原位海水總磷總氮傳感器的微光信號檢測電路設(shè)計

吳 寧，馬?？睿?煊，褚東志，張述偉，張盈盈，張 穎，張 麗，張?zhí)禊i

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東省海洋監(jiān)測儀器裝備技術(shù)重點實驗室，國家海洋監(jiān)測設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東青島 266001)

0 引言

海水中總磷和總氮與藻類生長繁殖過程密切相關(guān)，因此總磷和總氮濃度變化成為評價海水水體富營養(yǎng)化，預(yù)防赤潮災(zāi)害以及生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的重要參數(shù)，具有重要的意義。目前海水總磷和總氮的檢測主要采用現(xiàn)場采集-實驗室測定法[1]。該方法具有維護(hù)復(fù)雜，分析過程繁瑣，持續(xù)時間長，二次污染嚴(yán)重等缺點，最主要是不能實現(xiàn)原位實時測量。實時、持續(xù)運行的原位總磷總氮傳感器的研發(fā)是海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向和趨勢。

本文提出一種基于可編程增益放大器和正交同步檢波功能的電路，通過不同波長測量消解后樣本與參考樣本的吸光度之比，完成微光信號的檢測。該方法基于互相關(guān)原理，使輸入待測信號與頻率相同的參考信號進(jìn)行互相關(guān)檢測，從而有效檢測出深埋在大量非相關(guān)噪聲中的痕量信號。除此之外，該電路使用調(diào)制光源和同步檢波電路，可消除環(huán)境光線和低頻噪聲產(chǎn)生的測量誤差，并提高測量信噪比、靈敏度和準(zhǔn)確度[2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

原位總磷總氮傳感器原理如圖1所示，以順序注射技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實驗確定消解還原、顯色的最佳條件后，在不同波長LED條件下對消解后的總磷總氮進(jìn)行分光光度測量[3]。

圖1 原位總磷總氮傳感器原理圖

系統(tǒng)由紫外-加熱消解模塊、顯色反應(yīng)模塊、分光光度檢測模塊、控制模塊以及數(shù)據(jù)處理模塊組成。先采用紫外-加熱外加消解劑的方式對海水樣品進(jìn)行在線消解，然后將完全消解后的樣品分別用顯色劑進(jìn)行混合顯色，最后注射進(jìn)入流通池進(jìn)行不同波長LED條件下的分光光度測量。

為提高微光信號的準(zhǔn)確度、靈敏度、穩(wěn)定性以及抗環(huán)境光干擾能力。本文在信號采集處理上采用了基于可編程增益和同步檢波功能的電路，電路原理如圖2所示。

圖2 可編程增益和同步檢波功能電路原理圖

STM32F407單片機(jī)通過直接數(shù)字頻率合成器(DDS)產(chǎn)生5 kHz方波，控制恒流源驅(qū)動不同波長的LED，LED光束通過二分鏡分成兩路，一路光束通過消解和顯色后的流通池，另一路光束通過參考樣本流通池。通過流通池后的信號通過兩個光電二極管接收，接收到的電流信號經(jīng)過可編程增益跨阻放大器AD8618和AD8271進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換并放大后由同步檢波電路和低通濾波電路完成信號的提取。根據(jù)比爾-朗伯特定律，將經(jīng)過流通池的信號值與參考流通池的信號值進(jìn)行對數(shù)之比，可得到總磷和總氮的線性濃度曲線。

2 LED光源驅(qū)動電路設(shè)計

圖3 LED光源驅(qū)動電路原理圖

LED驅(qū)動信號通過控制恒流源的通斷對不同LED進(jìn)行分時調(diào)制，驅(qū)動電路如圖3所示，采用AD8618和NPN三極管以及ADG633單刀雙擲開關(guān)構(gòu)成了一個恒流源，ILED=Vref/R9，其中Vref代表數(shù)字電位器的輸出電壓，R9代表三極管發(fā)射極電阻，改變Vref或R9即可以改變LED的電流值，從而改變LDE的亮度。ADG633的控制端接DDS驅(qū)動脈沖信號，開關(guān)連接到參考電壓與地之間，參考電壓采用可編程電阻分壓器，因此只要改變參考電壓的值就可以改變LED的驅(qū)動電流[4]。

3 可編程跨阻式I/V轉(zhuǎn)換與放大電路設(shè)計

I/V轉(zhuǎn)換模塊采用AD8618作為可編程跨阻放大器，可將光電二極管的電流轉(zhuǎn)換成電壓，轉(zhuǎn)換放大電路如圖4所示，其中AD8618具有極低的輸入偏執(zhí)電流(1 pA)、輸入失調(diào)電壓(100 μV)和噪聲(8 nVHz)。由于某些受測溶液可能具有強(qiáng)的吸收特性，因此有時需要使用大的反饋電阻以測量光電二極管產(chǎn)生的極微弱電流。在電路中設(shè)計了可編程增益反饋電阻，工作時可以根據(jù)具體的信號大小對反饋電阻Rf進(jìn)行選擇?？紤]穩(wěn)定性，使用反饋電容C7以補(bǔ)償總輸入電容以及反饋電阻產(chǎn)生的振蕩。

圖4 I/V轉(zhuǎn)換與放大電路原理圖

4 同步檢波電路設(shè)計

相敏檢波電路主要用于微弱信號的提取，在相敏檢波電路中通常分為模擬乘法相敏檢波和開關(guān)型同步檢波電路兩種。由于模擬乘法實現(xiàn)具有一定的困難和非線性，因此設(shè)計并采用了開關(guān)型相敏檢波電路，優(yōu)點是線性良好，動態(tài)范圍廣，不受參考信號影響。設(shè)計的開關(guān)同步檢波電路如圖5所示，Vref為參考信號、Vin為待測信號。

圖5 同步檢波電路原理圖

參考信號Vref為DDS產(chǎn)生的與驅(qū)動LED的方波信號同頻同相的方波信號，當(dāng)參考信號Vref為高電平時，Vout=Vin，當(dāng)參考信號為低電平時，LED燈關(guān)閉，Vout=2Vref-Vin，經(jīng)過低通濾波后輸出直流信號，然后經(jīng)過AD7798對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。為了提高測量精度，采用了數(shù)字多點平均法對輸出信號進(jìn)行降噪處理。

5 實驗數(shù)據(jù)分析

為驗證該信號處理電路在檢測微弱信號的可行性與可靠性，采用國標(biāo)海水配置一系列梯度的已知濃度的磷、氮標(biāo)準(zhǔn)液[5]。采用基于該信號處理電路的總磷總氮傳感器對配置好的標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行消解液后測量實驗，每測完一次樣品后，儀器都要進(jìn)行清洗以防止上次進(jìn)入試劑對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。將測量結(jié)果進(jìn)行曲線擬合后如圖6和圖7所示，其中橫坐標(biāo)為已知濃度的總磷和總氮，縱坐標(biāo)為平均吸光度值。由圖6和圖7中可知，總磷的線性回歸方程為y=0.088 3x-0.003 6，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.997 9，表明線性度較好?？偟木€性回歸方程為y=1.690 9x+0.186 8，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.997 4。表明線性度較好。

圖6 總磷實驗標(biāo)準(zhǔn)曲線

圖7 總氮實驗標(biāo)準(zhǔn)曲線

6 結(jié)束語

本文基于正交同步檢波原理設(shè)計了海水總磷總氮傳感器信號處理電路，基于該電路設(shè)計原位海水總磷總氮傳感器，并驗證了該信號處理電路的可行性與可靠性。實驗表明，基于該電路完成的總磷總氮傳感器能夠?qū)崟r、連續(xù)反應(yīng)海水中總磷總氮的濃度變化趨勢，不受環(huán)境光等背景光的影響，儀器具有低噪聲、無漂移、體積小、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點?？蓮V泛用于船載、浮標(biāo)、臺站等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測載體。