紫外光传感器

分光光度法可适用于在线仪器，是监控水和污水处理设备的重要方法。分光光度法是一种测定分子对光的吸光度的方法，此方法在在线传感器上的应用已越来越准确和可靠。WTW IQ SensorNet系列紫外(UV) 和紫外可见(UV Vis)传感器具有适用于特定污水处理应用的内置出厂校准，不仅提高准确性，还可减少校准的频次。内置UltraCleanTM超声波清洗，减少校准频次的同时完全去除更换损耗品的必要(如试剂或刮刷)，最大限度减轻了维护工作。本系列传感器甚至还支持通过单个传感器测量多个不同参数，如硝酸盐、亚硝酸盐、总悬浮物 (TSS)、紫外线透射率(UVT-254)、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)、总有机碳量 (TOC)和其他碳参数。 本系列传感器是水和污水处理设备的一项重要投资，为操作人员提供极大便利。但是如何选择合适的传感器？为确保选择最符合应用的传感器，来看一下选择紫外可见传感器时需要考虑的5个问题。紫外和紫外可见传感器的优势1、无需试剂，即可在线进行硝酸盐、亚硝酸盐、COD、BOD、TOC、UVT-254、NOx和TSS测量2、单个传感器最多可测量并显示五个参数3、UltraClean™ 超声波清洁技术可防止结垢，维护较为简单4、持久耐用的材质：钛和PEEK(聚醚醚酮)即使在最恶劣的条件下仍可保持稳定5、紫外和紫外可见传感器每次测量可扫描256个波长，从而实现更好的准确度和浊度补偿6、工厂已针对过程中的位置进行了校准(进水、二级处理、出水）7、用户可自行校准，从而在应用情况不理想时提高准确度参数硝酸盐：来自硝化过程中NH4转化的人类排泄物的生物污染物。亚硝酸盐：来自人类排泄物的生物污染物，是硝化过程中NH4和NO3的中间型。生化需氧量：微生物在分解流水中的有机废物时消耗的氧气量。被看做是对存在的有机物的量化，并且排放量受到国家污染排放消除系统(NPDES)的排放限制。总有机碳：样品中有机结合的碳量。被认为是对存在的有机物的量化和水质指标。与BOD或COD相比，该测试通常是表示有机物的一种更方便直接的方式。紫外线透射率：在254mm 波长处透射的紫外线百分比。该参数用于指示水中的有机物含量，通常与BOD、COD和TOC相关。该测量值通常用于在消毒过程中自动控制紫外线剂量。总悬浮物固体：水样中被过滤器捕集的悬浮颗粒的净重。该参数通常用作水质的指标，并用于定量分析活性污泥系统(混合液悬浮物，MLSS)中存在的微生物。需要测量什么及测量原因选择紫外或紫外可见传感器时，需要搞清楚的首要问题是测量什么及原因。需要测量什么参数？应用场景是什么？如何使用传感器？取决于应用场景，通过单个传感器监控多个参数可能更为有益。以下是紫外可见传感器在污水处理中最常见的一些应用。 氮硝酸盐氮和亚硝酸盐氮是生物脱氮除磷(BNR)应用中常见的测量参数。硝酸盐在工艺优化中扮演着多种角色，如确保高效地完成硝化、监控硝酸盐去除、控制脱氧区的碳投加量以及确保出水中的氮含量达到排放标准。亚硝酸盐的使用情况较少，因为它是硝化工艺的中间阶段。如果污水处理设备出现亚硝酸盐积累问题或使用快捷反硝化工艺，监控亚硝酸盐将会很有用处。碳碳参数在污水处理中同样具有广泛应用。COD、BOD和TOC是量化样品内碳含量的常见测量参数，其中BOD和TOC专属于有机碳。例如，通常会测量二级处理中的COD来监控有机物负荷。在二级处理中，COD可指示一级或二级处理的效率，或量化需要碳源(反硝化和除磷)的生物处理工艺中的有机碳含量。此外，监控污水处理厂收集系统或进水设施中的COD有助于确定重度负荷来源或提供预警探测。长期以来，这些碳参数的测定都需要昂贵或耗时的实验室程序，因此难以实际使用。如今，借助在线紫外可见传感器，我们便可以利用这些参数实现原本难以实现的工艺控制和预警检测。紫外和紫外可见传感器具有广泛的应用，在某些情况下，通过单个传感器获得多个参数将对操作人员有所助益。例如，TSS是曝气池的常见测量参数，指示微生物浓度(MLSS –混合液悬浮物)。利用包括 TSS与COD组合的传感器，操作人员即可获得用于监控食料与微生物比(F/M 比)的必要信息。使用单个传感器监控多个参数可从单个传感器获得更多有用数据，从而带来附加值。选择紫外可见传感器时，确保查看各传感器的可测参数列表(表1)。单波长传感器和光谱传感器有什么不同？一些制造商仅生产单波长传感器，而其他像WTW一样的制造商除单波长传感器外还生产光谱传感器，后者可提供更多参数和更高的准确性。前面我们一直在谈论光谱传感器，在光谱传感器中，每次测量时都将扫描256个波长的紫外光和可见光以获得所需参数的浓度。此类传感器通过测量每种波长处的吸光率来生成“光谱足迹”。然后，根据传感器中编制的算法将每个“光谱足迹”计算为以 mg/L 为单位的浓度(Smith, 2019)。相比于单波长传感器，光谱测量的精度和准确度更高，因为物质分子会吸收一段波长范围内的光，而并非仅吸收单个波长。附加波长具有许多优势，包括为每个参数提供更多吸收数据、使用一系列波长进行浊度修正，甚至有助于检测不同形式的有机分子。紫外可见光谱传感器扫描的256个波长跨越紫外和可见光范围，从200至720nm(图1)。紫外光谱传感器扫描的256个波长范围为200-390nm。在这个波长范围内，紫外传感器将能够同时测定并区分硝酸盐和亚硝酸盐。硝酸盐和亚硝酸盐通常吸收短波长紫外光(250nm)，有机分子的吸收峰主要出现在250-350nm的紫外波长范围内。380 - 720nm范围内的光吸收来自每次测量时都会测量和进行修正的浊度 (Smith, 2019)。不过，我们仍然有两种使用对单个波长的吸收率来确定特定参数浓度的单波长传感器。UVT-254传感器（或 SAC-254）测量 254nm 波长处的透光率或吸光度(%)。254nm的紫外光能够被有机分子吸收，因此该传感器对测定饮用水和污水内的有机物浓度趋势非常有用。使用 UVT-254传感器，可以输出经过准确校准的COD、BOD和TOC相关值，还会再测一个波长 (550nm) 用于浊度修正。NOx传感器使用单个波长测量硝酸盐(NO3-N)和亚硝酸盐 (NO2-N) 的总和，这足以满足一些生物脱氮除磷应用中的氮监控需求。尽管单波长传感器可以提供有用的数据和趋势，但与光谱传感器相比，其准确度和可重复性不佳。使用单波长进行测量和浊度修正时，此类传感器可能无法检测到某些形式的有机分子，无法区分硝酸盐和亚硝酸盐，也无法准确补偿浊度。单波长和光谱传感器各有优势，所以哪种更适合您的应用呢？使用单波长传感器能够以适中的价格获得有机物或氮氧化物的趋势数据，并且甚至有些应用专门需要用到单波长传感器，例如紫外线消毒需要UVT-254。然而，光谱传感器已针对特定应用（进水、二级处理、出水）进行校准，并且由于此类传感器扫描256个波长，从而准确性、可靠性都比单波长传感器更高，浊度修正也更准确。测量光程是什么？为什么很重要？测量光程是指光源和探测器之间的距离，在分光光度法测量中非常重要。测量光程(又称狭缝宽度)是根据比尔-朗伯定律计算光吸收率时的一个计算因子，并且受样品水浊度的影响极大。因此，紫外可见传感器通常具有固定的测量光程，并针对特定应用提供不同的狭缝。IQ SensorNet紫外可见传感器有2种测量光程可供选择：1mm和5mm(图 2)。1mm狭缝用于监控未经处理的污水和二级处理，因为这些应用通常浊度较高。5mm狭缝用于监控处理后的出水、低浊度污水，有时还可用于监控一些地表水或饮用水应用。取决于应用类型，其他制造商可能还会提供10-50mm的测量光程。选择YSI紫外可见传感器时，注意701型号传感器为 1mm测量光程(适用于未经处理的污水或活性污泥)，705型号传感器为5mm 测量光程(适用于低浊度的处理后出水)。如何安装紫外可见传感器？紫外可见传感器一般比其他在线传感器更大、更沉，因此在确定安装选项时应特别考虑。与所有在线传感器相同，应基于安全性和可达性来选择安装位置和方式。要确保可以轻松接触到传感器，以便偶尔进行维护，因此有足够的操作空间非常重要。传感器的安装位置应符合要求的扶手和过道安全标准。同样，紫外可见传感器的安装也应易于使用，并使传感器易于操作。最后一点，由于传感器可能比较沉，安装的稳固性也非常重要，必须能够承受相应重量，尤其是对于存在堵塞问题的污水设备。紫外可见传感器在污水中最常见的安装方式为浸入式安装。浸入式安装通过将传感器直接浸入集水池或水流中，直接测量过程用水。WTW紫外可见传感器提供两种沉浸式安装选项：刚性安装或摆动/链条安装。刚性安装包括将紫外可见传感器固定至一个金属杆上，然后将金属杆安装至护栏或墙壁上。当需要较稳固的解决方案，如水比较湍急或水中有堵塞时，这种安装类型是最佳选择。对于一般的沉浸式安装应用，摆动和链条安装更具优势。使用这种安装，传感器将更容易操作，因为传感器悬挂在链条末端，通过链条便可轻松地在集水池中进行升降。摆动臂将传感器伸出集水池外面，但是也可容易接近，只需将传感器摆动至靠近护栏的位置就能够拆下传感器进行维护。 对于像处理后的污水出水、污水回用或饮用水等清水应用，流通池可能是最佳选择。在这些应用中，由于缺乏合适的位置或因NSF要求，不能使用沉浸式安装。使用流通池时，紫外可见传感器将采用壁挂式安装，流通池会形成一个腔体让水流经光学窗口。水流持续运送至传感器进行测量，然后排出。无论将WTW紫外可见传感器用于清水还是污水应用，选择最适合的安装选项都非常重要，这样既能够确保传感器正常运行，还可将维修工作量保持在最低限度。 如何维护？尽管紫外可见传感器的维护要求不高，且不需要试剂，但仍然需要偶尔进行保养以优化运行。相比于其他在线传感器，WTW紫外可见传感器具有所需维护工作量最少的巨大优势。本系列传感器具有内置的独特自动超声波清洗系统UltraCleanTM技术。该系统不仅有助于保持测试窗口长久清洁，而且整个系统都置于传感器内部，所以没有需要更换的密封件或挂刷。保持紫外可见传感器清洁对传感器性能至关重要。因此，紫外可见传感器通常带有自动清洁系统，这可有效降低传感器总的维护时间。WTW提供两种类型的自动清洁系统：一种是所有传感器中都已内置的UltraClean；另一种是空气清洁系统。UltraClean超声波清洁系统轻微振动传感器的光学窗口，清除堆积的固体。这种技术已被证明在具有较多固体的污水应用中非常成功，WTW的ViSolid(TSS)和VisoTurb(浊度)传感器中同样也应用了此技术。WTW紫外可见传感器的另一个自动清洁选项是空气清洁系统。该系统使用空气压缩机定期向光学窗口上喷放压缩空气，清除任何可能干扰测量的固体。WTW空气清洁系统直接与传感器相连，并且可以通过控制器进行编程控制，根据所需时间间隔进行清洁。两种自动清洁系统都能使传感器在废水应用中保持数周的准确读数。自动清洁系统非常有助于减少整体维护时间，但是为了达到最佳性能，仍然需要偶尔进行手动清洁。每两周从测量环境中取出紫外可见传感器进行一次手动清洁，可大大减少潜在的测量问题。手动清洁非常简捷，整个过程只需1分钟，包括用清水冲洗测量狭缝、使用清洗液清洗、用软布擦亮镜片然后彻底冲洗干净。此外，还应保持日常维护以确保传感器清洁。维护的另一方面是校准和验证。WTW紫外可见传感器使用实验室参照样品进行校准，用于调整传感器的原始信号与实验室浓度值相关联的斜率。如前文所述，光谱传感器已针对特定应用进行出厂校准，但也可以自行校准，使传感器的测量适应过程用水。单波长传感器也可对主要参数进行校准，但相关值(BOD、TSS、TOC 等)必须根据实验室测量值进行准确校准。应根据需要进行校准，例如当传感器首次安装、移动到新位置或传感器对参考样品的测量不准确时。WTW紫外可见传感器具有双通道测量系统，其中一个相同的参比通道用于监控并校正光源灯或探测器的老化，防止任何潜在校准漂移。这样可免去常规校准的麻烦，但是仍建议使用实验室参考样品对传感器测量值进行常规验证，以确保传感器的准确性。

标准集团（香港）有限公司专业生产(供应)销售涂料氙灯老化试验机列产品,公司具有良好的市场信誉,专业的销售和技术服务团队,凭着经营涂料氙灯老化试验机系列多年经验,熟悉产品的各项技术支持，供货周期短价格最优，欢迎来电咨询！一、自然气候老化试验自然气候老化试验方法是国内外广泛采用的方法。其主要原因是自然气候老化实验结果更符合实际，所需的费用较低而且操作简单方便。虽然我们可以在任何地方进行自然气候老化试验，但国际上比较认可的试验场地是美国的佛罗里达，因为其阳光充足。但自然气候老化试验的不足之处是试验需要的时间长，试验人员可能没有这么多年的时间等待一个产品的测试结果。另外，即使是佛罗里达，气候不可能年复一年的完全相同，故试验结果的再现性也不理想。二、氙弧辐射试验氙弧辐射试验被认为是最能模拟全太阳光谱的试验，因为它能产生紫外光、可见光和红外光。正因为如此，在国内外被认为是最广泛采用的方法。GB/T1865-1997(等同于 IS0113411:1994)详细地介绍了这种方法。但这种方法也有它的局限性，即氙弧灯光源稳定性及由此带来的试验系统的复杂性。氙弧灯光源必须经过过滤以减少不期望的辐射。为达到不同的辐照度分布可有多种过滤玻璃类型供选择。选用何种玻璃取决于被测试材料类型及其最终用途。改变过滤玻璃可以改变透过的短波长紫外光类型，从而改变材料遭受破坏的速度和类型。通常运用的过滤有 3 种类型：日光、窗玻璃和扩展的紫外光类型(国标 GB/T1865-1997 中提到的方法 1 和方法 2 对应于前两种类型)。典型的氙弧辐射都配备一个辐照度控制系统。辐照度控制系统在氙弧辐射试验中很重要，因为氙弧灯光源的光谱自身内在稳定性就比荧光紫外灯光的光谱差。国外有人考察了一盏新氙弧灯和一盏用过 1000h 的旧氙弧灯光谱的区别。结果发现，光谱能量分布不但在光源的长波长范围随灯的使用时间延长变化显著，而且在短波长的范围内也有明显变化。这种变化引起的原因是氙弧灯的老化，是它的自身内在特性。对这种变化也可采取多种补救措施。例如提高更换灯管的频度以减轻灯光老化的影响。或者可用传感器控制辐照度。尽管存在因灯老化引起的光谱能量分布变化，氙弧灯仍不失作为耐候性和耐日光照射试验的一种可靠的和反映实际的光源。大多数氙弧辐射试验在模拟润湿条件时采用水喷淋和/或温度自动控制系统(国标 GB/T1865-1997 提出的"表面用水喷淋")。水喷淋方法的局限是当温度相对较低的水喷到温度相对较高的试板上时，试板会冷却下来，这会使材料遭破坏的过程减缓。在氙弧辐射试验中，要求使用高纯度的水以防止试板表面形成沉积物。因此运行费用较高。三、紫外光灯照射试验紫外光灯照射老化试验利用荧光紫外光灯模拟太阳光对耐久性材料的破坏性作用。这与前面提到的氙弧灯有区别，荧光紫外灯在电学原理上与普通的照明用冷光日光灯相似，但能生成更多的紫外光而非可见光或红外光线。对于不同的曝晒应用，有不同类型的具有不同光谱的灯供选择。UVA-340 型的灯在主要的短波长紫外光光谱范围能很好地模拟太阳光。UVA-340 灯的光谱能量分布(SPD)与从太阳光谱中 360nm 处分出的光谱图很近似。UV-B 型灯也是通常使用的加速人工气候老化试验用灯。它比 UV-A 型灯对材料的破坏速度更快，但其比 360 nm 更短的波长能量输出对很多材料会造成偏离实际的试验结果。辐照度(光强度)控制对于获得准确而有重现性的结果是很有必要的。大多数紫外光老化试验装置都配备了辐照度控制系统。这些精确的辐照度控制系统使用户做试验时能选择辐照度量。通过反馈控制系统，辐照度能被连续和自动地监控并精确地得到控制。控制系统通过调节灯管的功率而自动地对因灯管老化或其他原因造成的照度不足进行补偿。荧光紫外光灯因自身内在的光谱稳定性使辐照度控制简单化。所有的灯源随时间老化都会变弱。但荧光灯与其他类型的灯不同，它的光谱能量分布不会随时间变化。这一特点提高了试验结果的重现性，因而也是一大优势。有试验表明，一盏使用了 2h 的灯和一盏使用了 5 600h 的灯在配备了辐照度控制的老化试验系统中的输出功率无明显区别，辐照度控制装置能够维持光强度的恒定。此外，它们的光谱能量的分布也无变化，这同氙弧灯有很大区别。使用紫光灯老化试验的一个主要优势在于它能够模拟较为符合实际的室外潮湿环境对材料的破坏作用。材料置于室外时，据统计每天至少有 12 h 频繁地遭受潮湿作用。因为这种潮湿作用大多表现为凝露的形式，因而在加速人工气候老化试验中采用一个特殊的冷凝原理来模仿室外潮湿。在这样的冷凝循环过程中，要加热试验箱底部的水槽以产生蒸汽。热蒸汽保持试验箱的环境在高温下有 100％相对湿度。试验箱设计时，要使试板实际上构成试验箱的侧壁。这样试板的背面暴露在室温的室内空气下。室内空气的冷却作用使被测的试板表面的温度比蒸汽温度降低几度。这几度的温差可使水在冷凝循环过程中连续不断地降到被测试表面。如此产生的冷凝水是性质稳定的、纯净蒸馏水。这种水能提高实验结果的重现性，排除水沉积物污染问题并且简化试验设备安装和操作。因为材料在室外受潮的时间一般很长，所以典型的循环冷凝系统最少要有 4 h 的试验时间。冷凝过程在加温条件下进行(50℃)，就会大大地加快潮湿对材料的破坏速度。长时间的、加热条件下进行的冷凝循环比其他诸如水喷淋、浸渍和其他高湿度环境的方法更能有效地再现潮湿环境破坏材料的现象。四、结 语虽然国标规定且国内目前通行的耐老化试验方法是氙弧辐射，但在国外氙弧辐射和紫外光老化试验都是应用广泛的试验方法。这两种方法是基于完全不同的原理。氙灯照射试验箱仿制全部的太阳光谱，包括紫外光、可见光和红外光，其目的是模拟太阳光。而紫外光老化试验并不企图仿制太阳光线，而只是模仿太阳光的破坏效果。它是基于这样的原理，长期在室外暴露的耐久性材料，受短波紫外光照射引起的老化损害最大.另外，即便是在自然气候下进行老化试验，还有一种加速的方法，就是将被测试样板装在能随太阳升起降落而转动的样板架，使样板大部分时间保持被阳光直射的状态，以获得加速试验结果。20 世纪 80 年代前采用碳弧灯或直接用紫外灯照射，进行平行试验，也可缩短检验周期，究竟哪种试验方法是最好的呢?没有简单的答案。选择哪种方法取决于要测试的材料，材料的最终应用场合，所关心的材料遭破坏的模式和财力等方面的因素。更多关于 氙灯老化试验机：http://www.standard-group.cc/productlist/

中国科大微电子学院龙世兵教授团队与复旦大学芯片与系统先进技术研究院刘琦教授团队合作，利用深紫外(DUV)光电突触结合忆阻器的构架实现了基于储备池计算(RC)的指纹识别系统，相关成果以“In-sensor reservoir computing system for latent fingerprint recognition with deep ultraviolet photo-synapses and memristor array”为题于11月3日在线发表在学术期刊《Nature Communications》上。 　　深紫外光电探测器在深空探索、环境监测、生物信息识别等领域的角色举足轻重，然而高速智能化探测在DUV波段存在严重缺失。以传统的指纹识别系统为例(图1a)，其中传感器、存储器和处理器的分离恶化了决策的延迟，并不可避免地增加了整体计算能耗。随着智能时代的来临，这类光信息应该以什么样的形式进行处理？在生物体中，光信息的采集通过视觉神经系统来完成，而光信息的处理通过中枢神经系统进行(图1b)。受此启发，合作团队提出通过感算和存算器件分别模拟神经突触的行为，来实现感存算一体化的光信息采集与处理(图1c)。图1基于光突触和忆阻器件阵列的RC系统。(a)以指纹识别为例的传统DUV图像识别系统的数据传输及处理模式。(b)生物视觉识别系统示意图，包括视网膜、视神经元和视皮层。(c)以光学突触为储备池输入层，忆阻器件阵列为读出网络层的感算RC系统。 　　团队基于富镓氧化镓材料设计，利用非晶材料的显著持续光电导效应，制备了具备短时程效应的光突触器件。通过4比特的紫外光脉冲输入测试，构建了感算器件RC网络的映射关系，这可以将图片信息通过紫外光转化为特征电流值(图2a)。最终，通过存算忆阻器阵列稳定的多态调控特性实现了对储备池输出的训练，实现了小规模的深紫外指纹识别功能。基于该硬件系统，采用定制化特征值策略，DUV指纹图像的高识别精度几乎与软件仿真结果相匹配(图2b,c)。该系统在短期训练后即可达到100%的识别准确率，并且即使在15%背景噪声水平下也能保持90%的准确率，这与DUV波段的抗噪特性相符(图2d)。这种全硬件感算RC系统为高效的识别和安全应用提供了很好的参考原型，也对深紫外波段的智能光电器件发展具有重要参考意义。图2 基于硬件感算RC系统的DUV指纹识别。(a)硬件光电RC系统的示意图，包括生成特征输出的光突触储备池层和执行网络训练的忆阻器读出层。模拟和硬件实验权重的(b)颜色映射图和(c)统计直方图。(d)随机噪声对RC系统指纹识别准确率的影响。 　　该成果得到了审稿人的充分肯定：“这个原型系统将为感内储备池计算系统的发展提供更多思路，整个工作的主题非常有趣。”(“This prototype system … will provide more insight into emerging in-sensor reservoir computing. Overall, the topic of this work is truly interesting”)。 　　中国科大微电子学院博士生张中方为本文的第一作者，龙世兵教授、赵晓龙副研究员以及复旦大学芯片与系统先进技术研究院的张续猛副研究员为本文的共同通讯作者。该成果得到了国家自然科学基金、中科院战略先导、中科院重点研发计划、广东省重点研发计划以及中国科大微纳研究与制造中心等的资助。