專利名稱：一種用于現場水下熒光探頭的檢測電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學檢測電路，具體來說是一種用于現場水下熒光探頭的檢測
電路。
背景技術：
目前，現場水下熒光探頭，如現場水下葉綠素儀，光學靈敏度高，環境光(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換放大為檢測信號的背景 成分，在環境光較弱或變化較為緩慢情況下，進入檢測電路的背景成份可以有效去除， 但在環境光較強的情況下，進入檢測電路的背景成份會使檢測電路輸出飽和，無法檢測 有效熒光的強度，在環境光變化較快的情況下，檢測結果準確度也會受快速變化的背景 成份影響。為了避免環境光對現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，儀器通過外置水泵把待測水樣抽進遮罩腔內進行檢測，但該方法增加了探 頭的體積，不利于現場水下熒光探頭，特別是原位式水下熒光探頭的小型化。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種抗環境光干擾能力高的用于現場水下熒 光探頭的檢測電路。 本發明解決其技術問題所采取的技術方案是該檢測電路包括光源濾光片、 發光元件、脈沖光源驅動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調理模塊，所述發光元 件產生的光線通過所述光源濾光片照射到檢測水樣中，檢測水樣所產生的熒光和環境光 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理模塊連 接，所述信號調理模塊包括電流/電壓轉換電路、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。 進一步地，本發明所述脈沖光源驅動模塊的脈沖頻率與所述信號調理模塊中的 帶通濾波電路的通帶中心頻率相同。 進一步地，本發明所述發光元件采用發光二極管。
進一步地，本發明所述光敏元件采用光電二極管。 本發明的工作原理如下脈沖光源驅動模塊驅動發光元件以一定的頻率f。(lk lOkHz)發出周期性脈沖激發光源，周期性脈沖激發光源通過光源濾光片后，照射到檢測 水樣中，水樣中的熒光物質在受到周期性脈沖激發光照射后，以頻率f。產生周期性脈沖 熒光，環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，受到光線照射后產生電流信號輸入到電流/電壓轉換電路，電 流/電壓轉換電路把電流信號轉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境光所產生的信號分量，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，把交流信號轉化為直流信號輸出，輸出信號可提供給常規的采 集系統使用。
與現有技術相比，本發明具有如下優點 1.本發明通過使用脈沖光源驅動模塊驅動發光元件發出高頻脈沖激發光源，使 檢測水樣產生的熒光信號同樣呈高頻脈沖性，信號調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，由此顯著提高現場水下熒光探頭的檢測動態范圍，有效抑制以 低頻信號為主體的強度大的自然環境光(特別是陽光)對檢測結果的影響，具有較高的抗 環境光干擾能力。尤其是當脈沖光源驅動模塊的脈沖頻率與信號調理模塊中的帶通濾波 電路的通帶中心頻率相同時，可達到最佳的抗環境光干擾性能。 2.采用本發明提供的檢測電路的現場水下熒光探頭無需裝配遮罩，簡化了結 構，有利于該類儀器的小型化。
圖1為本發明的工作原理圖； 圖2為本發明的脈沖光源驅動模塊原理框圖； 圖3為本發明的信號調理模塊原理框圖； 圖4為本發明一種實施例的信號調理模塊電路原理圖。
具體實施例方式
圖1為本發明一種用于現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、發光元件、脈沖光源驅動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調 理模塊。其中，發光元件與脈沖光源驅動模塊連接，發光元件產生的光線通過光源濾光 片照射到檢測水樣中，檢測水樣所產生的熒光和環境光通過接收光濾光片后照射到光敏 元件上，光敏元件與信號調理模塊連接。 光源濾光片用于濾除發光元件所產生的光源中不需要的波長段分量，提高激發 光源的單色性，光源濾光片可采用市售的帶通濾光片。 發光元件用于產生熒光檢測所需的激發光源，本發明采用了發光二極管(LED)， LED具有亮度高、功耗低、體積小等特點，廣泛應用于光學檢測中，由于現場水下熒光 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作為發光元件有利 于熒光探頭設計的小型化和低功耗化。 脈沖光源驅動模塊用于產生周期性脈沖驅動電流，驅動發光元件產生周期性脈 沖光源，當周期性脈沖光源照射到檢測水樣后，水樣中的熒光物質所發出的熒光也呈現 周期脈沖性。圖2為本發明的脈沖光源驅動模塊的原理框圖，該模塊包括恒流LED 驅動電路和微處理器、微處理器產生脈沖控制信號、控制恒流LED驅動電路產生脈沖功 率驅動電流、驅動LED。恒流LED驅動電路可采用市售的恒流LED驅動芯片組成，如 MAXIM公司的恒流LED驅動芯片MAX1916，它可同時驅動3個LED，通過改變EN管腳的電平來控制LED的開啟和關閉。EN管腳的控制信號可由微處理器產生，常用的微處理 器，如51系列單片機、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生周期性脈沖信號，如采用MSP430系列單片機，用定時器A可產 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產生周期為f。，占空比為N的驅動電流，f。可取lkHz 10kHz 范圍中的某一頻率，本實施例中&= lkHz， N = 0.5。除了采用微處理器產生周期性脈 沖方波信號外，還能采用專門的方波信號發生芯片或用分立元件搭建諧振電路來實現。
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，會產生隨光信號強度變化的電流，電流信號輸入到信號調 理模塊。 圖3為本發明的信號調理模塊的原理框圖，該模塊包括電流/電壓轉換電路、 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為本發明其中一種實施例的信號調理電路原理圖。光電二極管產生的電流 信號通過電流/電壓轉換電路轉化為電壓信號，電流/電壓轉換電路可采用常用的跨導型 電流/電壓轉換電路，如圖4中電阻Rl和運放U1A所組成的一個跨導型電流/電壓轉換 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/電壓轉換系數過高，導致照射到光敏 二極管的背景光分量較強時，電流/電壓轉換電路輸出信號飽和，本實施例中R1取值為 50kQ 。 電流/電壓轉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境光信號 分量，自然環境光中特別是以陽光為主的環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光源的脈沖頻率同為f。的帶通濾波器對電流/電壓轉換電路的 輸出信號進行濾波處理，可抑制以直流和低頻信號為主的環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，達到最佳的抗環境光干 擾性能。圖4中電阻R2、 R3、 R4，電容C1、 C2和運放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 高通濾波網絡，進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放大倍數為l+R7/R5。 交流放大電路輸出信號采用全波整流電路進行全波整流，把交流信號中低于 信號地的部分翻轉后，再通過截至頻率較低的低通濾波器(本實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度成正比的輸出信號，該信號可提供給常規采 集系統采集。本發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。
權利要求
一種用于現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、發光元件、脈沖光源驅動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調理模塊，所述發光元件與所述脈沖光源驅動模塊連接，所述發光元件產生的光線通過所述光源濾光片照射到檢測水樣中，檢測水樣所產生的熒光和環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理模塊連接，所述信號調理模塊包括電流/電壓轉換電路、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. 根據權利要求1所述的一種用于現場水下熒光探頭的檢測電路，其特征是所述 脈沖光源驅動模塊的脈沖頻率與所述信號調理模塊中的帶通濾波電路的通帶中心頻率相 同。
3. 根據權利要求1所述的一種用于現場水下熒光探頭的檢測電路，其特征是所述 發光元件采用發光二極管。
4. 根據權利要求1所述的一種用于現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
本發明公開了一種用于現場水下熒光探頭的檢測電路，它包括光源濾光片、發光元件、脈沖光源驅動模塊、接收光濾光片、光敏元件、信號調理模塊，發光元件與脈沖光源驅動模塊連接，發光元件產生的光線通過光源濾光片照射到檢測水樣，檢測水樣產生的熒光和環境光通過接收光濾光片后照射到光敏元件，光敏元件與信號調理模塊連接，信號調理模塊包括電流/電壓轉換電路、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。本發明的優點是可著提高現場水下熒光探頭的檢測動態范圍，抗環境光干擾能力高。
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 優先權日2009年10月12日
發明者葉樹明, 周樂川, 楊俊毅, 潘建明 申請人:浙江大學