浸入式光谱法水质检测装置设计与开发
作者：吴绍锋，李东波
(南京理工大学机械工程学院，江苏 南京 210094)
摘要：首先通过对浸入式光谱法水质检测装置的工作流程、需解决的问题进行分析，得出该机械装置总成结构，然后对测量骨架、外壁筒、开放式测量池、镜面清洗装置等部件进行详细的结构设计和有限元分析，最后得到总装设计和试验样机，该装置达到了设计目的，满足设计需求。
关键词：水质检测；光谱法；浸入式；结构设计；光路设计
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2021)07-0035-05
水是人们生活和生产的重要支柱，随着我国经济的发展和城镇化的加剧，水污染问题严重威胁社会安全［1］。水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据。随着水体污染问题的日益严重，对水污染的动态监测与评价已成为当务之急。目前水质监测主要由专业取样人员进行野外采样，然后送到实验室进行各种项目的分析与化验，这种传统的常规监测费时费力，耗材耗力，且受自然条件和时空等因素限制［2］。科研人员为了尽早发现水质的异常变化，提高下游水质污染预报水平，及时追踪污染源，研究了水的稀释及水环境的自我净化规律，在完善实验室监测的同时，发展了光谱法水质移动监测系统和光谱法原位水质自动监测系统。光谱法水质分析技术与传统化学法相比，具有操作便捷、不消耗试剂、重复性好等优点［3］。针对我国水质监测系统布线困难、非原位和成本高等问题［4］，开发以传感器为核心的低功耗原位水质监测系统,能够实现无人值守、持续性原位监测［5］。
浸入式光谱法水质检测装置（以下简称水质检测装置），采用先进的物理光谱法对水质直接检测，检测周期小于5 min，同时不需要使用任何化学试剂、不产生二次污染，是现代化水质监测首选设备。
水质检测装置结构需求分析:为了保证光谱水样的原位测量，在满足光谱测量必备的结构特征的基础上，水质检测装置结构必须满足浸入式测量的特征，同时为了安装过程、维护过程的便捷，必须保持轻量化的特点。
水质检测装置的工作环境为水下0.5~1.5 m，其检测流程如下：设备置于预定水深测量处，启动设备进行初始化；光谱采集单元运动到参比测量区域，进行参比水样光谱采集；光谱采集单元运动至开放式测量池，进行实际水样光谱采集；光谱采集单元复位，同时进行通光孔镜面清洗，完成单次检测。
1.1需解决的问题
1）光谱采集单元光路结构问题。
一次检测需要先后完成参比光谱、实际水光谱采集，且要保证通光量一致，需解决光谱采集测量光路结构问题。
2）防水密封问题。
作为浸入式设备投放至水下，需解决防水密封问题，确保设备稳定、可靠运行。
3）原位监测实际水光谱采集问题。
原位监测直接获取处于流动状态水样的光谱数据，无进样、排样过程，需解决实际水光谱采集问题。
4）水下测量光孔镜面清洁问题。
设备长期水下工作，受藻类、泥沙等影响，测量光孔镜面清晰度降低，直接影响光谱的测量结果，需解决测量光孔镜面清洁度问题。
1.2解决方案
根据上述分析，结合机械设计相关知识及生产实践经验，经过与合作单位的联合论证，确定最终总体设计方案。
收稿日期：2020-05-21
参考文献：
［1］李庆波,何林倩,崔厚欣,等.地表水亚硝酸盐氮浓度紫外可见光谱检测方法的基础研究［J］.光谱学与光谱分析,2020,40(4):1127-1138.
［2］张彩凤,焦二虎.浅析水质监测线新技术的应用［J］.治淮,2015(1):62-63.
［3］魏康林,温志渝,武新,等.基于紫外-可见光谱分析的水质监测技术研究进展［J］.光谱学与光谱分析,2011,31(4):1074-1077.
［4］陆萍蓝,邵力行,张火明,等.基于原位检测技术的无线水质监测系统研究［J］.计算技术与自动化,2019(2):29-32.
［5］李少华,雷立改,安胜波,等.原位水质监测系统的开发与应用［J］.中国科技成果,2015(23):71-73. | 
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