基于连续光谱分析的在线水质检测信号处理研究

在线光谱水质检测仪器是现代水资源环境监测技术的重要发展方向之一,具有多参数监测和准确度高、重复性好的技术优势,然在线被测水样的光谱信号处理是其关键核心技术,为此,基于连续光谱分析,建立了在线被测水样光谱测量信号的数学模型,提出了基于双波长光强比值不变性的光谱测量信号系统误差处理方法,并结合小波多分辨率滤波噪声处理技术,系统研究了基于在线被测水质参数光谱特征的背景干扰处理方法。以上信号处理方法应用于自主研制的多参数光谱水质监测仪器,在线检测标准环境水样及实际环境水样中的化学需氧量、六价铬和阴离子表面活性剂等水质参数,并与国家标准分析方法展开了现场对比测试,仪器的关键参数重复性(相对标准偏差RSD≤10%)与准确度(实际水样比对试验相对误差A≤10%)均达到并优于国家环境保护技术标准要求,表明该信号处理方法能够有效消除在线水质检测光谱测量信号的系统误差及噪声与背景干扰,对于提升光谱水质监测仪器的技术性能具有重要的作用。     

超声辅助Fenton试剂消解-光谱分析法快速测定水质总磷

针对目前国家标准分析方法检测水质总磷的技术不足,提出一种常温常压条件下基于超声辅助Fenton试剂消解样品与光谱分析的水质总磷快速测定方法,设计了在线分析实验系统,研究了测定实验方法与技术,针对实际环境水样,展开了与国家标准分析方法的现场对比测试实验,实验结果表明该消解方法在13.5 min内即可达到国家标准分析方法的消解率(97%～100%),检测周期为16 min, 解决了现有国家标准分析方法存在的技术不足,对水质总磷快速在线监测仪器的研发提供了重要的实验基础与技术支持。     

基于web网络优化协议的水质污染程度在线监测系统设计

针对传统人工水质污染程度检测工作效率低、实时监测能力不强的问题,设计并实现了基于web网络优化协议的实时在线水质污染程度自动监测系统,系统利用无线传感器网络节点对区域水源水质进行监测,通过无线分组通信技术与宽带网络对数据进行远程传送,工作人员可实现web实时在线的水质信息查询、管理控制、数据收集、报警提示等操作,基于web的水质监测系统,提升了系统的可扩展性、易用性以及实时性等;系统硬件包括传感器模块、无线通信模块、单片机外围电路、以太网接口模块等;系统软件设计了web网络优化协议、系统监测平台、远程参数设置、驱动程序等内容;应用该系统对西安市护城河的水质进行污染程度监测,部署20个传感器监测节点,1个监测子站节点,1个远程web监测主站,分别监测河水中pH值、总磷浓度TP、化学耗氧量(COD)、氨氮浓度,连续采样两天时间,通过仿真实验表明,该系统实现了100%的通信成功率,网络之间访问速度是传统网络协议的5~8倍,无线传感器网络与远程监测工作稳定可靠,通信速率满足实时监测要求,适用于对城市水源水质污染程度的实时在线监测。     

基于全光谱分析的水质化学耗氧量在线监测技术

针对水体中化学需氧量在线监测的迫切需求,设计了一种基于全光谱分析的水质化学耗氧量监测系统.该系统通过测量已知化学耗氧量的水质吸收光谱,利用最小二乘法建立吸光度与化学耗氧量的传输方程;针对待测水样,通过已建立的传输方程来反演水体化学耗氧量的浓度.通过模拟复杂水样进行化学耗氧量值测量,并将测量值与实验室结果进行比较,验证了该系统的可靠性.结果表明,该全光谱法水质监测系统不需要消耗任何试剂,无二次污染,测量准确度高、速度快,可广泛应用于水质化学耗氧量的实时、现场监测分析.     

基于全光谱分析的水质化学耗氧量在线监测技术

针对水体中化学需氧量在线监测的迫切需求,设计了一种基于全光谱分析的水质化学耗氧量监测系统.该系统通过测量已知化学耗氧量的水质吸收光谱,利用最小二乘法建立吸光度与化学耗氧量的传输方程;针对待测水样,通过已建立的传输方程来反演水体化学耗氧量的浓度.通过模拟复杂水样进行化学耗氧量值测量,并将测量值与实验室结果进行比较,验证了该系统的可靠性.结果表明,该全光谱法水质监测系统不需要消耗任何试剂,无二次污染,测量准确度高、速度快,可广泛应用于水质化学耗氧量的实时、现场监测分析.     

基于紫外-可见光谱分析的水质监测技术研究进展

光谱分析在水质监测领域的应用是现代环境监测技术的一个重要发展方向.文章论述了基于紫外-可见光谱分析的现代水质临测技术的原理与特点,并从在线监测和原位监测两个方面论述了该技术的主要研究现状与进展,指出了尚需突破的关键技术问题,展望了基于集成化微型光谱仪的多参数水质监测微系统及水质监测微系统网络的技术发展趋势,对我国水资源环境监测技术的发展及现代科学仪器的研发具有一定的参考价值.     

基于基线校正和主元分析的紫外-可见光光谱在线水质异常检测方法

近年来,饮用水安全问题引起社会的广泛关注。采用紫外-可见光吸收光谱对水质进行异常检测,具有现场原位、无需试剂、分析快速等优点,适合快速在线监测。然而,紫外-可见光光谱数据量大,且易受仪器和水质正常波动的干扰,从而影响水质异常检测结果。提出一种基于基线校正和主元分析的紫外-可见光光谱法来检测污染物引起的水质异常,该方法利用非对称最小二乘校正基线,采用主元分析法从基线校正后的光谱矩阵中降维并提取特征,然后根据残差子空间的Q统计量评估测试样本的离群点,最后采用累计概率来更新异常报告结果。通过苯酚注入的实验,验证了该算法的有效性,实验结果表明,提出的方法与单波长法相比,有效地提高了污染物的检出下限;与未经基线校正采用主元分析进行的异常检测方法相比,提高了检出率,降低了误报率。     

LEFC-2006在水质铊监测中的应用研究

铊作为剧毒的重金属元素,具有较强的蓄积性、潜伏性和迁移性,含铊矿床的开采及其工业三废的大量排放,都可导致铊进入地表环境,参与到土壤圈、水圈、大气圈、生物圈物质循环,并逐步在土壤和水体中富集,破坏生态环境,最终会通过食物链危及人体健康。近年,水质铊污染突发事件时有发生,水环境铊的分析技术也成为铊分析技术研究的热点,但多集中在实验室分析方法的改进方面,水质铊在线监测分析方面的研究甚少。而实验室分析方法在运输、保存过程中难免有污染、损失等;且在数据时效性上也导致了一定的滞后,很难应用于水体铊的应急监测分析,从而影响了污染事故的分析和处置,成为处置污染事故的最大瓶颈。为了快速、准确响应水质铊现场监测,开展的水质在线监测技术研究对水质铊元素监测具有重要的应用意义,可以实现水体铊污染的监测与预警,进而有效降低因环境铊污染引起的铊中毒的风险。建立了一种基于三电极方法原理的水质铊监测新技术。该方法所用仪器小型、便携、低成本,不仅可用于铊污染事故应急现场监测,还可以用于污染源监管、地表水风险预警自动监测。本文就仪器检出限、正确度、精密度、方法比对、现场应用等各项性能指标进行了验证。实验表明,该技术用于测定水质铊的方法检出限为0.02 μg·L-1,与ICP-MS仪的检出限一致;用于测定铊标准溶液的相对误差范围为-5.5%~2.9%;测定实际水样的相对标准偏差范围为0.60%~6.2%;其加标回收率达到101%~127%。当水样含量在0.08 μg·L-1以上,该方法在现场应急监测比对中,与实验室ICP-MS法具有可比性,表明该技术具有很好的适用性。     

基于微型光谱仪的多参数水质检测微系统设计与实验

针对水资源环境监测与保护的需求,提出了基于微型光谱仪连续光谱分析的多参数水质检测微系统,系统主要由MOEMS微型光谱仪、流路系统、多功能微小型样品反应检测室和嵌入式测控系统组成,具有自动进样和试剂、样品反应体系的自动恒温、搅拌、光谱检测和数据处理等功能。论文介绍了系统各主要部分的功能与结构,研制出了原理样机,经实验测试验证,研制的多参数水质检测仪能够快速实现多个水质参数的准确检测,满足水质多参数在线监测的应用技术要求,同时具有很大的功能扩展性。     

基于ZigBee技术的水域污染远程智能监测系统设计

针对所监测水域范围较大实时监测能力不强,水质污染程度监测不准确等问题,提出构建基于基于ZigBee无线通信技术的智能水域污染程度监测系统,利用ZigBee无线通信技术与Internet网络将水质检测数据发送到远程水质监控中心进行汇总处理,监控中心的服务器可获取到所监控水域范围内所有水域的水质污染程度数据、污染发展趋势、主要污染物等信息。本文对水质检测传感器模块、ZigBee无线通信模块、单片机外围电路、模数转换电路等硬件进行了设计;系统软件设计了远程参数设置、驱动程序等内容。通过系统测试结果表明,该系统对于水质污染程度的检测准确率可达到98%以上,通信成功率达到100%,水质检测终端工作稳定可靠,通信速率满足实时监测要求,适用于各种水域环境的水质污染程度的监测需求。     

基于紫外-可见光谱的水质TOC定量分析方法

地表水资源安全关系到国民健康、生态环境稳定和经济可持续发展,具有重要战略意义。总有机碳（TOC）是一种衡量水体中有机物含量的综合指标,其在水环境监管和治理中具有重要价值。传统检测方法通过高温催化氧化测定水样中TOC含量具有耗时较长、操作复杂的局限性,紫外-可见光谱技术具有检测速度快、操作简单的优势,因而在水质在线检测中具有较好的应用前景。国内外对地表水中TOC浓度的在线检测目前大多采用与COD浓度间的相关关系进行间接推算得到,这类方法对水体成分的稳定性要求较高。相比于常规的间接推算方法,采用光谱定量分析方法建立TOC与紫外-可见光谱间的分析模型具有更好的鲁棒性和分析精度,便于实现水质无人值守在线监测。实验配置了TOC样本溶液,设计了为期两天的实验,在4个时间段采集得到样品光谱数据集（分别记为D1,D2,…,D6）。首先,通过分组实验将D1作为训练集建立TOC偏最小二乘（PLS）回归模型,预测同一时间段测试集D2的TOC浓度,得到平均绝对相对误差（MAPE）不超过0.78%,表明建立的TOC定量分析模型具有较高的精度。然后,为验证PLS建立的TOC模型对仪器状态变化的鲁棒性,选择不同时间段采集的光谱数据分别作为训练集和测试集,进行不同仪器状态交叉实验,4组实验中测试集样品TOC浓度预测值的MAPE分别为3.82%,3.75%,3.43%和0.98%。实验表明,采用PLS算法建立的TOC紫外-可见光谱定量分析模型具有较好的分析精度和鲁棒性,分组实验和不同仪器状态交叉实验中预测浓度的MAPE均不超过3.82%,优于常规的间接推算法。此外,建立的光谱定量分析模型不依赖COD与TOC间的推算关系,因此在水环境变化时较常规推算方法具有更好的适应能力。最后,PLS算法建模过程简单,运算速度快,为浸入式在线检测设备的开发和维护提供了便利。     

Applications of Raman spectroscopy in detection of water quality

Water pollution is hazardous to the health of humans and other organisms, and detection of pollutants in aquatic environments is of primary importance for water quality monitoring. Raman spectroscopy offers an effective tool for qualitative analysis and quantitative detection of contaminants in a water environment. This article focuses on applications of Raman spectroscopy for detection of water quality. In this article, various Raman spectroscopy techniques employed for water quality detection are presented based on the types of pollutants: organics, inorganics, and biological contaminants. Additionally, the relevant detection parameters are reviewed, such as detection materials, limit of detection, detection range, peak positions, and selectivity. Furthermore, the advantages and limitations of various Raman spectroscopy techniques are summarized. Finally, the future development of Raman spectroscopy for detection of water quality is discussed.     

基于紫外光谱分析的水质监测技术研究进展

基于紫外光谱分析的水质监测技术具有实时在线、无试剂、无需样品预处理、无二次污染、体积小、成本低等特点,在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著优势,已成为现代水质监测技术的一个重要发展方向。本文介绍了基于紫外光谱分析的现代水质监测技术的原理、特点、现状及发展的新趋势,并提出亟待解决的关键技术问题。     

基于激光诱导击穿光谱和化学计量学的水体COD实时测量方法

光谱学传感技术测量水体COD是现代环境监测发展的趋势,相比于传统的化学分析方法具有在线连续检测的突出优势,适合对环境水体COD的实时监测。采集实际水样,利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)获取水样的光谱数据。通过不同的光谱预处理方法结合偏最小二乘法建立水样的COD定量预测模型,对水体COD的LIBS光谱测量方法的定量预测及相关模型参数进行分析。发现用基线校正叠加S-G求导预处理后的光谱建立的PLS模型得到最佳预测效果,校正集集R2为0.9958,预测集R2为0.975 3,RMSEC为4.438 7,RMSEP为9.733 9。通过实验结果分析表明光谱传感技术可用于环境实际水体COD的定量预测分析,为开发便携式水体检测设备奠定了理论基础。     

分散式农村污水基于三维荧光光谱和紫外-可见全波段吸收光谱的“聚类-回归”COD预测模型

基于三维荧光光谱与有机物特征荧光峰之间的关系,提出利用三维荧光光谱进行聚类,再针对不同类的水样利用紫外-可见全波段吸收光谱数据建立COD预测模型的技术路线。比较分析了平行因子分析（PARAFAC）算法和荧光体积积分（FRI）算法两种不同的光谱分析方法,再使用模糊c-均值（FCM）算法进行聚类,并完成了不同类水样的COD预测模型的建立。研究的水样采集于江苏省常熟市周边的农村区域,样品均来自不同的分散式农村生活污水处理装置出水,共100个实验水样;将测得的水样三维荧光光谱数据经过去散射预处理后利用PARAFAC算法和FRI算法分别提取荧光特征数据;之后,利用FCM聚类算法进行相似性聚类;最后,利用偏最小二乘（PLS）算法建立水样的紫外-可见全波段吸收光谱和COD之间的回归和预测模型,并使用决定系数和均方根误差对模型的预测精度进行评价。研究结果表明：未分类、使用FRI、使用PARAFAC算法提取荧光特征信息后再预测的模型的平均决定系数R2分别为0.632,0.819和0.906;平均均方根误差RMSE分别为27.857,23.621和13.071。聚类后的回归和预测精度均得到显著提升,且使用PARAFAC算法提取荧光特征信息后再建模具有最高的预测精度,相比于未分类预测模型的R2提高了0.274。本研究提出的基于三维荧光光谱联合紫外可见全波段吸收光谱,采用“PARAFAC-FCM-PLS”组合算法构建的COD预测模型,可以有效的提高COD的预测精度,为高精度的水质在线监测提供了一种新的思路。     

一种近红外光谱在线监测新方法及其在中药柱层析过程中的应用

近红外光谱(NIRS)广泛应用于生产过程分析与监测,常需事先建立定量校正或定性判别模型,并需在生产条件变化后调整模型,使用较复杂。本文从相异度和相似度两个对立互补的角度,提出自适应移动窗口标准差法和过程光谱相似度法,并以此为基础建立一种针对生产过程的无需校正模型的简易光谱在线监测方法。论文以中药柱层析过程为例,对监测过程作NIRS自适应移动窗口标准差趋势图和过程光谱相似度趋势图,并通过HPLC离线分析所得的多指标成分含量变化趋势图进行对比验证,发现可用于工艺状况实时监测,指导收集起点、终点、溶液相变点的判断,表明论文提出的方法合理可行。该方法亦可用于紫外/可见、红外、拉曼、荧光等光谱及色谱、质谱等其他过程分析技术。     

水体COD的光谱学在线测量方法-紫外和近红外光谱比较分析

水体COD的光谱学传感技术是现代环境监测的一个重要发展方向, 与传统的分析方法相比,光谱分析技术更具有可连续监测、可在线监测和检测快速的明显优势,适合对环境水样COD的定点实时监测。分别获取水样的紫外吸收光谱和近红外光谱,通过不同的光谱预处理方法结合偏最小二乘法、多元线性回归法建立水样的COD定量预测模型,对水体COD的紫外和近红外光谱的定量预测及相关模型参数进行分析,发现用S-G平滑处理后的紫外光谱和近红外光谱建立的PLS模型均得到最佳预测效果,预测集R2分别为0.992 1和0.987 7,RMSEP分别为10.438 6和5.972 0。紫外和近红外光谱法的MLR模型预测效果较差,预测集R2分别为0.928 0和0.957 3。通过实验结果综合对比分析,紫外吸收光谱在280～310 nm谱区建模预测性能较好,近红外光谱在7 250～6 870 cm-1谱区建模预测性能较好,紫外光谱对应定量预测模型的决定系数较高,而近红外光谱的稳定性和重复性更好。研究表明光谱传感技术可用于环境实际水体COD的定量预测分析,为开发便携式水体检测设备奠定了理论基础。     

一种简单的在线拉曼光谱spike剔除方法

拉曼光谱体现了物质中不同分子基团的振动情况,可以精确地进行物质的定性和定量分析.凭借着这样的优势,拉曼光谱技术已经成功应用在化工生产、管道传输、生化反应监测等工业在线分析领域.然而,在线拉曼分析很容易受到宇宙射线的干扰.宇宙射线在拉曼谱图上体现为一系列峰宽较窄的尖锐的峰,也被称为spike.这些spike使待测物质的拉...