水體藻類濃度遠程檢測系統(tǒng)的設(shè)計

張戈 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司 南昌市 330002

0 引言

近年隨著經(jīng)濟高速發(fā)展，人們生活水平日益改善，環(huán)境破也日益嚴重。工業(yè)和生活用水的任意排放造成湖泊水體中藻類大量繁殖，水體生物因藻類過度繁殖而缺氧死亡，引起水體富營養(yǎng)化，稱為“水華”。加強對水體藻類的繁殖檢測尤為重要[1-3]。

水體藻類色素作為鑒定不同藻類和浮游植物群落組成的特征標(biāo)示物。通常以葉綠素濃度來反應(yīng)藻類浮游植物繁殖程度。其中葉綠素a是水體生態(tài)系統(tǒng)的重要參數(shù)，通過有效方法來檢測a濃度達到檢測水體藻類繁殖程度的目的[4]。對選取規(guī)范方法、超聲波法、反復(fù)凍融法、延時提取法、熱丙酮法、丙酮加熱法、熱乙醇法、混合溶劑法是常見的8種檢測方法。但這8種方法都需要提取樣本，并在實驗室內(nèi)完成葉綠素a的測定[5]。其操作復(fù)雜，不能達到在線檢測的效果，效率低下。

作者結(jié)合自動化控制、傳感器、熒光檢測、和通信技術(shù)，并通過相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，設(shè)計出一套能夠?qū)崟r檢測葉綠素a濃度的在線檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有操作方便、靈活性強、測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確等優(yōu)點。

1 檢測方法及原理

藻類葉綠素a的檢測采用熒光發(fā)射原理。紫外光照射物質(zhì)分子時，受激發(fā)分子以輻射形式將其吸收的能量釋放返回基態(tài)時會發(fā)射出波長大于激光。對于不同熒光物質(zhì)其分子結(jié)構(gòu)和能量分布不同，顯示出的吸收光譜和熒光光譜特性也不同[6]。葉綠素a在受光435nm波長光激勵時，a分子發(fā)出熒光峰值波長為685nm，其中發(fā)光過程在激光停止后約10-8s內(nèi)停止。只要激光的光強一定，熒光強度隨著a濃度的變化而變化。

經(jīng)過在紫外光的激發(fā)下，a分子所發(fā)出的熒光強度為：

其中，k為儀器常數(shù)；Q為物質(zhì)熒光效率；I0為激勵光光強；c為物質(zhì)濃度；b為樣品光程差；ε為摩爾吸收系數(shù)。

只要k，Q，I0，b，ε一定，A、B、C也就是定值，a濃度C和熒光強度F成數(shù)學(xué)關(guān)系。通過光學(xué)傳感器對熒光的強度進行檢測，能推斷出葉綠素a的濃度。

2 檢測裝置及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 熒光檢測裝置設(shè)計

裝置為鋼制T形，長15cm，內(nèi)直徑5cm，外直徑6cm，內(nèi)壁有反光性高鉻涂層。其中紫色激光頭功率為50mw，中心波長435nm，光源具有高穩(wěn)定性、強持續(xù)性以及高亮度、低損耗等特點。激光射出后通過435nm干涉濾光片，濾出光波能保證葉綠素a達到最佳激勵。激發(fā)光透過濾光片射在分光棱鏡上將光一分為二，射入測量槽內(nèi)的是有用光，射向光電二級管1的是參考光。整個裝置浸水后，槽內(nèi)被水填滿，濾網(wǎng)雜物擋在槽外，保證檢測可靠性。435nm波長的有用光與測量槽內(nèi)水中的葉綠素a發(fā)生熒光反應(yīng)射出熒光。該光的中心波長為685nm，裝置內(nèi)裝有干涉濾光片下方再放置凸透鏡，焦點處安裝光電二級管2將熒光匯聚減少能量的損失。整個裝置在水下工作，其密封性良好，保證了各個器件正?？煽抗ぷ?。

2.2在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)在線檢測目的，裝置安裝在遙控小船上，船上安有自動升降桿，裝置固定在升降桿上，C8051F020單片機控制連接升降桿的步進電機，使裝置水中自由升降。光電二級管1和2測量電壓值分別經(jīng)過DSP放大電壓后，送入單片機兩路12位A/D轉(zhuǎn)換端口進行同步采樣。對參考和可用光作除法剔除整個系統(tǒng)因各種原因造成光源不穩(wěn)定性帶來的熒光值的浮動現(xiàn)象，減小外界光源對檢測系統(tǒng)影響。通過控制電路對激光頭的電流調(diào)解實現(xiàn)光強可調(diào)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式傳送。選擇nRF2401無線收發(fā)模塊，其傳輸數(shù)據(jù)速度快，外接天線能達幾百米距離。模塊的工作電壓和單片機的工作電壓一致，簡化了電路設(shè)計。岸邊檢測人員通過計算機的操作實現(xiàn)遠距離在線檢測。數(shù)據(jù)傳輸方式為半雙通方式，如圖2所示。

2.3 信號處理電路設(shè)計

藻類繁殖情況不同，其葉綠素a濃度也不同。當(dāng)紫色激光頭對其進行照射時，發(fā)出的光強也有較大差距。當(dāng)葉綠素a濃度比較低時，二級管2采集的光電信號將非常微弱，故必須用特殊放大器對其進行信號放大，否則無法到達采樣電壓。

選用運放型號是ICL7650。該運放可分辨10-12A電流，采用CMOS工藝集成的載波穩(wěn)零高精度運放，具有響應(yīng)快、體積小、穩(wěn)定性好等特點。其接法如圖3，光電二級管反偏接入直流電源端，C55起穩(wěn)壓的作用。光電二極管為美國PSS系列低暗電流光電二極管，其響應(yīng)度高、暗電流低、體積小、重量輕，廣泛用于微光探測儀器儀表中。R54、R55、C56組成反饋補償網(wǎng)絡(luò)降低寬帶。芯片10腳直接輸入單片機的A/D采樣端。

3 實驗結(jié)果與分析

為檢驗系統(tǒng)可行性，用濃度為0.1μg/L藻類溶液配置不同濃度溶液，分別為：25%～100%。調(diào)節(jié)激光頭光強，選用光強為60Lm/m2的調(diào)制光照射不同濃度藻類溶液。單片機處理光電傳感器檢測到的電壓信號得出以下實驗數(shù)據(jù)。

表1 藻類濃度與電壓比值表

對數(shù)據(jù)線性擬合，藻類濃度和電壓比值的函數(shù)為y=4.4015x+0.1983，其中y為電壓比值，x為藻類濃度，線性回歸系數(shù)為0.9987，說明系統(tǒng)測得的電壓比值與藻類溶液濃度具有良好線性關(guān)系。

4 結(jié)論

利用熒光發(fā)射原理設(shè)計的藻類在線檢測系統(tǒng)，根據(jù)相關(guān)實驗數(shù)據(jù)得知，該系統(tǒng)可行。系統(tǒng)可靠性、準(zhǔn)確性及其操作的方便性可更好的用于檢測水域藻類繁殖狀況，避免水域污染。