CN103674910A - 一种海洋叶绿素荧光原位监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可用于3000m水深的小型叶绿素荧光原位监测仪，采用激发光调制和同步检测技术，系统光路优化和低功耗电路设计，具有检测精度高、功耗低、抗环境光干扰等优点，可连接水下电池进行长期自容式工作或安装到拖体进行水下拖曳和垂直剖面调查，并可模块化集成到多参数系统、海洋浮标／潜标、海底观测网等第三方平台进行原位连续监测。可方便、快速地实现近岸到大洋不同海域叶绿素浓度的垂直和水平分布测定。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境原位监测领域，特别涉及一种海洋叶绿素荧光原位监测仪。
背景技术
叶绿素是海洋浮游藻类体内主要的光合色素，海洋浮游藻类的分布受海区温度、光照、营养盐含量、上升流和湍流等水体混合程度以及浮游动物摄食等诸多因素影响，测定叶绿素在不同海区分布及其季节变化特征具有重要的生态学意义。
目前藻类叶绿素测定主要采用萃取荧光法，该方法具有较高灵敏度，可以准确测定叶绿素含量，但是需要进行现场采样和样品预处理，耗时较长，整个过程中影响因素较多，且获得的数据量有限。1966年，Lorenzen提出了荧光法连续测量活体内叶绿素含量的方法，使海水叶绿素现场连续观测技术得到发展。叶绿素荧光法的发展趋势是现场荧光测量，观测方法有两种：一是基于调查船，将荧光计安装到拖体上以一定深度进行水平拖曳和波动拖曳，或在航行过程中连续采水由船上荧光计测定；二是基于海洋浮标、海底观测网络等技术进行长期原位动态监测，实现数据长距离实时传输。
因此设计一种小型、多用途、高性能的海洋叶绿素原位监测仪，满足不同海洋环境和调查条件使用需求，以实现不同海区叶绿素连续和实时动态监测对我国海洋环境调查具有重要意义。
发明内容
为解决现有技术的缺陷，本发明提供一种可用于3000m水深的叶绿素荧光原位监测仪，采用标准六芯水密接口，检测精度高、功耗低，可连接水下电池进行长期自容式工作或安装到拖体进行水下拖曳和垂直剖面调查，并可集成到多参数系统、海洋浮标／潜标、海底观测网等第三方平台进行原位连续监测。可方便、快速地实现近岸到大洋不同海域叶绿素浓度的垂直和水平分布测定。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于，包括以下部分：
(1)特定波长激发光源，所述两个特定波长激发光源在脉冲电流驱动下同步周期性发光，并由左右两侧平行相对照射外部样品感应室；
(2)光学检测系统，所述光学检测系统依次由石英玻璃窗口、双凸透镜一、干涉滤光片、双凸透镜二和光电感应器组成，用于接收样品荧光，实现光电信号转换；
(3)电源管理模块，所述电源管理模块用于整个系统电源管理，实现脉冲激发光源驱动，并为仪器信号采集、转换、调理、储存、通讯功能的实现提供电源；
(4)模拟电路模块，所述模拟电路模块采用激发光调制和开关检波同步解调微弱电流放大电路系统，实现微弱光电信号采集和调理，包括电流／电压转换、带通滤波、交流放大、开关滤波和低通滤波；
(5)数字电路模块，所述数字电路模块采用低功耗微处理器和外部电路优化设计，实现A／D转换、数据存储和通讯控制；
(6)耐高压密封舱，所述耐高压密封舱使用POM工程塑料加工制成，顶部石英玻璃窗口采用密封圈径向密封安装，底部连接水密接插件；
(7)水密接插件，所述水密接插件为深海用标准六芯水密接插件，用于仪器电气连接。
进一步，所述两个特定激发光源为直插式金属外壳球形发光二极管(LightEmitting Diode，LED)，峰值波长455nm-475nm，半强度角θ1／2=3°～10°，光辐射强度60mW／sr。
进一步，所述光学检测系统采用共轭聚焦光路设计，各光学元件中心同轴，两个LED激发光源照射形成的光柱与光学轴心垂直且所述激发光柱的中心位于双凸透镜一的外侧焦点处，光电感应器位于双凸透镜一和双凸透镜二的内侧焦点处。
进一步，所述干涉滤光片为带通滤光片，透过波长范围660nm-700nm，截至深度≥0D4。
进一步，所述光电感应器为低暗电流、大面积PN型硅光电二极管式传感器。
进一步，系统具有正常工作模式和低功耗休眠模式两种状态。
进一步，所述耐高压密封舱采用30MPa以上耐压机械结构设计，各部件使用密封圈径向密封，可用于0-3000m水深监测。
进一步，具有数据实时传输和水下自容式存储功能，可通过水下电缆连接PC机或便携式手持终端进行实时传输或者连接水下电池进行自容存储工作，数据保存至内部存储器，出水后进行数据下载，扩展了仪器的应用范围。
进一步，内部存储器为1M～4M Flash内存芯片，可存储40万组以上数据。
本发明的有益效果是：采用标准六芯水密接口，检测精度高、功耗低，可连接水下电池进行长期自溶式工作或安装到拖体进行水下拖曳和垂直剖面调查，并可模块化集成到多参数系统、海洋浮标／潜标、海底观测网等第三方平台进行原位连续监测。可方便、快速地实现近岸到大洋不同海域叶绿素浓度的垂直和水平分布测定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的光学检测示意图；
图3是本发明的检测部分机械结构示意图。
图1-3中，1、顶端遮光挡板，2、激发光源座，3、端盖，4、光学检测系统，5、壳体内部模拟电路模块，6、数字电路模块，7、电源管理模块，8、耐高压密封外壳，9、后盖，10、水密接插件，11、LED激发光源，12、光源窗口，13、检测窗口，14、双凸透镜一，15、干涉滤光片，16、双凸透镜二，17、光电感应器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，整体结构为圆柱体形(壳体长168mm，直径64mm)，主要组成部分包括：顶部两个激发光源座2，端盖3内部的光学检测系统4，壳体内部模拟电路模块5、数字电路模块6和电源管理模块7，以及耐高压密封外壳8、后盖9和水密接插件10。
仪器光学检测原理如图2所示，两个特定波长LED11同步周期性发出蓝色激发光，经光源窗口12射出，外部样品中叶绿素a分子受蓝光激发产生红色荧光，部分荧光进入光源垂直方向的共轭聚焦光学检测系统。依次经过石英玻璃窗口13、双凸透镜一14、干涉滤光片15、双凸透镜二16，汇聚于光电感应器17，成为检测信号，交由内部电路进行处理。
检测部分机械结构如图3所示，仪器顶端遮光挡板1通过不锈钢螺丝分别与两个激发光源座2相连，然后由内部螺丝左右对称安装到端盖3上部；光源安装方式为：先将470nm LED11安装到激发光源座2内部，然后用光源窗口12和密封圈与外界环境密封；激发光源座2和端盖3之间有连通的穿线孔，用于将LED电源线连接到壳体内的电路板；遮光挡板1、激发光源座2和端盖3所围成的外部空间组成样品感应室，为样品检测区域。
仪器光学检测系统4位于端盖3中心圆柱形空心槽内，从外到内依次由检测窗口13、双凸透镜一14、干涉滤光片15、双凸透镜二16和光电感应器17组成，感应室内样品在激发光照射下产生荧光，经透镜组汇聚和滤光片选择性透过，最后由光电感应器17接收，实现微弱荧光信号转换为电信号。
模拟电路模块5通过3个六角铜柱连接到端盖3底部，数字电路模块6和电源管理模块7依次通过六角铜柱连接，三块电路模块之间通过板上接插件实现电路连接。光电感应器17通过两芯屏蔽线连接到模拟电路模块5，实现光电信号采集，两个LED11分别与电源管理模块7连接，驱动光源脉冲发光。
所述模拟电路模块5用于光电转换模拟信号的接收和调理，包括电流／电压转换、带通滤波、交流放大、开关检波和低通滤波；所述数字电路模块6用于实现模拟／数字信号转换、数据存储、通讯等功能；所述电源管理模块7用于整个系统电源管理，实现脉冲激发光源驱动，并为仪器信号采集、转换、调理、储存、通讯等各种功能实现提供电源；
所述耐高压密封舱8、后盖9、端盖3使用POM工程塑料加工制成，端部石英玻璃检测窗口13采用密封圈密封安装，底部使用深海用水密接插件10连接到电源管理模块7，通过水密接插件10和水下电缆进行外部供电，并以RS-232通讯方式与PC机或数据采集系统连接获取实时数据；或通过水密接插件10接水下电池进行自主工作，数据存储于内部FLASH芯片。
传感器输出为A／D信号值，需进行校准，将信号值与样品叶绿素浓度建立关系。经测试本发明的测量范围为0.01-100μg／L。
显而易见，在不偏离本发明的真实精神和范围的前提下，在此描述的本发明可以有许多变化。因此，所有对于本领域技术人员来说显而易见的改变，都应包括在本权利要求书所涵盖的范围之内。本发明所要求保护的范围仅由所述的权利要求书进行限定。
Claims (9)
1.一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于，包括以下部分：
(1)特定波长激发光源，所述两个特定波长激发光源在脉冲电流驱动下同步周期性发光，并由左右两侧平行相对照射外部样品感应室；
(2)光学检测系统，所述光学检测系统依次由石英玻璃窗口、双凸透镜一、干涉滤光片、双凸透镜二和光电感应器组成，用于接收样品荧光，实现光电信号转换；
(3)电源管理模块，所述电源管理模块用于整个系统电源管理，实现脉冲激发光源驱动，并为仪器信号采集、转换、调理、储存、通讯功能的实现提供电源；
(4)模拟电路模块，所述模拟电路模块采用激发光调制和开关检波同步解调微弱电流放大电路系统，实现微弱光电信号采集和调理，包括电流／电压转换、带通滤波、交流放大、开关滤波和低通滤波；
(5)数字电路模块，所述数字电路模块采用低功耗微处理器和外部电路优化设计，实现A／D转换、数据存储和通讯控制；
(6)耐高压密封舱，所述耐高压密封舱使用POM工程塑料加工制成，顶部石英玻璃窗口采用密封圈径向密封安装，底部连接水密接插件；
(7)水密接插件，所述水密接插件为深海用小型标准六芯水密接插件，用于仪器电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于：所述两个特定激发光源为直插式金属外壳球形发光二极管(Light EmittingDiode，LED)，峰值波长455nm-475nm，半强度角θ1／2=3°～10°，光辐射强度60mW/sr。
3.根据权利要求1所述的一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于：所述光学检测系统采用共轭聚焦光路设计，各光学元件中心同轴，两个LED激发光源照射形成的光柱与光学轴心垂直且所述激发光柱的中心位于双凸透镜一的外侧焦点处，光电感应器位于双凸透镜一和双凸透镜二的内侧焦点处。
4.根据权利要求3所述的光学检测系统，其特征在于：所述干涉滤光片为带通滤光片，透过波长范围660nm-700nm，截至深度≥OD4。
5.根据权利要求3所述的光学检测系统，其特征在于：所述光电感应器为低暗电流、大面积PN型硅光电二极管式传感器。
6.根据权利要求1所述的一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于：具有正常工作模式和低功耗休眠模式两种状态。
7.根据权利要求1所述的一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于：所述耐高压密封舱采用30MPa以上耐压机械结构设计，各部件使用密封圈径向密封，可用于0-3000m水深监测。
8.根据权利要求1所述的一种海洋叶绿素荧光原位监测仪，其特征在于：具有数据实时传输和水下自容式存储功能，可通过水下电缆连接PC机或便携式手持终端进行实时传输或者连接水下电池进行自容存储工作，数据保存至内部存储器，出水后进行数据下载，扩展了仪器的应用范围。
9.根据权利要求8所述的内部存储器，其特征在于：内部存储器为1M～4MFlash内存芯片，可存储40万组以上数据。
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