现有的国标光度法无法直接测定流程工业中连续反应单元生产过程的污染物, 主要原因是氧气在深紫外区对紫外光的吸收干扰了紫外分光光度计对目标物质的检测, 导致检测结果存在一定程度偏差。 因此, 解决这一问题的关键核心是稳定获取深紫外区不同特征波长物质的高灵敏光度信息。 在紫外分光光度计基础上加装氮气输配系统, 同时设计了自动进样流通池及进样托盘以实现检测间隙自动进样功能, 减少检测间隙氮气消耗。 为提高仪器稳定性, 分别精准控制通入仪器内部光学系统区、 样品室和数据接收区三个腔体的氮气流量, 数值分别为6, 2和3 L·min-1, 使仪器基线平直度平均值由0.108降低至0.010, 较空气条件削减了90.7%。 通过对比空气与氮气两种气氛下直接测定SO2-4的吸光度、 灵敏度、 灵敏度变化量和线性范围的差异, 发现氮气气氛下检测结果的吸光度和灵敏度在光程b=1~100 mm范围内均有提升, 灵敏度变化量随b=1 mm时的10.42%增大至b=100 mm时30.65%, 线性范围却随光程的增加由0.09 g·L-1缩短至0.03 g·L-1。 说明氮气输配系统能够成功抑制检测过程中紫外光强度的衰减。 与检测SO2-4的常用方法之一的离子色谱法相比, 该方法具有检测便捷、 检测结果稳定可靠并且经济效益良好的优势, 可为工业实际应用奠定基础。

设计了一种分光测色仪，使用氙灯作为分光测色仪的测量光源，设计机械结构调整紫外部分的能量在整个氙灯发光强度中的比例。使用荧光物质比例确定的标准色板作为标准物质对仪器和标准仪器进行校准。设计算法对照明光源进行修正，使得照明光源的紫外光谱辐射强度和标准仪器一致，进而降低台间差。此外，设计了实验对方案效果进行验证。未应用所提方案的仪器在CIELAB均匀颜色空间中：测量无荧光材料颜色台间差ΔE_ab的最大值为0.88，平均值为0.44；测量有荧光色台间差ΔE_ab的最大值为13.69，平均值为3.46。应用所提方案后仪器在CIELAB均匀颜色空间中：测量无荧光色台间差ΔE_ab的最大值为0.88，平均值为0.38；测量有荧光色台间差ΔE_ab的最大值为3.88，平均值为1.04。实验结果证明，使用所提方案可以较好地提升不同仪器之间对荧光色测量的台间差水平。

目前微型分光光度计已广泛应用于水质在线分析仪器中, 而杂散光作为分光光度计检定中的一个重要指标, 其大小对于测量结果具有很大的影响。理论分析了杂散光的来源及其对分光光度计测量结果的影响, 搭建了测试平台, 对两台不同程度杂散光的微型分光光度计进行了检测, 并将其分别应用于六价铬水质分析仪中, 对不同浓度的标准溶液进行了测量, 结果表明, 杂散光的存在会引入较大的测量误差, 且随着溶液浓度的增大, 其影响更加严重。因此, 在仪器设计制造和实际应用工作中须重视对杂散光的抑制和控制, 从而提高仪器的测量精度, 进一步保证用水安全, 降低水质污染带来的各种风险。

针对多组分金属离子混合溶液的紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)重叠严重、 难以分离的问题, 提出了一种基于稳定性和可信度偏最小二乘法(SCPLS)的特征波长选择方法。 在SCPLS中, 引入指数衰减函数(EDF)以迭代的方式对波长变量进行选择。 在每次迭代中对蒙特卡罗采样所得到的数据集建模, 计算各波长变量的稳定性和可信度指标, 并通过EDF选择具有较高稳定性和可信度的变量, 选择的变量作为新的变量集进入下一次变量选择迭代。 迭代全部完成后, 计算每一次迭代所选的变量集建模的交叉验证均方根误差(RMSECV), 选择RMSECV最小的变量集作为波长变量选择的结果。 利用Zn(Ⅱ), Cu(Ⅱ) 和Co(Ⅱ)混合溶液的紫外-可见光谱数据集和Zn(Ⅱ)和Co(Ⅱ)混合溶液的紫外-可见光谱数据集对所提方法性能进行了验证, 并与全波段偏最小二乘、 移动窗口偏最小二乘法(MWPLS)、 蒙特卡罗无信息变量消除方法 (MC-UVE)、 竞争性自适应加权算法 (CARS)和稳定性竞争自适应加权算法(SCARS)进行了比较分析。 结果表明: 该方法不仅能降低波长选择的复杂度, 还能在保证波长选择过程稳定的情况下, 选出对模型重要的波长变量, 较之其他方法所提出的方法选取的变量建立的模型RMSECV最小, 对于Zn(Ⅱ), Cu(Ⅱ) 和Co(Ⅱ)数据集, 使用SCPLS方法得到的Zn(Ⅱ), Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的RMSECV值分别比全光谱PLS下降60.5%, 40.2%和31.8%, 与SCARS相比分别下降29.8%, 26.1%和0.8%, Zn(Ⅱ), Cu(Ⅱ)和Co(Ⅱ)平均相对误差分别为2.14%, 1.25%和0.74%, 其中Zn(Ⅱ)的最大相对误差为4.67%, Cu(Ⅱ)的最大相对误差为3.99%, Co(Ⅱ)的最大相对误差为3.12%; 对于Zn(Ⅱ)和Co(Ⅱ)数据集, 使用SCPLS方法得到的Zn(Ⅱ)和Co(Ⅱ)的RMSECV值分别比全光谱PLS下降39.4%和24.9%, 与SCARS相比分别下降35.3%和13.3%, Zn(Ⅱ)和Co(Ⅱ)平均相对误差分别为1.23%, 1.10%, 其中Zn(Ⅱ)的最大相对误差为4.45%, Co(Ⅱ)的最大相对误差为4.57%, 有效提高光谱建模精度。

研制了一种分光光度计, 其具有结构小、波段范围宽、分辨率高等特点, 并基于该分光光度计搭建了一套多参数水质在线分析系统, 通过对总磷、总氮、氨氮各标准溶液的吸光度值的测量, 得到了该分析系统中总磷参数分析模块的准确度为-3.405%, 重复性为1.080%, 总氮参数分析模块的准确度为3.462%, 重复性为1.625%, 氨氮参数分析模块的准确度为0.847%, 重复性为0.809%, 均满足相关标准中规定的计量要求。结果表明该分光光度计能够满足多参数水质在线分析测量系统的应用需求, 实现了多参数一体化以及水质检测的实时化、快速化、自动化、便携化。

为了代替人眼对物体表面的颜色进行信息检测，设计了LED光源手持式分光测色仪。首先，通过计算不同测量波长分布和分辨率在标准光源照射下的三刺激值，比较它们的相对误差，选取了波长分布为400～700 nm、分辨率为10 nm作为光源的主要设计参数。接着，对照明光源进行研究，通过对卤钨灯、脉冲氙灯与LED光源的均匀色空间坐标进行对比，选取了LED光源作为仪器的照明光源。然后，讨论了不同照明和观测条件及人眼观测颜色的差异，选取以45°方向照明、0°方向接收作为照明和观测条件。最后，进行了照明系统设计和总体结构设计。实验结果表明，测色仪目标中心位置的最大光照强度为9.91×10-3 lm/mm2，平均照度为7.06×10-3 lm/mm2，基本满足了手持式分光测色仪精度较高、轻小型化、光照充足且均匀的设计要求。

基于交叉非对称式Czerny-Turner系统,研制了一种宽光谱、高分辨率的微型分光光度计。采用三次多项式拟合的方法对该分光光度计进行波长标定,测得其相对波长误差小于0.1 nm。采用该分光光度计搭建一套实验测量系统,并配制显色剂与六价铬标准溶液,测试该系统的性能。结果表明:该分光光度计能够满足六价铬水质在线分析仪的应用需求,为实现高精度、多波长水质参数在线监测提供了解决方案。

基于交叉非对称式切尔尼-特纳系统设计了一种宽光谱高分辨率微型分光系统,采用Zemax光学设计软件进行了光路设计、优化及像质分析后,得到了尺寸为70 mm×42 mm×15 mm、波长范围为200~750 nm、分辨率为1.5 nm的分光系统,并搭建了实验光路对设计结果进行了性能验证,结果表明该系统满足了设计指标要求,具有小型化、高分辨率、结构简单、成本低等特点,可应用于水质在线自动分析仪器中进行多种水质参数的监测。