一種高精度在線熒光檢測器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種檢測器，具體涉及一種高精度在線熒光檢測器。
【背景技術】
[0002] 銨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銨氮才能被浮游植物利用。水體中銨氮含量過高，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。準確測定水體中銨氮的含量，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，銨氮是國家地表水環境質量標準（GB 3838-2002)、海水水質標 準（GB 3097-1997)等標準中要求測定的基本項目之一。
[0003] 銨氮熒光檢測方法是近年來廣受關注的可測定痕量級別銨氮濃度的方法，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，以期提高檢測效率， 避免從采樣點到實驗室運輸過程中樣品的玷污問題。因此，基于銨氮熒光檢測方法與流動 注射分析方法，研制可用于現場分析的小型化銨氮在線熒光檢測器有很大的開發前景。目 前的銨氮在線焚光檢測技術均基于鄰苯二甲醛（ 〇-phthaldialdehyde，簡稱0ΡΑ)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、小型化的銨 氮在線熒光檢測器。而基于OPA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_二甲氧基鄰苯二甲醛（4-methoxyphthalaldehyde，簡稱 M2OPA)法、激發光源波長位于可見光區的銨氮在線檢測器。 【實用新型內容】
[0004] 為解決以上問題，本實用新型基于M2OPA法與流動注射分析方法，提供了一種高精 度在線熒光檢測器，可用于現場監測，且成本低、體積小。由于熒光光強與銨氮濃度成正比， 本實用新型設計的在線熒光檢測器通過檢測熒光光強來定量待測液的銨氮濃度。
[0005] 本實用新型的高精度在線熒光檢測器包括含有下位機的等精度測頻模塊，還包括 光電傳感器模塊、信號處理模塊、USB-串口轉換模塊、電源模塊和上位機；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，為這些模塊供 電；
[0006] 光電傳感器模塊中，兩個激發光源分別放置在流通池的兩側，凸透鏡1、凸透鏡2 的焦點位于模塊盒凹槽的中心，凸透鏡3緊貼流通池透光口放置，硅光電二極管的感光區 域置于凸透鏡的焦點處，同時利用具有方形孔洞的黑色電膠布將硅光電二極管包裹，只露 出感光區域；濾光片緊貼在硅光電二極管前。
[0007] 進一步地，所述激發光源為中心波長在390~400nm之間的可見光。
[0008] 進一步地，所述濾光片為窄帶濾光片。
[0009] 進一步地，所述信號處理模塊包括放大電路、濾波電路、壓頻轉換電路和光耦隔離 電路，各電路順序連接。
[0010] 進一步地，所述光耦隔離電路使用高速線性光耦6N137搭建。
[0011] 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、硅光電 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，以期激發出 更多的熒光；同時，激發出的熒光要盡可能多地進入硅光電二極管。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心，即流通池透光 區域的中心。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心。放置好凸透鏡1、2后，將LED固定在中空螺絲中，旋入模 塊盒壁上的小孔。這樣做既能靈活地調整LED的位置，又避免了外界自然光的干擾。同時， 為了使熒光盡可能多地進入硅光電二極管，還將凸透鏡3緊貼流通池透光口放置，將硅光 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硅光電二極管，本發明還在如下兩個方面做出改進：1)將兩個 激發光源均垂直于硅光電二極管放置，并使用凸透鏡會聚激發光源的光線。2)在一小塊黑 色電膠布上掏出與硅光電二極管感光區域尺寸相同的方形孔洞，將硅光電二極管包裹，只 露出感光區域；同時將窄帶濾光片緊貼在硅光電二極管前，確保只讓通過濾光片之后的光 射入感應窗口。
[0012] 所述信號處理模塊包括放大電路、濾波電路、壓頻轉換電路和光耦隔離電路。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CN203364965U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 線性光耦6N137搭建光耦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 未采用光耦隔離器的電路相比，系統信噪比顯著提高，效果明顯。
[0013] 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CN203364965U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 (HM2_CH3)產生參考脈沖F。，從這一通道對應的 管腳PA2輸出；通用定時器4的通道2 (I1M4_CH2)對F。進行計數，硬件上這一通道的對應 管腳PB7與PA2相連；高級定時器1的通道I (I1M1_CH1)對待測脈沖行計數，硬件上 這一通道的對應管腳PA8與光電傳感器模塊的輸出相連。
[0014] 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芯片為PL2303，PL2303的1管腳TXD與STM32F103RBT6的43管 腳RXD相連，PL2303的5管腳RXD與STM32F103RBT6的42管腳TXD相連，實現USB-串口 轉換。
[0015] 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芯片均需 要± 15V電壓供電；等精度測頻模塊的STM32F103RBT6芯片需要3. 3V電壓供電；USB-串口 轉換模塊的PL2303芯片需要5V電壓供電。電源模塊的設計參照CN203981587U :便攜式銨 氮熒光檢測儀。
[0016] 所述上位機劃分為以下幾個模塊：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。
[0017] 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 銨氮在線熒光檢測器。
[0018] 本實用新型可應用于環境監測現場，具有選擇性好、靈敏度較高、響應速度快、穩 定性好、成本低等優點，具有良好的基線穩定性和對恒定信號響應穩定性，能準確測量銨氮 濃度在〇. 25~12 μ mol/L范圍內的水樣，與RF-5301PC型熒光檢測儀的測定結果顯著相 關；可應用與實際水體中銨氮濃度的測定，與RF-5301PC型熒光檢測儀具有可比性，具有一 定的準確性。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本實用新型的總體結構框圖；
[0020] 圖2為本實用新型的光電傳感器模塊俯視剖圖；
[0021] 圖3為本實用新型中的上位機軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0022] 如圖1，本發明的痕量銨氮的可見光區在線熒光檢測器由光電傳感器模塊、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組成。光電傳感 器模塊包括在線檢測專用的流通池、激發光源、硅光電二極管、3個凸透鏡和1個窄帶濾光 片。兩個激發光源發出的光分別經凸透鏡1、2聚光后共同照射至流通池中的待測溶液，溶 液中的銨氮熒光產物受激發而發出熒光，熒光經凸透鏡3會聚和窄帶濾光片濾光后射入硅 光電二極管感光區域，熒光信號被硅光電二極管轉換為弱電流信號后，輸出至信號處理模 塊。該模塊的俯視剖圖如圖2所示。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，最后頻率信號經光耦隔離電路輸出至等精度測頻模塊。等精 度測頻模塊采用等精度頻率測量方法，使用STM32作為微控制器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。USB-串口轉換模塊進行TTL電平和RS-232電平的轉換，實現上、下位機的通信。 電源模塊采用9V電源適配器、9V紐扣電池或USB接口為以上各模塊提供電能。最后，上位 機對等精度測頻模塊發送來的頻率數據進行接收、處理、顯示和儲存。首先接收從等精度測 頻模塊發送、經USB-串口轉換模塊轉換的數據，再對數據進行調零處理，然后實時顯示數 據、計算峰值并繪圖，最后對數據進行存儲。
[0023] 光電傳感器模塊各部件的具體介紹如下：
[0024] 流通池使用RF-5301PC型熒光分光光度計配套的流通