CN107796771A - 吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工业分析、医疗卫生、石油化工技术领域，具体涉及一种吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置及测量方法。本发明采用脉冲发生器驱动光功率驱动电路控制光源的方式消除外界杂散光强干扰，当脉冲信号波形为高电平时，光电检测器采集的光电转换数据为透射光强与外界杂散光强之和，当脉冲信号波形低电平时，光电检测器采集的光电转换数据为外界杂散光强，两者的差值为光源透射的光强，从而将外界杂散光强干扰去除。本发明解决了传统分光光度计无法实时消除外界杂散光干扰的问题，提高了传统分光光度计测量的可靠性；本发明所述的方法计算简单、实用、实时、有效，工程易实现，具有很强的实用性。

Description

吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置及测量方法
技术领域
本发明涉及工业分析、医疗卫生、石油化工技术领域，具体涉及一种吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置及测量方法。
背景技术
杂散光是指是指检测器在给定标称波长(测定所选择的波长)处所接收的辐射线中，除了入射辐射以外，还夹杂有不属于入射辐射的光辐射或入射光束带通以外的光辐射。杂散光对测量结果的误差影响随着吸光度值的变化而变化，杂散光的吸光度值越小，造成的误差就越小，由此可见外界杂散光给分光光度计测量带入的误差不可低估。
传统的单光束分光光度计在光进入待测溶液前即完成光路部分的处理，但由于在前期对光进行处理，使得进入待测溶液的光强减弱，同时可能带入杂散光，且存在杂散光不能抵消的问题，使得分析误差较大，影响测量结果的准确性。
现存大多是将采集好的样品带入实验室再用分光光度计进行测量，很少存在可以在野外使用的分光光度计，因而限制了分光光度计在野外的生存能力和适用范围；并且其只在初始化校准时检测一次外界杂散光强干扰信号，无法实时消除外界杂散光干扰，而在后续参考信号和样品信号的检测中无法检测外界干扰信号，由于参考信号、样品信号、外界杂散光强干扰信号是在不同时刻进行检测，当测量过程中外界环境光强发生变化，便会产生测量误差。
随着分光光度计的发展，相继出现准双光束分光光度计和双光束分光光度计。准双光束分光光度计有两束光，一个比色皿，一个或两个光电转换器。目前国内外用户使用的准双光束分光光度计主要是两束单色光，一个比色皿，两个光电转换器组成的。一束光通过比色皿，一束光不通过，不通过比色皿的那束光主要是抵消光源波动对分析误差的影响。这样可以解决单光束分光光度计引入杂散光的问题，但是同时也使得分光光度计仪器的体积和价格变高，并且降低了仪器在野外对样品的现场分析能力。
由于野外、现场等分析测试的需要，在追求准确、快速、可靠的同时，小型化、智能化、便携化、网络化成为分光光度计新的增长点，所以必须采用恰当的方法消除外界杂散光对测量吸光度造成的干扰。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置及测量方法，具体技术方案如下：
吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置包括微处理系统、光功率驱动电路、光源、样品池、光电检测器；所述光功率驱动电路、光源、样品池、光电检测器依次连接，所述微处理系统分别与光电检测器、光功率驱动电路连接，所述微处理系统用于产生驱动光功率驱动电路的信号和接收光电检测器输出的信号并将该信号进行A/D转换；所述光功率驱动电路用于给光源提供稳定的驱动电流；所述光源用于提供光信号；所述样品池用于装样品液以便吸收光信号；所述光电检测器用于接收并检测经过样品池吸收后输出的光信号。
进一步，所述微处理系统包括A/D转换器和脉冲发生器；所述光电检测器与A/D转换器连接，脉冲发生器与光功率驱动电路连接；所述A/D转换器用于将光电检测器输出的光电信号进行A/D转换；所述脉冲发生器用于产生驱动光功率驱动电路的脉冲信号。
进一步，还包括屏蔽盒，所述光源、样品池、光电检测器放置于屏蔽盒内部。
吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的测试方法包括以下步骤：
（1）微处理系统控制脉冲发生器产生脉冲信号；
（2）脉冲信号激发光功率驱动电路；
（3）光功率驱动电路控制光源；
（4）样品池的样品吸收光源发出的光信号；
（5）光电检测器接收经样品池的样品吸收后输出的光信号；
（6）在脉冲信号为高电平时光源点亮，光电检测器检测到的光强为：，其中，为透射光的光强，为外界杂散光的强度；
（7）在脉冲信号为低电平时光源熄灭，光电检测器检测到的光强为：；
（8）A/D转换器将光电检测器输送来的光信号检测值进行转换并将转换后的结果送入微处理系统；
（9）微处理系统处理后得到实际的透射光的光强：。
进一步，所述脉冲信号的占空比设置为50%。
进一步，所述脉冲信号的最高频率设置为：，其中，为微处理系统产生稳定脉冲信号所需时间，为光功率驱动电路稳定工作所需时间，为光源亮度恒定所需时间，为光电检测器稳定工作所需时间，为A/D转换器的最小采样时间，为信号在电路中的延迟时间。
本发明的有益效果：
（1）本发明提高了分光光度计在野外的快速部署能力，扩展了分光光度计的应用范围；
（2）本发明解决了传统分光光度计无法实时消除外界杂散光干扰的问题，提高了传统分光光度计测量的可靠性；
（3）本发明可最大程度减小外界杂散光对测量吸光度的影响，提高了系统的测量准确性；
（4）本发明所述方法计算简单、实用、实时、有效，工程易实现，具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明中的吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中的光功率驱动电路的连接示意图；
图3为本发明中实施例中的光电检测器电源抑制比与频率的特性曲线示意图；
图4为本发明中实施例中的光电检测器光谱响应特性曲线示意图；
图5为采用本发明中吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的测试方法测得的在不同杂散光强度下入射光强的变化示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置包括微处理系统、光功率驱动电路、光源、样品池、光电检测器；光功率驱动电路、光源、样品池、光电检测器依次连接，微处理系统分别与光电检测器、光功率驱动电路连接。
吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置还包括屏蔽盒，光源、样品池、光电检测器放置于屏蔽盒内部，光功率驱动电路、微处理系统放置于屏蔽盒的外部，屏蔽盒保证了光电检测器不会因接收到太多外界杂散光强而处于饱和状态。
微处理系统用于产生驱动光功率驱动电路的信号和接收光电检测器输出的信号并将该信号进行A/D转换。在本实施例中，微处理系统采用STM32F103ZET6单片机，微处理系统包括A/D转换器和脉冲发生器；光电检测器与A/D转换器连接，脉冲发生器与光功率驱动电路连接。A/D转换器用于将光电检测器输出的光电信号进行A/D转换；脉冲发生器用于产生驱动光功率驱动电路的脉冲信号。脉冲发生器在配置好STM32F103ZET6单片机定时器的情况下，产生符合要求的脉冲波形，用于控制光功率驱动电路，频率大小需要根据该装置各模块的性能确定。本实例中将脉冲发生器的频率设置为100Hz，占空比为50%。脉冲发生器的产生的脉冲信号的占空比可调。
光功率驱动电路用于在脉冲发生器的作用下，给光源提供稳定的驱动电流，保证光源输出的光强稳定，该光功率驱动电路具有良好温度稳定性，即提供给光源的脉动直流电流大小几乎不受使用环境温度与光源负载大小的影响。在光源的脉动直流电流工作点恒定的情况下，发光二极管或激光二极管光源的发光功率与驱动脉冲的脉冲占空比呈线性的正比例关系。在本实施例中，光功率驱动电路包括TL431稳压源和NPN三极管，具体电路图如图2所示，其中微处理系统与电阻R4连接，电阻R4与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极分别与电阻R2、电阻R3连接，三极管Q2的发射极接地；电阻R3与电源VCC连接；稳压源U1的阳极接地，稳压源U1的阴极分别与三极管Q1的基极、电阻R2连接，稳压源U1的参考极与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的发射极与电位器R5连接，电位器R5接地，三极管Q1的集电极与光源二极管P1的负极连接，光源二极管P1的正极与电源VCC连接；电阻R2分别与电阻R3、三极管Q2的集电极连接。
稳压源U1与三极管Q1相连构成恒流源，通过改变电位器R5的阻值调整流过LED光源P1的电流大小，使电流值落在LED光源正常工作范围内，三极管Q2作为电子开关与微处理系统相连，根据微处理系统所发出的脉冲信号控制恒流源的开断，从而实现脉冲信号恒流驱动LED光源P1。其中：电源VCC=5V，电阻R2=R4=1KΩ，电阻R3=100Ω，电阻R5的调节范围为0-100KΩ，三极管Q1的型号为9013，三极管Q2的型号为S8050，稳压源U1的型号为TL431。
光源用于提供光信号，同一物质对不同波长的光源吸光度均不一样，若光源中夹杂着不同波长的光，会使实验的结果产生较大的误差。在本发明中，光源采用单色发光二极管。
样品池用于装样品液以便吸收光信号，在本实施例中，样品池采用石英比色皿，用于装样品液。
光电检测器用于接收并检测经过样品池吸收后输出的光信号，光电检测器利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。本实例采用了精度和稳定性较好的TSL257集成光电检测器，用于对经样品池样品吸收后输出的单色光进行光电转换并将其送入微处理系统的A/D转换器的输入端。
光电检测器电源抑制比与频率的特性曲线参见图3，随着频率的增加，TSL257的电源抑制比呈线性下降，在5kHz附近达到最小值，此时器件性能最差。虽然超过5kHz之后，电源抑制比有所提升，但考虑到微处理器A/D转换器的采样率问题，本实例中将脉冲发生器的频率设置为100Hz，此时该光电检测器的电源抑制比约为55dB。光电检测器的光谱响应特性如图4所示，光波长在700nm处，检测器的光谱响应特性最高，因此本实例中选用了波长范围在610nm~760nm内的红色发光二极管作为光源。
吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的测试方法包括以下步骤：
（1）微处理系统控制脉冲发生器产生脉冲信号，脉冲信号的占空比设置为50%；
（2）脉冲信号激发光功率驱动电路；
（3）光功率驱动电路控制光源；
（4）样品池的样品吸收光源发出的光信号；
（5）光电检测器接收经样品池的样品吸收后输出的光信号；
（6）在脉冲信号为高电平时光源点亮，光电检测器检测到的光强为：，其中，为透射光的光强，为外界杂散光的强度；
（7）在脉冲信号为低电平时光源熄灭，光电检测器检测到的光强为：；
（8）A/D转换器将光电检测器输送来的光信号检测值进行转换并将转换后的结果送入微处理系统；
（9）微处理系统处理后得到实际的透射光的光强：。
其中，脉冲信号的最高频率设置为：，其中，为微处理系统产生稳定脉冲信号所需时间，为光功率驱动电路稳定工作所需时间，为光源亮度恒定所需时间，为光电检测器稳定工作所需时间，为A/D转换器的最小采样时间，为信号在电路中的延迟时间。在本实施例中，脉冲信号的频率为100Hz。
本发明采用脉冲发生器驱动光功率驱动电路控制光源的方式消除外界杂散光强干扰，当脉冲信号波形为高电平时，光电检测器采集的光电转换数据为透射光强与外界杂散光强之和，当脉冲信号波形低电平时，光电检测器采集的光电转换数据为外界杂散光强。两者的差值为光源透射的光强，将外界杂散光强干扰去除。
因此当外界杂散光强变大，即干扰增强的时候，得到的透射光强电压数据应不发生改变。实验中，利用手机的闪光灯以不同的距离接近屏蔽盒，模拟不同的外界杂散光强干扰，测试了几组不同光强影响下系统测量的透射光的强度变化数据，如表1所示，具体参见图5，可以得到随着外界杂散光强的增加，测量的透射光的光强有左右的波动，相对误差在内；与外界杂散光强的变化相比，这种变化非常的小，从而印证了本发明实时消除外界杂散光干扰的能力。
表1不同杂散光强干扰下透射光的强度明细
本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置，其特征在于：包括微处理系统、光功率驱动电路、光源、样品池、光电检测器；所述光功率驱动电路、光源、样品池、光电检测器依次连接，所述微处理系统分别与光电检测器、光功率驱动电路连接，所述微处理系统用于产生驱动光功率驱动电路的信号和接收光电检测器输出的信号并将该信号进行A/D转换；所述光功率驱动电路用于给光源提供稳定的驱动电流；所述光源用于提供光信号；所述样品池用于装样品液以便吸收光信号；所述光电检测器用于接收并检测经过样品池吸收后输出的光信号。
2.根据权利要求1所述的吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置，其特征在于：所述微处理系统包括A/D转换器和脉冲发生器；所述光电检测器与A/D转换器连接，脉冲发生器与光功率驱动电路连接；所述A/D转换器用于将光电检测器输出的光电信号进行A/D转换；所述脉冲发生器用于产生驱动光功率驱动电路的脉冲信号。
3.根据权利要求1所述的吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置，其特征在于：还包括屏蔽盒，所述光源、样品池、光电检测器放置于屏蔽盒内部。
4.采用如权利要求1-3任一所述的吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）微处理系统控制脉冲发生器产生脉冲信号；
（2）脉冲信号激发光功率驱动电路；
（3）光功率驱动电路控制光源；
（4）样品池的样品吸收光源发出的光信号；
（5）光电检测器接收经样品池的样品吸收后输出的光信号；
（6）在脉冲信号为高电平时光源点亮，光电检测器检测到的光强为：，其中，为透射光的光强，为外界杂散光的强度；
（7）在脉冲信号为低电平时光源熄灭，光电检测器检测到的光强为：；
（8）A/D转换器将光电检测器输送来的光信号检测值进行转换并将转换后的结果送入微处理系统；
（9）微处理系统处理后得到实际的透射光的光强：。
5.根据权利要求4所述的吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的测试方法，其特征在于：所述脉冲信号的占空比设置为50%。
6.根据权利要求4所述的吸收类分析仪器消除外界杂散光干扰的装置的测试方法，其特征在于：所述脉冲信号的最高频率设置为：，其中，为微处理系统产生稳定脉冲信号所需时间，为光功率驱动电路稳定工作所需时间，为光源亮度恒定所需时间，为光电检测器稳定工作所需时间，为A/D转换器的最小采样时间，为信号在电路中的延迟时间。
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