一种水体参数测量装置以及强吸收液吸收系数测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水体指标测定领域，更具体地，设及一种水体参数测量装置W及基于 该测量装置的强吸收液吸收系数测量方法。
【背景技术】
[0002] 水吸收光谱是化学、生物、大气等许多科学领域中的重要参数。由于水的超强 吸收，红外光穿透一定厚度的水体后光强往往很弱，W致低于探测器所能探测到的最小 值，一般的测量方法均不适用，因此红外波段水吸收系数测量甚为困难。要想获取连 续的红外吸收系数光谱，同时确保结果的精度，必须要能对足够薄的水层进行测量，根 据化lmer&Williams(1974)等的水红外波段光学厚度测量值，最低限度的水层厚约为 0. 15mm。然而，由于水的表面张力，在一般的玻璃表面上，获得低于1. 5mm的薄层水都是非 常困难的，为了获得薄层水，目前被普遍接受的方法是采用的一系列不同厚度的红外石英 模子，其水层的光路长度为1至50mm;另一种为贝克曼距离可调的模子，其水层的光路长度 为 6mm至 30ym。
[0003] 但是在上述已有的方法中，石英模子的制作工艺要求极高，花费大，且水膜的厚度 的稳定性较难得到保证；同时，模形体窗口由于顶底距离的差异，容易产生的干设条纹而影 响测量的精度。再者由于石英模子体积和质量较小，测量起来很不方便，对光源得测量光谱 仪要求很高。
[0004] 水吸收系数在红外波段具有两个特点，一是吸收系数值极大；二是值的变化极大。 从可见光到红外波段，水吸收系数的值跨越了 5个数量级，故水吸收系数的精确测量必须 要做到W下两个方面：一是要能测量极薄的水层，可测最小厚度小于0. 15mm;二是对不同 的波段，根据吸收系数的数值区间需要测量不同厚度的水层，W保证数值在仪器的有效测 量范围内，已有的方法中并不能同时满足该两个方面的要求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的其中一个目的，是提供一种水体参数测量装置，采用该测量装置使 得可测量水层的厚度变化区间达到0. 〇4-150mm，从而可W保证400nm到2500nm的波长范围 内任何波段的吸收光谱都在仪器的最佳探测区间得到准确测量，为了实现W上目的，采用 如下技术方案：
[0006] 一种水体参数的测量装置，包括：
[0007] 玻璃缸，用于盛装待测水体，所述玻璃缸包括平面底壁；
[0008] 限位玻板，由垫高件垫高形成平行于玻璃缸底壁的平台，用于与玻璃缸底壁之间 形成间隙，所述平面底壁及限位玻板由高透玻璃制成；
[0009] 垫高件，用于垫高限位玻板并确定限位玻板与玻璃缸底壁之间间隙的宽度；
[0010] 光源，设置于玻璃缸上方，用于沿竖直方向向玻璃缸内投射平行光；
[0011] 标准板，设置于玻璃缸下方，用于反射平行光穿透玻璃缸后的透射光；
[0012] 光谱仪，用于检测标准板所反射透射光的反福射亮度，所述光谱仪包括光线探头， 所述光线探头的探测口朝向标准板被透射光照射的区域。
[0013] 作为一种具体实施例，所述光源包括探照灯及非平行光过滤单元，所述非平行光 过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。
[0014] 作为一种具体实施例，所述玻璃缸与标准板之间还设置有散射光过滤单元，所述 散射光过滤单元包括两个焦平面重叠的透镜及散光滤波器。
[0015] 作为一种具体实施例，所述高透明玻璃为超白玻璃。
[0016] 作为一种具体实施例，所述垫高件包括至少两组等高的垫片单元，每组垫片单元 至少包括两片W上的垫片层叠形成。
[0017] 作为一种具体实施例，所述垫片为材质为不诱钢或聚醋塑料。
[0018] 作为一种具体实施例，所述垫片的厚度介于0. 04mm-lmm之间。
[0019] 本发明的另一个目的，是提供一种强吸收液体吸收系数测量方法，采用该方法可 大幅消除如玻璃缸的反射等来自光学系统本身的影响，显著提高了测量的精度。
[0020] 为了达到该目的，采用W下技术方案：
[0021] 一种基于权利要求1所述水体参数的测量装置的强吸收液体吸收系数测量方法， 包括W下步骤完成：
[0022] S1根据当前批次设定水深hm选择并安放垫高件，在垫高件上放置限位玻板； 阳023] S2向玻璃缸内加入待测水体至水面高于限位玻板底面但低于限位玻板顶面的任 意位置；
[0024] S3通过光源向待测水体投射平行光，所述平行光穿透玻璃缸并投射于标准板；
[00巧]S4标准板反射投射其上的透射光，光谱仪的探头接收透射光经标准板反射的光 线，并测量得到当前反福射亮度L。，反福射亮度为：
[0027]其中：
[0028] E。-入射光光源的福照度， 阳0巧]T"s-水表面透过率，
[0030] Tg-玻璃缸的透过率，
[0031]Rb-标准板的反射率；
[0032]S5通过更换垫高件改变当前批次设定水深h。，重复步骤S2-S4,得到当前反幅射亮 度L。；
[003引 S6将步骤S2-S5中得到的任意两个批次测量的反射幅亮度Lm、L。相除计算，得到 待测水体的消光系数为：
[0035] 则待测水体i吸收系数为：
[0037]其中： 阳0測 k(A)为消光系数，
[0039] b"(A)为散射系数，表达式为：b"= 0. 000145A4'32,A为照射光波长。
[0040] 作为一种具体实施例，所述步骤S3中，还包括对投射入玻璃缸内的光源进行非平 行光过滤的步骤。
[0041] 作为一种具体实施例，所述步骤S3中，还包括投射入玻璃缸内的光源进行散射光 过滤的步骤。
[0042] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0043] 本发明的水体参数测量装置采用限位玻板限制限制待测水体层的顶面，所W水 膜的厚度稳定；其次，只要改变垫片的厚度与数量，即可控制待测水体层的厚度，改变水 体厚度非常方便；其=，通过采用极薄的薄膜作为垫片可获得极薄的水膜层，可轻易获得 0. 04mm的稳定水膜，进而实现对更宽波段光谱的测量；其四，水膜层各部分的厚度均匀，故 不会产生干设现象，导致吸收系数的测量非常方便；同时，基于该水体参数测量装置还可W 实现对水体宽波段消光系数的测量。
[0044] 本发明的强吸收液体吸收系数的测量方法，采用比值法大幅消除了玻璃缸的反射 等来自光学系统本身影，显著提高了测量的精度。
【附图说明】
[0045] 图1为水体参数测量装置的结构及测量原理示意图。
[0046] 图2为采用本发明方法测量得到的400nm到2500nm波段纯水吸收系数曲线图。
[0047] 图3为采用本发明方法测量得到的400nm到2500nm波段纯水吸收系数与前人研 究比较示意图。
【具体实施方式】
[0048] 下面结合说明书附图，对本发明做进一步说明：
[0049] 参见图1，本发明所示的水体参数测量装置，包括玻璃缸4、限位玻板7、垫高件、光 源1、标准板6及光谱仪5,其中：
[0050] 玻璃缸4包括高透玻璃制成的平面底壁，用于盛装待测水体3,玻璃缸4平面底壁 水平放置；限位玻板7,由垫片组垫高形成平行于玻璃缸底壁的平台，用于与玻璃缸底壁之 间形成间隙，所述平面底壁及限位玻板7由高透玻璃制成；垫高件，用于垫高限位玻板7并 确定限位玻板7与玻璃缸4底壁之间间隙的宽度；光源1，设置于玻璃缸4上方，用于沿竖 直方向向玻璃缸4内投射平行光2;标准板6,也即标准反射班，设置于玻璃缸4下方，用于 反射平行光2穿透玻璃缸4后的透射光2曰，所述标准板6水平放置；光谱仪5,用于检测标 准板6反射所述透射光2a的反福射亮度，所述光谱仪5包括光线探头51，所述光线探头51 的探测口朝向标准板6被透射光2a照射的区域。
[0051] 在本实施例中，所述光源1包括探照灯11及非平行光过滤单元，所述非平行光过 滤单元包括两个焦平面重叠的透镜12及散光滤波器13,散光滤波器13位于透镜12中间； 所述玻璃缸4与标准板6之间还设置有散射光过滤单元，所述散射光过滤单元包括两个焦 平面重叠的透镜91及散光滤波器92,所述散光滤波器92设置于透镜91中间。
[0052]为了保证限位玻板7及玻璃缸4有较高的透光度，限位玻板7及玻璃缸4底壁的 高透明玻璃优选为超白玻璃扣ItraClearGlass)。超白玻璃是一种超透明低铁玻璃，也称 低铁玻璃、高透明玻璃，透光率可达91. 5%W上，同时还具有自爆率低，颜色一致性强的特 性。
[0053] 为了便于更改垫高件的高度W进一步更改限位玻板7和玻璃缸4底壁之间的间隙 宽度（即待测量水层的厚度），本实施例中，所述垫高件包括至少两组等高的垫片单元，每 组垫片单元至少包括两片W上的垫片8层叠形成，所述垫片8为材质为不诱钢或聚醋塑料， 垫片的厚度介于0. 之间；在本例中，垫片优选为4种类型，其中两种