高精度光度計的研制

魏世龍 曾國強 梁偉忠 劉 輝

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

高精度光度計的研制

魏世龍 曾國強 梁偉忠 劉 輝

(成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，四川 成都 610059)

為盡可能地縮小儀器的體積，簡化儀器的復(fù)雜度，使儀器更加輕巧、易于攜帶，設(shè)計了一種波長為520 nm的便攜式高精度專用光度計。其采用高共模抑制比的差動放大器AD8276構(gòu)成高穩(wěn)定度恒流源，使用數(shù)字式光電傳感器TSL2561作為光強度檢測元件，選用隔離器ADuM1201與上位機隔離交互通信，將測量數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機供用戶處理。通過連續(xù)48 h的測試，數(shù)據(jù)波動程度小于0.1%，該光度計能夠滿足專用光度計的要求。

光度計 光照度傳感器 隔離電源 恒流源 隔離通信

0 引言

光度計又稱分光光度計，是一種利用比色光譜分析原理對物質(zhì)進行定量定性分析的儀器。傳統(tǒng)的分光光度計體積龐大而笨重，機械設(shè)計較為復(fù)雜，難以滿足儀器便攜的需求；同時價格不菲，不利于推廣[1]。本設(shè)計主要針對上述傳統(tǒng)分光光度計的不足進行硬件上的改進，設(shè)計了一種體積小、電路結(jié)構(gòu)簡潔、波長為520 nm的專用光度計，并配套上位機軟件，可測定特定溶液的濃度。

1 系統(tǒng)總體思想和結(jié)構(gòu)簡介

光度計對溶液濃度的分析方法是根據(jù)溶液對特定波長光的選擇性吸收的特性而建立的。由于不同物質(zhì)分子的組成和結(jié)構(gòu)不同，它們所具有的特征能級和能級差也不同，而各物質(zhì)只能吸收與它們分子內(nèi)部能級差相當(dāng)?shù)墓廨椛?，所以不同物質(zhì)對不同波長光的吸收具有選擇性[2]。分析溶液的濃度與吸收光度有關(guān)。物質(zhì)之所以有顏色，是它對不同波長的可見光具有選擇性吸收的結(jié)果，且其呈現(xiàn)出的顏色恰恰是它所吸收光的互補色，溶液顏色的深淺，決定于溶液吸收光的量的多少，即取決于吸光物質(zhì)濃度的高低。所以溶液濃度越大，吸光度越大，可據(jù)此做定量分析。

傳統(tǒng)的分光光度計由光源、單色器、吸收池、檢測器、處理器組成，如圖1所示。

圖1 分光光度計結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的光源有鎢燈、鹵鎢燈、氙弧燈、氘燈、汞燈、氙燈、激光光源等。最常見的是鹵鎢燈，但是鹵鎢燈光源自身體積較大，正常工作還需外加驅(qū)動電路與散熱電路，因而總體積更大，不利于儀器整體小型化。傳統(tǒng)光度計光源中，鹵鎢燈的替代方案是氙弧燈，它能產(chǎn)生較寬的能量輸出，但由于氙弧燈源需要高電壓，同樣難以小型化。傳統(tǒng)分光光度計的結(jié)構(gòu)決定了儀器體積大的特點。

單色器是傳統(tǒng)分光光度計的關(guān)鍵部件，其作用是將來自光源的混合光分解為單色光，并提供所需波長的光。

2 電源管理與隔離

電源電路是系統(tǒng)的心臟。對于精密儀器來說，供電電源常常是產(chǎn)生噪聲的根源之一[3]。本設(shè)計對于電源的要求是：隔離、降壓。電源隔離可以抑制市電給整個系統(tǒng)帶來的噪聲，消除了接地回路的干擾，同時還起到防雷電的作用。此外，經(jīng)過隔離降壓后，產(chǎn)生兩路電源：一路用于數(shù)字電路，為控制器和數(shù)字式光強度傳感器TSL2561等供電；另一路用于模擬電路，為恒流源提供電源。

電源電路采用隔離DC-DC模塊，將市電和系統(tǒng)供電隔離開，以抑制市電給整個系統(tǒng)帶來的噪聲，同時消除接地回路的干擾。電源電路提供3種電壓：3.3 V、5 V、6 V。3.3 V電壓供給主控制器電路、LED控制電路和光電檢測電路；5 V電壓供給串口通信和串口隔離電路；6 V電壓供給恒流源電路。

具體的電源管理電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電源模塊框圖

外部電源由12 V/1 A的適配器接入。由于恒流源電路的需要，采用的DC-DC隔離穩(wěn)壓模塊為6 V輸出。3.3 V和5 V的電壓由6 V電壓降壓得到。

3.3 V電源用于給數(shù)字電路部分供電，由于數(shù)字部分的功耗非常小，最簡單的方案是直接選用高性價比的電源管理芯片AMS1117-3.3。

5 V電源用于恒流源電路部分，使用TI的Webench，以電源芯片TPS54062為核心設(shè)計，該電路輸出為5 V/30 mA。

3 恒流源與光源

目前，在分光光度計光源上得以普及的一種光源是LED源。LED發(fā)光源具有體積小、發(fā)熱量低、工作電流小、工作電壓小、輸出穩(wěn)定、使用壽命長達10萬個小時的特點，最重要的是單色LED能夠發(fā)射出較為純凈的單色光譜。由于LED是一種電流通過時發(fā)射一特定頻帶的光的半導(dǎo)體裝置，因此不同的LED有不同的發(fā)射頻帶[4]。

此外，以單色LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)分光光度計的光源和單色器，將大大簡化儀器的機械結(jié)構(gòu),并且極大地縮小了儀器的體積和質(zhì)量,實現(xiàn)了儀器的微型化。

本設(shè)計的基本組成為：LED光源、吸收池、檢測電路、主控制電路和上位機軟件。其中最為核心的部分為LED光源，LED產(chǎn)生的單色光光源的穩(wěn)定性將直接決定后續(xù)檢測電路輸出的數(shù)字信號的穩(wěn)定性。如果LED發(fā)射的單色光不穩(wěn)定，那得到的檢測數(shù)據(jù)將有很大跳動，這種跳動是軟件無法處理的，會直接影響到儀器的線性度。LED單色光源的穩(wěn)定性是由它的控制電路的穩(wěn)定性決定的，要求流過LED的電流必須具備高穩(wěn)定度。

LED光源的驅(qū)動電路通常有兩種：恒壓源驅(qū)動、恒流源驅(qū)動。考慮到不同波段LED自身的壓降是不同的，這就需要一種波段的LED使用一種恒壓源，但顯然這是不現(xiàn)實的。由于LED的光強與流經(jīng)自身的電流大小成正比，因此采用不同波段的LED復(fù)用同一恒流源是可行的。

設(shè)計要求恒流源具備高度穩(wěn)定性。恒流源電路有很多種方式實現(xiàn)，但影響恒流源穩(wěn)定性的主要因素有電壓基準(zhǔn)源、噪聲、溫度。在此不強調(diào)恒流源的精度，只需確保恒流源的輸出電流高度穩(wěn)定便可。選取合適的電壓基準(zhǔn)源是恒流源穩(wěn)定的第一關(guān)。為了最大程度減少溫度和噪聲的影響，恒流源要有良好的共模抑制能力。對于運算放大器構(gòu)成的恒流源來說，這就要求運算放大器有很高的共模抑制比(CMMR)[5]。

差動放大器具備很好的共模抑制比，將差動放大器用于高穩(wěn)定度恒流源是很好的選擇。

恒流源電路是除了電源之外最為關(guān)鍵的部分。為保證比色分析的精度和穩(wěn)定度，作為光源的發(fā)光二極管的發(fā)光強度要始終保持恒定不變，即不會隨溫度的變化而變化。

對于要求高穩(wěn)定度的恒流源，要特別考慮溫度和噪聲的影響。溫度和噪聲屬于共模信號，因而必須選擇具有高共模抑制比的運放來設(shè)計恒流源。運算放大器中的差動放大器的共模抑制比需求抗干擾能力更強，因此選擇差動放大器來設(shè)計高穩(wěn)定度恒流源，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 恒流源電路

差動放大器選擇AD8276，其共模抑制比高達90 dB，具有軌到軌輸出特性，可采用2.7～36 V電源供電，典型增益漂移為1×10-6K。該器件內(nèi)置4個40 kΩ激光調(diào)整電阻，分別與輸入引腳、REF引腳和SENSE引腳相連，它的最大失調(diào)電壓漂移為5 μV/℃，最大增益漂移為10×10-6K。

4 傳感器與光電檢測

在傳統(tǒng)的分光光度計中，常見檢測光照度的傳感器有硅光電二極管、光敏二極管、光敏三極管、線性CMOS光電傳感器等。這些傳統(tǒng)的傳感器需要設(shè)計前端模擬信號調(diào)理電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

檢測光照度的傳感器中有一種集成數(shù)字式光強度傳感器，直接輸出數(shù)字信號，無須額外設(shè)計前端模擬信號調(diào)理電路，使光檢測穩(wěn)定可靠，簡化了系統(tǒng)設(shè)計。

可供選擇的集成數(shù)字式光強度傳感器為TAOS公司的TSL2561，該傳感器采用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸[6]。TSL2561具備高速、低功耗、寬量程、可編程、配置靈活的強度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。其主要特點：① 可編程設(shè)置許可的光強度上下閾值,當(dāng)實際光照度超過該閾值時給出中斷信號;② 模擬增益和數(shù)字輸出時間可編程控制;③ 自動抑制50 Hz/60 Hz的光照波動。

圖4 TSL2561內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

該芯片體積小，成本低，已在光強監(jiān)測控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

5 系統(tǒng)控制與上位機設(shè)計

本設(shè)計的控制部分較為簡單，選擇一個基本功能齊全的MCU便可。

控制器電路是整個電路的控制中心。它負責(zé)控制恒流源開通和關(guān)斷來間接的控制LED的亮滅；接收來自光電檢測電路的數(shù)據(jù)，進行簡單處理運算；將數(shù)據(jù)通過串口傳給計算機。

主控制器采用TI公司的超低功耗微處理器MSP430G2553。該控制器體積小，同時具有串口、定時器等外設(shè)功能，完全能夠滿足本設(shè)計的要求。

通過串口可以將采集到的數(shù)據(jù)傳送到計算機，通過計算機對數(shù)據(jù)進行一系列的分析，測定溶液的濃度。串口通信電路也需要隔離，通過將外部電源和系統(tǒng)電源隔離，可避免外部噪聲對系統(tǒng)的干擾，隔離芯片ADuM1201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示[7]。這部分電路的關(guān)鍵是數(shù)字式隔離器的選型，要求隔離器的功耗不能太大。

圖5 ADuM1201隔離示意圖

6 結(jié)束語

隨著科技的進步，分光光度計的技術(shù)工藝也不斷提升。利用LED燈作為光源的分光光度計早有先例，本系統(tǒng)也是順應(yīng)這一趨勢而作的改進。本系統(tǒng)設(shè)計的分光光度計有兩點創(chuàng)新：一是設(shè)計了一種穩(wěn)定度極高的恒流源，確保了單色LED等光強的穩(wěn)定性，每隔30 s測量一次數(shù)據(jù)，波動范圍小于0.1%；二是使用數(shù)字式光強度傳感器TSL2561，代替了傳統(tǒng)的信號調(diào)理電路，極大地減少了設(shè)計的復(fù)雜度，優(yōu)化了儀器的測量精度。

[1] 秦鯤,曾國強,徐進勇,等.一種新型便攜式高精度數(shù)字比色儀[J].自動化與儀表,2012(4):14-17.

[2] 沈曉偉,黃梅珍,韓振興,等.便攜式多功能比色儀的研制及實驗[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2009(1):153-156.

[3] 孫堅,王瑛輝,鐘一虓,等.超級隔離電源的研究[J].工業(yè)計量，2014，24(1):68-69.

[4] 劉煜原,羅毅,韓彥軍,等.LED波長一致性和溫度均勻性對背光源色差的影響[J].半導(dǎo)體光電，2010，31(1):104-107.

[5] 劉艷,汪毅,賈雯杰,等.一種常見精密恒流源的改進與應(yīng)用[J].電測與儀表,2011(4):93-96.

[6] 姜連祥,汪小燕.基于光強傳感器TSL256x的感測系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(12):43-45.

[7] 李英,徐釗.采用ADuM1201的CAN總線隔離方法[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(4):45-47.

Research and Development of the High Precision Photometer

In order to greatly reduce the volume of instrument and simplify the complexity of instrument, to make the instrument more lightweight and easier to carry, the portable dedicated high precision photometer with 520 nm of wavelength has been designed. In this instrument, by using high common mode reject ratio differential amplifier AD8276, the highly stable constant current source is built, and the digital optical sensor TSL2561 is used as the light intensity detection element; the isolator ADuM1201 is selected to implement isolated interactive communication between instrument and host computer, to send the measured data to host computer via serial port for user to process. The 48-hour test shows that the degree of fluctuation of data is less than 0.1%, this meets the requirement of dedicated photometer.

Photometer Light illuminance sensor Isolated power supply Constant current source Isolated communication

魏世龍(1992-)，男，現(xiàn)為成都理工大學(xué)測試計量技術(shù)與儀器專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事核儀器開發(fā)方面的研究。

TH833

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201509025

修改稿收到日期：2014-08-27。