基于雙光路熒光強(qiáng)度法的水體葉綠素a原位傳感器設(shè)計(jì)*

史 正,胡映天,劉 超,王曉萍

(1.浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310027;2.浙江省海洋觀測-成像試驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021)

海洋是地球上十分珍貴的資源寶庫,近些年,我國海洋水產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展,海洋魚類、蝦類、貝類、海珍品等水產(chǎn)品快速拉動了沿海經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。然而隨著海洋水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,過度捕撈、環(huán)境污染、廢水隨意排放等問題日益嚴(yán)重,直接導(dǎo)致了海洋漁業(yè)資源的衰退以及近海環(huán)境的破壞,對海洋環(huán)境以及水產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展十分不利[2],為了維持海洋資源的可持續(xù)發(fā)展,使海洋可以源源不斷地造福人類,海洋牧場成為解決這一問題的有效途徑[3]。近年來,隨著研究的深入以及國家政策的支持,海洋牧場不斷興起,大大提升了沿海地區(qū)養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,使得持續(xù)向海洋要糧食成為可能[4]。海洋牧場的水體環(huán)境和質(zhì)量,是影響其正常運(yùn)營和收益的重要指標(biāo)和因素,主要關(guān)注的水質(zhì)指標(biāo)包括溫度、鹽度、pH、葉綠素a濃度等[5],其中葉綠素a是浮游植物中最重要的色素,其濃度代表著浮游植物的含量[6],同時(shí)也是海水富營養(yǎng)化程度的重要評測參數(shù)之一。浮游植物含量過少會導(dǎo)致海水營養(yǎng)不足,難以維持生物群落生存的需求;而浮游植物含量過多會導(dǎo)致大量浮游植物死亡腐爛,腐爛過程中的有氧細(xì)菌會大量消耗海水中的氧氣,不利于生物群落的生存。因此對海洋牧場中葉綠素a濃度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測,有助于及時(shí)掌握牧場區(qū)海洋生態(tài)環(huán)境的變化特征和規(guī)律,維持海洋牧場的正常運(yùn)營。

目前基于熒光法的水體葉綠素a傳感器已經(jīng)取得了一定研究進(jìn)展。Jacob J Lamb等人設(shè)計(jì)了一款葉綠素?zé)晒鈧鞲衅鱗7],使用435 nm、470 nm和457 nm三種LED分別作為葉綠素a溶液、葉綠素b溶液和葉綠素a、b混合溶液的熒光激發(fā)光源,使用集成有前置放大器的光電二極管作為探測器,傳感器的動態(tài)范圍為0～5 μmol/L。Rao Govind等人設(shè)計(jì)了一款葉綠素和濁度傳感系統(tǒng)[8],使用470 nm大功率LED和三色 LED(470 nm,525 nm,660 nm)作為光源,分別用于熒光檢測和吸光度檢測,并使用溫度傳感器對系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。Lior Blockstein等人設(shè)計(jì)了一款無透鏡便攜式葉綠素a傳感器[9],使用465 nm LED作為光源,使用CMOS作為探測器,并使用鍍有BBY涂層的相機(jī)鏡片作為長通濾光片,通過在FPGA平臺上運(yùn)行圖像處理算法測算葉綠素a的濃度,傳感器的動態(tài)范圍為0～1 μmol/L。殷高方等設(shè)計(jì)了一款基于熒光動力學(xué)的可調(diào)諧脈沖誘導(dǎo)熒光傳感器[10],使用465 nm LED陣列作為激發(fā)光源,使用光電倍增管作為探測器,通過快速強(qiáng)脈沖光和慢速弱脈沖光檢測葉綠素a熒光誘導(dǎo)過程的中間參數(shù),反演出電子轉(zhuǎn)化速率,進(jìn)而對光合作用反應(yīng)速率進(jìn)行測量。

雖然對葉綠素a原位傳感器的研究已有一些成果,但它們普遍沒有考慮光源波動和光源衰減對測量結(jié)果的不利影響,使得傳感器的測量誤差隨傳感器的使用逐漸變大,需要經(jīng)常校準(zhǔn)維護(hù)。針對這些問題,本文設(shè)計(jì)了一款基于雙光路熒光強(qiáng)度法的葉綠素a原位傳感器,使用參考光路補(bǔ)償光源變化對測量結(jié)果的影響,提高傳感器的測量準(zhǔn)確度和連續(xù)工作壽命,降低維護(hù)成本。使用LED和光電二極管作為光源和探測器減小傳感器的體積,使用鎖相放大電路提高傳感器的抗干擾能力和測量準(zhǔn)確度,并通過設(shè)計(jì)低功耗模式減小傳感器的平均功耗。

1 傳感器設(shè)計(jì)原理

1.1 葉綠素a熒光檢測原理

熒光分析法根據(jù)物質(zhì)的熒光特性,不僅可以定性地分析物質(zhì)組成,還可以定量地分析物質(zhì)的含量,具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。水體中葉綠素a的熒光強(qiáng)度特性滿足朗伯-比爾吸收定律,當(dāng)激發(fā)光入射到水體時(shí),葉綠素a產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度為

If=φI0(1-10-εbc)

(1)

式中:I0為入射光光強(qiáng),If為熒光光強(qiáng),c為水體中葉綠素a的濃度,b為入射光在水體中的光程,ε為吸光系數(shù),φ為葉綠素a的熒光效率。對式(1)中的指數(shù)項(xiàng)使用泰勒公式展開成多項(xiàng)式,當(dāng)水體中葉綠素a的濃度和吸光度滿足εbc<0.05時(shí),多項(xiàng)式中的高次項(xiàng)可以忽略,此時(shí)葉綠素a的熒光強(qiáng)度為

If=2.3φI0εbc

(2)

由式(2)可知當(dāng)入射光光強(qiáng)、吸光系數(shù)和光程確定時(shí),葉綠素a溶液產(chǎn)生的熒光光強(qiáng)If與葉綠素a的濃度c成線性關(guān)系。

圖1 葉綠素a的吸收光譜和發(fā)射光譜

當(dāng)溶劑為甲醇時(shí),葉綠素a的吸收光譜和激發(fā)波長為417 nm時(shí)的發(fā)射光譜如圖1所示(數(shù)據(jù)來源自O(shè)MLC)。由圖1可知,葉綠素a在藍(lán)光波段的417 nm和紅光波段的660 nm處存在吸收峰,并且對藍(lán)光波段的吸光度遠(yuǎn)大于對紅光波段的吸光度;葉綠素a在紅光波段的671 nm和720 nm處存在發(fā)射峰,并且671 nm處發(fā)射峰的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于720 nm處發(fā)射峰的強(qiáng)度。

為了使傳感器具有最佳的靈敏度,并考慮實(shí)際器件的選型,本文使用中心波長為430 nm的LED作為葉綠素a熒光的激發(fā)光源,使用光電二極管測量葉綠素a在680 nm處的熒光強(qiáng)度。由圖1可知當(dāng)激發(fā)波長為430 nm時(shí),葉綠素a的摩爾吸光系數(shù)為47 221 cm-1·M-1,而葉綠素a的摩爾質(zhì)量為893.51 g/mol,當(dāng)光程為1 cm時(shí),為了滿足式(2)的成立條件(εbc<0.05),葉綠素a傳感器的檢測上限應(yīng)小于943 μg/L。為了適應(yīng)海洋牧場的實(shí)際需求,本文設(shè)計(jì)的傳感器檢測上限為200 μg/L。

1.2 鎖相放大電路原理

雖然干涉濾光片可以濾除大部分背景光,但是背景光中與熒光波長接近的光會透過濾光片進(jìn)入光電二極管,使得測量結(jié)果與真實(shí)值出現(xiàn)偏差,因此本文使用鎖相放大電路作為熒光信號的放大電路。鎖相放大是微弱信號檢測領(lǐng)域中十分常用的方法,它可以有效地從噪聲中分離出有效信號[11]。其原理是使用正弦波或方波對激發(fā)光源進(jìn)行調(diào)制,在測量系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí),使用與被測量信號同頻同相的參考信號對系統(tǒng)的響應(yīng)信號進(jìn)行解調(diào)。因此,鎖相放大電路具有很窄的通頻帶和很高的品質(zhì)因數(shù)。鎖相放大電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,主要的電路包括帶通濾波器、低通濾波器、乘法器和移相器。

圖2 鎖相放大電路框圖

假設(shè)輸入信號經(jīng)過帶通濾波器后的信號A為

x(t)=β1V0cos(ω0t+θ)

(3)

式中:β1為帶通濾波器的增益,V0為信號的振幅,ω0為調(diào)制頻率,θ為相位。如果參考信號B使用占空比為0.5的方波,它可以用級數(shù)表示為

(4)

若低通濾波器的增益為β2,則信號A和信號B經(jīng)過乘法器和低通濾波器后的輸出信號為

(5)

由式(5)分析可知鎖相放大電路的輸出與原始信號的振幅以及信號A與信號B之間相位差的余弦成正比,當(dāng)相位差為0時(shí),鎖相放大電路的輸出最大。由于噪聲與參考信號同頻同相的概率很小,因此鎖相放大電路具有很好的抗噪聲能力。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,為了簡化系統(tǒng),常常使用方波代替正弦波對光源進(jìn)行調(diào)制。

2 傳感器硬件設(shè)計(jì)

2.1 雙光路熒光強(qiáng)度法檢測光路設(shè)計(jì)

在實(shí)際環(huán)境中,LED的發(fā)光強(qiáng)度容易受到溫度、驅(qū)動電流波動以及自身老化等因素的影響,造成傳感器的測量結(jié)果出現(xiàn)誤差。為了解決這一問題,本文設(shè)計(jì)的傳感器具有一路參考光路,根據(jù)熒光和參考光之間的關(guān)系消除光源變化對測量結(jié)果的影響。Wang[12]等人使用兩個(gè)LED分別作為參考光路和熒光檢測光路的光源,但兩個(gè)LED間的參數(shù)誤差難以保證補(bǔ)償?shù)挠行浴榱吮ＷC補(bǔ)償?shù)男Ч⒖刂苽鞲衅鞯捏w積,傳感器的兩個(gè)光路共用同一LED作為光源,并使用LED反射出的一部分光作為參考光。雙光路熒光強(qiáng)度法檢測光路如圖3所示。

圖3 雙光路熒光強(qiáng)度法檢測光路圖

傳感器的光路分為兩路:熒光檢測光路和參考光路,所用到的光學(xué)器件有:藍(lán)色LED、石英窗口、干涉濾光片、凸透鏡和光電二極管。為了減小入射光對測量結(jié)果的影響,熒光檢測光路垂直于光源的方向。本文選用樹脂封裝的430 nm高亮LED(epitex L430R-06)作為激發(fā)光源,它的發(fā)射角僅為±4°,帶寬為20 nm,既可以避免光源端聚光透鏡的使用,減小傳感器的體積,又可以避免其他具有熒光特性的物質(zhì)對測量結(jié)果造成干擾。進(jìn)入熒光檢測光路的光包括葉綠素a的熒光和環(huán)境光、背景光等干擾光,為了從復(fù)雜環(huán)境中提取葉綠素a熒光,本文使用中心波長為680 nm的高性能干涉濾光片(Thorlabs,FB680-10)對接收到的熒光進(jìn)行濾光,只允許葉綠素a的熒光通過濾光片。為了提高熒光的接收效率,本文使用平凸透鏡(Daheng Optics,Φ12.7,F12.7)對接收光線進(jìn)行會聚,提高檢測的靈敏度。為了控制傳感器的尺寸并降低功耗,本文使用高靈敏度的光電二極管(Hamamatsu,S2386-5K)作為熒光和參考光的探測器。

假設(shè)LED發(fā)出的光強(qiáng)為I0,用于激發(fā)葉綠素a熒光的光強(qiáng)為αfI0,進(jìn)入?yún)⒖脊饴返墓鈴?qiáng)為αrI0,αf和αr之間滿足αf+αr<1。令I(lǐng)f為熒光檢測光路中光電二極管接收到的光強(qiáng),根據(jù)式(2)可得

If=2.3αfφI0εbc

(6)

令I(lǐng)r為參考光路中光電二極管接收到的光強(qiáng),則有

Ir=αrI0

(7)

聯(lián)立式(6)、式(7)可得

(8)

當(dāng)傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)固定后,比例系數(shù)αf,αr和光程b將固定不變,若葉綠素a溶液滿足εbc<0.05,則兩路光強(qiáng)的比值與葉綠素a的濃度之間成線性關(guān)系,并且測量結(jié)果不受光源變化的影響。

2.2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的傳感器的電路框圖如圖4所示。主要的電路有電源電路、MCU電路、RS485電路、LED恒流驅(qū)動電路、I/V轉(zhuǎn)換電路和鎖相放大電路。

圖4 系統(tǒng)電路框圖

本文選用STM32F103作為系統(tǒng)的主控芯片,它強(qiáng)大的PWM和ADC功能可以實(shí)現(xiàn)對LED驅(qū)動電路的調(diào)制和對鎖相放大電路的控制,同時(shí)它支持低功耗模式,可以在傳感器測量間隙進(jìn)入停止模式降低系統(tǒng)功耗。LED使用線性恒流驅(qū)動芯片(DIODES,AL5812)進(jìn)行驅(qū)動,并通過外接MOS管實(shí)現(xiàn)方波調(diào)制。傳感器工作時(shí),熒光檢測光路和參考光路的光電二極管將熒光信號和參考光信號轉(zhuǎn)化為電流信號,并通過I/V轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。使用模擬開關(guān)芯片(TI,TS5A3154)對兩路電壓信號進(jìn)行分時(shí)選通,以降低傳感器的體積與成本。使用STM32的ADC對鎖相放大電路中帶通濾波器的輸出信號進(jìn)行定時(shí)采樣,使用定時(shí)器記錄信號波峰與LED驅(qū)動信號上升沿之間的時(shí)間差,并根據(jù)時(shí)間差調(diào)整參考信號的相位,保證鎖相放大電路的相位鎖定。隨后使用鎖相放大電路(ADI,AD630)對模擬開關(guān)芯片的輸出信號進(jìn)行鎖相放大,濾除干擾光對測量結(jié)果的影響。最后使用24位Σ-Δ 型ADC(CHIPSEA,CS1237)將鎖相放大電路的輸出信號轉(zhuǎn)化為MCU可處理的數(shù)字信號。傳感器系統(tǒng)通過485接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信,可以同時(shí)滿足傳感器長距離工作以及組網(wǎng)工作的要求。

為了滿足長時(shí)間水下工作的需求,傳感器使用3.7 V鋰電池(18650電芯)進(jìn)行供電。傳感器的電源系統(tǒng)如圖5所示。由于傳感器所需的供電電平較多(3.3 V、±5 V和6 V),并且為了保證電源網(wǎng)絡(luò)的純凈與低噪聲,電源系統(tǒng)采用開關(guān)電源+LDO的組合架構(gòu),通過開關(guān)電源將鋰電池的輸出電壓變換至±6 V,再通過LDO產(chǎn)生各個(gè)電路模塊所需要的電平。為了避免數(shù)字電路的噪聲對模擬電路的測量結(jié)果造成干擾,兩部分采用單獨(dú)的供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。在模擬電源網(wǎng)絡(luò)入口端放置一個(gè)由MCU控制的使能開關(guān)(MOS管),通過在傳感器測量間隙關(guān)閉模擬電路的供電,降低傳感器的功耗。

圖5 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)鎖相放大電路的輸入信號與參考信號間的相位差為0時(shí),設(shè)熒光檢測光路和參考光路的信號經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號分別為Df和Dr,根據(jù)式(8)可得數(shù)字信號與葉綠素a濃度之間的關(guān)系為

(9)

2.3 傳感器實(shí)物圖

為了方便傳感器的安裝與投放,傳感器的外形采用圓柱體設(shè)計(jì),長度為137.5 mm,直徑為61 mm。傳感器的實(shí)物如圖6所示。

圖6 傳感器實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

葉綠素a的標(biāo)準(zhǔn)溶液使用實(shí)驗(yàn)室研磨的方法從植物葉片中提取[13]。取新鮮樹葉1 g,用無水乙醇將葉片清洗干凈,去除脈絡(luò)后剪碎,放入研缽中。加入少量碳酸鈣(防止葉綠素a分解)、石英砂(加速研磨)和5 mL乙醇(95%)研磨5 min,將研磨后的漿體放入5 mL離心管中,使用離心機(jī)以4 000 r/min的速度離心2 min,將上清液倒入25 mL的棕色容量瓶中,加入乙醇(95%)定容。取3 mL標(biāo)準(zhǔn)液放入 1 cm 的比色皿中,使用分光光度計(jì)分別測量溶液在645 nm和663 nm處的吸光度,隨后使用Arnon公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)葉綠素a溶液的濃度為[14]

c=12.7A663-2.69A645

(10)

式中:A645和A663分別為溶液在645 nm和663 nm處的吸光度,濃度的單位為mg/L.因?yàn)槿~綠素a見光易分解,標(biāo)準(zhǔn)溶液在配制完成后應(yīng)立即使用,若需要保存標(biāo)準(zhǔn)溶液,應(yīng)將其放置在溫度低于4 ℃的冰箱中[15],保存時(shí)間應(yīng)小于24 h。

所設(shè)計(jì)的傳感器的動態(tài)范圍為0～200 μg/L,為了測試傳感器在動態(tài)范圍內(nèi)的響應(yīng),使用標(biāo)準(zhǔn)溶液配成6種不同濃度的葉綠素a溶液(10μg/L,40 μg/L,80 μg/L,120 μg/L,160 μg/L和 200 μg/L)。依次取6種不同濃度的葉綠素a溶液150 mL放入500 mL的燒杯中,隨后將傳感器投入到溶液中,分別測試在不同濃度時(shí)傳感器的輸出。考慮到傳感器的輸出與葉綠素a濃度之間的線性關(guān)系,本文對測試結(jié)果進(jìn)行線性擬合。測試結(jié)果如圖7所示,圖中的矩形點(diǎn)為傳感器的真實(shí)輸出值,虛線是葉綠素a濃度和傳感器輸出之間的線性擬合。

圖7 傳感器響應(yīng)測試結(jié)果

由圖7可知,傳感器輸出和葉綠素a濃度之間的關(guān)系為

c=111.44R-19.134

(11)

式中:c為葉綠素a的濃度,R為傳感器的輸出,即熒光通道采樣結(jié)果與參考通道采樣結(jié)果的比值。擬合相關(guān)系數(shù)r2=0.998,說明傳感器輸出在動態(tài)范圍內(nèi)具有很好的線性。

為了測試傳感器在動態(tài)范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確度,使用標(biāo)準(zhǔn)溶液配成另外6種不同濃度的葉綠素a溶液(5 μg/L,20 μg/L,60 μg/L,100 μg/L,140 μg/L和180 μg/L),依次取6種不同濃度的葉綠素a溶液150 mL放入500 mL的燒杯中,隨后將傳感器投入到溶液中,分別測試在不同濃度時(shí)傳感器的輸出,然后利用式(11)計(jì)算出葉綠素a濃度的測量值。測試結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器測量準(zhǔn)確度測試結(jié)果

由表中的測試結(jié)果可知傳感器在動態(tài)范圍內(nèi)的測量誤差在±2 μg/L以內(nèi),表明傳感器具有良好的測量準(zhǔn)確度。

使用純凈水測試傳感器的噪聲水平。將傳感器投入到純凈水中,每隔1 min獲取一次傳感器的輸出,連續(xù)測量40次,測試結(jié)果如圖8所示。通過分析可知40次測量結(jié)果的均方根誤差為0.000 44,而傳感器的滿量程輸出范圍為1.8,則傳感器的信噪比SNR=4072,表明傳感器具有很好的噪聲水平。若以2倍信噪比表示傳感器的最小分辨能力,則傳感器的分辨率為0.1 μg/L。

圖8 傳感器噪聲測試結(jié)果

為了驗(yàn)證傳感器在真實(shí)水樣下的可靠性,將海洋綠藻溶液稀釋成某一較低的濃度,并取150 mL稀釋后的溶液放入500 mL的燒杯中,隨后將傳感器投入到溶液中,每隔30 min獲取一次傳感器的輸出,連續(xù)測量80次。作為對比,在每次測量之后,立即采集與傳感器光源同高度的水樣1 mL放入熒光光譜儀(HITACHI,F4600)中,設(shè)定激發(fā)波長為430 nm,接收波長為680 nm,測量此條件下溶液的熒光強(qiáng)度。由于在靜止溶液中綠藻會逐漸下沉,因此每測量20次之后對溶液進(jìn)行攪拌。測試結(jié)果如圖9所示,圖9中的矩形實(shí)線為傳感器的輸出值,圓形虛線為熒光光譜儀測得的溶液熒光強(qiáng)度。

圖9 對比試驗(yàn)結(jié)果

由圖9可知在每次攪拌后,由于綠藻的自然下沉現(xiàn)象,葉綠素a濃度測量結(jié)果的趨勢為先增大,后逐漸減小。通過分析可知傳感器輸出與光譜儀讀數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.94,表明傳感器的測量結(jié)果具有良好的可靠性。

由于傳感器需要在水下長時(shí)間在線監(jiān)測,因此它的功耗直接影響了連續(xù)工作的時(shí)間。本文設(shè)計(jì)的傳感器在測量間隙自動進(jìn)入低功耗模式,為了測試傳感器可連續(xù)工作的時(shí)長,分別測試在低功耗模式和正常測量時(shí)的電流消耗,測試結(jié)果如表2所示。

表2 傳感器功耗測試結(jié)果

在真實(shí)工作環(huán)境中,每次葉綠素a濃度測量需要耗時(shí)8 s,而每30 min測量一次即可滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測的要求,此時(shí)傳感器一個(gè)月消耗的電能約為921 mAh。傳感器使用的鋰電池容量為5 600 mAh,若電池每個(gè)月自然損耗5%的電量[16],則傳感器可以連續(xù)工作5個(gè)月以上。

在實(shí)際環(huán)境中,由于傳感器使用熒光強(qiáng)度與參考光強(qiáng)度的比值代表水體中葉綠素a的含量,因此傳感器的輸出會受到海水濁度、藻的種類以及其他共存物等因素的影響。對于濁度,由于懸浮顆粒的反射作用,會使得傳感器接收到的熒光強(qiáng)度增大,當(dāng)水體濁度很大時(shí),影響較為明顯。若要在渾濁的水體中測量葉綠素a濃度,需要結(jié)合濁度傳感器對葉綠素a傳感器的測量結(jié)果進(jìn)行修正。對于不同的藻類,即使其葉綠素a含量相同,其產(chǎn)生的熒光強(qiáng)度也不盡相同,需要使用被測區(qū)域的水樣,通過實(shí)驗(yàn)室提取葉綠素的方法對傳感器進(jìn)行標(biāo)定,以提高檢測的準(zhǔn)確度。雖然LED和濾光片的帶寬都很窄,但是其他與葉綠素a熒光特性類似的物質(zhì)(如熒光素、羅丹明等)會對傳感器的測量結(jié)果造成一定影響,但是實(shí)際水體中含有這些物質(zhì)的概率較小,對傳感器的影響有限,使得葉綠素a傳感器可以應(yīng)用于大多數(shù)場景。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款基于雙光路熒光分析法的葉綠素a原位傳感器,使用中心波長為430 nm的小發(fā)射角LED作為熒光激發(fā)光源,可以高效地激發(fā)葉綠素a熒光,通過參考光路補(bǔ)償光源變化對測量結(jié)果的影響,提高傳感器的測量準(zhǔn)確度和連續(xù)工作壽命,降低維護(hù)成本。使用高靈敏度的光電二極管作為熒光和參考光的探測器,可以在保證測量準(zhǔn)確度的前提下縮小傳感器的尺寸。通過鎖相放大電路對熒光信號進(jìn)行放大,可以有效地避免噪聲和背景光對測試結(jié)果的影響,通過設(shè)計(jì)低功耗工作模式降低傳感器的平均功耗,提高傳感器連續(xù)測量的時(shí)間。使用標(biāo)準(zhǔn)溶液配制成不同濃度的葉綠素a溶液對傳感器進(jìn)行測試,測試結(jié)果表明傳感器在動態(tài)范圍內(nèi)具有良好性能;將傳感器的測量結(jié)果與熒光光譜儀的測量結(jié)果進(jìn)行對比測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器具有良好的可靠性,滿足海洋牧場對與葉綠素a濃度在線監(jiān)測的需求。