一種高精度在線熒光檢測器及其檢測方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種檢測器，具體設及一種高精度在線巧光檢測器及檢測方法。
【背景技術】
[0002] 錠氮是水體中最重要的無機氮形態，它可被水體中的浮游植物直接利用，其它形 態的氮首先需轉化為錠氮才能被浮游植物利用。水體中錠氮含量過高，會毒害水生生物甚 至破壞水體生態平衡；含量過低，可能會抑制浮游植物的生長，影響水域的初級生產力，進 而影響水生生態系統平衡。準確測定水體中錠氮的含量，是了解水體水質情況、預測水域生 產力狀況所必須的。事實上，錠氮是國家地表水環境質量標準（GB3838-2002)、海水水質標 準佑B3097-1997)等標準中要求測定的基本項目之一。
[0003] 錠氮巧光檢測方法是近年來廣受關注的可測定痕量級別錠氮濃度的方法，是最有 潛力發展成在線檢測的方法。環境監測的發展趨勢為現場獲取數據，W期提高檢測效率， 避免從采樣點到實驗室運輸過程中樣品的巧污問題。因此，基于錠氮巧光檢測方法與流動 注射分析方法，研制可用于現場分析的小型化錠氮在線巧光檢測器有很大的開發前景。目 前的錠氮在線巧光檢測技術均基于鄰苯二甲醒（o-phthaldialdehyde，簡稱OPA)法、采用 大型的通用儀器在實驗室進行分析，尚缺少可應用于環境監測現場的低成本、小型化的錠 氮在線巧光檢測器。而基于0PA法研制檢測器需選用波長位于紫外區的激發光源，開發存 在很大困難，且尚缺少基于4, 5-二甲氧基鄰苯二甲醒（4-metho巧地thalaldehyde，簡稱 M2〇pa)法、激發光源波長位于可見光區的錠氮在線檢測器。
【發明內容】
[0004] 為解決W上問題，本發明基于M2〇pa法與流動注射分析方法，提供一種高精度在線 巧光檢測器，其激發光源波長位于中屯、波長在390~400nm之間的可見光區，可用于現場監 巧。，且成本低、體積小。由于巧光光強與錠氮濃度成正比，本發明設計的在線巧光檢測器通 過檢測巧光光強來定量待測液的錠氮濃度。
[0005] 本發明的高精度在線巧光檢測器包括光電傳感器模塊、信號處理模塊、等精度測 頻模塊、USB-串口轉換模塊、電源模塊五個模塊和上位機。光電傳感器模塊與信號處理模 塊連接，信號處理模塊的輸出端連接至等精度測頻模塊，等精度測頻模塊再通過下位機連 接USB-串口轉換模塊，USB-串口轉換模塊與上位機連接，電源模塊分別連接著光電傳感器 模塊、信號處理模塊、等精度測頻模塊和USB-串口轉換模塊，為該些模塊供電。
[0006] 所述光電傳感器模塊包括激發光源、流通池、3個凸透鏡、1個窄帶濾光片、娃光電 二極管。為了提高檢測器的靈敏度，激發光源的光要盡可能多地照射待測溶液，W期激發出 更多的巧光；同時，激發出的巧光要盡可能多地進入娃光電二極管。本發明在如下兩個方面 做出改進；1)選用兩個LED相對放置，提高激發光源的強度。2)使用凸透鏡會聚激發光源 的光線。選擇好凸透鏡1、2的放置位置，使其焦點均位于模塊盒凹槽的中屯、，即流通池透光 區域的中屯、。凹槽長寬均為15mm，放置LED的小孔的直徑為10. 5mm，而凸透鏡1、2的焦距 為7mm，直徑為10mm，因此只需要將凸透鏡1、2直接放置于小孔靠近凹槽一側的邊緣位置， 便可保證焦距位置接近凹槽中屯、。放置好凸透鏡1、2后，將L邸固定在中空螺絲中，旋入模 塊盒壁上的小孔。該樣做既能靈活地調整L邸的位置，又避免了外界自然光的干擾。同時， 為了使巧光盡可能多地進入娃光電二極管，還將凸透鏡3緊貼流通池透光口放置，將娃光 電二極管的感光區域置于凸透鏡的焦點處，利用凸透鏡會聚光線。為了避免干擾，保證激發 光源的光要盡可能少地進入娃光電二極管，本發明還在如下兩個方面做出改進；1)將兩個 激發光源均垂直于娃光電二極管放置，并使用凸透鏡會聚激發光源的光線。2)在一小塊黑 色電膠布上掏出與娃光電二極管感光區域尺寸相同的方形孔洞，將娃光電二極管包裹，只 露出感光區域；同時將窄帶濾光片緊貼在娃光電二極管前，確保只讓通過濾光片之后的光 射入感應窗口。
[0007] 所述信號處理模塊包括放大電路、濾波電路、壓頻轉換電路和光禪隔離電路。其中 放大電路、濾波電路和壓頻轉換電路的設計參照公開號為CN20336496抓所公開的技術方 案；基于等精度測頻的光信號檢測裝置。為了避免模擬電路對數字電路產生干擾，選用高速 線性光禪6N137搭建光禪隔離電路將兩者隔開，使兩部分電路之間沒有電的直接連接。與 未采用光禪隔離器的電路相比，系統信噪比顯著提高，效果明顯。
[000引所述等精度測頻模塊使用STM32作為微控制器對信號處理模塊輸出的頻率進行 等精度測量，其設計參照公開號為CN20336496抓所公開的技術方案；基于等精度測頻的光 信號檢測裝置。該模塊在硬件上由STM32F103RBT6及其外圍電路組成，燒入下位機程序后 實現等精度測頻。通用定時器2的通道3 (TIM2_CH3)產生參考脈沖F。，從該一通道對應的 管腳PA2輸出述用定時器4的通道2(TIM4_OE)對F。進行計數，硬件上該一通道的對應 管腳PB7與PA2相連；高級定時器1的通道1 (TIM1_CH1)對待測脈沖F進行計數，硬件上 該一通道的對應管腳PA8與光電傳感器模塊的輸出相連。
[0009] 所述USB-串口轉換模塊為上、下位機的通信進行TTL電平和RS-232電平的轉換。 USB-串口轉換模塊的主要巧片為化2303，PL2303的1管腳TXD與STM32F103RBT6的43管 腳RXD相連，化2303的5管腳RXD與STM32F103RBT6的42管腳TXD相連，實現USB-串口 轉換。
[0010] 所述電源模塊可采用9V電源適配器、9V紐扣電池或USB接口作為電源。檢測器的 光電傳感器模塊需要3. 3V電壓驅動LED;信號處理模塊的AD795、AD706和AD650巧片均需 要± 15V電壓供電；等精度測頻模塊的STM32F103RBT6巧片需要3. 3V電壓供電；USB-串口 轉換模塊的化2303巧片需要5V電壓供電。電源模塊的設計參照公開號為CN203981587U 所公開的技術方案；便攜式錠氮巧光檢測儀。
[0011] 所述上位機劃分為W下幾個模塊；人機界面、串口通信模塊、數據處理模塊、顯示 繪圖模塊和數據存儲模塊。
[0012] 除光電傳感器模塊外，信號處理模塊、等精度測頻模塊、USB-串口轉換模塊及電源 模塊均集成在一塊PCB主板上。最后將光電傳感器模塊和主板放置在機箱中，組裝為一臺 錠氮在線巧光檢測器。
[0013] 本發明的另一個目的是提供一種利用高精度在線巧光檢測器進行檢測的方法，該 方法包括如下主要步驟：
[0014] 1)光電傳感器模塊中的激發光源發出的光經凸透鏡聚光后照射至流通池中的待 測溶液，溶液中的錠氮巧光產物受激發而發出巧光，巧光經另一凸透鏡會聚和窄帶濾光片 濾光后射入娃光電二極管感光區域，巧光信號被娃光電二極管轉換為弱電流信號后，輸出 至信號處理模塊；
[0015] 2)信號處理模塊將弱電流信號通過放大電路轉換為一個較大的直流電壓信號，然 后經濾波電路濾除其中的干擾信號，濾波后的直流電壓信號被壓頻轉換電路轉換為頻率信 號，最后頻率信號經光禪隔離電路輸出至等精度測頻模塊；
[0016] 3)等精度測頻模塊采用等精度頻率測量方法，對頻率進行等精度測量，然后對測 量結果進行處理，剔除粗大誤差并取均值，得到檢測器所需數據；最后將數據發送至上位 機；
[0017] 4)USB-串口轉換模塊對數據進行TTL電平和RS-232電平的轉換，實現上、下位機 的通