏｎｐａｐｅｒｇｒｏｐｅｓ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ’ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｍａｉｎｌｙｌａｙｓａＡｍｍｏｎｉａ－Ｎｉｔｒｏｇｅｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｉｔｇｏｏｄ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ ＣＯｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｇａｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＯＤ；ＡＮＮ；ｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｍｕｌｔｉ－ｐａｒａｍｅｔｅｒ ＣＯｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙＩＩ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。签名：了章鲂珏日期：羽护７年占月勿曰关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：矿趣轻导师签名：日期：加口７年∥月加日第一章绪论第一章绪论１．１课题研究背景及意义 １．１．１水质测量的重要意义水是万物赖以生存的资源，随着国民经济的快速发展，城市规模不断膨胀，特别是现代化工农业生产的迅猛发展，大量的生活污水、工业废水、化肥农药等 排入自然界水体，这些水体中含有超过５０多万种的化学物质，给环境安全和生态 平衡带来沉重的压力，威胁人类生存，制约经济可持续发展。来自国家环境保护部的“全国环境统计公报”显示【ｌ】：２００７年，全国废水排放总量５５６．８亿吨，比上年增加３．７％。废水中的化学需氧量排放量１３８１．８万吨， 其中，工业废水的化学需氧量排放量为５１１．１万吨，占化学需氧量总排放量的３７．０％；生活污水的化学需氧量排放量为８７０．７万吨，占化学需氧量总排放量的 ６３．Ｏ％。废水中氨氮排放量１３２．４万吨。其中，工业氨氮排放量３４．１万吨，占氨氮排放量的２５．８％；生活氨氮排放量９８．３万吨，占氨氮排放量的７４．２％。可见城 镇生活污水的排放量占总排放量的一大半，而其处理率仅有４９．１％，大量生活污 水未经处理就直接排入自然界。我国是世界上最大的发展中国家，有“世界加工 厂”之称，目前中国的大部分河流、湖泊、地下水、海洋等水体都受到不同程度 的污染，更有日益加剧的趋势，因此水体的检测显得尤为重要。 在工业生产中，水质是否达标也是影响安全生产的重要因素，例如：电厂对 水质硬度、ＰＨ值、电导率等都有严格要求，水质超标会造成锅炉、汽轮机等设备结垢，造成偏心震动等事故。水质检测的核心内容是：（１）对河流、湖泊、水库、海洋等水体进行检测，以掌握水质状况及其发展 趋势。为国家和政府管理，保护水资源提供科学依据。 （２）对生产过程、生活设施及其它排放源的各类废水进行检测，为企业、工 厂的排污口水质和治污系统状况进行自动监控。 （３）为企业生产用水提供经济、安全的保障。 来自国家环保部门的一份调查显示国家对环境检测的投入：１９９８年约为１１．７ 亿元，２００５年４２亿元，２０１０年将增至１１０亿元。国内急需的环保仪器：大气质电子科技丈学硕士学位论文量检测仪表、烟气分析仪表、地表水质量检测仪表、废水污染源检测仪表。图１－１ 是目前水质分析仪表需求状况。目前我国已建地表水检测站有４０００多个，１ ８万 个重点污染企业作为污染源检测对象，还有几万个环境科研院所。图卜１水质分析仪表市场需求状况 １ １２化学需氧量化学需氧量是水质污染是重要的指标。化学需氧量口１（ＣｈｅｍｉｃａＩＯｘｙｇｅｎＤｅｍａｎｄ，ＣＯＤ）是指在一定的条件下，将１Ｌ水样中还原性物质氧化所消耗氧化剂的 量，其结果折算成氧的含量，单位为ｍｇ／Ｌ，记为ＣＯＤＥＲ。ＣＯＤ是对水中含有的 有机物和无机氧化物浓度的度量，反映了水体被污染的程度，是评价水体好坏的 重要指标之一。水中还原性物质包括各种有机物、亚铁、亚硝酸、硫化物等。水 体受到有机物污染是非常普遍的，ＣＯＤ会过度消耗溶解在水体中的氧气，造成水 体富营养化，对水生物如鱼类、藻类等带来不良影响，因此ＣＯＤ作为目前衡量水 质状况的重要指标之一。 水体保护必须依靠相应的水质检测仪器和和设备才能进行监控，水质检测的 关键是要有先进的检测仪才能保证结果的准确性和可靠性。没有水质检测的高新 技术及仪器，水体保护和水质检测就会失去科学依据。所以要保证经济的可持续 发展和人类安全，必须加快水质检测的新技术、新设备研发。从“全国环境统计 公报”中可以看出，ＣＯＤ的预报成为最重要的检测内容和评价水体污染的最重要 指标，其次是氨氯指标。因此研究高效、可靠实用的在线水质检测仪迫在眉睫， 对保护水资源和实施各类水质监控有重要意义，１２ＣＯＤ测量方法ＣＯＤ检测仪的发展依次经过了如下历程蟹其检测方法趋向于简单、快捷、稳定，测量仪器技术含量更高、可测参数更 多、集成度更高，现在叉向着小型化、便携式迈进。当前ＣＯＤ的测量方法主要有化学法和物理法（光学法）两种。一第一章绪论图卜２ Ｃ０９仪发展历程９一化学法是用强氧化剂将水样中的还原性物质氧化，再计算氧化剂的消耗量， 最后折算成消耗氧的量。重铬酸钾（ＣＯＤｅｒ）和高锰酸盐指数法（ＣＯＤｍｎ）是目前测 量ＣＯＤ的典型方法。高锰酸盐指数法多适用于分析较干净的地表水、地下水、饮 用水，即低浓度ＣＯＤ测量；重铬酸钾法多用于工业废水和生活污水的分析，即较 高浓度的ＣＯＤ测量。ＣＯＤ是一条件性指标，会因氧化剂的种类、浓度、待测液 的ＰＨ值、温度、时间以及催化剂的种类和用量等条件而得出不同的测量结果，要 使测量结果准确，则必须按标准规定的方法测量。。≈一 争枣枣枣，１．１卢ｂ图１－３化学法在线钡４量仪原理重铬酸钾法原理【３】：以重铬酸钾为强氧化剂，以硫酸银为催化剂，以硫酸汞为 去干扰剂，在强硫酸介质中加热、回流、氧化后，以硫酸亚铁铵为滴定液，滴定 水中未被还原的过量的重铬酸钾，由消耗的硫酸亚铁铵的量推算出消耗氧的质量 浓度。缺点：回流消解耗时长，一般大于２小时，手工操作繁琐，贵重试剂用量电子科技大学硕士学位论文大，重金属汞盐会造成二次污染，不适合于区域水质中检测大批量样品和在线检测等。图１．３是常用在线化学法测量的示意图。我国的标准方法是ＧＢｌｌ９１４．８９重铬酸钾法，在国内广泛应用于实验室ＣＯＤ 测量。此外还有库仑滴定法、比色法、催化消解法、ＴＯＣ换算法、微波消解法、 超声波消解法、流动注射法、化学发光法等。以上所述的化学测量方法适用的水质浓度范围广，测量准确。但主要存在着 以下缺点：（１）分析周期长，操作工序繁琐，管道系统复杂容易堵塞，可靠性差，故障 率高，不适合实时在线检测。（２）铬、银等贵重金属试剂及硫酸汞会对环境造成二次污染，成本高。 物理法主要是基于Ｌａｍｂｅｒｔ―Ｂｅｅｒ定律的紫外吸光度法，即ＵＶ（Ｕｌｔｍｖｉｏｌｅｔ）法。此法高效率、分析速度快、检测参数多，无需任何化学药品，从而消除了二次污染。在国外，ＵＶ法已经日益增多，日本已经普及，ＵＶ法是当前在线水质测量ＣＯＤ的发展必然趋势。国内的Ｕｖ法ＣＯＤ仪器已有少数公司研发，但大部分仍需进口， 所以实现其国产化迫在眉睫。１．３课题研究内容“在线＂分析仪表是相对于“实验室’’仪表而言的，它能够实时、快速检测 水质成分，能够全天候、连续测量水质参数，一旦水质超标或发生明显波动则会 及时报警提示，适用于对水质安全要求较高的场合。而实验室仪表则不是连续测 量，对实时性和快速性要求也不高，对水质变化不能作出及时反应。 为了实现多组分复杂水质成分的准确测定，探寻一种适用范围广的在线水质 测量方法，本文着重对ＵＶ光谱法测量ＣＯＤ进行基础理论和应用方面的研究，主 要研究内容： １．分析水质ＣＯＤ测量的主要原理，研究目前国内外主要公司和科研单位的水 质分析仪器的方法和特点。重点分析了当前最先进的ＵＶ全光谱法ＣＯＤ测量仪的 关键技术。２．设计基于图像ＭＯＳ和平场凹面全息光栅的全固化ＵＶ全光谱传感器，包括光源、光源驱动、吸收池、光栅、ＭＯＳ和ＡｉＤ转换模块。设计以ＤＳＰ为核心的 主板处理控制系统，包括电源模块、显示键盘模块、通讯模块、ＰＷＭ等模块。 ３．通过实验获取ＵＶ吸光度光谱数据和相应的ＣＯＤ值，用Ｍａｔｌａｂ神经网络工４第一章绪论具箱对实验数据进行处理，以研究吸光度光谱图和ＣＯＤ值之间的关系，并和最小 二乘法的处理数据作对比。４．研究分析在ＵＶ全光谱法测量ＣＯＤ中产生误差的诸多干扰因素，重点通过 实验分析温度在测量ＣＯＤ中的影响。探索兼容测量其它参数，初步探索性地研究测量氨氮可行性。５电子科技大学硕士学位论文第二章ＵＶ法测量ＣＯＤ简介２．１ＵＶ法测量ＣＯＤ原理国家环境保护总局在２００５年９月２０日发布了“中华人民共和国环境保护行业标准ＨＪ／Ｔ１９１．２００５”［４１，并实施了“紫外∞Ⅵ吸收水质自动在线检测仪技术要求”，物理法有了标准，由于物理法的优点使ＵＶ检测仪被大力推广，其测量ＣＯＤ 原理如图２。１所示：入射光在溶液中传播时，介质对其有吸收作用，在原传播方向上的光强发生 衰减，所以通过对光强衰减程度进行检测就可知道溶液中物质的种类和定量分析。水中的溶解的有机物（ＣｏＤ）吸收紫外光，因此可以由吸光度来测定或者换算ＣＯＤ的浓度。２．１．１分子吸收光谱的产生机理物质是不断运动着的【５】，分子中的电子总是处于某一运动状态，而每一种状态 都有一定的能量，对应一定的能级，电子吸收了光、电、热等外来辐射就会被激 发，从较低的能级转移到较高能级，称为跃迁。分子内部也有运动，主要包括分 子内价电子运动、分子内原子在其平衡位置附近做振动以及分子绕其重心的转动。 因为分子内部的运动方式有３种，所以分子具有三种不同的能级，分别对应分子的电子能级、振动能级和转动能级。一个分子的总能量Ｅ，可以写成内在能量已、 平动能量ＥＦ、原子核振动能量邑、分子绕某个轴旋转能量ＥＲ和分子内电子运动能量Ｅ￡的总和，即：Ｅ＝ＥＤ＋Ｅ，＋Ｅｙ＋Ｅ胄＋Ｅ层（２―１）由于Ｅｏ是分子固有内能，不随运动而改变，ＥＰ是连续变化的不会量子化，因６第二章Ｕｖ法测量ＣＯＤ简介此它们的改变不会产生光谱。所以，一个分子吸收了外来辐射的能量矗ｖ之后它的总能量变化为：ｚｋＥ＝崛＋丝詹＋峨其中丝量最大，为１ｅｖ￣２０ｅｖ，衄ｙ为０．０５ｅＶＭｅＶ，丝震小于０．０５ｅＶ（２―２）当分子吸收具有一定能量的光子辐射五＇，时，便会由低基态能级Ｅ跃迁到高能 级Ｅ。如果枷恰好等于高能级与低能级之差时，分子便产生跃迁。否则不能被吸收，其关系如式（２―３）：ＡＥ＝Ｅ２一目＝ｈｖ＝乃÷／Ｌ（２－３）不同波长的光子拥有不同的能量，由于各种物质能级跃迁需要的能量不同，因此对不同波长的光表现不同的吸收能力，这一性质称为物质对光的选择性吸收。 当光子被吸收便产生了吸收光谱。２．１．２光吸收定律朗伯．比尔（Ｌａｍｂｅｒｔ―Ｂｅｅｒ）定律：是由Ｌａｍｂｅｒｔ和Ｂｅｅｒ提出来的［６】，是比色和光 谱定量分析的理论基础。它是物质对光的吸收的基本定律，指出了吸光度（Ａ）与吸 光物质的浓度（ｃ）和液层厚度（Ｌ）的乘积成正比的关系，数学表达式如下：Ａ＝－ｌｇ（－－；－－－）＝－ｌｇＴ＝ｋｃｌ』０（２―４）式中Ｉ，Ｉｏ分别为透射光和入射光强度；Ｔ为透过率；ｋ为吸光系数，其物理意义是物质在单位质量浓度及单位液层厚度时的吸光度。Ｕｖ法测定ＣＯＤ技术是基于水样中的有机物对紫外光的吸收来测定水样中物 质成分和含量的方法。吸光度的加合性：若溶液中同时存在两种或者多种互不影响的吸光物质时，则总的吸光度是各个物质的吸光度之和。而各物质的吸光度则由各自的浓度与吸 光系数决定。设有一光束强度』。，通过一溶液，溶液中同时存在着ｃ，，Ｃ：……ｃ。等 吸光物质，其透射光强度分别为厶，１２……１。，这一吸光体系的总吸光度为各溶液的吸光度之和：４鹄＋．．刊。吨百Ｉｏ也≯¨ｇ等地等矗吨≥∞，由此可得：７电子科技大学硕士学位论文，Ａ＝ｌｇ≠＝Ａ１＋Ａ２＋……＋Ａ。（２―６）』丹正是由于吸光度的加和性才使得混合物的吸光度可以测量。在实际水样中进 行吸光度分析时，作为溶剂本身对光也有吸收，所以要进行补偿，可以通过增加 参比液来消除溶剂对溶质吸光度的影响。２．１．３有机物的吸收特性在污水中通常同时存在着多种有机物，不同有机物其吸光度性质也不同，对ＣＯＤ的贡献率也就不同。有机化合物的吸收光谱【６】取决于分子中外层电子的性质。与紫外一可见吸收光 谱反应了物质分子对不同波长光的吸收能力。与其有关的电子有三种，即处于成 键仃轨道的成键仃电子、处于成键１／＂轨道的成键刀电子，处于未成键ｎ轨道的的万 电子（孤对电子）。处于基态的分子在吸收一定波长的光后，分子中的成键电子和 非键电子可被激发跃迁至仃‘和万‘反键轨道，其几种分子轨道能量高低次序为：仃＜石＜，ｚ＜万’＜ｏ－＋如图２―２所示，分子轨道可能的跃迁有六种：盯’仃、仃－．石、万‘仃、Ｉ＇／‘盯、万＿．万、咒‘万● ● ● ● ● ●于仃成键和反键轨道有关的主要有四种，所产生的吸收光谱多位于真空紫外区 （０＂－＇－＇２００ｎｍ），有机物中最有用的吸收光谱是基于万一７１＂＋和，ｌ一石‘跃迁而产生的， 这两类跃迁所需要的辐射能量大多处于波长大于２００ｎｍ的区域，它们要求分子中 含有不饱和键，含有不饱和键的基团称为生色团。 当一个分子中含有两个或两个以上的生色团时，按相互间的位置可以分为共 轭和非共轭两种情况：非共轭时，各个生色团各自独立吸收，吸收带由各生色团的吸收带叠加而成；共轭时，生色团原有的吸收峰会发生改变，可产生新的吸收 峰。有一些基团，本身不产生吸收峰，但与生色团共存于同一分子时，可引起吸 收峰的位移（蓝移、红移）和吸收强度的改变，这些基团称为助色团。另外，吸 收光谱还测定条件有关，条件不同，吸收光谱的形状、吸收峰的位置、吸收强度 等都可能发生变化。第二章Ｕｖ法测量ＣＯＤ简介图２―２分子外层电子能级跃迁图２．２ＵＶ法测量Ｃ０１）技术国外从二十世纪六十年代就开始了ＵＶ法测量ＣＯＤ的研究：１９６２年，Ｇａｒｎｅｔｔ和Ｃｏｘ设计开发了利用紫外线检测酚类污水中有机物浓度的仪器忉。日本学者【８】 首次提出利用紫外吸收光谱直接测定ＣＯＤ。其发展经过了如下历程：图２－３ＵＶ法测量ＣＯＤ历程目前，日本采用的ＣＯＤ测量仪中紫外法占了８０％的比例。ＵＶ法被列入日本工业标准Ｋ－０８０７，要求测定污水在波长为２５３．７ｒｉｍ处的吸光度，通过事先建立的吸光度与ＣＯＤ浓度之间的标准关系换算成ＣＯＤ浓度值。１９９５年，Ｍａｎｏｏｋ和ＢｏｇｈＯＳＡｔ９】等人在美国取得了Ｕｖ法测量ＣＯＤ的专利。２．２．１单波长（２５４ｎｍ）吸光度检测法单波长（２５４ｎｍ）００１是指利用大部分有机物浓度对波长２５４ｎｍ处紫外线的吸收特性来测量水样的吸光度。ＵＶ２５４在国外已经被广泛接收和使用。其示测量示意图如下：９电子科技大学硕士学位论文图２－４单光束分光光度计光路示意图从光源射出的复合光通过单色器后变成单一波长的单色光，单色光透过比色 皿后照射到紫外线检测器上变为电压信号。根据测量光束可分为单光束和双光束。单光束优点是结构简单，价格便宜，容易维护，主要用于定量分析。但是在 使用单光束计时，波长每换一次就要用参比溶液校正透光率到１００％，才能对样品进行测定。国产７２１型、７５１型、７２４型，国外的如英国的Ｕｎｉｃａｍ ＳＰ５００型、美国的Ｂｅｃｋｍａｎｎ ＤＵ．２型、日本岛津ＱＲ－５０型等分光光度计属于此类。双光束分光光度计的结构如图２．５所示，其光路设计与单光束基本相似，不同 的是在单色器与比色皿之间加了一个斩光器。经过单色器的单色光被斩光器分为 频率和强度相等的两束交替光，一束通过参比液，另一束通过样品液，然后由检 测器交替接收参比信号和样品信号。Ｉ光源Ｈ单色器卜斩光器图２―５双光束分光光度计示意图光度计能自动比较两束光的强度，其比值即为样品的透射率，经过对数变换 讲其转换成吸光度，由于两束光同时分别通过参比池和样品池，能自动消除光源 强度变化引起的误差。此类仪器有国产７１０、７３０、７４０型等，国外如英国的ＵｎｉｃａｍＳＰ７００型、日本岛津ＵＶ－２００、ＵＶ－２４０型等。２．２．２双波长检测法双波长分光光度计的光路【１０１如图２－６所示。将同一光源发出的光分成两束， 分别经过两个单色器，得到两束不同波长（丑和如）的单色光，利用斩光器使两 束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后被检测器接收。信号送往处理系统，将两个波长的吸光度差值计算出，吸光度差即与被测样品浓度成正比，这是双光 度法的测定的原理基础。１０第二章ＵＶ法测量ＣＯＤ简介斩光器吸收池图２～６双波长分光光度计不意图 双波长测定法不需要参比液，只用样品溶液即可完全消除背景光、浊度、吸收池等的误差，大大提高了测定的准确度。即可用于微量组分测定也可用于多组 分分析。国产的ＷＦＺ８００．Ｓ型，日本岛津的ＵＶ－３００型，日立５５６型等属于此类仪器。单／双波长光度计结构简单，只适用于成分比较单一的污水进行ＣＯＤ测定，实 际的水样中存在多种干扰因素，而且水体中的有机物组分不同，最大吸收峰也并 非都在２５４ｎｍ处，如图２．７所示。悬浮物对吸光度产生干扰也会增加ＣＯＤ的值。组分比较复杂的污水，只要其相对成分比较稳定，也可用此法测定。但是实际应 用的场合非常多，不同污水存在着特定的吸收峰，只用２５４ｎｍ捕捉全部有机物是 非常困难的。图２．７有机物紫外吸光度特性 ２．２．３ＵＶ全光谱法传统的紫外．可见光分光光度计是光谱仪的一种㈣［１ｌ】【１２】【１３】，其主要结构包括：光源、聚光透镜、入射狭缝、准直透镜、光栅、波长扫描机制、聚焦、样品池、电子科技大学硕士学位论文检测器和信号处理及控制电路等，组成如下图所示：图２－８扫描式分光光度计 工作原理：从光源发出的发散复合光经过聚光透镜和狭缝后由准直透镜变成平行光，光栅对平行光进行色散，光谱聚焦透镜将色散光聚焦，使其成为按波长 大小排列的光谱带。波长扫描机制转动光栅，使光谱带中各种波长的光依次从出 射狭缝中射出，得到按时间变化的单色光。单色光透过样品池到达检测器，经光 电变换后的信号被送往控制电路和信号处理系统得到数字信号，最终经过通讯系 统送到ＰＣ机，由ＰＣ机按照要求对数据进行处理得到最终的光谱数据图。 传统光谱法的缺点：使用透镜系统多，光强损失大，结构复杂。特别是波长 扫描系统，步进电机一次转动只能测量一个波长，要实现全部波长的测量比较耗 时，一般在三分钟左右，不适合在线检测。 ＵＶ全光谱法，将光谱仪的测量方法引入水质检测领域，使用了光电二极管阵 列作多通道检测器，可以同时检测１９０＂－－－９００ｈｍ范围内的波长范围，分辨率达到 ２ｎｍ。一次测量得到全波段谱图信息，测量时间小于１ｓ，此外其光路简单，省去了 传统扫描式光谱仪多个透镜和扫描电机的复杂系统。具体结构示意图如图２－９。１２第二章Ｕｖ法测量ＣＯＤ简介●一…………一ｏ…一ｏ■■ ；ｆ……………一～…一砷故据处理ｌ 一……………一““?－。●畸４；ｖ４害哪ｆ’Ｔ：巴｝ ●ｏ～一。Ｊ‘ｌ ：；：ｒ…?Ｉ－‘一?“。“一．竹．～‘ｋ．“譬ｔｔ ｛ｉ ｉｉ：三三兰三ｉ兰兰三兰三璐制繁统ｊｌ● ｔ ●●：：ｌ：ｒ……一……―?‘忖芏制系ｊ芄｛■ ●●ｒ■■＿＿＿＿－－－－?－??－?＿＿＿－－－－Ｌ?＿一聚 一函｛；燧铲 翻舭 镜咽一凹面光栅图２－９紫外全光谱水质分析仪原理图一次检测即可得到水样的全紫外光谱的吸光度曲线，能够比较全面的反映水 体的有机物污染情况。因为全波段光谱中只有部分波长的吸光度与ＣＯＤ值的相关性比较强，水体不同，有机物种类和数量也有差异，因此水样的特征波长也不同。 所以在数据处理中只选择特定紫外波长的吸光度值作为建模信息。２。３国内外研究现状岛津加权多波长吸光度检测法：如图２．１０所示。图２．１０多波长测量原理日本岛津公司【１４】【１５１的ＵＶＭ－４０２０采用新式的，加权多波长吸光度检测法 ＷＭＷ（Ｗｅｉｇｈｔｅｘｔ Ｍｕｌｔｉ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｍｅｌｗｙ），改善了以前的Ｕｖ法ＣＯＤ测１３电子科技大学硕士学位论文量仪的缺点。在２４３ｎｍ＇－－．－２９０ｎｒｎ之间检测５个有代表性的有机物的ＵＶ吸收光谱，用多波长来看，对很多有机物都可以网罗到。因此对水质的变化容易察觉。选择和ＣＯＤ的相关系数最适合的各个波长的加权系数。总Ｕｖ吸光度＝（ａＡ２４３＋ｂＡ２５４＋ｃＡ２６５＋ｄＡ２７５＋ｅＡ２９０），Ａ２４３，Ａ２５４，Ａ２６５，Ａ２７５，Ａ２９０：各波长 （２４３，２５４，２６５，２７５，２９０ｎｍ）的吸光度。ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ是各波长的加权系数。将ＣＯＤ的相关系数中最大的加权系数组合，用ＰＣＡｃｏＷＭＷ计算软件进行自动计算，提高 了ＣＯＤ仪和ＣＯＤ的相关性。ＷＭＷ法可以检测亚硝酸离子等无机还原物有吸收 的２４３ｎｍ，因此对含有无机还原物的排水也有很好的相关性。 对于成分稳定的水，ＷＭｗ法和２５４ｎｍ法没有差别。对于水质变化的水，使 用ＷＭＷ法后，相关性会得到改善。ＵＶＭ．４０２０采用紫外光谱法，原理示意图如图２．１０所示，其光源采用能够发出紫外线和可见光的脉冲闪烁Ｘｅ（氙）灯。光栅采用平场凹面全息反射式光栅，检测器为２５６象素的紫外光电二极管阵列和可见光 探测器。从光源发出的光经过透镜系统后直接透过测量池，再由狭缝射到光栅分 光。分光后的光束反射到光电二极管上，转换成电信号送往运算处理系统。另外凹面光栅表面还有聚焦反射功能，将可见光反射到可见光检测器上，用以消除水样中污物的影响。是能（Ｓ：：ＣＡＮ）全光谱检测法：奥地利是能公司是紫外一可见光光谱测定传感器的发明者【１６】【１７】，也是世界上唯一将光谱测定法成功应用于水质参数测量的公司， 传感器可以直接在液体介质中进行连续测量。是该项技术的行业引领者。这种独 一无二的技术使我们可以在不同应用环境下测定各类参数，如在纯水、饮用水、 环境监控、污水处理、工业废水处理过程。紫外可见光谱范围２００－－－－７５０ｎｍ，双光 束自动补偿，闪烁氙灯光源，理论寿命５０年，自动压缩空气吹洗，整个传感器直 径４４ｍｍ，长６０５ｎｍ。光谱数据处理基于ＰＣＡ（Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ 分析）和ＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ 如图２一ｌｌ示：Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅ ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ主元Ｆｉｔ偏最小乘拟合）其传感器外观和结构１４第二章ｕｖ法测量ＣＯＤ简介＊＆≈图２－１１传感器内部结构图和外观工作原理：传感器的左半部分是氤灯光源及其控制电路，氙灯采用闪烁方式， 大大延长了光源寿命，在程序控制下闪烁，闪烁次数可达１０８次。从光源发出的光 经过聚焦透镜作用输出两路光束，一束为参比光，另一束为通过水样的测量光束，双光束测量技术消除了交叉干扰。在传感器右侧由驱动马达带动遮光器转动，实现光束选择，参比光束和测量光束分时通过透镜被光纤的输入端接收，然后光 束经过光纤传导至输出端，透射到２５６点阵检测器变换成电信号输出。需要说明 的是该传感器的光谱成像部分采用目前最先进的光导纤维，检测器和光栅集成一体设计专利（如图２―１２）：图２．１２光栅与探测器集成传感器示意图采用光纤传导光束，可以使光在封闭的纤维内沿着任意曲折得光路进行传输。 光纤可以代替传统的透镜、棱镜、反射境等复杂的光学系统，避免了机械辅助固 定，稳定性提高，减小了仪器的体积和重量。光栅和检测器集成设计，避免了分 离式的反复校正光栅和检测器的位置，加强了仪器的可靠性。缩短了光程，使传感器整体小型化。传感器因为直接与各类水质接触，污垢等会附着在光路和传感器表面，为了电子科技大学硕士学位论文不影响测量，必须对光路、流通池或者检测池进行清理维护。Ｓ：：ＣＡＮ采用自动压缩空气吹洗，摒弃了传统的机械、清洁剂清洗，不占用传感器内部空间，有着较 高的实用价值。测量界面人性化，既可将传感器通过ＵＳＢ接口连接至ＰＣ机，使用连续光谱差分数据分析软件，亦可使用Ｓ：：ＣＡＮ专用的嵌入式工控机。Ｓ：：ＣＡＮ全 光谱法的测量效果跟单波长测量效果比较如下图所示：Ａｐｐｌ．。ＩＮＦＬＵＥＮＴ”－ＣＯＤ【ｍｇｌｌ】Ｃ＾ｎ Ｃ＾ｎＡｐｐｉ．“ＩＮＦＬＵＥＮＴ”－ＣＯＤ【ｍｇｌｌ】萤４００ ｐ－Ｏｏ ３００ｃ）－?宝２００∞善１００．．Ｊ ｎ ｖ／。◆ １００◆．Ｚ。ｊ◆’“ｙ－◆曹４００８（）３００Ｘ瓦 Ｉ！二：！兰ｌ３００ ４００ ５００墨２００ ∞ｏ景１００．Ｊｖ．／◆／’０ １００ 箕：ｃａｎＩ．∥?舻Ｒ２＝Ｏ。９４２００ Ｓｉｎｇｌｅ２００３００４００５００ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ［Ａｂｓ／ｍ］ＣＯＤｅｑ［ｍｇｌｌ】图２－１３单波长测量效果图２－１４全光谱测量效果此外Ｓ：：ＣＡＮ全光谱法不仅可以测量ＣＯＤ，还实现了水质中的ＢＯＤ、ＴＯＣ、ＢＯＤ、ＴＳＳ、硝氮、氨氮、浊度等多参数的测量。 中科院安徽光机所于２００５年发明的“光谱法非接触ＣＯＤ／ＤＯＣ水质在线检测方 法及装置”【ｌ酗，代表了我国在光谱法ＣＯＤ水质上的进步。光路中依次设有低压汞灯光源、调制盘、紫外滤光片和可见光滤光片、分束片、光电倍增管。利用可见 光束穿过自由落体水流，测量其吸光度来测量ＣＯＤ值。该装置依然需要步进电机来控制滤光片的转动来获得连续光谱，其机械结构繁杂，透镜多，光源和检测器跟目前市场上先进的氘灯、氙灯光源和光电二极管及ＣＣＤ相比仍有一定差距。在 此发明中，为了避免在ＣＯＤ浓度较高水质测量时出现紫外吸光度饱和现象，可以 适当减小检测水流，从而可以满足不同污染浓度水质的测量。 重庆大学光电工程学院研制出一种“混合式集成微型光谱分析系统”【１９】，采用光纤导入，色散元件采用全息凹面光栅。检测器采用重庆大学自己研发的７５０位ＣＭＯＳ图像传感器，且光栅和检测器成功地集成到了一块底片上（如图２―１５）， 这是在国内首次成功地研制出以玻璃为基底的折射混合集成，通过测量室内的反 射境将光栅散射出的分光投射到检测器上。利用微电子技术、光学技术、图像传感和ＭＥＭＳ技术等研究光谱仪的分光、成像和探测一体化三维混合集成，总体上实现了光谱仪的微型化。１６第二章ｕｖ法测量ＣＯＤ简介图２ １５光栅检测器集成图聚光科技有限公司是目前国内为数不多的将全谱法产业化应用于过程水质分 析的公司，其产品ＳＷＡ－２０００系统，可实现连续在线检测水体中的ＣＯＤ或者光吸 收系数（ＳＡＣ）、ｔ＇Ｈ值、氧化还原电位、流量、温度、电导率、浊度、固体悬浮 物、溶解氧、氨氨。光源采用高性能氙灯，检测器采用线性光电二极管阵列单元， 无运动部件，可靠性高。模块化设计，光纤传输光学信息，ＲＳ４８５／ＧＰＲＳ等通讯接 口提供远程数据传输和控制检测系统运行。２４本章小结本章在查阅了大量资料和文献的基础上，对Ｕｖ法测量ＣＯＤ的原理和方法作了详细的介绍和分析。特别对紫外全光谱法做了详尽的调查研究，剖析对比国内 外主要的研究单位和公司的具体产品，得出了目前市场上主流的在线ＣＯＤ测量仪的关键技术及其发展方向。电子科技大学硕士学位论文第三章光路设计 弟二早尢跆阪订３．１光路总体构架全恳光栅 图３－１光路总体构架整个光路模块（传感器）由：电源及闪光控制部分、氙灯及灯座、透镜、检 测池、狭缝、平场凹面全息光栅、紫外可见光检测器、Ａ／Ｄ转换和Ｊ１接口模块组 成。本光路构架设计实现了全固态安装，一次扫描即可全光谱成像。摒弃了传统 的紫外光扫描需要机械转动机构，每次只能分出一种波长的光，耗时多、稳定性差的缺点。３．２光源光源为仪表系统提供紫外光能，要求光源能够提供足够强的、连续光谱且光 强随波长无明显变化，其稳定性和使用寿命要有保证。当前，紫外光光源一般用 氢灯或者氘灯，能够发射１５０ｎｍ～４００ｎｍ的连续光谱，氘灯因其寿命长而成为紫 外光区应用最广的光源，但是价格较高。紫外．可见光谱分析需要能够涵盖紫外光 和可见光波段的光源。现在的大部分光谱仪只用一种光源，不能同时产生紫外光 和可见光，为此紫外可见光分光光度计通常情况下要安装两种光源，或者是两种光源集成安装，才能得到２００＂－＇９００ｎｍ范围内的测量需求波长。目前随着光源技术的发展，氙灯被引入光谱仪和光谱法水质检测领域，比如上述岛津和Ｓ：：ＣＡＮ公司 的最新产品都是采用氙灯，仅需一种光源即可产生１９０＂－－－１１００ｎｍ范围内的波长。其结构图如下：第三章光路设计图３ ３光源及灯座实物图 表３－ｌ光源特性 光谱范围 供电电压 触发电压 最大功率 输出波动 触发时司 闪烁寿命１１６｛］ｎｍ～２０００ｎｍ（有机石英玻璃窗口）７００Ｖ～１０００Ｖ ５ｋｖ～７ｋｖ２００ａｓ２ｘ１０９淡特点：瞬时高能量输出，高稳定度（２ ５％），寿命长，无需预热。灯座Ｐ还带有紫电子科技大学硕士学位论文外光和可见光传感器，可以监控光源光强的变化。在灯座的出射光处已经装有聚焦透镜，可直接获得平行光。３．３驱动电源脉冲氙灯工作时要求电源的电压和电流要充分的稳定，这样才能保证有稳定的光强，所以对驱动电源要求比较严格，要外接专用电源和触发器电路。当接通电源时，电路在触发信号的控制下产生一个高频高压的电信号至灯的两极，使灯 管内的Ｘｅ气被激发电离产生弧光放电。具体工作原理不再赘述。 本设计的电源是从仪表总开关电源上得到的二次直流电，具有一定稳定性， 且灯座Ｅ２４４２上已经集成了触发包，所以再经过两次开关电源变压后，电源稳定 性完全满足要求。图３４光源驱动和控制电路Ｊｌ为１２ＶＤＣ电源输入端。７７００Ｖ是ＰＷＭ类型的稳压控制器件，通过电压反 馈回路到３、４脚，来获知输出电路的电压波动情况，通过ＰＷＭ波输出控制ＭＯＳ 开关管，以达到调节高频脉冲变压器Ｔｌ的目的。Ｊ２从主板输入控制信号，控制信第三章光路设计号通过光敏隔离器将信号传递至电源板副级，通过三极管Ｑ３来控制可控硅Ｑ２的开关，开关信号通过Ｊ４的１脚传递给灯座控制氙灯闪烁，Ｊ４的２、３脚是主供电端和触发电压的ＧＮＤ。电压输出端Ｊ３输出１０００（ＭＡＸ）的ＤＣ电压，给氙灯灯座供电，灯座Ｅ２４４２里集成了高压变压器、分压电阻器、电容器和内部电路。３．４吸收池吸收池或称比色皿，用于放置待测水样，光束通过吸收池里的水样产生吸收。吸收池的材料分为玻璃池和石英池。玻璃对紫外光有强吸收，３５０ｎｍ，－，４００ｎｍ区的 紫外线透过率为８％～９ｌ％，３２０ｎｍ以下紫外透过率为０％，有机玻璃效果好些， 但在３００ｎｍ～２９０ｎｍ区间透过率从５０％迅速降到５％，所以玻璃只能用于可见光区。 而石英对紫外光吸收很少，从４００ｎｍ～２９０ｒｉｍ的透过率８６％＂－＇８３％，２００ｒｉｍ处为３０％，可用于紫外．可见光区。因为本仪表为在线检测仪表，水样是流动测量，所以吸收池为流通检测池。水样从管道中流过，光程为１ｃｎｌ，入射和出射石英窗口 计划采用压缩空气清洗，水样流通管道通过水泵汲取污水，管道可方便拆卸。 计划采用两种方案：方案一：为方便采集水样，用送液泵将水样送到柜式测量仪进行测量，测量后水样再由送液泵排出。采用此种方式，可方便地实现室内测量，远程管道取水， 但是送液泵、流通检测池和石英窗口要定期清洗维护，必要时更换管道和设备。方案二：为避免大量的清洗维护，借鉴Ｓ：：ＣＡＮ公司的清洗特点，将传感器直 接投放到待测水样，采用高压空气清洗，维护量大大降低，也省去了输送水样的 繁琐装置。但是在小型化上要做到便捷，采用光纤传输是最佳选择。根据实际应用现场情况，我们设计了上述两种方案，分别适合于“柜式＂和 “传感器”式。柜式适合于污水的集中测量，有专门的测量室，比如污水处理厂、生产车间用水、电厂等场合；传感器式适合便携式或经常移动性的现场，比如河流、湖泊、城市管道等水质测量。见于条件所限，本产品采用方案一，方便反复实验检测数据和调整装置。此外，还创新性地提出采用伸缩式可变光程的检测池，测量低浓度水样时可适当加长光程；当测量高浓度水样时，可根据需要适当缩短光程。以满足不同浓度的测量需求。检测条件：水温２０～３０ ｏＣ，流量０～３Ｕ分，压力５０ｋＰａ．３．５光栅２ｌ电子科技大学硕士学位论文光栅【２０】是将复合光进行分光的色散元件，利用光的衍射和干涉原理制成， 复合光经过光栅后得到的是按波长均匀排列的光谱。光栅的色散近乎线性，各波长谱线是间距相等、均匀分部的连续光谱。近年来，采用激光全息技术制作的全 息光栅已经得到了广泛的应用，采用全息技术可以消除鬼线，使光信号具有像差 小、信噪比和制作成本低等多种优点。／，－一、～，，、Ｐ罗兰圆凹面成像光谱面 图３－５普通凹面光栅成像图罗兰圆形的光栅【２１】结构如图３．５所示：在曲率半径为Ｒ的凹面反射光栅上存在一个半径为Ｒ的圆，光栅中心与圆相切，光栅、入射狭缝和光谱成像均位罗兰圆上。从狭缝发出的光，经过凹面光栅散射后产生的光谱会汇聚到罗兰圆上。一般的凹面光栅的光谱成像谱面成曲面，不便于检测。本设计采用目前最先迸的平场凹面全息光栅（如图３．６所示），入图３－６平场凹面全息光栅成像图图中＾，以：＾为最长波长，允：为最短波长，Ａ一如为光栅的出射光谱面长度． ＬＡ：入臂，入射狭缝中心点到光栅中心的距离． Ｌｍ：最长波长＾的成像点到光栅中心距离．ＬＢ２：最短波长厶的成像点到光栅中心距离．ａ：入射角，入射光于光栅法线夹角．届：＾的衍射角．第三章光路设计厉：厶的衍射角． 平场全息凹面光栅在原有的全息凹面光栅的基础上调整了原来的球面光栅，对原来出射谱面为罗兰圆的光谱面进行修正，使得出射谱面在某一段内（丑一旯：）为平面，使与接收面为平面的检测器配合使用。平场凹面全息光栅最早在上世纪８０年代由法国Ⅳ公司研制成功。凹面全息光栅实质上是通过选择光束波阵面的形状和方向，来改变光栅刻槽的形状和槽距沿光栅表面的分布规律，使它兼有弯曲 刻槽和变槽距光栅的功能，具体说就是改变记录光源的相对位置和再现时光源和 像的相对位置关系来补偿像差或像散瞄】。虽然国内已经有相关产品，但是与国外 产品对比在色散成像质量上仍有一定差距。 本设计采用ＨＯＲＩＢＡＪｏｂｉｎＹｖｏｎ公司生产的光栅，同时具有色散、聚焦、反射三种功能。替代了传统的多块透境、反射境，减少了部件数量和光在传播中的 损耗，从而使光路结构大大简化，提高了测量精度。关键参数如下： 表３－２光栅主要参数 出射光谱面长度 光谱范围入臂Ｏｒ）１２．６ｎｍ１ ９０ｎｍ～８７０ｎｍ９４ｍｍ ４４ｍｍ Ｘ ４４ｍｍ（方形）规格该光栅特点：宽色散光谱范围在（１９０－８７０ｎｍ）之间，满足测量要求；入臂 短，减小了测量室的体积；光谱出射面长度１２．６ｍｍ，稍小于检测器接收面长度１２．８ｍｍ，两者相匹配，可以使色散后的光谱信号能够被全部接收。３．６检测器检测器［２３】［２４１功能是将光栅分光后的光信号转变成电信号，要求其灵敏度要高，响应时间短，低噪声水平且有良好的稳定性。常用检测器有光电池、光电倍增管、电荷注入器件（ＣＤ）、光电二极管阵列（ＭＯＳ图像传感器）、电荷耦合阵列检测器（ＣＣＤ）。３．６．１电荷耦合器（ＣＯＤ）电荷耦合器（ＣＣＤ）是一种由贝尔实验室在上世纪七十年代发明的半导体器件。ＣＣＤ是将光电二极管阵列和移位寄存器集成在一硅片上。光电二极管阵列任务是实现光电变换和光的积分，移位寄存器的任务是实现由光生成的电荷的转移。电子科技大学硕士学位论文ＣＣＤ器件不但具有体积小、功耗小、工作电压低等优点，而且在分辨率、灵敏度、实时传输等方面都具有优越性。其突出特点是以电荷作为信号，而其它类似器件 是以电流或者电压为信号。ＣＣＤ的基本功能是实现电荷的存储和转移。所以，ＣＣＤ 工作过程的主要是信号电荷的产生、存储、传输、检测。 ＣＣＤ分为Ｎ沟道和Ｐ沟道，使用电子作信号电荷的称为Ｎ型ＣＣＤ，使用空穴作信号电荷的称为Ｐ型ＣＣＤ。因为电子的迁移率比空穴的迁移率要大得多，使 得Ｎ型ＣＣＤ比Ｐ型ＣＣＤ的工作频率要高很多。 ＣＣＤ即能存贮信号也能传输信号，具有自扫描功能。ＣＣＤ的应用领域：用作移位寄存器、存贮器、模拟延迟线、摄像器件、处理模拟信号等领域。３．６．２电荷注入器件（Ｃ ｌ Ｄ）ＣＩＤ电荷注入器件（Ｃｈａｒｇｅ．Ｉｎｊｅｃｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ），其基本光敏单元跟ＣＣＤ相似，是靠两个并得很近的ＭＯＳ电容来工作的，每一个电容在加高电压时均可收集和存贮 电荷。在适当的电压下，可以实现两者之间的电荷互相转移。当在栅极加上适当电压时，在其表面会产生由电子形成的势阱，在势阱邻近的光子会被吸收，产生 的电子会集中在势阱里，其积分过程同ＣＣＤ。 ＣＩＤ与ＣＣＤ的主要区别在于读出过程。在ＣＣＤ中，信号电荷必须经过转移才能读出，信号一旦被读取立即消失。而在ＣＩＤ中，信号电荷无需转移，而是直接注入体内形成电流来读取的。即每当积分结束时，去掉栅极电压，存贮在势阱中的电子就被注入到体内，从而在外部电路上产生信号电流，这种读出方式称为非破坏性读取（Ｎｏｎ．Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ Ｒｅａｄ Ｏｕｔ，ＮＤＲＯ）。ＣＩＤ的ＮＤＲＯ特性使它具有优化 指定波长处的信噪比的功能。同时ＣＩＤ可以寻址任意一个或一组象素，因此可获 得如“相板”一样的所有元素谱线的信息。与ＣＣＤ相比，ＣＩＤ器件能够非破坏性读出并在许多帧周期上加以积分，各单 元信息可以随机读取，无需转移电荷，不涉及电荷转移效率等问题。但由于ＣＩＤ的相关产品己被专利化，目前应用不是很多。３．６．３图像传感器ＭＯＳ（ＭＯＳＩｍａｇｅＳｅｎｓｏｒ）ＭＯＳ图像传感器又称为自扫描光电二极管阵列（ＳＳＰＡ），可分为ＣＭＯＳ和ＮＭＯＳ两种类型。基本结构包括光电二极管阵列和扫描电路两部分。光电二极管阵列为感光单元。使用光敏二极管作为图像传感器的光敏元，采用寻址读出方法第三章光路设计读取信号，就构成了自扫描光电二极管列阵。按读出方法不同，可分为电流输出 型和电压输出型，只是在信号的输出处理上有所不同，其它两者工作原理基本相 同。电流输出型在电流积分工作模式时有良好的线性，可应用于高精度低光强场 合；采用电压输出型（Ｅｇ流．电压变换模式）时可获得高速读出，电压输出型线性精度 要稍低于电流输出型，但是其外围接口电路简单。ＣＭＯＳ传感器可以将传感电路、驱动控制电路、信号处理电路、模数转换器、全数字接口电路等多种功能模块集成一体，实现单芯片系统，同时使用标准逻辑 电源电压工作。ＮＭＯＳ传感器一般是针对专门的光谱测量而设计的多通道检测器， 跟其它的多通道器件相比，它具有极高的信噪比，因此适合于信噪比要求较高的 仪器设备。ＣＣＤ像元间信号需要近乎完美的转移才可以获取完整的光谱信号，ＭＯＳ传感 器则不同。此外，ＭＯＳ图像信息可以随机读取，随机读取在许多应用场合是必不可少的。同时，与ＣＣＤ和ＣＩＤ相比较，ＭＯＳ传感器光谱测量范围愈来愈宽，目前已经可以实现整个紫外．可见近红外区的光谱测量和部分红外区的光谱测量。 ＭＯＳ光谱信号扫描速度快，所有光谱在阵列上同时被检测，可以得到三维光 谱图。一个光电二极管阵列可容纳数几百至上千个光电二极管，可覆盖紫外．可见光的全波长范围，分辨率０．５－－一ｌｎｍ，其全部波长可同时被检测，在极短时间内可 给出整个光谱的全部信息，其最大优点是信噪比高，扫描速度快，扫描１９０，一－－９００ｎｍ 一般不超过２ｓ。例如上述Ｓ：：ＣＡＮ公司的２５６象素的二极管检测阵列，在１ｓ内就 可得出紫外．可见光全波长数据。 ３．６．４Ｈａｍａｍａｔｓｕ公司ＭＯＳ检测器ＳｈｉｆｔＨａｍａｍａｔｓｕ图像检测器的主要组成有四个部分：数字移位寄存器（ＤｉｇｉｔａｌＲｅｇｉｓｔｅｒ）、光Ｅｇ－极管阵歹ｄ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｃ）、哑元二极管阵ｙｌＪ（Ｄｕｍｍｙ Ｄｉｏｄｅ）、寻址开 关（Ａｄｄｒｅｓｓ Ｓｗｉｔｃｈ）。如图３－７所示：电子科技大学硕士学位论文Ｖ田图３―７ ＭＯＳ图像传感器原理光电二极管阵歹ｌＪ（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）负责光电转换，即在光照下将光信号变换为电荷信号；哑元（Ｄｕｍｍｙ Ｄｉｏｄｅ）部分不进行任何的光电转换，但是它的信号与有效信号 一起输出，每个哑元对应一个有效像元，而且两者是完全对称的，如果有随机电子噪声产生则会同时在两个对称的有效像元和哑元上产生，所以在处理输出信号时可以将两路信号做减法，就能使其抵消而除去随机噪声，从而提高了信噪比； 每一个像元旁边都有一个电容，可以存储信号电荷，用以提高器件的动态响应范围。数字移位寄存器（ＤｉｇｉｔａｌＳｈｉｆｔＲｅ百ｓｔ神由启动脉冲启动，然后在两路脉冲的控制下产生寻址逻辑，依次按顺序打开每一寻址开关（Ａｄｄｒｅｓｓ Ｓｗｉｔｃｈ），使对应开关 控制的像元中的电荷输出到信号线上，即场效应管的源级。对于电压型器件，电 荷通过源级读出；对于电流型器件输出的是电荷，所以需要外接负载或通过积分 电路将信号读出，实际应用中通常采用积分电路的方式输出信号，以保证信号输出的线性。 本设计采用Ｈａｍａｍａｔｓｕ公司生产的ＣＭＯＳ线性图像检测器，型号： ￥８３７７―２５６Ｑｔ２５１。此线性图像传感器内部结构如图３―８，特点如下： １．只有开始和时钟脉冲输入，使用简单．’２．集成片上电荷放大器，具有良好的输入输出特性．３．内部带有时钟产生器，可以方便开始脉冲和时钟脉冲输入． ４．最大时钟频率：５００ｋＨｚ．５．较宽的光谱相应范围：２００＂－＂１０００ｎｍ． ６．采用单电源５Ｖ操作电压，暗电流小：０．０８＂－＇０．２４ｐＡ．第三章光路设计酊图３－８ Ｓ８３７７内部结构图其仅有八个管脚，内部集成度高，使用简单。３．７ＭＯＳ检测器外围电路￥８３７７的外围电路设计如图３－９所示：Ｕ３Ｂ图３－９检测器外围电路图电子科技大学硕士学位论文Ｕ１：ＡＤＳ８３４１，４通道１６位逐次逼近Ａ／Ｄ转换器，高达１００ｋＨｚ转换速率，同步串行接口，最大功耗８ｍＶ，具有自关断模式可以将功耗降低到１５∥ｗ。结构原 理如图３．１０。在本设计中只使用了一个通道ＣＨ０。 Ｕ２－ＤＣ／ＤＣ电压调节器，最大输入电压１０Ｖ，输出电压１．８Ｖ＇－－＇６．０Ｖ． Ｕ３：施密特反向器．Ｊ１：传感器电路与主电路通讯接口．Ｕ４：ＣＭＯＳ，在３．６．４中已详细说明，不再赘述．ＯＣｉ．ＫＣＳ ＣＨＯ ＳＨＤＮ ＣＨ＇Ｏ附ＤＯＵＴ ＢＵＳＹＣ暾 Ｃ哟ｃｏＨＶ孵图３―１０ Ａ／Ｄ转换器原理图ＡＤＳ８３４１的控制命令字设置为９４Ｈ，即Ｓ置１，控制信号开始，Ａ２、Ａ１、Ａ０置００１，选择通道ＣＨ０，ＳＧＬ／ＤＩＦ置１，选择单通道输入，ＰＤｌ、ＰＤ０置ｏｏ，模式选择低功 耗，工作方式为外部时钟模式。 传感器工作原理：Ｊ１连接ＤＰＳ的ＳＰＩ口，主控制器工作就绪后通过Ｊ１的６脚向Ｓ８３７７的发出启动脉冲信号，同时主控制器通过Ｊｌ的２脚向Ｓ８３７７提供时钟脉 冲信号以控制其内部寄存器的工作时序，要强调的是在Ｊ１至Ｓ８３７７的两路信号中分别串联了两个施密特反向器，不仅起到了隔离作用，而且保证了信号的可靠传 输。Ｓ８３７７扫描完成最后一个象元后，ＥＯＳ端口即得到扫描完成信号，通过Ｖｉｄｅｏ 脚向Ａ／Ｄ转换器输出扫描的原始模样信号。Ａ／Ｄ转换器分别从儿的３脚和７脚获 得外部时钟信号和片选信号，ＤＯＵＴ脚将转换后的数字信号通过Ｊ１的５脚送往主 控制器模块。至此，传感器的一次扫描工作完成。３．８本章小结本章详细介绍了仪表光路（传感器）各部分的设计：光源、驱动电源、吸收池、光栅和检测器，并对各个器件的选型依据和工作原理做了详尽设计和阐述。第四章主控制器硬件电路设计第四章主控制器电路设计４．１硬件总体构架图４－１硬件总体构架 主控制电路模块组成框图如图４．１所示：系统大致由ＤＳＰ、ＳＲＡＭ、ＲＯＭ、时钟芯片、ＵＳＢ芯片、ＬＣＤ控制器、触摸屏＋ＬＣＤ、电源等组成。４．２ ＤＳＰ―ＴＭＳ３２０Ｆ２８ １ ２因为全光谱水质分析仪需要处理大量的光谱图数据，运算量大，所以选择 ＤＳＰ（数字信号处理器）比较适合。ＤＳＰ是一种具有特殊结构的ＣＰＵ，其内部采用程 序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，流水线操作，特殊的ＤＳＰ指 令可以快速、高效地实现各种算法的运算和数字信号处理。 本设计采用的是ＴＩ公司于２００３年推出的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２，指令处理速度高达 １５０ＭＩＰＳ，其数据处理能力和控制能力都非常强大。内部集成了振荡器、锁相环、看门狗及工作模式选择等控制器。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的特性如表４．１，内部结构如图４．２：电子科技大学硕士学位论文 表４．１ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２主要特性 主频 低功耗 片上存储器ＢｏＯＴ１５０ＭＨｚ内核１．８Ｖ、Ｉ／Ｏ口３．３Ｖ、Ｆｌａｓｈ电压３．３ＶＦ１ａｓｈｌ２８ＫＸｌ６，ＳＡＲＡＭｌ８ＫＸｌ６ＲＯＭ ４ＫＸｌ６，ＯＴＰＲＯＭ１ＫＸｌ６１２路ＰＷＭ，６通道ＱＥＰ，１２位１６通道Ａ／Ｄ，片上外设２通道ＳＣＩ异步串口，１通道同步串口ＭＣＢＰＳ， １通道ＣＡＮ，１通道ＳＰＩ工作温度－４００Ｃ～１２５ ｏｃ图４－２ ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２内部结构图４．３显示嚣及键盘第四章主控制器硬件电路设计ＬＣＤ控制器采用ＥＰＳＯＮ公司生产的Ｓ１Ｄ１３７０６ＤＢｔ２６】液晶控制器，即显卡。Ｓ１Ｄ１３７０６是一款用于彩色／单色液晶屏的ＬＣＤ控制芯片，是ＥＰＳＯＮ公司针对中小尺寸液晶显示器而专门设计的．它的主要性能有： １．内置显存８０Ｋ字节，支持６４Ｋ颜色显示． ２．数据接口可达１８位 ３．硬件旋转、虚拟显示、画中画等特效显示功能，使ＬＣＤ显示方式更加丰富， 提升了软件处理速度慢 ４．成本低、功耗小、单芯片集成度高。●２ ３ ４ ３３Ｖ ３．３Ｖ ５ ６ ７ ０５ ０缀 硇舞 簧ｒＪ Ｆｌ¨９ｍｎ屹珥：。坫＂墙悖∞甜恐笛孔 拍”嚣四∞ｎ强弘Ｍ鲐Ｒ１７焉１０ＫＴｌｌＩＴ１３３３ＶＲ鹤１０Ｋ匕Ⅺ ［１０图４－３ ＬＣＤ和触摸屏电路图３ｌ电子科技大学硕士学位论文显示器采用亿力公司的３２０Ｘ２４０象素ＬＣＤ，带有四线透明触摸屏。该ＬＣＤ特性 如表４－２。 表４―２ ＬＣＤ特性表 屏幕规格象素 有效面积 像元 外围尺寸５．７（ｉｎｃｈ）３２０ Ｘ ２４０１１５．２（１ｎｎｌ）Ｘ ８６．４（ｎｌｍ） Ｏ．１２（瓶ｎ）Ｘ ０．３６（ｒａｍ） １４４（ｍｉｌｌ）Ｘ１０４．６（ｍｉｌｌ）Ｘ１４．５（ｍｉｌｌ）电路图如图４―３所示：ＤＳＰ接口部分主要包含数据总线Ｄ［１５：０］、地址总线Ａ［１６：０］＋ＭＲ＃、片选信号ＣＳ＃、显存／寄存器选择信号Ｍ／Ｒ＃、读写控制信号Ｒ／ｗ＃。 Ａ１７信号可作为Ｍ／Ｒ＃的选择信号，Ｓ１Ｄ１３７０６芯片的总线时钟信号（ＣＬＫＩ）从ＤＳＰ的 时钟输出得到。Ｓ１Ｄ１３７０６芯片的ＷＡＩＴ＃信号与ＤＳＰ的ＲＥＡＤＹ信号连接。Ｓ１Ｄ１３７０６ 芯片与ＴＦＴ２ＬＣＤ接口中的ＦＰＤＡＴ［１７：０］为１８位数据总线，用于传输图像数据。ＦＰＦＲＡＭＥ为帧同步信号，为每帧图像的提供显示脉冲；ＦＰＬＩＮＥ为行同步信号，作为图像每行数据的显示脉冲；ＦＰＳＨＩＦＴ为列同步信号，作为每个像素的显示脉冲。Ｊ３６接触摸屏，触摸屏信号通过ＧＰｌ００和ＧＰｌ０１送到￥１Ｄ１３７０６芯片。４．４通讯系统三种通讯方式：可选的ＲＳ２３２和ＲＳ４８５通讯，ＵＳＢ通讯用于跟ＰＣ机或外部 存储器（如Ｕ盘）连接以读取数据。４．４．１ＲＳ２３２通讯ＲＳ．２３２接口１２７］是ＰＣ机与通信中应用广泛的一种串行接口。ＲＳ．２３２是一种在 低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，提供了串行数据通讯的标准接口， 最大传输速率１９．２ｋｂ／ｓ，一般用于１５ｍ以内的通信，ＲＳ２３２Ｃ的数据线有２根：发送数据线ＴＸＤ和接收数据线ＲＸＤ。本设计采用９针Ｄ型接口和１㈣２２１收发器。ＭＡＸ３２２１是Ｍａｘｉｍ公司研制的具有自关闭功能并实现ｌｕＡ维持工作电流的ＲＳ一２３２收发器。当ＭＡＸ３２２１输入端没有接收有效信号电平时，片上电源和驱动器自动关闭，以达到节能的目的。只有当有效电平送至任意一个ＲＳ－２３２接收器输入端， 系统才会再次开启。电路图如图４．４，ＭＡＸ３２２１连接到ＤＳＰ的ＳＣＩＴＸＤＡ和 ＳＣＩＲ）ｆ，ＤＡ管脚。３２第四章主控制器硬件电路设计图¨ＲＳ２３２电路图４．４．２ＲＳ４８５通讯对于大多数分布式控制系统来说，其通信距离一般为几十米到几千米不等， ＲＳ２３２接口不能满足此类系统的要求。实际应用中常采用ＲＳ４８５收发器，ＲＳ４８５收 发器【２ｓ】采用的平衡发送和差分接收具有抑制共模干扰的能力，加上收发器具有很 高的灵敏度，能检测低达２００ｍＶ的电压，故传输信号可在千米之外得以恢复，一对 双绞线就能实现多站联网，构成分布式系统，结构简单、价格低廉。电路如图４．５， Ｊ３８的五个接线柱分别是地线（ＧＮＤ）、两根数据发送线（Ｔ＋和Ｔ－）以及两根数据接收 线限＋和Ｒ．）。ＡＤＭ３４９１是半／全双工的ＲＳ４８５／ＲＳ４２２收发器，ＤＩ（驱动输入）、 ＲＥ（输出使能）＆ＤＥ（驱动输出使能）、ＲＯ（输出）分别与ＤＳＰ的ＳＣＩＴＸＤＢ、 ＳＣⅡｉＸＤＢ、Ｔ４ＣＴＲｍ相连。图４．５ ＲＳ４８５电路图 ４。４．３ＵＳＢ通讯ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）通用串行总线接口因其具有速度快、使用方便、３３电子科技大学硕士学位论文支持即插即用、性价比高等多种优点，得到了广泛应用，特别适用于水质检测仪的小型化和智能化。图４－６ＵＳＢ接口电路图目前应用较广的是ＵＳＢ２．０高速模式的版本，其特点如下： １．传输速率高，４８０Ｍｂｉｔｓ／ｓｅｅ信号频率。２．即插即用，传感器热插拔和自动检测，并由软件自动配置无须用户干涉。 ３．具有广泛的应用性，并在１根线支持中断传输、同步传输、控制传输和批量 传输四种传输方式，可以对多个设备同时进行操作，最多可接收１２７个外围设备。 ４．高容错性，具有事务处理错误检测机制，它们用以对有缺陷的设备进行认定， 对错误的数据进行恢复或报告。本设计采用ＮＸＰ公司的ＩＳＰｌ３６２ＢＤ控制器，电路图如图４．６所示。电路结构简单，３．３Ｖ和５Ｖ直流供电，外接１２ＭＨｚ晶振；ＩＳＰｌ３６２ＢＤ通过控制 总线和数据总线跟ＣＰＵ相连；Ｊ３４口连接外设，可以插入Ｕ盘读取数据。 ＩＳＰｌ３６２ＢＤｌ２９］是飞利浦公司推出的ＯＴＧ解决方案系列中产品，它在单芯片上集 成了一个０ＴＧ控制器、一个高级主控制器（ＰＳＨＣ）和一个基于飞利浦ＩＳＰＩ １８１的外 设控制器。ＩＳＰｌ３６２的ＯＴＧ控制器完全兼容ＵＳＢ２．０及０ｎ－Ｔｈｅ―ＧｏＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ １．０协议，主机和设备控制器兼容ＵＳＢ２．０协议，并支持１２Ｍｂｉｔ／ｓ的全速传输和第四章主控制器硬件电路设计１．５Ｍｂｉｔ／ｓ的低速传输。支持内置电源供电及外部电源供电两种模式，还内置了一个用于非ＯＴＧ的过流保护电路。除了通用的ＵＳＢ收发器，ＩＳＰｌ３６２还集成了计时器及全０ＴＧ功能所需要的模拟元件。一个１２Ｅ－Ｉｚ～４８ＭＨｚ的ＰＬＬ锁相环，因此可以采 用低成本的１２ＭＨｚ晶振。同时由于采用了低频率运作模式，也降低了ＥＭＩ，提高了 数据传输的可靠性。４．５电源设计本系统工作需要安全可靠的供电电源，需要的电源有四类：１２Ｖ、５Ｖ、３Ｖ、１．８Ｖ直流电。４。５．１ １２ＶＤＣ电源设计图禾７ １２Ｖ电源电路图输入电压要求：１００＂－＇２３０ＶＡＣ，５０／６０Ｈｚ，功耗１ｌＷ。电路图如图４．７。交流 电从左侧的端子Ｊ８输入，两路保险管Ｆ１Ｆ２、热敏电阻、压敏电阻以及安规电容ＣＸｌ和ＣＹ３，起到保护作用。共模厄流圈不仅消除电网共模电流的影响，还起到隔离作用，防止电网的尖峰脉冲对电路的冲击和开关电源的高频对电网的污染。经过桥式电路和电容的整流滤波后得到高压直流电。ＵＣ３８４３Ａ是ＰＷＭ式控制器，根据光偶反馈来调节、输出响应的ＰＷＭ波，以控制ＵＫ２９９６开关管的导通和关断， 高频脉冲变压器起到了降压和隔离作用。变压器次级脉冲电流经过三个铝电解电３５电子科技大学硕士学位论文容的整流滤波后可得到平稳的＋１２Ｖ电流，由Ｐ２端子输出。４．５．２５Ｖ、３．３Ｖ和１．８ＶＤＣ电源设计输出＋５Ⅵ）Ｃ电压图４―８ ５Ｖ、３．３Ｖ、１．８Ｖ电源电路图上述＋１２ＶＤＣ电源是直接从电网经过整流、滤波和变压后获得，功率相对较大， 产生的热量和毛刺会仪表产生负面影响，所以作为一个独立模块加以隔离。１２ＶＤＣ 作为５Ｖ电源的输入端，经过ＬＭ２５９Ｓ后得到＋５ＶＤＣ，＋５ＶＤＣ再次经过ＴＰＳ７６７Ｄ３１８ 分别得到了＋１．８Ｖ和＋３．３Ｖ电压。具体电路图如图４―８至此，仪表工作所需要的四种电压已全部获得。４．６ＰＷＭ电流输出图４―９Ｐ删输出电路脉冲宽度调制（ＰｗＭ）是利用微处理器输出的数字信号来对模拟电路进行直接 控制的一种控制方式，根据载荷相应的变化来调节方波的占空比，ＰＩ明ＶＩ控制方式从处理器到被控信号都是数字形式的，避免了使用数摸转换器，节约了开发成本。如图４－９所示：从ＤＳＰ发出的ＰＷＭ数字信号输入到光偶中，光偶实现了数摸隔离， 通过控制三极管Ｑ５８３的导通和关断时间来控制输出的占空比。输出的方波信号经 过ＲＣ滤波电路后变为平滑的直流电，然后经过放大器将信号放大，再次控制两个 三极管０５１９和０５８９的射级电流的大小，提高了带负载能力，之后输出理想的４～第四章主控制器硬件电路设计２０ｍＡ模拟电流信号，用来控制各种外设。ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２最多可有１６路ＰｗＭ输出，精度可达到１６位。４．７实时时钟时钟【３０１采用Ｄａｌｌａｓ公司生产的串行警告时钟ＤＳ３１０５芯片。作为电源管理单 元的时钟源，它让仪表只在设定的测量时刻启动主机进行工作，待数据采集完成后，ＤＳｌ３０５又发出指令关闭主机。这样，主机只有在实际工作时才消耗电能，ＤＳｌ３０５自身又是微功耗器件，所以整个设备耗电很少。ＤＳｌ３０５的特点如下： １．日历及时钟：秒、分、时、日、星期、月、年，每月的天数和闰年自动计 算，有效期至２１００年．２．９６Ｂｙｔｅ非易失的ＲＡＭ数据存储器．３．两个可编程的报警点． ４．双电源供电：主电源＋备用电池．５．工作电压：２．５＂－－＇５．５Ｖ，工作温度～４００Ｃ～８５ ｏｃ． 时钟电路结构简单，在此不再给出具体电路图，详见主板总电路图时钟部分。４．８ ＳＲＡＭＤＳＰ外扩的ＳＲＡＭ电路接口以及于ＬＣＤ控制器的接口电路图如图４－１０所示。Ｋ６Ｘ８０１６Ｔ３Ｂ－Ｆ是由三星公司生产的５１２ＫＵ４Ｘ１６ｂｉｔ的全ＣＭＯＳ静态ＲＡＭ。图４－１０ ＳＲＡＭ接口电路图Ｋ６Ｘ８０１６Ｔ３Ｂ－Ｆ的供电电压２．７～３．６Ｖ，最大工作电流３０ｍＡ，且支持低数字保持 电压１．５Ｖ和备用电池供电；工作环境温度－４００Ｃ～８５０Ｃ。３７电子科技大学硕士学位论文４．９本章小结本章详细设计了主板控制电路的总体结构，完成了如下工作：１．构架了主板电路的总体结构，设计了详细的电路图，将系统分为：显示及触摸屏、通讯系统、电源系统、ＰＷＭ输出、时钟、ＳＥＡＭ等主要模块。 ２．设计了各子模块的电路图，并对各子模块的器件特性、选型和工作原理作了详细说明。能够完成仪器所需的各种功能，并为将来扩展仪器性能留下了足够的 拓展空间。第五章ＣＯＤ测量实验及数据处理第五章ＣＯＤ测量实验及数据处理５．１主要实验试剂和仪器１．邻苯二甲酸氢钾，白色结晶粉末。２．超纯水（重蒸馏水）。３．Ｓｐｅｅｔｒｏ：：ｌｙｓｅｒＴＭ（ＵＶ－Ｖｉｓ）紫外．可见光水质分析仪（Ｓ：：ＣＡＮ公司生产），量程：１～１０００ｍｇ／Ｌ，重复性：±５ｍｇ／Ｌ；５Ｂ一３Ｃ型化学法ＣＯＤ测量仪。 ４．干燥器及分析天平等。５．２实验步骤１．取适量邻苯二甲酸氢钾粉末，在１２０。Ｃ的温度下干燥１ｈ，放置在干燥器中冷 却后备用。用天平称取１９放入１０００ｍｌ容量瓶中，放入超纯水溶解、摇匀，即可得到浓度为１０００ｍｇ／Ｌ的ＣＯＤ样液。在每次水样测量时，依次将其稀释为不同浓度的水样，ＣＯＤ值以实际测得值为准。之所以要配制高浓度的水样来获得稀释后的 各种低浓度样液，是为了减少称重仪在微量测量时带来的误差，从实验方法上保证实验的准确度。 ２．打开电源，启动水质分析仪，将超纯水放入检测池中，作为零值参比液进行标定。再将１０００ｍｇ／Ｌ的ＣＯＤ样液放入检测池中，进行量程标定。 ３．将１０００ｍｇ／Ｌ的样液依次用超纯水稀释为不同的低浓度水样进行测量。溶液的ＣＯＤ值和对应波段的吸光度值可由仪器直接采集得到。步长２．５ｎｍ，测量时环 境温度在２０ ｏＣ左右。５．３实验数据选择下面的图５．１是１０种浓度溶液测量数据的吸光度光谱图。测量波长范围：２００＂－＂ ７５０ｒｉｍ，测量步长２．５ｒｉｍ。从图上可以看出，１０种浓度的溶液在３５０ｎｍ－－一７５０ｎｍ波 段内基本没有吸收，结合第二章中图２－９所示８中有机物在此波段内也基本不产生 吸收，所以本章只对２００＂－－－３５０ｎｍ波段范围内的数据作研究分析。图５―２是１６种不同浓度溶液在２００－－－，３５０ｎｍ波段的吸光度光谱图，曲线图中 从下到上的１６根曲线依次是：０，５．５９５，２．１５３，１８．１２１，２０．９０２，２８．４５３，３６．９，３９电子科技大学硕士学位论文４６．５３，５６．２９２，１０１．８，１４８．７９９，１９１．２，２３６．９，３２８．５，３４３．７４７，３５９．６９９，单位 ｍｇ／Ｌ。其中因仪器本身的精度影响，在低于ｌＯｍｌ／Ｌ低浓度误差较大，从图上也可以看出，所以摒弃１０ｍｌ／Ｌ浓度以下的溶液，只取０超纯水值作参比值。１０种浓度的邻苯二甲酸氢钾吸光度光谱图重趟 皋 餐波长（ｎｍ＞ 图５一ｌ ２００＂－＇－＇７５０ｎｍ波长吸光度曲线 １６种浓度的邻苯二甲酸氢钾吸光度光谱图Ｓ｛醚 果 督波长（ｎｍ） 图５－２ ２００＂－－３５０ｎｍ波长吸光度曲线第五章ＣＯＤ测量实验及数据处理另外，从图５．２的曲线可以看出：较高的三种浓度的曲线在２００ｎｍ，、，２５０ｎｍ波段内存在着严重重叠，这有可能是因为水样在此波段内灵敏度较高，引起了紫外 光的全吸收引起的。只有较低浓度的水样的吸光度此波段内和浓度有良好的相关 性。在２５０ｎｍ之后，所有水样的吸光度和浓度之间存在着较好的相关性。所以我们选择２５０ｎｔｏ～３５０ｈｍ波段的实验数据作分析。从图上还可以看出，从上往下数第 三个浓度的吸光度曲线（３２８．５ｒａｇ／Ｌ）在２８３ｎｍ之后发生异常，与比其浓度高的３４３．７４７ｍｅ／ｔ，浓度曲线和３５９．６９９ ｍｅ，ｍ浓度曲线分别发生穿越，所以舍弃此吸光度数据。 基于以上的数据分析，我们选择２５０ｎｍ～３５０ｎｍ波段的４１个波长的实验数据作分析，去掉低于ｌＯｍｇ／Ｌ以下的两种超低浓度曲线、零点曲线和发生异常穿越的３２８．５ｍｇｒｔ，曲线。共有１２种浓度的样本数据作分析，将其中的１０种样本数据作建 模，另外２种作预测数据。数据表如下。表５－１实验数据波长２５０．０ ２５２．５ ２５５．０ ２５７．５ ２６０．０ ２６２．５ ２６５．０ ２６７．５ ２７０．０ ０．４０８０ ０．３３２９ ０．２５３９ ０．１９２９ ０．１６７３ ０．１６１１ ０．１５３２ ０．１５０１ ０．１５７２ ０．１６９３ ０．１８０８ ０．１８７２ ０．１８８６ ０．１８５９ ０．１７８２ ０．１６４６ ０．１４４０ Ｏ．１１９８ ０．０９５３ ０．０７７６ ０．０６４１ ０．０４９６ ０．０３８６ ０．０３２３ ０．５５９４ ０．４５６６ ０．３５０４ ０．２６８４ ０．２３３２ ０．２２３４ ０．２１１９ ０．２０７７ ０．２１６０ ０．２２９６ ０．２４１１ ０．２４６０ ０．２４３８ ０．２３４７ ０．２１８８ ０．１９５８ ０．１６７２ ０．１３６９ ０．１０８１ ０．０８７９ ０．０７２５ ０．０５５６ ０．０４２７ ０．０３５２ １０ ｌ －呻浓度的ＣＯＤ溶液对应各波长处的吸光度值 ０．６２８８ ０．５０５０ ０．３８１４ ０．２８７５ ０．２４４８ ０．２３１７ ０．２２１９ ０．２２２２ ０．２３６０ ０．２５４５ ０．２７２５ ０．２８６ｌ ０．２９２４ ０．２８９７ ０．２７７９ ０．２５６５ ０．２２５０ ０．１８６８ ０．１４７１ ０．１１６０ ０．０９００ ０．０６４７ ０．０４６４ ０．０３６３ ０．８８７９ ０．７０６８ Ｏ．５３１０ ０．３９９０ ０．３３７２ ０．３１６７ ０．３０４４ ０．３０７６ ０．３２８０ ０．３５４０ ０．３８０１ ０．４０１３ ０．４１２３ ０．４０９７ ０．３９３４ ０．３６２７ ０．３１６６ ０．２６０６ ０．２０２９ ０．１５６０ Ｏ．１１６９ ０．０７９８ ０．０５３３ ０．０３８５ １．１４７０ ０．９０８６ ０．６８０７ ０．５１０５ ０．４２９５ ０．４０１７ ０．３８６９ ０．３９３０ ０．４２００ ０．４５３６ ０．４８７７ Ｏ．５１６５ ０．５３２３ ０．５２９７ ０．５０８８ ０．４６８８ ０．４０８１ １．２３８４ ０．９９９０ ０．７７１０ ０．６００９ ０．５２０４ ０．４９２９ ０．４７７８ ０．４８３９ ０．５１１３ ０．５４５３ ０．５７９７ ０．６０８５ １．８２３６ １．４４５７ １．１０８０ ０．８６３２ ０．７４５０ ０．７０４４ ０．６９３３ Ｏ．７１７８ ０．７７０３ ０．８２８６ ０．８８３９ ０．９２７４ ０．９４６０ ０．９３０４ ０．８７８６ ０．７８９４ ０．６６８３ ０．５３４４ ０．４０７０ ０．３０６５ ０．２２５７ ０．１５４５ ０．１０５８ ０．０７９８ ２．４０８９ １．８９２５ １．４４５０ １．１２５４ ０．９６９５ ０．９１６０ ０．９０８８ ０．９５１６ １．０２９２ １．１１１９ １．１８８１ １．２４６３ １．２６８８ １．２４１０ １．１５８１ １．０１９８ ０．８３８８ ０．６４５３ ０．４６７４ ０．３２９３ ０．２２０１ ０．１２６４ ０．０６３８ ０．０３０８ ２．８９３０ ２．３９２７ １．９３０３ １．５９７２ １．４３７７ １．３８５９ １．３９４８ １．４６７８ １．５８１６ １．６９３５ ｉ．７７１７ １．８０８７ １．８１２１ １．７６６８ １．６４４７ １．４４２４ １．１９８４ ０．９７２４ ０．７９２３ ０．６６７６ ０．５７６６ ０．４９７２ ０．４３６６ ０．３９０９ ３．３７７２ ２．８９３０ ２．４１５６ ２．０６９０ １．９０５９ １．８５５７ １．８８０９ １．９８３９ ２．１３３９ ２．２７５２ ２．３５５２ ２．３７１１ ２．３５５４ ２．２９２６ ２．１３１４ １．８６４９ １．５５８０ １．２９９５ １．１１７１ １．００５９ ０．９３３２ ０．８６７９ ０．８０９４ ０．７５０９２７２．５２７５．０２７７．５２８０．０ ２８２．５ ２８５．００．６２３３０．６１９８ ０．５９９１ ０．５５８９ ０．４９７９ ０．４２３４ ０．３４６５ ０．２８３８ Ｏ．２３１３ ０．１８２６ ０．１４７９ ０．１２８８２８７．５２９０．０ ２９２．５ ２９５．０ ２９７．５０．３３４５０．２５８６ ０．１９６１ ０．１４３８ ０．０９５０ ０．０６０１ ０．０４０８３００．０３０２．５ ３０５．０ ３０７．５４１电子科技大学硕士学位论文３１０．Ｏ ３１２．５ ３１５．０ ３１７．５ ３２０．０ ３２２．５ ３２５．０ ３２７．５ ３３０．０ ３３２．５ ３３５．０ ３３７．５ ３４０．０ ３４２．５ ３４５．０ ３４７．５ ３５０．０ ０．０３０２ ０．０３１０ ０．０３２６ ０．０３２５ ０．０３１０ ０．０２８６ ０．０２７８ ０．０２８９ ０．０２８３ ０．０２６２ ０．０２５５ ０．０２６３ ０．０２５５ ０．０２４８ ０．０２４１ ０．０２３７ ０．０２３７ ４．３２３２ ０．０３２６ ０．０３３５ ０．０３５２ ０．０３５３ ０．０３３０ ０．０３０２ ０．０２９８ ０．０３０３ ０．０２９３ ０．０２７１ ０．０２５８ ０．０２５５ ０．０２３９ ０．０２２６ Ｏ．０２１８ ０．０２２３ ０．０２２０ ５．５２３１ ０．０３２２ ０．０３２１ ０．０３３５ ０．０３３２ ０．０３１８ ０．０３０２ ０．０２９８ ０．０３０５ ０．０２９６ ０．０２７３ ０．０２６４ ０．０２６６ ０．０２５７ ０．０２５２ ０．０２４７ ０．０２４１ ０．０２３７ ６．２８７８ ０．０３２６， Ｏ．０３１９ ０．０３３０ ０．０３２９ ０．０３１６ ０．０２９８ ０．０２９３ ０．０３００ ０．０２９０ ０．０２６９ ０．０２６３ ０．０２６４ ０．０２５４ ０．０２４９ ０．０２４２ ０．０２３５ ０．０２３２ ８．５３７６ ０．０３３ ０．０３１６ ０．０３２５ ０．０３２７ Ｏ．０３１３ ０．０２９３ ０．０２８９ ０．０２９５ ０．０２８５ ０．０２６５ ０．０２６１ ０．０２６２ ０．０２５１ ０．０２４５ ０．０２３６ ０．０２２８ ０．０２２６ １０．７８７ ０．１２１２ ０．１２０２ ０．１２０９ ０．１２０６ Ｏ．１１９８ Ｏ．１１７５ Ｏ．１１６８ ０．１１８２ Ｏ．１１７４ ０．１１５７ Ｏ．１１５１ Ｏ．１１５５ Ｏ．１１４０ Ｏ．１１２８ ０．１１２ｌ ０．１１１５ ０．１１１３ １４．４５３ ０．０６９２ ０．０６６４ ０．０６６０ ０．０６５８ ０．０６５１ ０．０６３７ ０．０６３１ ０．０６４０ ０．０６３７ ０．０６２４ ０．０６１７ ０．０６１４ ０．０６０４ ０．０５９８ ０．０５９４ ０．０５９２ ０．０５８９ １８．６０８ Ｏ．０１７２ Ｏ．０１２６ Ｏ．０１１１ Ｏ．０１０９ ０．０１０４ ０．００９９ ０．００９４ ０．００９９ Ｏ．０１００ ０．００９１ ０．００８４ ０．００７２ ０．００６８ ０．００６７ ０．００６６ ０．００６９ ０．００６４ ２２．７６２ ０．３５３７ Ｏ．３１８４ ０．２７９６ ０．２３７６ ０．１９３８ Ｏ．１５１０ ０．１１６１ ０．０８８６ ０．０６４７ ０．０４５９ ０．０３２９ ０．０２３５ ０．０１７５ ０．０１３７ Ｏ．０１１０ ０．００９９ ０．００８５ ３５．５１９ ０．６９０３ ０．６２４２ ０．５４８０ ０．４６４２ ０．３７７１ ０．２９２１ ０．２２２７ ０．１６７４ Ｏ．１１９５ ０．０８２７ ０．０５７４ ０．０３９８ ０．０２８２ ０．０２０６ ０．０１５４ ０．０１２８ ０．０１０５ ４８．２７６∑Ａ表中ＥＡ是对应的１０种ＣＯＤ浓度各波长的吸光度和，最左侧一列是２５０ｎｍ＂－－＂３５０ｎｔｏ波长值。５．４神经网路神经网络全称人工神经网络（ＡｒｔｉｆｉｃａｌＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋ，ＡＮＮ），采用物理上可以实现的器件或采用计算机来模拟生物体神经网络的某些结构和功能，并应用于实 际工程领域。神经网络由接收信号的输入层，输出信号的输出层及介于输入层和 输出层之间的隐含层构成。人工神经网络的最大特点在于其自学习能力，其学习 过程就是对它的训练过程。将一定数量的样本向量集合输入给神经网络，在网络 内部按照事先设定的方式去调整神经元之间的联接权，使得网络把样本特性以联 接权矩阵的方式存储起来，当再有新的数据输入时，网络自身根据已经建立起的 内部特性给出具有同样规律的预测值。当测量对象性质变化时，需要再次训练神经网络。 神经网络特点：大规模数据并行处理、自学习、自组织、自适应及鲁棒性等 特点。５．４．１ＢＰ神经网络ＢＰ（Ｂａｃｋ．Ｐｒｏｐａｇａｔｏｉｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ）１３１】指多层前馈神经网络的误差反向传播算法。４２第五章ＣＯＤ测量实验及数据处理人工神经网络以前向式结构最为常用，配合误差反向传播算法来进行网络训练，其中信息方向由输入层、隐含层至输出层，误差信息由输出层返回隐含层，再送回输入层进行修正，最后输出结果。其信息传递如图５．３所示。数据传邋 １●ｌ●■…?－?■■■?●■●■■?■‘’．误差反馈０１ １ｘ２２ｙＮ孤输入层隐含层 图５－３神经网络原理图输出层但是ＢＰ网络存在着多种问题，有待完善，例如： １．学习算法收敛速度慢，局部极小问题，不能保证收敛到全局最小点．２．隐含层和隐含单元的个数的确定要靠经验法，目前没有统一规律．３．网络学习记忆具有不稳定性，输入数据模式改变时，已有记忆被破坏．５．４．２ＬＭ－ＢＰ神经网络ＢＰ神经网络算法【３２】［３ａ１采用最速梯度下降法来修正权值。针对其缺点，采用改进的ＬＭ．ＢＰ（Ｌｃｖｃｎｂｃｒｇ－ＭａｒｑｕａｒｄｔＢＰ），此法由牛顿法变化而来，是梯度法与高斯 ．牛顿法得结合，适合于求解函数最小化应用。其基本思想是使每次迭代不再沿着 单一的负梯度方向，允许误差沿着恶化的方向搜索，同时通过在最速梯度下降法 和高斯．牛顿法之间自适应来调整来优化网络权值，网络收敛效率高，大大提高了网络收敛速度。将ＢＰ网络各层的权值和阀值用向量ｗ表示，输出结果的误差平方和为：Ｅ＝寺∑（８Ｐ）２＝寺ＩＪ厶Ｐ‘．Ｐ１１２（５―１）式中Ｐ是第Ｐ个样本，ｅ是以ｅｐ为元素的向量。设经过ｋ次迭代后于Ｗｋ，并向 Ｗｋ＋１移动。如果Ｗｋ＋１．Ｗｋ很小，可以将ｅ展开成一阶泰勒级数：ｅ（Ｗ¨１）＝ｅ（Ｗ２）＋ｚ（ｗ“１一形。） 式中ｚ是ｅ的Ｊａｃｏｂｉａｎ矩（５．２），Ｚ的元素为：ｚ∥２轰，所以误差函数（５－１）可写４３电子科技大学硕士学位论文为：Ｅ＝妻ＩＩ ｅ（