專利名稱：一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)檢測電路，具體來說是一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測
電路。
背景技術(shù)：
目前，現(xiàn)場水下熒光探頭，如現(xiàn)場水下葉綠素儀，光學(xué)靈敏度高，環(huán)境光(如陽 光)中所包含的儀器檢測波長段的光譜成份將通過接收光路被轉(zhuǎn)換放大為檢測信號的背景 成分，在環(huán)境光較弱或變化較為緩慢情況下，進(jìn)入檢測電路的背景成份可以有效去除， 但在環(huán)境光較強(qiáng)的情況下，進(jìn)入檢測電路的背景成份會使檢測電路輸出飽和，無法檢測 有效熒光的強(qiáng)度，在環(huán)境光變化較快的情況下，檢測結(jié)果準(zhǔn)確度也會受快速變化的背景 成份影響。為了避免環(huán)境光對現(xiàn)場水下熒光探頭的影響， 一般采用遮罩，探頭的光路位 于遮罩腔內(nèi)，儀器通過外置水泵把待測水樣抽進(jìn)遮罩腔內(nèi)進(jìn)行檢測，但該方法增加了探 頭的體積，不利于現(xiàn)場水下熒光探頭，特別是原位式水下熒光探頭的小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種抗環(huán)境光干擾能力高的用于現(xiàn)場水下熒 光探頭的檢測電路。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是該檢測電路包括光源濾光片、 發(fā)光元件、脈沖光源驅(qū)動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調(diào)理模塊，所述發(fā)光元 件產(chǎn)生的光線通過所述光源濾光片照射到檢測水樣中，檢測水樣所產(chǎn)生的熒光和環(huán)境光 通過所述接收光濾光片后照射到所述光敏元件上，所述光敏元件與所述信號調(diào)理模塊連 接，所述信號調(diào)理模塊包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、帶通濾波電路、交流放大電路、全波整 流電路和低通濾波電路，所述的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路與所述帶通濾波電路連接，所述的帶 通濾波電路與所述交流放大電路連接，所述交流放大電路與所述全波整流電路連接，所 述全波整流電路與所述低通濾波電路連接。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述脈沖光源驅(qū)動模塊的脈沖頻率與所述信號調(diào)理模塊中的 帶通濾波電路的通帶中心頻率相同。 進(jìn)一步地，本發(fā)明所述發(fā)光元件采用發(fā)光二極管。
進(jìn)一步地，本發(fā)明所述光敏元件采用光電二極管。 本發(fā)明的工作原理如下脈沖光源驅(qū)動模塊驅(qū)動發(fā)光元件以一定的頻率f。(lk lOkHz)發(fā)出周期性脈沖激發(fā)光源，周期性脈沖激發(fā)光源通過光源濾光片后，照射到檢測 水樣中，水樣中的熒光物質(zhì)在受到周期性脈沖激發(fā)光照射后，以頻率f。產(chǎn)生周期性脈沖 熒光，環(huán)境光和熒光通過接收光濾光片后，沒有被濾除的光譜成份照射到光敏元件上， 光敏元件采用光電二極管，受到光線照射后產(chǎn)生電流信號輸入到電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，電 流/電壓轉(zhuǎn)換電路把電流信號轉(zhuǎn)化電壓信號輸入到帶通濾波電路，帶通濾波電路的通帶中 心頻率為f。與脈沖激發(fā)光源的頻率相等，帶通濾波電路抑制了以直流和低頻信號為主的環(huán)境光所產(chǎn)生的信號分量，使頻率以f。為主的有效熒光信號分量通過，輸入到交流放大 電路，交流放大電路把有效熒光信號分量放大，提高信噪比，放大后交流信號通過全波 整流電路和低通濾波器，把交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號輸出，輸出信號可提供給常規(guī)的采 集系統(tǒng)使用。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn) 1.本發(fā)明通過使用脈沖光源驅(qū)動模塊驅(qū)動發(fā)光元件發(fā)出高頻脈沖激發(fā)光源，使 檢測水樣產(chǎn)生的熒光信號同樣呈高頻脈沖性，信號調(diào)理模塊中的帶通濾波電路和交流放 大電路能抑制檢測信號中以直流和低頻信號為主的自然環(huán)境光分量，放大以高頻信號為 主的有效熒光信號分量，由此顯著提高現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測動態(tài)范圍，有效抑制以 低頻信號為主體的強(qiáng)度大的自然環(huán)境光(特別是陽光)對檢測結(jié)果的影響，具有較高的抗 環(huán)境光干擾能力。尤其是當(dāng)脈沖光源驅(qū)動模塊的脈沖頻率與信號調(diào)理模塊中的帶通濾波 電路的通帶中心頻率相同時，可達(dá)到最佳的抗環(huán)境光干擾性能。 2.采用本發(fā)明提供的檢測電路的現(xiàn)場水下熒光探頭無需裝配遮罩，簡化了結(jié) 構(gòu)，有利于該類儀器的小型化。


圖1為本發(fā)明的工作原理圖； 圖2為本發(fā)明的脈沖光源驅(qū)動模塊原理框圖； 圖3為本發(fā)明的信號調(diào)理模塊原理框圖； 圖4為本發(fā)明一種實(shí)施例的信號調(diào)理模塊電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路的工作原理圖，該檢測電 路包括光源濾光片、發(fā)光元件、脈沖光源驅(qū)動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調(diào) 理模塊。其中，發(fā)光元件與脈沖光源驅(qū)動模塊連接，發(fā)光元件產(chǎn)生的光線通過光源濾光 片照射到檢測水樣中，檢測水樣所產(chǎn)生的熒光和環(huán)境光通過接收光濾光片后照射到光敏 元件上，光敏元件與信號調(diào)理模塊連接。 光源濾光片用于濾除發(fā)光元件所產(chǎn)生的光源中不需要的波長段分量，提高激發(fā) 光源的單色性，光源濾光片可采用市售的帶通濾光片。 發(fā)光元件用于產(chǎn)生熒光檢測所需的激發(fā)光源，本發(fā)明采用了發(fā)光二極管(LED)， LED具有亮度高、功耗低、體積小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光學(xué)檢測中，由于現(xiàn)場水下熒光 探頭，特別是原位式水下熒光探頭，對體積和功耗的限制較大，LED作為發(fā)光元件有利 于熒光探頭設(shè)計的小型化和低功耗化。 脈沖光源驅(qū)動模塊用于產(chǎn)生周期性脈沖驅(qū)動電流，驅(qū)動發(fā)光元件產(chǎn)生周期性脈 沖光源，當(dāng)周期性脈沖光源照射到檢測水樣后，水樣中的熒光物質(zhì)所發(fā)出的熒光也呈現(xiàn) 周期脈沖性。圖2為本發(fā)明的脈沖光源驅(qū)動模塊的原理框圖，該模塊包括恒流LED 驅(qū)動電路和微處理器、微處理器產(chǎn)生脈沖控制信號、控制恒流LED驅(qū)動電路產(chǎn)生脈沖功 率驅(qū)動電流、驅(qū)動LED。恒流LED驅(qū)動電路可采用市售的恒流LED驅(qū)動芯片組成，如 MAXIM公司的恒流LED驅(qū)動芯片MAX1916，它可同時驅(qū)動3個LED，通過改變EN管腳的電平來控制LED的開啟和關(guān)閉。EN管腳的控制信號可由微處理器產(chǎn)生，常用的微處理 器，如51系列單片機(jī)、MSP430系列微處理器、ARM核心微處理器、PIC系列微處理器 等通過軟件編程都能產(chǎn)生周期性脈沖信號，如采用MSP430系列單片機(jī)，用定時器A可產(chǎn) 生頻率f。和占空比N均可通過軟件控制的周期性脈沖方波信號，該信號輸出到MAX1916 的EN管腳，使MAX1916產(chǎn)生周期為f。，占空比為N的驅(qū)動電流，f?？扇kHz 10kHz 范圍中的某一頻率，本實(shí)施例中&= lkHz， N = 0.5。除了采用微處理器產(chǎn)生周期性脈 沖方波信號外，還能采用專門的方波信號發(fā)生芯片或用分立元件搭建諧振電路來實(shí)現(xiàn)。
接收光濾光片用于濾除企圖照射到光敏元件的光線中非待檢測波長段的光譜分 量，接收光濾光片可采用市售的帶通濾光片。 光敏元件采用市售光敏二極管，例如采用日本濱松公司的硅光電二極管S1336， 光敏二極管接收到光信號后，會產(chǎn)生隨光信號強(qiáng)度變化的電流，電流信號輸入到信號調(diào) 理模塊。 圖3為本發(fā)明的信號調(diào)理模塊的原理框圖，該模塊包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、 帶通濾波電路、交流放大電路、全波整流電路和低通濾波電路，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路與帶 通濾波電路連接，帶通濾波電路與交流放大電路連接，交流放大電路與全波整流電路連 接，全波整流電路與低通濾波電路連接。 圖4為本發(fā)明其中一種實(shí)施例的信號調(diào)理電路原理圖。光電二極管產(chǎn)生的電流 信號通過電流/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為電壓信號，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路可采用常用的跨導(dǎo)型 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，如圖4中電阻Rl和運(yùn)放U1A所組成的一個跨導(dǎo)型電流/電壓轉(zhuǎn)換 電路，Rl的一端與U1A的反相輸入端連接，Rl的另一端與U1A的輸出端連接，U1A 的正相輸入端接地，Rl的阻值不能取高，使電流/電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)過高，導(dǎo)致照射到光敏 二極管的背景光分量較強(qiáng)時，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出信號飽和，本實(shí)施例中R1取值為 50kQ 。 電流/電壓轉(zhuǎn)換電路輸出的信號包含周期為f。的脈沖熒光信號分量和環(huán)境光信號 分量，自然環(huán)境光中特別是以陽光為主的環(huán)境光以直流和變化較緩慢的低頻號為主，采 用通帶中心頻率與脈沖激發(fā)光源的脈沖頻率同為f。的帶通濾波器對電流/電壓轉(zhuǎn)換電路的 輸出信號進(jìn)行濾波處理，可抑制以直流和低頻信號為主的環(huán)境光分量以及頻率比f。高的 射頻噪聲，同時最大限度地讓頻率為f。為主熒光信號分量通過，達(dá)到最佳的抗環(huán)境光干 擾性能。圖4中電阻R2、 R3、 R4，電容C1、 C2和運(yùn)放U1B組成了一種帶通濾波電路， R2的一端與U1A的輸出端連接，R2的另一端分別與R3的一端、Cl的一端和C2的一端 連接，R3的另一端接地，Cl的另一端分別與R4的一端和U1B的輸出端連接，C2的另 一端分別與R4的另一端和U1B的反相輸入端連接，U1B的正相輸入端接地，通帶中心 頻率f。為lkHz。 帶通濾波電路的輸出信號以周期性脈沖熒光信號交流分量為主，該信號采用交 流放大電路放大把交流分量放大，提高檢測電路的信噪比，如圖4中電容C3、電阻R5、 R6、 R7和運(yùn)放U2A所組成的交流放大電路，C3的一端與U1B的輸出端連接，C3的另 一端分別與R6的一端和U2A的正相輸入端連接，R6的另一端接地，C3與R6形成RC 高通濾波網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步抑制信號中的低頻分量，R5的一端接信號地，R5的另一端分別與 R7的一端和U2A的反相輸入端連接，R7的另一端與U2A的輸出端連接，該電路的交流
5放大倍數(shù)為l+R7/R5。 交流放大電路輸出信號采用全波整流電路進(jìn)行全波整流，把交流信號中低于 信號地的部分翻轉(zhuǎn)后，再通過截至頻率較低的低通濾波器(本實(shí)施例中低通截至頻率取 10Hz)濾波后，可得幅度與脈沖熒光信號強(qiáng)度成正比的輸出信號，該信號可提供給常規(guī)采 集系統(tǒng)采集。本發(fā)明中全波整流電路可采用常用的電路方案，如圖4中電阻R8、 R9、 RIO、 Rll、 R12，整流二極管D1、 D2和運(yùn)放U2B、 U3A所組成的一種全波整流電路， R8的一端與U2A的輸出端連接，R8的另一端分別與U2B的反相輸入端、R9的一端、 Ri0的一端連接，U2B的正相輸入端接地，U2B的輸出端分別與Dl的負(fù)極和D2的正極 連接，R9的另一端分別與R11的一端、Dl的正極連接，R10的另一端分別與D2的負(fù)極 和U3A的正相輸入端連接，Rll的另一端分別與U3A的反相輸入端和R12的一端連接， R12的另一端與U3A的輸出端連接。本發(fā)明中所述的低通濾波電路可采用常用的電路方 案，如圖4中電阻R13、電容C4和運(yùn)放U3B所組成的一種低通濾波電路，R13的一端與 U3A的正相輸出端連接，R13的另一端分別與C4的一端和U3B的正相輸入端連接，C4 的另一端接地，U3B的反相輸入端和輸出端連接。
權(quán)利要求
一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路，其特征是該檢測電路包括光源濾光片、發(fā)光元件、脈沖光源驅(qū)動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調(diào)理模塊，所述發(fā)光元件與所述脈沖光源驅(qū)動模塊連接，所述發(fā)光元件產(chǎn)生的光線通過所述光源濾光片照射到檢測水樣中，檢測水樣所產(chǎn)生的熒光和環(huán)境光通過所述接收光濾光片后照射到所述光敏元件上，所述光敏元件與所述信號調(diào)理模塊連接，所述信號調(diào)理模塊包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、帶通濾波電路、交流放大電路、全波整流電路和低通濾波電路，所述的電流/電壓轉(zhuǎn)換電路與所述帶通濾波電路連接，所述的帶通濾波電路與所述交流放大電路連接，所述交流放大電路與所述全波整流電路連接，所述全波整流電路與所述低通濾波電路連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路，其特征是所述 脈沖光源驅(qū)動模塊的脈沖頻率與所述信號調(diào)理模塊中的帶通濾波電路的通帶中心頻率相 同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路，其特征是所述 發(fā)光元件采用發(fā)光二極管。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路，其特征是所述 光敏元件采用光電二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測電路，它包括光源濾光片、發(fā)光元件、脈沖光源驅(qū)動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調(diào)理模塊，發(fā)光元件與脈沖光源驅(qū)動模塊連接，發(fā)光元件產(chǎn)生的光線通過光源濾光片照射到檢測水樣，檢測水樣產(chǎn)生的熒光和環(huán)境光通過接收光濾光片后照射到光敏元件，光敏元件與信號調(diào)理模塊連接，信號調(diào)理模塊包括電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、帶通濾波電路、交流放大電路、全波整流電路和低通濾波電路，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路與帶通濾波電路連接，帶通濾波電路與交流放大電路連接，交流放大電路與全波整流電路連接，全波整流電路與低通濾波電路連接。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是可著提高現(xiàn)場水下熒光探頭的檢測動態(tài)范圍，抗環(huán)境光干擾能力高。
文檔編號G01N21/64GK101692044SQ20091015342
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者葉樹明, 周樂川, 楊俊毅, 潘建明 申請人:浙江大學(xué)