基于可见—近红外光谱的pH值快速检测系统研究

作     者：郭尚兴 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李丽娜

授予年度：2023年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：可见-近红外光谱 水质 pH 波长优选 

摘      要：近年来,随着水污染事件频发,严重威胁了社会的可持续发展和人民健康。因此,有效的水质检测方法对预防水污染和保护水环境具有重要意义。酸碱度(pH值)作为水质检测的重要指标,能够直接影响生物健康和代谢水平,掌握水质pH值的变化有助于推进水污染治理和水资源保护。传统检测方法存在检测周期长和易造成二次污染等问题,不能满足人们检测需求。光谱检测技术因其具备检测快速和绿色等特点,在水质检测领域得到了广泛应用。本研究以可见-近红外光谱检测技术为基础,设计开发了水质pH值快速检测系统的原理性实验装置,探讨了该原理性实验装置对水质pH值检测的效果,为后续研究提供理论基础和技术支持。本文主要研究内容包括:(1)光谱检测平台搭建与特征波长提取。根据搭建的实验平台,采集制备水质样品的光谱数据和pH值,对采集的光谱数据进行异常样本剔除和预处理。利用4种波长优选算法分别筛选出水质pH值的不同特征波长组合,建立偏最小二乘预测模型。根据模型结果并结合光源波段,水质pH值检测的最佳特征波长包括530 nm、670 nm、730 nm和760 nm。(2)水质pH值检测系统的硬件设计。根据光谱透射检测原理,结合特征波长光源和光电二极管检测方式,设计了检测系统的光路结构;利用3D打印技术,制作了样品池原型;采用模块化方法设计了基于STM32控制器的检测系统硬件电路。采用少数几个波长的光信号测量,设计的光电检测系统,可提高水质pH值检测的速度。(3)水质pH值检测系统的软件开发。根据系统软件的总体需求,主要完成了基于C语言的检测系统软件设计和基于微信小程序上位机界面开发。采用Free RTOS操作系统完成对检测系统软件的任务划分;根据数据无线传输、云平台保存和结果实时显示等需求,开发了微信小程序界面。(4)检测系统模型建立与验证实验研究。制备实验样品,采用本研究设计的检测系统原理性实验装置,采集水质样品特征波长对应的吸光度数据和pH值;利用Matlab软件,建立水质pH值的预测模型,将预测模型中回归系数等参数移植到检测系统中进行验证实验研究;实验结果表明,该原理性实验装置预测值与参考值之间的决定系数为0.771,均方根误差为1.033。装置检测时间在30 s内,相对于电位法,可实现快速检测。