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基于可见光谱的非接触式金属离子水质监测原理研究 　　【摘 要】针对现有水质监测中金属离子在线检测方法普适性差的缺陷，提出一种基于可见光谱的非接触式金属离子水质监测方法。该方法根据色空间理论和色差公式，应用图像采集设备，通过图像处理软件，得出金属离子浓度与图像色差的对数函数关系。以六价铬为例，实验像素点提取率在94.65%～98.45%之间，根据CIE2000公式和CIELUV公式计算出的铬离子浓度与国标相对误差分别在2.97%和6.27%范围内，表明应用CIE2000公式的基于可见光谱的非接触式金属离子水质监测方法满足检测精度要求，低成本、普适性好、抗干扰能力强，且可应用于在线监测，具有实际应用可行性。 　　【关键词】可见光谱；色差；在线检测；六价铬 　　0 引言 　　水中金属离子污染危害严重，造成动植物死亡，威胁人类安全。因此对于检测水中金属离子含量十分必要。现有的金属离子检测方式如下[1-3]（表1）： 　　表1 现有测量方法比较 　　现有检测方法存在不足，需要一种适用范围广、抗干扰能力强、成本低廉的检测方法用来满足不同离子不同检测环境的要求。 　　光谱分析是利用光谱学的原理和实验方法确定物质的结构或化学成分的分析方法，它是基于被测物质中伴随着电子跃迁而产生发射或吸收电磁辐射的现象而建立起来的一种分析方法。近些年来，各式各样的光谱检测方法被应用到到水质检测中，如荧光光谱单独应用于水质总体污染状况的估算[4]。紫外光谱和荧光光谱联合应用于总碳、化学需氧量、生化需氧量、溶解性有机碳、高锰酸盐的测量[5]。光谱遥感测试水中叶绿素、悬浮泥沙、油污、热污染[6]。拉曼光谱用于水中苯的检测等[7]。文章应用水中金属离子浓度对可见光谱反应的不同，结合光学色差知识，进行水质金属离子的测量。 　　1 实验原理 　　1.1 可见光谱检测原理 　　可见光谱是人眼视觉可以感受到的光谱，指400-760nm之间的可见光[8]。可见光谱是比色法和可见光分光光度法的基础。金属离子一般对某一频率的光谱具有最高的吸收性，如亚铁离子吸收波长为510mm的、铜的吸收波长为440nm、六价铬的波长为540mm，都在可见光谱范围内，现有的台湾分光光度计算方法中的三个标准波长590nm、540nm、438nm也都在可见光的范围内，因此，可见光谱基本满足金属离子的检测要求。为了描述某一颜色的光谱特性，建立三维空间坐标系。为更加方便描述，将光谱特性转换为单一的特性，如色度、孟塞尔值，或者与标准待测物间色差[9]。 　　由溶液对光谱的敏感性可分辨出溶液中金属离子的种类。由某金属溶液在三刺激值空间坐标中位置不同可测定溶液浓度[10]。本文对于某一浓度的金属溶液，在特定光照下的光谱特性进行测定，并将其转换为单一数据色差，对照标准图表，得到该金属离子在溶液中的浓度，以六价铬为例进行验证。 　　1.2 CIE色空间理论。 　　色空间是使用颜色模型对颜色进行阐述。色度学按照三基色原理，用红（R）、绿（G）和蓝（B）单光谱基色匹配所有可见颜色，基于三种基本颜色和色调、亮度与饱和度，产生了不同颜色空间，如CMY颜色空间、HSV颜色空间、HSI颜色空间等[5]。为了方便在视觉统一性的基础上使用计算机对颜色空间进行数据化处理和校正，CIE（国际发光照明委员会）构造了CIE-XYZ系统 ，用三刺激空间的坐标（X， Y， Z）表示为该颜色在标准原色下的三刺激值，称为色度值。为将其在二维平面上进行表示，CIE还规定了两种色度空间，即CIELUV色空间和CIELAB色空间。两种色空间都是基于LAB颜色空间，以红、绿、蓝三色为基色建立起的可见光色空间。 　　1.3 色差理论 　　国际照明委员会根据两种不同的色空间，先后提出了三种色差计算公式[11]。 　　（1）CIELuv色差公式，公式如下： 　　以上三个色差公式中，CIELUV公式是基于LUV色空间的色差公式，CIELAB和CIE2000是基于LAB色空间的色差公式[12]，CIELAB色差公式在计算某些色差时会产生错误，因此国际照明委员会提出了CIE2000公式修正LAB色差公式的缺陷。本文采用CIELUV色差公式和CIE2000色差公式进行计算，对比两种公式，选取准确性较高公式。实验中参照对象为光学纯水。 　　2 实验部分 　　2.1 试剂与仪器 　　实验仪器：光源LI38037-W；标准比色灯箱721可见分光光度；CCD工业相机XCG-5005CR；752N紫外可见分光光度计；支架OPTES3000-1； 　　实验试剂：丙酮、硫酸、磷酸、氢氧化钠、硫酸锌、高锰酸钾、重铬酸钾（优级纯）、尿素、亚硝酸钠、二苯碳酰二肼，以上试剂除标注外都为分析纯，溶液均使用去离子水配置。 　　2.2 实验过程