韓孝貞，溫志渝，謝瑛珂，魏康林，周小峰

(1．國家級微納系統(tǒng)與新材料技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，重慶　400044；2．新型微納器件與系統(tǒng)國家重點學(xué)科實驗室，重慶　400044；3．重慶大學(xué)微系統(tǒng)研究中心，重慶　400044；4．三峽大學(xué)理學(xué)院，湖北宜昌　443002)

0　引言

水質(zhì)檢測是水資源環(huán)境保護(hù)及治理的前提和基礎(chǔ)[1]，基于連續(xù)光譜分析的多參數(shù)水質(zhì)檢測技術(shù)[2]是現(xiàn)代水質(zhì)檢測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，具有試劑消耗少、重復(fù)性好、測量精度高、測試速度快等優(yōu)點[2]?？刂婆c信號處理系統(tǒng)是水質(zhì)檢測儀的核心組成部分，針對研制的基于微型光譜儀的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制與信號處理的技術(shù)要求，設(shè)計功能完善的控制與信號處理系統(tǒng)軟件，對于提高多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的可靠性、穩(wěn)定性、自動化程度及智能化水平具有重要作用。

1　多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制與信號處理系統(tǒng)

多參數(shù)水質(zhì)檢測儀(控制與信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示)基于順序進(jìn)樣、順序檢測的原理，通過流路系統(tǒng)將經(jīng)物理預(yù)處理后的在線水樣和被測水質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的化學(xué)前處理試劑按一定的體積依次抽取到樣品反應(yīng)檢測室(簡稱“樣品室”)，并在樣品室中完成在線樣品化學(xué)前處理反應(yīng)，經(jīng)光譜分析檢測水樣中被測水質(zhì)參數(shù)的含量[2]。完成1個水質(zhì)參數(shù)的檢測后，再通過流路系統(tǒng)快速地自動清洗樣品室，然后抽取在線水樣和下一個被測水質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的檢測試劑，進(jìn)行下一個水質(zhì)參數(shù)的在線檢測。其中，控制與信號處理系統(tǒng)是實現(xiàn)多參數(shù)水質(zhì)檢測儀順序檢測的核心，對流路進(jìn)樣控制，樣品化學(xué)前處理的控制(攪拌控制、超聲輔助消解控制及恒溫控制)，清洗控制和樣品反應(yīng)體系光譜信號的處理是實現(xiàn)儀器精確檢測的關(guān)鍵。因此，針對儀器控制與信號處理系統(tǒng)工作原理，設(shè)計控制性強、運行效率高、界面友好的控制與信號處理軟件，對于實現(xiàn)水質(zhì)檢測儀的精確檢測及提高其自動化程度具有重要的實際意義。

圖1　控制與信號處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　控制與信號處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．1軟件總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制與信號處理系統(tǒng)的原理，采用自上而下的模塊化設(shè)計準(zhǔn)則，設(shè)計了基于嵌入式ARM的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制與信號處理系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，控制系統(tǒng)包括光源控制、流路控制(主流路控制與輔助流路控制)、樣品化學(xué)前處理控制(攪拌控制、超聲消解控制與恒溫控制)和清洗控制；信號處理系統(tǒng)包括光譜信號處理(采集光譜信號、系統(tǒng)誤差處理、噪聲信號處理與背景干擾消除)和測試方法(標(biāo)準(zhǔn)曲線建立、質(zhì)控樣品測試與待測水樣測試)等。

圖2　控制與信號處理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2．2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)多參數(shù)水質(zhì)檢測儀控制與信號處理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了控制系統(tǒng)軟件的主要流程，如圖3所示。測試時，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括硬件初始化、光源穩(wěn)定等，然后進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)的測量。水質(zhì)參數(shù)的測量控制流程如下：首先進(jìn)行流路系統(tǒng)初始化，然后按一定體積抽取標(biāo)液并進(jìn)行稀釋，再抽取相應(yīng)的檢測試劑，選擇性地進(jìn)行超聲輔助消解，經(jīng)攪拌及靜置等待后，光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，最后清洗系統(tǒng)。

圖3　系統(tǒng)測試控制流程

2．3信號處理系統(tǒng)軟件設(shè)計

信號處理系統(tǒng)軟件主要包括對光譜儀采集數(shù)據(jù)的處理，以及建立吸光度差-濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線檢測水樣中被測物質(zhì)的含量，具體流程如圖4所示。

圖4　測量系統(tǒng)軟件流程

首先，對光譜儀采集的光強進(jìn)行處理，采用3σ原則剔除由CCD(Charge coupled device，電荷耦合元件)探測器像元數(shù)據(jù)跳變產(chǎn)生的粗大誤差，再進(jìn)行多次平均減小隨機(jī)誤差[3]。然后，在光譜曲線中扣除暗噪聲光譜曲線(暗噪聲光譜曲線為關(guān)閉光源時采集的蒸餾水光譜曲線)，消除CCD探測器在檢測時產(chǎn)生暗電流而出現(xiàn)的暗噪聲[3]?？鄢翟肼暫?，根據(jù)朗伯-比爾定律建立吸光度曲線，對吸光度曲線進(jìn)行滑動平均，去除曲線中毛刺等噪聲的影響。圖5給出了不同濃度六價鉻溶液的原始光譜曲線與滑動平均之后的曲線，從圖中可看出，滑動平均保留了光譜信號的波形特征，并有效地去除了尖峰和突變噪聲。

圖5　不同濃度六價鉻溶液的光譜曲線

滑動平均后得到的光譜曲線中還含有由濁度等引起的背景干擾[4]，為抑制其影響，采用雙波長光譜分析法[4]進(jìn)行建標(biāo)測量，即先建立吸光度差-濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，然后采集被測水樣中待測水質(zhì)參數(shù)的光譜，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，最后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得出被測物質(zhì)濃度。

2．4軟件圖形用戶界面設(shè)計

根據(jù)多參數(shù)水質(zhì)檢測儀對應(yīng)用軟件在參數(shù)選取、基本信息修改、測試及測試結(jié)果的存儲與查詢等方面的操作需求，設(shè)計了控制與信號處理系統(tǒng)軟件的圖形用戶界面。界面分為參數(shù)編輯、系統(tǒng)配置、參數(shù)測試和歷史數(shù)據(jù)4個模塊，如圖6所示。其中，參數(shù)編輯用于編輯測試項目的基本信息；系統(tǒng)配置用于設(shè)置光譜儀參數(shù)及調(diào)試等；參數(shù)測試用于選擇測試項目、進(jìn)行檢測并顯示測試結(jié)果等；歷史數(shù)據(jù)用于查詢、編輯測試歷史記錄等[3]。

圖6　圖形用戶界面結(jié)構(gòu)布局

圖7是實際測試時的部分圖形用戶界面，分別為參數(shù)編輯界面(上)和參數(shù)測試界面(下)。

圖7　部分圖形用戶界面測試效果

3　控制與信號處理系統(tǒng)軟件的聯(lián)機(jī)測試

3．1標(biāo)準(zhǔn)工作曲線建立實驗

標(biāo)準(zhǔn)工作曲線建立直接影響到測試結(jié)果的準(zhǔn)確度，以六價鉻為檢測對象，取濃度為0.1 mg/L的工作液，儀器自動在線稀釋為濃度0.01 mg/L、0.02 mg/L、0.04 mg/L、0.06 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并對4個標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行吸光度測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1　六價鉻建標(biāo)數(shù)據(jù)

以540 nm為主波長(λ1)、640 nm為參考波長(λ2)建立的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(橫坐標(biāo)為濃度c，縱坐標(biāo)為吸光度差ΔA)如圖8所示。由實驗結(jié)果可知，測試靈敏度為1.020 2，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 6，即標(biāo)準(zhǔn)工作曲線具有較高靈敏度及線性度。

圖8　六價格的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線

3．2水樣測試實驗

為測試儀器的準(zhǔn)確度及重復(fù)性，配置濃度為0.01 mg/L、0.03 mg/L、0.05 mg/L的六價鉻水樣，用多參數(shù)水質(zhì)檢測儀及所設(shè)計的軟件進(jìn)行聯(lián)機(jī)水樣測試，每個濃度的水樣分別連續(xù)測量7次，測量結(jié)果如表2所示，并分別對標(biāo)準(zhǔn)差、相對誤差等進(jìn)行了相關(guān)計算，計算結(jié)果如表3所示。從表中可以看出，儀器的測量準(zhǔn)確度(相對誤差)不大于±5％，重復(fù)性(相對標(biāo)準(zhǔn)偏差)小于3％，滿足在線水質(zhì)檢測儀器的國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。

表2　不同濃度六價鉻水樣多次實驗檢測結(jié)果　mg/L

表3　不同濃度水樣多次實驗統(tǒng)計分析　％

4　結(jié)束語

介紹了基于可見光光譜分析法的多參數(shù)水質(zhì)檢測儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及順序檢測原理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了控

制與信號處理系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)，并采用自上而下的模塊化設(shè)計方法實現(xiàn)了軟件系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明：軟件的運行效率高，界面友好，且采用的雙波長光譜分析建標(biāo)測量法在一定程度上提高了儀器的測試準(zhǔn)確度與重復(fù)性。

參考文獻(xiàn)：

[1]ZHU L Y，WANG S X．Water Quality Monitoring in Taihu Lake Using MODIS Image Data．2004 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings，Anchorage，2004．

[2]WEI K L，WEN Z Y．Research Advances in Water Quality Monitoring Technology Based on UV-Vis Spectrum Analysis．Spectroscopy and Spectral Analysis，2011，31(4)：1074-1077．

[3]高亮．基于Linux的多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀的軟件系統(tǒng)設(shè)計：[學(xué)位論文]．重慶：重慶大學(xué)，2011．

[4]楊泉生，聶基蘭．雙波長分光光度法的原理及應(yīng)用．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992：5-48．

[5]HJ 609—2011六價鉻水質(zhì)自動在線監(jiān)測儀技術(shù)要求．

溫志渝(1949—)，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事微系統(tǒng)傳感器及微系統(tǒng)集成技術(shù)的研究。

E-mail：wzy@cqu．edu．cn