一种海水酸碱度光谱分析装置和方法

1.本发明涉及海水光谱分析领域，特别是指一种海水酸碱度光谱分析装置和方法。


背景技术：

2.海洋食品是人们生活必不可少的营养食品。随着现代生活水平的提高，人们对海洋食品的需求日益增加，这也促进海水养殖业近年来的迅速发展，近海养殖也慢慢成为导致海水污染的主要原因之一。保护海洋生态和海洋食品安全，对海水污染的检测技术就显得尤为重要。
3.在海洋检测中，ph值，浊度，含氧量等多个质量参数都要进行检测。而ph值的变化在近海养殖和检测环境污染起着重要的作用，ph值变化过大可能导致养殖的生物大量死亡，对海水造成进一步的污染。
4.目前，海水酸碱度的检测主要有三种方式：一种常见的方法是使用ph指示剂。这种方法是在待测溶液中加入一定的ph指示剂，然后不同的ph指示剂根据待测溶液不同的ph值会变化出不同的颜色，根据指示剂的研究就可以确定ph的范围。这种测量方法误差较大，只能大概测量出ph值范围，不能进行准确的ph值测定，且耗费时间过长，效率不高，消耗试剂，只能应用于对ph值精度要求不高的场合；一种是依靠ph试纸进行人工观察，这种方式直观，但效率低，并且依赖于测量人员的经验，耗费时间长，不能实时监测；另一种是依靠电化学的方法，采用玻璃电极进行酸碱度的测量，这种测量方法的结果相对准确，但通常测量耗费时间，且玻璃电极还需要定期更换和维护，增加测量的费用，这种方法不能满足对水质检测的快速、准确、经济等方面的要求。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种海水酸碱度光谱分析装置和方法，无需特殊的样品处理过程，可以直接放入装置进行测定，并且采用可见-近红外光谱分析技术，具有检测速度快、可实时测量、精度高的优点。
6.本发明采用如下技术方案：
7.一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：包括支架、光源模块、光程长调节模块、恒温模块、光电检测模块和控制处理模块；所述支架设有固定件、移动件和支撑板，所述支撑板用于放置样品，所述固定件固定于所述支撑板上且位于样品一侧，所述移动件可相对所述固定件移动地设置于样品另一侧；所述光源模块安装于所述移动件上以向样品依次发射多个特征波长光线；所述光电检测模块设置于所述固定件上以依次检测光信号并进行处理转化得到电压信号；所述光程长调节模块连接驱动所述移动件移动以调节光程长；所述恒温模块用于提供恒定的温度；所述控制处理模块与所述光源模块、所述光电检测模块、所述光程长调节模块和所述恒温模块相连以将电压信号转换为光谱信号后输入光谱模型中计算得到ph值，所述光谱模型为采用pls建模方法或ls-svm建模方法构建的光谱模型。
8.优选的，所述光源模块设有若干led灯和驱动模块，若干所述led灯作为光源，所述
驱动模块与所述led灯相连，所述光源为采用波长优选算法筛选出的光源，若干光源呈环形阵列排列。
9.优选的，所述波长优选算法包括有连续投影算法或改进竞争性自适应重加权采样法或者连续投影算法和改进竞争性自适应重加权采样法结合。
10.优选的，所述光电检测模块包括光电传感器和处理电路；所述光电传感器安装于所述固定件上以检测光信号进行处理后输出电流信号，所述处理电路与所述光电传感器相连以将电流信号进行放大、滤波处理并转换为电压信号；所述控制处理模块与所述运算放大电路相连以将电压信号进行处理转换为光谱信号。
11.优选的，所述恒温模块包括半导体制冷片、温度传感器和温度控制模块；所述温度传感器安装于所述支架上以采集环境温度，半导体制冷片安装于支架上以进行加热或制冷，所述温度控制模块与所述半导体制冷片和所述温度采集模块相连以采用pid算法控制恒温。
12.优选的，所述光程长调节模块包括丝杆、滑块和电机；所述丝杆安装于所述支架上；所述滑块与所述丝杆为螺纹配合实现传动，所述移动件固定于所述滑块上，所述电机驱动所述丝杆旋转使得所述移动件相对所述固定件移动实现调节光程长；所述控制处理模块与所述电机相连。
13.优选的，还包括有显示交互模块，所述显示交互模块与所述控制处理模块相连以实现参数输入以及显示ph值和温度信息。
14.优选的，还包括有电源模块；所述电源模块与所述光源模块、光程长调节模块、恒温模块、光电检测模块和控制处理模块相连以供电。
15.一种海水酸碱度光谱分析方法，其特征在于：基于所述的一种海水酸碱度光谱分析装置实现，包括如下步骤：
16.1)输入所需的光程长和温度至所述控制处理模块；
17.2)所述控制处理模块控制所述移动件相对所述固定件移动达到输入的所述光程长，以及根据所述温度信息控制所述恒温模块工作以提供恒温的环境；
18.3)将样品放入支架，控制光源模块依次发射特征波长的光线，光线透过样品出射至光电检测模块，光电检测模块将光信号进行处理转换成电压信号；
19.4)所述控制处理模块将电压信号进行处理转换得到光谱信号，并将光谱信号输入至光谱模型中计算得到ph值。
20.优选的，将计算得到的样品的ph值和当前环境温度进行显示或发送至移动终端。
21.由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
22.1、本发明提供的海水光谱检测装置，无需特殊的样品处理过程，可以直接放入装置进行测定，能实现对海水酸碱度(ph值)的在线测量，同时考虑并消除了温度和光程长等带来的环境误差，具有无污染、经济的优点。
23.2、本发明中，光源模块采用经过波长优选的特征波长led光源，该光源与常见的可见-近红外光谱光源相比造价低廉，极大简化了光谱数据的维度，且后续采集数据处理简单，同时该光源为后续仪器设计提供一定依据。
24.3、本发明中，通过选择合适的光程长，建立相应的测量模型，减小光程长误差，即可适用于海水酸碱度的光谱检测需求，为仪器的制造提供了很好的思路，从而提高海水酸
碱度的(ph值)检测精度。
25.4、本发明中，恒温模块设置有温度控制单元等，在获取海水测量环境温度信息的同时将温度信息作为一个输入，通过pid算法调节，驱动温度控制模块使整个系统处于恒定温度，消除不同温度下带来的检测误差，提高了检测精度。
26.5、本发明中，提供了海水参数的光谱检测方法，基于光谱数据建模方法，包含常见的光谱数据建模方法有多种，包括常用的线性模型和非线性模型分别为：偏最小二乘法(pls)和最小二乘法支持向量机(ls-svm)，能够在一定程度上提高海水ph值的预测精度，同时开发了配套的上位机软件和微信小程序，能够实时显示采集并控制装置工作。
附图说明
27.图1为本发明装置组成模块图；
28.图2为本发明装置结构图；
29.图3为本发明光程调节相关结构图；
30.图4为图3的局部剖视图；
31.图5为温度采集电路；
32.图6为温度控制电路；
33.图7为光电检测模块的电路图；
34.图8为pid控制图；
35.图9为上位机截面图；
36.图10为串口调试助手示意图；
37.图11为pid调试助手示意图；
38.图12为光谱调试助手示意图；
39.图13为微信小程序界面图；
40.图14为本发明流程图；
41.图15为可见-近红外光谱的ph值原始光谱图；
42.图16为s-g+snv预处理后光谱图；
43.图17为不同波长组合均方根误差图；
44.图18为连续投影筛选特征波长分布图；
45.图19为f-cars波长筛选均方根误差图；
46.图20为f-cars波长选择频率图；
47.图21为改进竞争性自适应重加权采样特征波长分布图；
48.图22为不同特征波长组合均方根误差图；
49.图23为算法融合特征波长分布图；
50.图24为实际值与预测值相关图；
51.其中：
52.10、支架，11、架体，12、固定件，13、移动件，14、支撑板，15、壳体，16、轨道，20、光源模块，21、led灯，22、驱动模块，30、光程长调节模块，31、丝杆，32、滑块，33、电机，34、安装座，40、恒温模块，41、半导体制冷片，42、温度传感器，43、温度控制模块，44、散热片，45、风扇，50、光电检测模块，51、光电传感器，52、处理电路，60、控制处理模块，61、开关，70、电源
模块，80、通信模块，90、显示交互模块,100、样品。
53.以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
54.以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
55.本发明中，对于术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于描述中，采用了“上”、“下”、“左”、“右”、“前”和“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
56.另外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
57.参见图1至图8，一种海水酸碱度光谱分析装置，包括支架10、光源模块20、光程长调节模块30、恒温模块40、光电检测模块50和控制处理模块60等。可设置壳体15实现整个装置各模块的安装整合，同时为装置提供合适检测环境。即支架10、光源模块20、光程长调节模块30、恒温模块40、光电检测模块50等均位于壳体15内。
58.其中，支架10设有架体11、固定件12、移动件13和支撑板14等，支撑板14设置于架体11顶面以用于放置样品100，固定件12固定于支撑板14上且位于样品100一侧，移动件13可相对固定件12移动地设置于样品100另一侧。待检测的样品100可以为海水，其装于比色皿内，再将比色皿放置于支撑板14上且位于固定件12和移动件13之间。
59.光源模块20安装于移动件13上以向样品100依次发射多个特征波长光线，例如，四颗led灯21依次点亮发送对应波长的光线。该光源模块20设有若干led灯21和驱动模块22，若干led灯21作为光源，驱动模块22与led灯21相连用于驱动光源发射光线，本发明的光源为采用波长优选算法筛选出的光源，若干光源呈环形阵列排列，例如可以是四颗led灯组成环形。同时为了保证整个系统光源处于稳定状态，采用恒流源驱动方式，具体的采用pam2808大电流驱动芯片作为该模块核心，输出稳定电流。
60.其中，波长优选算法包括有连续投影算法或改进竞争性自适应重加权采样法或者连续投影算法和改进竞争性自适应重加权采样法结合。具体的，本发明采用波长优选算法筛选出适合海水ph值可见-近红外光谱检测的波长，采用包含这些波长的led灯作为系统光源，前期光谱的采集设备可采用美国ocean insight的flame微型光纤光谱仪，该光谱仪外接样品池采集液体的透射光谱，样品池通过光纤与光谱仪相连，最后光谱仪将采集的光谱数据通过usb接口传输到配套上位机。采集的原始光谱如图15所示。由于不同样品的ph值不同，测量得到样品光谱图的吸光度值也存在差异。
61.从整体来看，所有样品的光谱图大致趋势相同，从吸光度光谱图中可以清晰观察到400nm-500nm光谱吸光度值较低且有下降趋势，500nm-750nm光谱吸光度值有上升趋势，750nm-850nm吸光度值有下降趋势，下降速度缓慢。850nm-970nm光谱吸光度快速上升，970nm后快速下降。在750nm，850nm，970nm可以清楚观察到三个光谱吸收的特征峰。
62.光谱数据通过ks法进行样本集的划分，光谱仪采集的光谱数据通常会包含影响预测精度的无关的噪声、杂散光等数据，为了减弱消除上述干扰信息对建模的影响采用s-g平滑与标准正态变换(snv)相结合的方法对采集的光谱进行预处理，处理后的光谱数据如图16所示，该种方法最佳的原因可能是s-g平滑消除了背景噪声，snv消除了散射带来的误差和影响，两种方法组合提高了光谱数据的信噪比。
63.可见-近红外光谱数据具有数据量大，共线性强的特点。光谱数据通常由成千上万的波长变量组成，这些波长变量中存在许多无用的噪声信号和冗余信息。采用全波长数据建模，不仅模型复杂程度高，运算量大，模型训练时间长，而且无关的噪声信号和冗余信息的加入还会影响模型的预测性能。本发明采用特征波长优选算法不仅能够剔除无关的变量信息降低光谱数据的空间维数，减少数据的共线性，简化模型的复杂程度，还能有效提高模型的预测精度和稳定性。
64.进一步的，连续投影算法(spa)是一种能够有效降低光谱波长变量之间共线性的特征波长选择方法。利用spa对预处理后的光谱进行特征波长的选择，选择结果如图17所示。根据不同波长组合均方根误差图可知，选择变量数为7时的波长组合作为特征波长分别为638.15nm、676.04nm、689.33nm、694.21nm、729.51nm、748.23nm和818.65nm。选择波长分布如图18所示。竞争性自适应重加权采样法(cars)，通过自适应加权采样计算每个波长变量回归系数的绝对值权重，去掉权重较小的波长变量，留下权重较大的波长变量就是筛选出的特征波长，但是由于竞争性自适应重加权采样法是基于蒙特卡洛采样具有一定的随机性，为了减少随机性带来的误差，采用500次实验，改进竞争性自适应重加权采样法，记为f-cars。该方法通过筛选出频率最高的波长作为特征波长，通过大量pls建模验证，根据图19所示模型参数，最终选择概率大于0.086的151个波长变量作为特征波长。波长出现频率和波长分布如图20和图21所示。两种算法串联使用也是特征波长选择算法最常见策略之一，该方法可以融合两种算法的优势。f-cars算法能够筛选出pls模型回归系数绝对值大的波长变量，但该算法选择的变量相对较多。spa能够尽可能减少波长变量中的冗余信息和空间共线性。改进竞争性自适应重加权算法结合连续投影算法(f-cars-spa)结合两种算法优点能够选择出pls回归系数绝对值最大同时拥有最小冗余信息和共线性最小的波长变量。
65.因此，根据图22中不同波长组合均方根误差，最终筛选出5个波长作为特征波长，分别为735.46nm、537.96nm、760.71nm、666.67nm和724.23nm。波长分布如23所示。为了对比评价上述3种波长优选算法筛选出的特征波长，将筛选出的变量作为输入建立pls模型。结果如表1所示。通过对比发现f-cars+spa算法提取的特征波长组合，校正集和验证集效果较好，结合led加工工艺，最终确定4个特征波长，分别为530nm、670nm、730nm和760nm。
66.表1
[0067][0068]
光程长调节模块30连接驱动移动件13移动以调节光程长。该光程长调节模块30安装于架体11上，其包括丝杆31、滑块32和电机33等。丝杆31安装于支架10的架体11上，滑块32与丝杆31为螺纹配合实现传动，移动件13固定于滑块32上，则滑块32可带动移动快滑动。电机33通过电机安装组件固定于架体11上且连接驱动丝杆31旋转使得移动件13相对固定件12移动实现调节光程长。该电机安装组件包含安装座34和联轴器，电机33固定于安装座34上且其输出轴通过联轴器与丝杆31连接。架体11上还可设置有轨道16，滑块32可与轨道16滑动配合，使得移动件13运动更加稳定。本发明的电机33可采用步进电机，当电机33驱动丝杆31旋转时，则滑块32可将丝杆31的周向旋转转换为滑块32的线性移动，实现调节移动件13和固定件12之间的距离也即调节光源的光程长。
[0069]
本发明的光程长调节模块30，通过在调节到待测海水样品酸碱度光谱检测标定实验中获得的最佳光程长的位置，因为光源到光电检测模块50距离过近，导致光源过强，使测量处于饱和状态，如果距离过远，会导致信号微弱，不能很好测量出准确数据，造成测量误差，因此在测量前输入合适的光程长信息，驱动电机移动使整个装置测量处于最佳光程长。
[0070]
光电检测模块50设置于固定件12上以依次检测光信号并进行处理转化得到电压信号。光电检测模块50包括光电传感器51(光电二极管)和处理电路52。光电传感器51安装于固定件12上以检测透过样品100照射于光电传感器51上的光信号，对并检测到的光信号进行处理后输出电流信号，该电流信号为微弱的电流信号，则处理电路52与光电传感器51相连以将微弱的电流信号进行放大、滤波处理并转换为电压信号等。该处理电路52主要包括运算放大电路，参见图7。该光电传感器51采用滨松s1336-44bk，该光电传感器的光电特性包括光谱响应波长为320-1100nm，光感区域为3.6x3.6mm。
[0071]
恒温模块40用于提供恒定的温度，该恒温模块40包括半导体制冷片41、温度传感器42和温度控制模块43等。温度传感器42安装于支架10上以采集环境温度，半导体制冷片41安装于壳体15上以进行加热或制冷，温度控制模块43与半导体制冷片41和温度传感器42相连以采用pid算法控制恒温。实际应用中，恒温模块40还可包括有散热片44和风扇45等。
[0072]
具体的，半导体制冷片可配合驱动电路通过改变电流的流向不同进行加热制冷的转换，其驱动电路主要由两个ir2140s半桥驱动芯片配合大功率nmos组成全桥驱动电路。本发明的温度传感器可采用pt100+ads1220，该温度传感器pt100量程在-200～850℃范围内，ads1220是24位高精度adc，总体测量精度精度高于0.1℃，能够很好满足测量要求，并且该adc是通过spi总线进行控制，要求简单，全双工通讯速度快。温度传感器所测得的温度电信号经a/d转换模块转换为数字信号。温度控制模块43可采用ir2104s配合高功率nmos组成全
桥驱动电路，通过相关的控制处理模块60输出不同方向的pwm波进而控制电流方向，控制半导体制冷片41加热制冷。电路如图5、图6所示。
[0073]
由于加热制冷器件即半导体制冷片41都会有一定的过冲现象(即加热停止后，由于加热器件温度还未下降仍在持续加热)这样会造成整个系统温度不会恒定同时也会造成资源的浪费，为了减小甚至消除这种现象的存在，整个加热过程采用pid控制。所谓的pid就是比例积分微分，pid算法由于其具有可靠性强、易于操作、结构简单等特点，在大多数过程控制系统中，大部分使用的都是此种控制算法，正常情况下可以达到系统要求的控制效果。传统的位置式pid计算式如下所示：
[0074]
pid＝k
p
*error1+ki*(error1+error2+
…
+errorn)+kd(error1+error2)
[0075]
其中k
p
,ki,kd分别为比例系数、积分系数和微分系数，error2为当前误差(即最近一次设置值与实际值的误差)，error2为上一次误差，
……
errorn为开始时误差。当温度的目标值和实际值的偏差还比较大时，系统可以控制继电器处于开的状态，使加热制冷器件一直处于加热升温(降温)的阶段，当温度上升(下降)到快接近目标温度值时，那么系统对温度的升温加热(降温制冷)就要进入精确控制过程。首先要确定加热(制冷)装置的一个通断周期，控制量具体表示加热(制冷)装置工作的占空比，改变控制量的值就可以改变加热装置的占空比，从而改变一个周期里的加热(制冷)的时间。当温度快要接近目标温度时，在周期时间宽度保持不变的情况下，减少控制量的值使加热(制冷)装置在一个周期里的工作占空比越来越小。那么在这个过程里，加热(制冷)装置处于加热(制冷)工作状态的时间也会随之越来越短，它会慢慢地通过余温使温度达到目标温度值，这样可以保证温度超调量不会很大。由此可知pwm输出控制能够在升温至恒温的过程中，本发明可设置成在误差小于10℃采用pid控制，通过调节上述的比例系数，积分系数，微分系数等参数，使温度的过渡更加平稳，可以达到温度精确控制的效果避免超调量大。
[0076]
控制处理模块60与光源模块20、光电检测模块50的处理电路52、光程长调节模块30的电机33和恒温模块40相连以将电压信号转换为光谱信号后输入光谱模型中计算得到ph值。光谱模型为采用pls建模方法或ls-svm建模方法构建的光谱模型。该控制处理模块60可用于实现检测过程中对光程长调节模块30的控制、数据的获取、计算、储存和显示等功能。其可采用st公司的stm32f407单片机，该单片机采用crotex-m4内核，最高主频168mhz，包含单精度浮点运算单元，支持单精度浮点数计算，并且具有多个外设，能够很好满足系统要求。其相关的控制电路还包括有开关61和各模块电路组成，为整个检测装置各模块提供接口和硬件支持。
[0077]
pls(偏最小二乘结构方程建模)是一种光谱数据分析中常用的多元线性回归方法，能够很好实现光谱数据和样品指标数据的关联，通过分解光谱矩阵和待测属性矩阵，提取矩阵间的潜在变量，降低数据维度，解决自变量多重共线性，实现优秀的模型预测结果，pls作为线性方法主要应用于简单的海水样品(即无浊度等其他参数影响)检测。而ls-svm是一种非线性建模方法，可在高维空间中用较少的样本变量进行建模，同时该方法使用一组线性方程来代替二次规划问题来获得支持向量，避免了过拟合问题，能够获得较为满意的预测精度，ls-svm作为非线性方法应用于复杂海水样品检测。
[0078]
本发明中，通过硬件获得光谱信号后，由于海水非线性因素比较多，因此应用一种光谱非线性建立模型的方法即最小二乘法支持向量机(ls-svm)。能在一定程度上提高预测
精度，满足要求。
[0079]
具体的，采用最小二乘法支持向量机构建光谱模型，实现海水ph值检测，具体步骤如下：
[0080]
1.将获得样品的光谱信号分为校正集(训练集)和验证集(预测集)，并对海水ph光谱数据集进行预处理，即对光谱数据集进行平滑、多元正交散射等。该样品可以是构建光谱模型所采用的样品。
[0081]
2.对预处理后的光谱数据集，进行特征波长的提取，减少建模的难度和时间。
[0082]
3.将校正集(训练集)的特征波长向量，作为最小二乘法支持向量机的一个输入，对模型进行训练，最终得到所需的光谱模型。
[0083]
4.将验证集(预测集)作为向量输入我们训练好的光谱模型中，最后对模型进行评价，判断是否满足要求。
[0084]
本发明的最小二乘法支持向量机，主要把求解的问题转换为线性方程组问题，通过对等式方程进行求解来求解问题，对给定的训练集，a＝(xtrain，ytrain)。决策函数模型f(x)可以表示为下式：
[0085][0086]
其中ω
t
＝[ω1,ω2……
]
t
是各个因素权重系数向量，为非线性的映射函数，由输入样本的非线性函数在高维空间转化为线性函数求解，b为偏置量。
[0087]
运用最小二乘法对上述等式(1)进行约束求解如式(2)和式(3)，并且考虑了函数拟合误差和函数的复杂度。
[0088][0089]
γ》0
[0090][0091]
其中γ为正则化函数，能够调节误差，使函数具有较好的泛化能力，ω、e为形参，ei为自定义回归误差。
[0092]
利用拉格朗日函数对式(2)中目标优化的转化问题进行求解，如式(4)所示。
[0093][0094]
其中αi为拉格朗日系数。
[0095]
为了求得最小的拉格朗日函数值，对自变量分别求偏导，且令偏导等于0，即kkt条件。
[0096]
[0097]
再根据mercer条件，可以得到最小二乘法支持向量机拟合函数。其中k(xi,xj)为核函数,αi和b为模型的参数，n为训练样本个数，xi为训练样本，f(x)为模型输出即为预测值。
[0098][0099]
本技术采用的核函数k(xi,xj)是径向基核函数(rbf)，如式(7)所示。
[0100][0101]
本发明还包括有显示交互模块90，显示交互模块90与控制处理模块60相连以实现参数输入以及显示ph值和温度信息。该显示交互模块90主要提供交互界面，可根据交互界面的提示完成样品测量等操作，以及显示当前温度值、光程长长度值、以及控制处理模块60所输出的测量结果等。
[0102]
还包括有电源模块70和通信模块80，电源模块70与光源模块20、光程长调节模块30、恒温模块40、光电检测模块50和控制处理模块60相连以供电。通信模块80包括：装置与上位机的通信，上位机包含三个界面，如图9-图12所示，分别为串口助手、pid调试助手和光谱调试助手，上位机和装置的通信是基于串口进行的，为了便于调试，设计开发了串口调试助手。温度控制基于pid算法，为了便于调试pid参数设计开发了pid调试助手。最后是光谱调试助手，包含光谱数据的采集显示和模型选择，能够实时显示ph数据。另外，为了实现远距离通信设计开发了微信小程序，如图13所示。微信小程序和本发明装置的通信基于esp8266通过mqtt协议实现实时通信，mqtt协议主要是整个装置作为发送者，移动终端上微信小程序作为接收者，共同订阅云平台同一话题，通过云平台实现远距离通信。主要包含两个界面，分别为登陆界面和主界面，通过登陆界面可以进行注册，找回密码等操作，主要界面包括温度的采集，ph值的采集显示，led的控制等。
[0103]
参见图14，一种海水酸碱度光谱分析方法，基于上述的一种海水酸碱度光谱分析装置实现，包括如下步骤：
[0104]
1)输入所需的光程长和温度至控制处理模块60。
[0105]
该步骤中，打开装置电源，系统初始化，通过显示交互模块90的按键可输入合适的光程长信息和温度信息，控制处理模块60获取输入的光程长信息和温度信息并由显示交互模块90进行显示。并且，控制处理模块60通过spi接口与ads1220建立通讯，进而得到的温度传感器的数字信号，由显示交互模块90进行显示。
[0106]
2)控制处理模块60控制移动件13相对固定件12移动达到输入的光程长，以及根据温度信息控制恒温模块40工作以提供恒温的环境。
[0107]
具体的，控制模块控制电机33驱动丝杠转动，滑块32带动移动件13及光源移动到输入的光程长距离，温度控制模块43通过温度传感器采集的当前温度值，与设定温度值进行对比，通过计算进行pid控温，使整个装置处于该设定的恒温温度下，最后传至显示交互模块90进行显示，并且进行保存。
[0108]
3)将样品100放入支架10，即将装有待检测海水的比色皿放入支架10，而后待机，等待检测信号。控制光源模块20依次发射特征波长的光线，光线透过样品100出射至光电检测模块50，光电检测模块50将光信号进行处理转换成电压信号。
[0109]
4)控制处理模块60将电压信号进行处理转换得到光谱信号，并将光谱信号输入至
光谱模型中计算得到ph值。
[0110]
该步骤中，对于每一个led灯21发射的光信号，控制处理模块60经a/d转换模块后，得到对应的数字信号，采集10次求平均值，进行均值滤波得到光谱信号；而后再控制下一个特征波长led灯发光，直至所有特征波长的光源发光结束，将采集到的数据最终计算得到光谱信号。
[0111]
而后控制模块将光谱信号输入光谱模型，计算ph值,最后传至显示交互模块90的进行显示，显示内容可包括各个特征波长测得的数据和ph值，并且通过通信模块80建立通讯将采集的信息显示在上位机和移动终端的微信小程序上。
[0112]
当前样品100检测完毕后，可取出样品100进行下一样品100的测量，重复上述步骤即可。
[0113]
本发明中，利用0.1mol/l氢氧化钠和0.1mol/l稀盐酸标准溶液调节模拟海水样品的ph值，ph值范围在2～11，其中经过异常值剔除，保留训练集为42个，验证集为12个。采用本发明的装置和方法，12个验证集海水样品的实际值和预测值如表2所列，预测的均方根误差rmsecp＝0.866，相关系数r＝0.9473，参见图24。由于在本发明的检测方法，其光谱模型考虑了光程长及温度的影响，可提高装置的检测精度。
[0114]
表2
[0115]
真实值预测值9.99.789.711.558.89.64109.4233.793.23.123.24.343.33.874.55.745.35.615.56.116.36.79
[0116]
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

技术特征：
1.一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：包括支架、光源模块、光程长调节模块、恒温模块、光电检测模块和控制处理模块；所述支架设有固定件、移动件和支撑板，所述支撑板用于放置样品，所述固定件固定于所述支撑板上且位于样品一侧，所述移动件可相对所述固定件移动地设置于样品另一侧；所述光源模块安装于所述移动件上以向样品依次发射多个特征波长光线；所述光电检测模块设置于所述固定件上以依次检测光信号并进行处理转化得到电压信号；所述光程长调节模块连接驱动所述移动件移动以调节光程长；所述恒温模块用于提供恒定的温度；所述控制处理模块与所述光源模块、所述光电检测模块、所述光程长调节模块和所述恒温模块相连以将电压信号转换为光谱信号后输入光谱模型中计算得到ph值，所述光谱模型为采用pls建模方法或ls-svm建模方法构建的光谱模型。2.如权利要求1所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：所述光源模块设有若干led灯和驱动模块，若干所述led灯作为光源，所述驱动模块与所述led灯相连，所述光源为采用波长优选算法筛选出的光源，若干光源呈环形阵列排列。3.如权利要求2所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：所述波长优选算法包括有连续投影算法或改进竞争性自适应重加权采样法或者连续投影算法和改进竞争性自适应重加权采样法结合。4.如权利要求1所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：所述光电检测模块包括光电传感器和处理电路；所述光电传感器安装于所述固定件上以检测光信号进行处理后输出电流信号，所述处理电路与所述光电传感器相连以将电流信号进行放大、滤波处理并转换为电压信号；所述控制处理模块与所述运算放大电路相连以将电压信号进行处理转换为光谱信号。5.如权利要求1所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：所述恒温模块包括半导体制冷片、温度传感器和温度控制模块；所述温度传感器安装于所述支架上以采集环境温度，半导体制冷片安装于支架上以进行加热或制冷，所述温度控制模块与所述半导体制冷片和所述温度采集模块相连以采用pid算法控制恒温。6.如权利要求1所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：所述光程长调节模块包括丝杆、滑块和电机；所述丝杆安装于所述支架上；所述滑块与所述丝杆为螺纹配合实现传动，所述移动件固定于所述滑块上，所述电机驱动所述丝杆旋转使得所述移动件相对所述固定件移动实现调节光程长；所述控制处理模块与所述电机相连。7.如权利要求1所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：还包括有显示交互模块，所述显示交互模块与所述控制处理模块相连以实现参数输入以及显示ph值和温度信息。8.如权利要求1所述的一种海水酸碱度光谱分析装置，其特征在于：还包括有电源模块；所述电源模块与所述光源模块、光程长调节模块、恒温模块、光电检测模块和控制处理模块相连以供电。9.一种海水酸碱度光谱分析方法，其特征在于：基于权利要求1至8中任一项所述的一种海水酸碱度光谱分析装置实现，包括如下步骤：1)输入所需的光程长和温度至所述控制处理模块；2)所述控制处理模块控制所述移动件相对所述固定件移动达到输入的所述光程长，以及根据所述温度信息控制所述恒温模块工作以提供恒温的环境；
3)将样品放入支架，控制光源模块依次发射特征波长的光线，光线透过样品出射至光电检测模块，光电检测模块将光信号进行处理转换成电压信号；4)所述控制处理模块将电压信号进行处理转换得到光谱信号，并将光谱信号输入至光谱模型中计算得到ph值。10.如权利要求9所述的一种海水酸碱度光谱分析方法，其特征在于：将计算得到的样品的ph值和当前环境温度进行显示或发送至移动终端。

技术总结
一种海水酸碱度光谱分析装置和方法，包括支架、光源模块、光程长调节模块、恒温模块、光电检测模块和控制处理模块；支架设有固定件、移动件和支撑板，支撑板用于放置样品，固定件固定于支撑板上且位于样品一侧，移动件可相对固定件移动地设置于样品另一侧；光源模块安装于移动件上以向样品依次发射多个特征波长光线；光电检测模块设置于固定件上以依次检测光信号并进行处理转化得到电压信号；光程长调节模块连接驱动移动件移动以调节光程长；恒温模块用于为提供恒定的温度；控制处理模块与光源模块、光电检测模块、光程长调节模块和恒温模块相连。本发明采用可见-近红外光谱分析技术，具有检测速度快、可实时测量、精度高的优点。精度高的优点。精度高的优点。


技术研发人员：李丽娜 郭尚兴 李登珊 徐耀民 苏涵君
受保护的技术使用者：华侨大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/9/23