CN105628635A - 一种基于锁相放大技术的水质分析仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于锁相放大技术的水质分析仪，属于水质分析领域。它解决了现有的基于朗伯比尔定律的水质分析仪体积大、功耗大和精度低的问题。它包括频率调制电路阵列、LED阵列、光束调节模块、水样室、测温模块、光电转换模块、锁相解调阵列、数据处理模块和显示模块；频率调制电路阵列驱动LED阵列，LED为光源，光束调节模块将LED阵列发出光波合为一束光波，并使其垂直射入水样室；光电转换模块将经水样室射入的一束光波转换为电信号；锁相解调阵列将该电信号分离为多个不同频率的电信号；数据处理模块用于将多个不同频率的电信号进行模数转换，并通过预设的算法得出水样中待测物质的浓度；显示模块显示待测物质的浓度；本发明用于水质分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种水质分析仪，属于水质分析领域。
背景技术
水质分析仪是对水中的有害物质进行分析的仪器。基于朗伯比尔吸收定律的光谱分析法作为一种新兴的水质分析方法，发展迅速。现有的基于朗伯比尔吸收定律的水质分析仪采用宽谱卤素灯作为检测光源，通过分光片和滤光片处理光信号，实现对多参数水质的分析。该类水质分析仪因采用宽谱卤素灯作为检测光源，体积大、功耗大。此外，该类设备因信噪比低，无法实现高精度的水质分析。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的基于朗伯比尔吸收定律的水质分析仪体积大、功耗大和分析精度低的问题，提出一种基于锁相放大技术的水质分析仪。
本发明所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，它包括频率调制电路阵列1、LED阵列2、光束调节模块3、水样室4、测温模块5、光电转换模块6、锁相解调阵列7、数据处理模块8和显示模块9；
频率调制电路阵列1包括多个并联的频率调制电路10，任意两个频率调制电路10的调制频率不同，每个频率调制电路10包括依次串联的频率调制激励单元、放大偏置单元和波形发生单元；
LED阵列2包括多个并联的LED11，任意两个LED11的发光波长不同，所述发光波长的范围为180nm至1200nm；
频率调制电路10的数量等于LED11的数量，多个频率调制电路10分别用于恒流驱动多个LED11；
水样室4用于存放待分析的水样；
多个LED11发出的多束光波被光束调节模块3耦合为一束光波，并垂直射入水样室4；
射入水样室4的光波经水样的透射，射入光电转换模块6；
光电转换模块6用于将射入的光波转换为电信号；
锁相解调阵列7包括多个并联的锁相解调电路12，多个锁相解调电路12的解调频率分别与多个频率调制电路10的调制频率相同，每个锁相解调电路12包括依次串联的前置放大单元、带通滤波单元、锁相放大单元和低通滤波单元；
多个锁相解调电路12用于将所述电信号分为多个电信号；
频率调制激励单元通过移相单元与低通滤波单元串联；
数据处理模块8包括物质浓度处理单元15和补偿单元16，物质浓度处理单元15用于将所述的多个电信号从模拟信号转换为数字信号，采集该数字信号，并通过预设的基于朗伯比尔吸收定律的算法，得出水样中待测物质的浓度，补偿单元16用于实现光强和温度的零点自动补偿；
测温模块5用于检测水样的温度，并将实时的水温数据发送至补偿单元16；
显示模块9为LCD，用于显示水样中待测物质的浓度。
每个频率调制电路10的调制频率的范围为10KHZ至40KHZ；
预设的基于朗伯比尔吸收定律的算法为公式(2)；
根据朗伯比尔吸收定律有公式(1)：
I＝Ioe-a(ν)CL≈Io[1-a(ν)CL](1)；
其中，I为入射水样室的光的强度；
Io为出射水样室的光的强度；
e为自然常数；
a(ν)为待测物质在频率ν时的吸收系数；
L为吸收路径的长度；
C为待测物质的浓度；
根据公式(1)，得出公式(2)：
本发明所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，采用LED作为检测光源，具有体积小和功耗小的优点，通过锁相解调阵列对电信号进行锁相放大，增大了信号的强度，提高了信噪比，分析精度高。
附图说明
图1为实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪的结构示意图；
图2为实施方式四中波形发生单元的电路原理图；
图3为实施方式五中锁相放大单元的电路原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，它包括频率调制电路阵列1、LED阵列2、光束调节模块3、水样室4、测温模块5、光电转换模块6、锁相解调阵列7、数据处理模块8和显示模块9；
频率调制电路阵列1包括多个并联的频率调制电路10，任意两个频率调制电路10的调制频率不同，每个频率调制电路10包括依次串联的频率调制激励单元、放大偏置单元和波形发生单元；
LED阵列2包括多个并联的LED11，任意两个LED11的发光波长不同，所述发光波长的范围为180nm至1200nm；
频率调制电路10的数量等于LED11的数量，多个频率调制电路10分别用于恒流驱动多个LED11；
水样室4用于存放待分析的水样；
多个LED11发出的多束光波被光束调节模块3耦合为一束光波，并垂直射入水样室4；
射入水样室4的光波经水样的透射，射入光电转换模块6；
光电转换模块6用于将射入的光波转换为电信号；
锁相解调阵列7包括多个并联的锁相解调电路12，多个锁相解调电路12的解调频率分别与多个频率调制电路10的调制频率相同，每个锁相解调电路12包括依次串联的前置放大单元、带通滤波单元、锁相放大单元和低通滤波单元；
多个锁相解调电路12用于将所述电信号分为多个电信号；
频率调制激励单元通过移相单元与低通滤波单元串联；
数据处理模块8包括物质浓度处理单元15和补偿单元16，物质浓度处理单元15用于将所述的多个电信号从模拟信号转换为数字信号，采集该数字信号，并通过预设的基于朗伯比尔吸收定律的算法，得出水样中待测物质的浓度，补偿单元16用于实现光强和温度的零点自动补偿；
测温模块5用于检测水样的温度，并将实时的水温数据发送至补偿单元16；
显示模块9为LCD，用于显示水样中待测物质的浓度。
本实施方式所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，对空载时的光波信号进行采集，并将该光波信号的强度作为零点值，从而实现了无需定标的光强零点自动补偿，避免了因光强随时间减小而导致的误差；另一方面，本实施方式所述的水质分析仪采用温度补偿技术除去了由于发生温度漂移而引起的干扰。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪的进一步限定，光束调节模块3包括均由石英制成的光合束器13和光准直器14；
光合束器13用于将多个LED11发出的多束光波耦合为一束光波，光准直器14用于调整该光波的传播方向，使其垂直射入水样室4。
本实施方式所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，光合束器和光准直器均采用石英制成，提高了光波的透射率，保证了光波的强度；光准直器使经光合束器合束的一束光波垂直射入水样室，避免了光波斜射入水样室而发生散射。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪的进一步限定，光电转换模块6采用由硅制成的宽谱光电二极管。
由硅制成的宽谱光电二极管具有暗电流小、低噪声、高带宽和灵敏度高等特点，能够保证光电转换模块对复合宽谱光源的检测能力。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪的进一步限定，波形发生单元采用型号为ICL8038的芯片。
通过调节滑动变阻器RW1、RW2、RW3和电容C3来改变输出信号的频率和相位，ICL8038芯片的温度稳定性小于50ppm/℃，失真度小于1％。
具体实施方式五：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪的进一步限定，锁相放大单元采用型号为AD630的芯片。
锁相放大单元采用AD630芯片将光电信号与参考信号进行锁相放大处理，输出相应频率下的被测光信号值。AD630锁相芯片带宽为2MHz，串扰为-120dB(1KHz)，失调电压为100μV。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪的进一步限定，数据处理模块8采用型号为STM32F4的处理器。
具体实施方式七：在实际检测分析时，根据待测物质的吸收波长选择作为检测光源的LED，例如：选择发光波长为210nm的LED作为硝氮的检测光源；选择发光波长为254nm的LED作为有机碳的检测光源；选择发光波长为1000nm的LED作为蛋白质的检测光源；此外，还需发光波长为550nm的LED作为补偿光源，用于除去水中杂质、气泡等干扰因素。
Claims (6)
1.一种基于锁相放大技术的水质分析仪，其特征在于：它包括频率调制电路阵列(1)、LED阵列(2)、光束调节模块(3)、水样室(4)、测温模块(5)、光电转换模块(6)、锁相解调阵列(7)、数据处理模块(8)和显示模块(9)；
频率调制电路阵列(1)包括多个并联的频率调制电路(10)，任意两个频率调制电路(10)的调制频率不同，每个频率调制电路(10)包括依次串联的频率调制激励单元、放大偏置单元和波形发生单元；
LED阵列(2)包括多个并联的LED(11)，任意两个LED(11)的发光波长不同，所述发光波长的范围为180nm至1200nm；
频率调制电路(10)的数量等于LED(11)的数量，多个频率调制电路(10)分别用于恒流驱动多个LED(11)；
水样室(4)用于存放待分析的水样；
多个LED(11)发出的多束光波被光束调节模块(3)耦合为一束光波，并垂直射入水样室(4)；
射入水样室(4)的光波经水样的透射，射入光电转换模块(6)；
光电转换模块(6)用于将射入的光波转换为电信号；
锁相解调阵列(7)包括多个并联的锁相解调电路(12)，多个锁相解调电路(12)的解调频率分别与多个频率调制电路(10)的调制频率相同，每个锁相解调电路(12)包括依次串联的前置放大单元、带通滤波单元、锁相放大单元和低通滤波单元；
多个锁相解调电路(12)用于将所述电信号分为多个电信号；
频率调制激励单元通过移相单元与低通滤波单元串联；
数据处理模块(8)包括物质浓度处理单元(15)和补偿单元(16)，物质浓度处理单元(15)用于将所述的多个电信号从模拟信号转换为数字信号，采集该数字信号，并通过预设的基于朗伯比尔吸收定律的算法，得出水样中待测物质的浓度，补偿单元(16)用于实现光强和温度的零点自动补偿；
测温模块(5)用于检测水样的温度，并将实时的水温数据发送至补偿单元(16)；
显示模块(9)为LCD，用于显示水样中待测物质的浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，其特征在于：光束调节模块(3)包括均由石英制成的光合束器(13)和光准直器(14)；
光合束器(13)用于将多个LED(11)发出的多束光波耦合为一束光波，光准直器(14)用于调整该光波的传播方向，使其垂直射入水样室(4)。
3.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，其特征在于：光电转换模块(6)采用由硅制成的宽谱光电二极管。
4.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，其特征在于：波形发生单元采用型号为ICL8038的芯片。
5.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，其特征在于：锁相放大单元采用型号为AD630的芯片。
6.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大技术的水质分析仪，其特征在于：数据处理模块(8)采用型号为STM32F4的处理器。
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